機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制復(fù)習(xí)題

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制題庫一、 概念題（每小題 5 分，共 20 分）1、單位階躍序列的z變換：Y(z)= 2、最少拍系統(tǒng)：使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短（使用最少幾個(gè)采樣周期就能完成過渡過程）的控制系統(tǒng)。3、有限拍無紋波設(shè)計(jì)與有限拍有紋波設(shè)計(jì)唯一不同之處：有限拍無紋波要求Gc（z）的零點(diǎn)包含HG(z)的全部零點(diǎn) (有紋波：只要求包含HG(z)單位圓上/圓外零點(diǎn))4、振鈴現(xiàn)象：（雖然閉環(huán)系統(tǒng)輸出較快地趨向于穩(wěn)態(tài)值）數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出u(kT)以2T為周期上下擺動。二、計(jì)算題（每小題10 分，共30分）1. 1. 試求下列函數(shù)的z變換: 2. 試求下列函數(shù)的z反變換:(若用長除法,取前5

2、項(xiàng))F(z)=得 分閱卷人裝訂線答題不要超過此線三、分析題。（每小題 10分，共30分）1、 如何采用擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)？步驟： 選合適的采樣周期，調(diào)節(jié)器只用比例Kp Kp由小到大直到出現(xiàn)等幅振蕩，記下臨界振蕩周期Ts和此時(shí)臨界振蕩增益Ks 選擇控制度 控制度=1.05 兩者相等 控制度=2.0 數(shù)字調(diào)節(jié)器要差一些 按 “擴(kuò)充臨界比例度法PID參數(shù)計(jì)算公式”(P165表5.2)，選擇T, Kp, Ti, Td 。 投運(yùn)并微調(diào)一下。2、 采樣周期過大、過小分別有什么不利影響？采樣周期過大：信號的保真性下降，系統(tǒng)穩(wěn)定性會變糟，快速性也自然會變壞。采樣周期過?。赫{(diào)節(jié)過程非線性加大。3、

3、積分分離PID算法有何優(yōu)點(diǎn)?如何實(shí)現(xiàn)?優(yōu)點(diǎn)：既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量。利用一個(gè)系數(shù)Kl乘到積分項(xiàng)上：偏差較小時(shí)：K=1有積分偏差較大時(shí)：K=0無積分得 分閱卷人四、綜合題（每小題 10分，共20分）用計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一單閉環(huán)原料油加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，參考圖4-1。圖4-1是用溫度調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)。要求回答以下問題： 圖 4-1 原料油加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)示意圖1、 畫出計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖(包括采樣保持)，簡述系統(tǒng)工作原理。2、 簡述：整定PID參數(shù)時(shí)，穩(wěn)定裕量為什么不能過大過??？答：穩(wěn)定裕量過大，系統(tǒng)響應(yīng)會出現(xiàn)緩慢爬升并且有較大的穩(wěn)態(tài)誤差，從而影響系統(tǒng)快速性和準(zhǔn)確性

4、；穩(wěn)定裕量過小，系統(tǒng)響應(yīng)會出現(xiàn)較長時(shí)間、較劇烈的衰減振蕩，這樣不光超調(diào)量大而且回到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長，從而也會影響系統(tǒng)快速性和準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷一答案一、簡答題（每小題5分，共50分）1、 畫出典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖。答：典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖如下： 2、 根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為哪幾種類型？答：根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類型。(1) 周期采樣 指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，也稱為普通采樣。(2) 同步采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同且同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱為同步采樣。(3) 非同步采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同但

5、不同時(shí)開閉，則稱為非同步采樣。(4) 多速采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，每個(gè)采樣開關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。(5) 隨機(jī)采樣若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等，則稱為隨機(jī)采樣。3、 簡述比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的作用。答：(1)比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)KP可以減小靜差，但是KP過大時(shí)，會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分調(diào)節(jié)器

6、：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。積分時(shí)間常數(shù)TI大，則積分作用弱，反之強(qiáng)。增大TI將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分調(diào)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。(3)微分調(diào)節(jié)器：為加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。4、 系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？答：線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是： 閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模zi1

7、，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于z平面的單位圓內(nèi)。5、 為什么會出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象？答：當(dāng)給定值發(fā)生很大躍變時(shí)，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大(由于積分項(xiàng)的系數(shù)一般小得多，所以積分部分的增量相對比較小)。如果該計(jì)算值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想，其中計(jì)算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。6、 什么是振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？答：所謂振鈴(Ringing)現(xiàn)象，是指數(shù)字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象。第一種方法是先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=

8、-1附近的極點(diǎn))，然后令其中的z=1，根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。第二種方法是從保證閉環(huán)系統(tǒng)的特性出發(fā)，選擇合適的采樣周期T及系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)Tc，使得數(shù)字控制器的輸出避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的振鈴現(xiàn)象。二、已知系統(tǒng)的差分方程為 （10分）輸入信號是初始條件為，試寫出輸出脈沖序列。解：三、設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為，在對象前接有零階保持器，試求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)。 （10分）解：廣義對象傳遞函數(shù)對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為四、已知被控對象傳遞函數(shù)為 試用“二階工程最佳”設(shè)計(jì)法確定模擬控制器Gc(s)，并用后向差分法給出等效的數(shù)字控制器形式。（10分）解：經(jīng)動態(tài)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為應(yīng)選擇Gc(s

9、)為PI控制器，其基本形式為為使PI控制器能抵消被控對象中較大的時(shí)間常數(shù)，可選擇則有 根據(jù)二階工程最佳設(shè)計(jì)法則，應(yīng)有解之得于是得到模擬控制器的傳遞函數(shù)為對以上的模擬PI控制器，根據(jù)后向差分近似的等效變換方法，得等效的數(shù)字控制器：五、已知廣義被控對象:, 給定T=1s (20分) 針對單位斜坡輸入設(shè)計(jì)最小拍有紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的輸出波形圖。解：由已知條件，被控對象含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，有能力產(chǎn)生單位斜坡響應(yīng)。求廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為可以看出，G(z)的零點(diǎn)為-0.718(單位圓內(nèi))、極點(diǎn)為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi))，故u=0,v=0(單位圓上除外),m=1。根據(jù)穩(wěn)定性要求，G(z

10、)中z=1的極點(diǎn)應(yīng)包含在e(z)的零點(diǎn)中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，故p=2。為滿足準(zhǔn)確性條件另有e(z)=(1-z-1)2F1(z),顯然準(zhǔn)確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設(shè) 解得 。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 則 專心-專注-專業(yè) （圖略）。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷二答案班級： 姓名： 學(xué)號： 成績：一、 簡答題（每小題4分，共40分）二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 試確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K的取值范圍。解：廣義對象傳遞函數(shù)對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為此時(shí)系統(tǒng)的特征方程為采用雙線性變換可得等效的特征方程為此時(shí)，勞斯表為 w2 （1-0.0381K） 0.924K K 2

11、6.2 w1 0.924-0.386K K 0故K的變化范圍為 0 K 2.39。三、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為 （10分）試用雙線性變換法求出相應(yīng)的數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，并給出控制器的差分形式。其中。解：令 控制器的差分形式為四、已知離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下所示，采樣周期，輸入信號，求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 （10分）r(t)y(t)解：系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則誤差脈沖傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差為五、已知廣義被控對象為 （15分）其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用史密斯預(yù)估器方法確定數(shù)字控制器。解：不含純滯后的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為不考慮

12、純滯后，閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為，進(jìn)而求得于是得史密斯預(yù)估器如下（圖略）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷三答案班級： 姓名： 學(xué)號： 成績：一、 簡答題 （每小題4分，共40分）3、 什么是采樣或采樣過程？答：采樣或采樣過程，就是抽取連續(xù)信號在離散時(shí)間瞬時(shí)值的序列過程，有時(shí)也稱為離散化過程。4、 線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)的定義是什么？答：線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)定義為零初始條件下，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出采樣函數(shù)z變換和輸入采樣函數(shù)z變換之比。5、 何為積分飽和現(xiàn)象？答：在標(biāo)準(zhǔn)PID位置算法中，控制系統(tǒng)在啟動、停止或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時(shí)間內(nèi)消除，經(jīng)過

13、積分項(xiàng)累積后，可能會使控制量u(k)很大，甚至超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限umax。另外，當(dāng)負(fù)誤差的絕對值較大時(shí)，也會出現(xiàn)uumin的另一種極端情況。顯然，當(dāng)控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限時(shí)，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想，從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時(shí)容易發(fā)生，而且在起動時(shí)特別明顯，故也稱“起動效應(yīng)”。6、 等效離散化設(shè)計(jì)方法存在哪些缺陷？答：等效離散化設(shè)計(jì)方法存在以下缺陷：(1) 必須以采樣周期足夠小為前提。在許多實(shí)際系統(tǒng)中難以滿足這一要求。(2) 沒有反映采樣點(diǎn)之間的性能。特別是當(dāng)采樣周期過大，除有可能造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定外，還使系統(tǒng)長時(shí)間處于“開環(huán)”、失控狀態(tài)。因此，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞。(3)

14、 等效離散化設(shè)計(jì)所構(gòu)造的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其性能指標(biāo)只能接近于原連續(xù)系統(tǒng)(只有當(dāng)采樣周期T=0時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)才能完全等同于連續(xù)系統(tǒng))，而不可能超過它。因此，這種方法也被稱之為近似設(shè)計(jì)。7、 何為最少拍設(shè)計(jì)？答：最少拍設(shè)計(jì)，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(如階躍信號，速度信號，加速度信號等)作用下，經(jīng)過最少拍(有限拍)，使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。y*(t)二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)r(t)Ty(t) 試寫出離散系統(tǒng)的動態(tài)方程。解：所給系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為令進(jìn)而則取于是得如下狀態(tài)方程寫成矩陣形式為三、已知廣義被控對象為 （15分）其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)取

15、為Tc=0.5s,應(yīng)用大林算法確定數(shù)字控制器。解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為得大林控制器如下五、已知某系統(tǒng)連續(xù)控制器的傳遞函數(shù) （15分）試分別用階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)不變法求的等效數(shù)字控制器，并寫出相應(yīng)的差分方程表達(dá)式。其中采樣周期。解：1、階躍響應(yīng)不變法由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下2、脈沖響應(yīng)不變法由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷四答案班級： 姓名： 學(xué)號： 成績：一、 簡答題 （每小題3分，共30分）1、 寫出零階保持器的傳遞函數(shù)，引入零階保持器對系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)有何影響？答：零階保持器的傳遞函數(shù)為。零階保持器的引入并不影響開環(huán)系統(tǒng)脈

16、沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)。2、 階躍響應(yīng)不變法的基本思想是什么？答：階躍響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列與模擬控制器的階躍響應(yīng)的采樣值一致。3、 如何消除積分飽和現(xiàn)象？答：減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過大。因此當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，刪除積分作用，PID控制器相當(dāng)于一個(gè)PD調(diào)節(jié)器，既可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)又可以消除積分飽和現(xiàn)象，不致使系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)和振蕩。只有當(dāng)誤差e在門限之內(nèi)時(shí)，加入積分控制，相當(dāng)于PID控制器，則可消除靜差，提高控制精度。4、 給出常規(guī)的直接設(shè)計(jì)法或離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟。答：直接設(shè)計(jì)法或稱離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟如下：(1) 根據(jù)

17、已知的被控對象，針對控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求及其它約束條件，確定理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)；(2) 確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；根據(jù)D(z)編制控制算法程序。5、 說出實(shí)施信號隔離的主要方法。答：信號隔離方法主要有變壓器隔離和光電隔離，變壓器隔離適用于模擬信號隔離，光電隔離則特別適合數(shù)字信號的隔離。二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 試求閉環(huán)離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，并判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為由z域直接判據(jù) W(0)=0.6320 W(-1)=1+1+0.6320知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。三、已知某被

18、控對象的傳遞函數(shù)為 (15分) 要求設(shè)計(jì)成單位反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如下圖所示。采樣周期為T1s。要求閉環(huán)特征根為0.4和0.6。試求數(shù)字控制器。y(t)r(t)解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為根據(jù)要求設(shè)定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為四、已知控制系統(tǒng)的被控對象的傳遞函數(shù)為，采樣周期T1s，若選閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，試用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。若出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，修正數(shù)字控制器，消除振鈴現(xiàn)象。（20分）解：采樣周期T=1s，期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為進(jìn)而被控裝置廣義脈沖傳遞函數(shù)則由振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原理知，用常規(guī)大林算法設(shè)計(jì)的被控對象為二階的系統(tǒng)必產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。在D(z)中的靠近z1的兩個(gè)因子中令z1來消除振鈴現(xiàn)象，即一、 簡答題（每小題4分，共40分）1. 簡述采樣定理的基本內(nèi)容。答：采樣定理: 如果連續(xù)信號具有有限頻譜，其最高頻率為,則對進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率時(shí)，連續(xù)信號可以由采樣信號唯一確定，亦即可以從無失真地恢復(fù)。2. 線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？答：線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是： 閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模zi1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于z平面的單位圓內(nèi)。3. 脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是什么？答：脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的脈沖響應(yīng)g