機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)控制復(fù)習(xí)(共20頁)

1、計算機(jī)過程(guchng)控制系統(tǒng)一、 概念(ginin)題（每小題 5 分，共 20 分）1、單位(dnwi)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)時間最短（使用最少幾個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)計與有限拍有紋波設(shè)計唯一不同之處：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

2、除法,取前5項(xiàng))F(z)=3已知線性離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程: 判斷其穩(wěn)定性.由zI-F=(z-1.2)(z-0.6)-0.7得：Z=0.9+1.78|z|1系統(tǒng)不穩(wěn)定。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）如何采用(ciyng)擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)(cnsh)？步驟(bzhu)： 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)計算公式”(P165表5.2)，選擇T, Kp, Ti,

3、 Td 。 投運(yùn)并微調(diào)一下。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。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。利用一個系數(shù)Kl乘到積分項(xiàng)上：偏差較小時：K=1有積分偏差較大時：K=0無積分得 分閱卷人四、綜合題（每小題 10分，共20分）用計算機(jī)過程控制系統(tǒng)(kn zh x tn)設(shè)計一單閉環(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)(shxin)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)示意圖畫

4、出計算機(jī)控制系統(tǒng)框圖(包括(boku)采樣保持)，簡述系統(tǒng)工作原理。簡述：整定PID參數(shù)時，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；穩(wěn)定裕量過小，系統(tǒng)響應(yīng)會出現(xiàn)較長時間、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)的時間變長，從而也會影響系統(tǒng)快速性和準(zhǔn)確性。機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)控制單項(xiàng)選擇題1、計算機(jī)控制系統(tǒng)中研究線性系統(tǒng)的重要工具是： （ ） (A) 傳遞函數(shù) (B) 脈沖傳遞函數(shù) (C) 脈沖響應(yīng)函數(shù) (D) 微分方程2、已知, a為常數(shù)，T為采樣周期，求 （ ）(A) (B) (C) (D) 13、兩個連續(xù)環(huán)節(jié)和串

5、聯(lián)，若兩者中間有采樣器則其開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 （ ）(A) (B) (C) (D)4、求的Z變換為： （ ） (A) 1 (B) 0 (C) (D) 5、由Z變換的滯后性質(zhì)可以得到： （ ）(A) (B) (C) (D) 6、已知函數(shù)，則對應(yīng)的Z變換為： （ ）(A) (B) (C) (D) 7、51系列單片機(jī)串行通信的方式選擇、接收和發(fā)送控制以及串行口的狀態(tài)標(biāo)志均可由專用寄存器_控制和指示。 ( )(A) PCON (B) SCON (C) TCON (D) TMOD8、與梯形圖相對應(yīng)的助記符是 。 ( )(A) LD (B) AND (C) LD NOT (D) OUT9、C200H的存儲

6、器中用于存放系統(tǒng)的管理和監(jiān)控程序來完成協(xié)調(diào)控制的存儲器是 。 ( )(A) 用戶程序存儲器 (B) 系統(tǒng)(xtng)程序存儲器 (C) 數(shù)據(jù)(shj)存儲器 (D) 靜態(tài)(jngti)存儲器 10、C200H對繼電器區(qū)訪問采用通道尋址方式，其中I/O繼電器區(qū)的通道范圍是 。 ( )(A) 000029 (B) 030250 (C) 251255 (D) TR00TR0711、C200H將用戶數(shù)據(jù)區(qū)分成 類 ( )(A) 8 (B)9 (C)10 (D) 1112、51系列單片機(jī)串行通信的工作方式中，波特率固定為的是_。 ( )(A)工作方式0 (B) 工作方式1 (C) 工作方式2 (D) 工

7、作方式313、51系列單片機(jī)定時器的啟停、標(biāo)志定時器的溢出和中斷情況均可由專用寄存器_控制和指示。 ( )(A) PCON (B) SCON (C) TCON (D) TMOD14、與梯形圖相對應(yīng)的助記符是 。 ( )(A) (B) (C) (D) 15、51系列單片機(jī)可提供兩個中斷優(yōu)先級實(shí)現(xiàn)_中斷嵌套。 ( )(A) 一級 (B) 二級 (C) 三級 (D) 四級二、判斷題1、通過增大A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可以消除量化誤差。 ( )2、量化誤差的大小與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。 ( ) 3、完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，稱為孔徑時間。 ( )4、在PID控制中，增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，

8、有利于減小靜差。 ( )5、離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差僅與輸入信號有關(guān)。 ( )6、計算機(jī)控制系統(tǒng)通常即是一個采樣離散控制系統(tǒng)。 ( )7、51系列單片機(jī)具有三個中斷優(yōu)先級，可實(shí)現(xiàn)三級中斷嵌套。 ( ) 8、串聯(lián)環(huán)節(jié)之間有無保持器，其脈沖傳遞函數(shù)不同。 ( )9、Mov A , #3AH ；這種尋址方式是直接尋址。 ( )10、目前應(yīng)用的PLC大多采用雙處理器，一個用來進(jìn)行字和字節(jié)的處理，另一個用來進(jìn)行位處理。三、簡答題機(jī)電一體化的概念？機(jī)械系統(tǒng)？傳感器的概念？運(yùn)算單元常用的有幾種？常用的控制微機(jī)有幾種，各自的特點(diǎn)是什么？過程通道的概念？單片機(jī)的概念？51單片機(jī)的基本組成由哪幾部分？51單片機(jī)的三

9、總線結(jié)構(gòu)包括那些？功能如何？51單片機(jī)的中斷源有幾個？分別是什么？什么指令？其組成如何？各自的功能如何？波特率如何定義？其單位是什么？PLC的基本組成有哪些，分別是什么？PLC的工作過程？PLC的工作原理？簡述題機(jī)械系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)有哪些，功能如何？模擬輸入(shr)通道的組成及其各部分的作用？匯編語言中，什么叫做尋址方式(fngsh)，尋址方式有那幾種，各是什么？中斷的定義是什么？51單片機(jī)的中斷系統(tǒng)(xtng)的組成是什么？51單片機(jī)的串行通訊工作方式1是如何工作的？51單片機(jī)的定時/計數(shù)器工作方式有幾種，功能如何？串行通訊和并行通訊有何優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用的場所？中斷服務(wù)程序與子程序的區(qū)別？程序

10、存儲器與數(shù)據(jù)存儲器的區(qū)別？執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是什么？種類有哪幾種？舉例說明？C200H PLC 的I/O繼電器區(qū)的地址分配及其功能如何？PLC的基本指令包括那些？寫出梯形圖和對應(yīng)的助記符？三、解答題1、求 的Z反變換。2、如圖所示求系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。r(t)+-T=2sC(t) 分析題1、51單片機(jī)的中斷源有幾個，其中斷入口地址為何？其默認(rèn)優(yōu)先級如何定義？ 2、單片機(jī)采用6MHz的晶振，設(shè)計一個延時10ms的程序。3、將下述C200H助記符用梯形圖表達(dá)出來。 LD 00001 AND NOT 00002 LD NOT 00003 AND 00004 OR LD AND 00005 AND N

11、OT 00006 OUT 00500 LD 00007 OR 00008 AND 00009 OUT 005014、試將下面C200H梯形圖化簡并轉(zhuǎn)換成助記符。00501END00001 00002 00003 00004 0000500006 00007 00008 00009 00010 00011 5、假設(shè)51單片機(jī)使用12MHz的晶振，控制指示燈的啟停，程序啟動時，指示燈亮10ms后熄滅，熄滅10ms后燈再亮，循環(huán)運(yùn)行。根據(jù)圖寫好程序；51單片機(jī)指示燈P1.06、設(shè)51單片機(jī)使用(shyng)12MHz的晶振，要求使用單片機(jī)控制兩個指示燈的交替亮滅，當(dāng)?shù)谝恢甘緹袅習(xí)r，間隔時間為10ms

12、，第二指示燈滅；同樣第二指示燈亮?xí)r，間隔時間為10ms，第一指示燈滅，根據(jù)圖寫出相應(yīng)的程序。51單片機(jī)指示燈1#P1.0P1.1指示燈2#用定時(dn sh)器T0定時，在P1.0端輸出一方波，方波的周期為20ms，設(shè)晶體振蕩器為12mHz。51單片機(jī)使用12MHz的晶振，利用T0門控位檢測INT0引腳上出現(xiàn)的正脈沖寬度，將所測得數(shù)據(jù)高位存入71H中，低位存入70H中，根據(jù)(gnj)圖寫出相應(yīng)的程序。方波輸入51單片機(jī)指示燈1#T0單片機(jī)采用6MHz的晶振，設(shè)計一個延時10ms的程序。將梯形圖寫成助記符。00501END00001 00002 000030050200004 00005 000

13、0600007 00008將下述助記符轉(zhuǎn)換成梯形圖。LD 00001AND NOT 00002LD NOT 00003AND 00004 SHAPE * MERGEFORMAT OR LDAND 00005AND NOT 00006OUT 00500LD 00007LD 00008AND LDAND 00009OUT 00501計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷(shjun)一答案一、簡答題（每小題5分，共50分）畫出典型(dinxng)計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖。答：典型計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖如下： 根據(jù)采樣(ci yn)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

14、型。(1) 周期采樣 指相鄰兩次采樣的時間間隔相等，也稱為普通采樣。(2) 同步采樣如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同且同時進(jìn)行采樣，則稱為同步采樣。(3) 非同步采樣如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時開閉，則稱為非同步采樣。(4) 多速采樣如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，每個采樣開關(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間間隔不相等，則稱為隨機(jī)采樣。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，

15、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，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：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

16、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。采樣保持器LF398工作原理圖如下圖，試分析其工作原理。答：LF398的電路(dinl)原理：放大器A2作為比較(bjio)器來控制開關(guān)K的通斷，若IN+的電壓(diny)高于IN-的電壓，則K閉合，由A1、A3組成跟隨器，并向CH端外接的保持電容充電；IN+的電壓低于IN-的電壓時，則K斷開，外接電容保持K斷開時刻的電壓，并經(jīng)A3組成的跟隨器輸出至Aout。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

17、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)。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，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分計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)有的計算值理想，其中計算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。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=-1附近的極點(diǎn))，

18、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。什么是嵌入式系統(tǒng)？如何理解嵌入式系統(tǒng)的定義？答：目前國內(nèi)普遍被認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。通常，從以下幾個方面來理解嵌入式系統(tǒng)的定義：以應(yīng)用為中心是指嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。嵌入式系統(tǒng)以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖象數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

19、，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要對軟、硬件進(jìn)行剪裁以適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求。說明嵌入式系統(tǒng)存在著一個較為通用的軟、硬件內(nèi)核。這個內(nèi)核往往是幾KB到幾十KB之間的微內(nèi)核，正是由于微內(nèi)核的存在，才使得嵌入式系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的需要在軟、硬件方面得以順利的裁剪或擴(kuò)充。簡述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。答：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常具備下述特點(diǎn)(1) 非定常性。數(shù)據(jù)到達(dá)的時刻不再是定常和有規(guī)則的, 更不能再用簡單的采樣時間來刻

20、畫。(2) 非完整性。由于數(shù)據(jù)在傳輸中可能發(fā)生丟失和出錯，數(shù)據(jù)不再是完整的，當(dāng)然數(shù)字控制中也可能有類似的現(xiàn)象，但在網(wǎng)絡(luò)控制中發(fā)生的可能性要大得多。(3) 非有序性。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時間的不確定，先產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能遲于后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)到達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。因此, 數(shù)據(jù)到達(dá)的次序可能不再遵守原有的時間順序。非確定性。由于數(shù)據(jù)到達(dá)的隨機(jī)性，整個控制過程已不再是一個確定性的系統(tǒng),而是一個隨機(jī)系統(tǒng)。簡述故障診斷技術(shù)所包含的內(nèi)容。答：故障診斷主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。(1) 故障的特征提取通過測量用定量和定性的信息處理技術(shù)獲取反映系統(tǒng)故障的特征描述。(2) 故障的分離與估計根據(jù)獲得的故障特征確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及故

21、障的程度。(3) 故障的評價和決策根據(jù)故障分離與估計的結(jié)論對故障的危害及嚴(yán)重程度作出評價，近而決策出是否停止任務(wù)的進(jìn)程以及是否需要維修更換故障元部件。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(bi kn)對象傳遞函數(shù)為，在對象(duxing)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(gungy)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)為PI控制器

22、，其基本形式為為使PI控制器能抵消被控對象中較大的時間常數(shù)，可選擇則有 根據(jù)二階工程最佳設(shè)計法則，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)中z=1的極

23、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，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(michng)傳遞函數(shù)為 則 （圖略）。計算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)試卷二答案班級(bnj)： 姓名： 學(xué)號： 成績：簡答題（每小題4分，共40分）1、連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機(jī)控制系統(tǒng)具有哪些特點(diǎn)？答：與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1) 計算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。(2) 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由計算機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn)的（數(shù)字控制器），修改一個控制規(guī)律，只需修改程

24、序，因此具有很大的靈活性和適應(yīng)性。(3) 計算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。(4) 計算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。(5) 一個數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r控制的方式，同時控制多個回路。(6) 采用計算機(jī)控制，如分級計算機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步提高。2、簡述計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般控制過程。答：(1) 數(shù)據(jù)采集及處理，即對被控對象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時檢測，并輸給計算機(jī)進(jìn)行處理。 (2) 實(shí)時控制，即按已設(shè)計的控制規(guī)律計算出控制量，實(shí)時向執(zhí)行器發(fā)出控制信號。3、簡述典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)中所包含的信號形式

25、。答：(1) 連續(xù)信號連續(xù)信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續(xù)的、也可以是斷續(xù)的。(2) 模擬信號模擬信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個子集，在大多數(shù)場合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來，均指模擬信號。(3) 離散信號離散信號是僅在各個離散時間瞬時上有定義的信號。(4) 采樣信號采樣信號是離散信號的子集，在時間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們提及離散信號就是指采樣信號。(5) 數(shù)字信號數(shù)字信號是幅值整量化的離散信號，它在時間上和幅值上均是離散的。4、線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是否只與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有

26、關(guān)？答：線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，不但與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而且與輸入序列的形式及幅值有關(guān)。除此之外，離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與采樣周期的選取也有關(guān)。5、增量型PID控制算式具有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：(1)計算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動作影響小；(2)在i時刻的輸出ui，只需用到此時刻的偏差，以及前一時刻，前兩時刻的偏差ei-1，ei-2和前一次的輸出值ui-1，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計算時間；(3)在進(jìn)行手動-自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。6、如何利用試湊法調(diào)整PID算法的參數(shù)？答：(1)先整定比例部分：將比例系數(shù)KP由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢，直到得到

27、反映快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi)，同時響應(yīng)曲線已較令人滿意，那只須用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計要求，則須加入積分環(huán)節(jié)。整定時一般先置一個較大的積分時間系數(shù)TI,同時將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小一些(比如取原來的80%)，然后減小積分時間系數(shù)使在保持系統(tǒng)較好的動態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過程中，可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢反復(fù)地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(shù)TI,從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。(3)如果即使有比例積分控制器消除了偏差，但動態(tài)過程仍不盡滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)

28、，構(gòu)成PID控制器。在整定時，可先置微分時間系數(shù)TD為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時間系數(shù)TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(shù)TI，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。7、簡述對偶原理的基本內(nèi)容。答：對偶原理：設(shè)S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互為對偶的兩個系統(tǒng)，則S1的能控性等價于S2的能觀測性；S1的能觀測性等價于S2的能控性?；蛘哒f，若S1是狀態(tài)完全能控的(完全能測觀的)，則S2是狀態(tài)完全能觀測的(完全能控的)。8、與應(yīng)用了傳統(tǒng)的通用計算機(jī)的數(shù)字產(chǎn)品相比，嵌入式系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？答：系統(tǒng)內(nèi)核?。幌到y(tǒng)精簡；高實(shí)時性和高可靠性；智能化和網(wǎng)絡(luò)化；專用性

29、強(qiáng)；需要有專用的開發(fā)工具和環(huán)境。9、 尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，如何防治尖峰脈沖干擾？答：尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，其幅度可達(dá)幾千伏，寬度只有幾個毫微秒或幾個微秒，出現(xiàn)的位置也無規(guī)律，因此采用常規(guī)的抑制辦法是無效的，而必須采取綜合治理辦法：(1)“遠(yuǎn)離(yun l)”干擾源。(2) 用硬件設(shè)備抑制尖峰干擾(gnro)的影響較常用(chn yn)的抑制方法有三種：在交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻；采用鐵磁共振原理，如采用超級隔離變壓器；在交流電源輸入端串入均衡器。 (3) 在大功率用電設(shè)備上采取措施抑制尖峰干擾的產(chǎn)生(4)采用“看門狗

30、”(Watchdog)技術(shù)么是硬件故障冗余系統(tǒng)？答：硬件故障冗余系統(tǒng)的定義是：如果一個系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運(yùn)行性故障時，依靠系統(tǒng)冗余硬件的內(nèi)駐能力，仍能保持系統(tǒng)連續(xù)正確地執(zhí)行其程序和輸入、輸出功能，則稱這一系統(tǒng)為硬件故障冗余系統(tǒng)。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，勞斯表為 w2 （1-0.0381K） 0.924K K 26.2 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

31、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(wch)脈沖傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差(wch)為五、已知廣義(gungy)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)估器如下六、采用逐

32、點(diǎn)比較法法插補(bǔ)圓弧OP，起點(diǎn)坐標(biāo)O(0，5)，終點(diǎn)坐標(biāo)P(5，0)，圓心在原點(diǎn)。要求以表格形式給出插補(bǔ)計算過程，并畫出插補(bǔ)運(yùn)動軌跡。（10分）解：步數(shù)誤差判別坐標(biāo)進(jìn)給下一步誤差計算進(jìn)給后動點(diǎn)坐標(biāo)終點(diǎn)判別初始化F0 x=0,y=5=101F=0-yF=F-2y+1=-9x=0，y=y-1=4=-1=92F0+xF=F+2x+1=-8x=x+1=1,y=4=-1=83F0+xF=F+2x+1=-5x=x+1=2,y=4=-1=74F0+xF=F+2x+1=0 x=x+1=3,y=4=-1=65F=0-yF=F-2y+1=-7x=3，y=y-1=3=-1=56F0+xF=F+2x+1=0 x=x+1

33、=4,y=3=-1=47F=0-yF=F-2y+1=-5x=4，y=y-1=2=-1=38F0-yF=F-2y+1=1x=5，y=y-1=1=-1=110F0-yF=F-2y+1=0 x=5，y=y-1=0=-1=0End（圖略）計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷三答案班級： 姓名： 學(xué)號： 成績：簡答題 （每小題4分，共40分）簡述開關(guān)量光電耦合輸入電路中，光電耦合器的作用。答：開關(guān)量光電耦合輸入電路，它們除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。2、 回答下述電路中克服共模干擾的工作原理。答：平時(pngsh)，開關(guān)K1i(i=1,2,.,n)處于閉合(b h)狀態(tài)，Ci的電壓(diny)跟蹤Vi的輸入值

34、，開關(guān)K2i(i=1,2,.,n)處于斷開狀態(tài)。需檢測Vi時，則令K1i斷開,K2i閉合，放大器K的輸出經(jīng)采樣保持器送至A/D轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量，然后開關(guān)再恢復(fù)平時的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過程中，放大器K不與任何模擬量信號輸入共地，電容Ci的電壓均為差模電壓，這樣就克服了共模電壓的影響。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)信號在離散時間瞬時值的序列過程，有時也稱為離散化過程。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。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

35、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，不可能在短時間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項(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，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，控制作用必然不如應(yīng)有的計算值理想，從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時容易發(fā)生，而且在起動時特別明顯，故也稱“起動效應(yīng)”。等效離散化設(shè)計方法存在哪些缺陷？答：等效離散化設(shè)計方法存在以下缺陷：(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

36、造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定外，還使系統(tǒng)長時間處于“開環(huán)”、失控狀態(tài)。因此，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞。(3) 等效離散化設(shè)計所構(gòu)造的計算機(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，計算機(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。何為最少拍設(shè)計？答：最少拍設(shè)計，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。給出單輸入單輸出線性定常離散系統(tǒng)的能控性和能觀性與其脈沖傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。答：單輸入單輸出線性定常離散系統(tǒng)完全能控和完全能觀的充分必要條件是脈沖傳遞函數(shù)不存在著零、極點(diǎn)相消

37、。如果存在著零、極點(diǎn)相消，系統(tǒng)或者是不完全能控，或者是不完全能觀，或者既不完全能控又不完全能觀。嵌入式處理器可分為哪幾種類型？答：嵌入式處理器又可以分為以下四類（1） 嵌入式微控制器MCU（MicroController Unit）（2） 嵌入式微處理器MPU（MicroProcessor Unit）（3） 數(shù)字信號處理器DSP（Digital Signal Processor）（4） 嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip，SOC）針對實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通常從哪幾個方面對故障進(jìn)行分類？答：實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障是多種多樣的，可以從下面幾個方面對故障進(jìn)行分類：（1） 從故障發(fā)生的部

38、位看，分為傳感器故障、執(zhí)行器故障和受控對象故障；（2） 根據(jù)故障性質(zhì)，分為突變故障和緩變故障；（3） 從建模角度出發(fā)，可分為乘性故障和加性故障；（4） 從故障間的相互關(guān)系，分為單故障和多故障、獨(dú)立故障和局部故障。y*(t)二、已知系統(tǒng)框圖(kungt)如下所示： T=1s (15分)r(t)Ty(t) 試寫出離散系統(tǒng)的動態(tài)(dngti)方程。解：所給系統(tǒng)(xtng)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)中的時間常數(shù)取為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

39、傳遞函數(shù)為得大林控制器如下四、已知被控對象 （15分）設(shè)計一個特征值為的全維狀態(tài)觀測器。并畫出相應(yīng)的狀態(tài)變量結(jié)構(gòu)圖。解：能觀性矩陣滿秩，故系統(tǒng)能觀測，可設(shè)計狀態(tài)觀測器。令輸出誤差反饋矩陣觀測器期望(qwng)特征方程為觀測器特征方程為比較(bjio)上面兩式，可得五、已知某系統(tǒng)(xtng)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算機(jī)控制系統(tǒng)試卷四答案班級： 姓名： 學(xué)號： 成績：簡答題 （每小題3

40、分，共30分）使用光電隔離器件時，如何做到器件兩側(cè)的電氣被徹底隔離？答：光電隔離器件兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。給出多通道復(fù)用一個D/A轉(zhuǎn)換器的原理示意圖。答：什么是信號重構(gòu)？答：把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，稱為信號重構(gòu)，它是采樣的逆過程。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)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)。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。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

41、。因此當(dāng)偏差大于某個規(guī)定的門限值時，刪除積分作用，PID控制器相當(dāng)于一個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，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。給出常規(guī)的直接(zhji)設(shè)計法或離散化設(shè)計法的具體設(shè)計步驟。答：直接設(shè)計法或稱離散(lsn)化設(shè)計法的具體設(shè)計步驟如下：根據(jù)已知的被控對象，針對控制系統(tǒng)(kn zh x tn)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)；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。采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的充分必要條件是

42、什么？答：采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的充分必要條件是系統(tǒng)狀態(tài)完全能控。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。故障診斷中的狀態(tài)估計方法的基本思想是什么？答：故障診斷中的狀態(tài)估計方法的基本思想是：首先重構(gòu)被控過程的狀態(tài)，通過與可測變量比較構(gòu)成殘差序列，再構(gòu)造適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒂媒y(tǒng)計檢驗(yàn)法，從殘差序列中把故障診斷出來。因此，這就要求系統(tǒng)可觀測或部分可觀測，通常用各種狀態(tài)觀測器或?yàn)V波器進(jìn)行狀態(tài)估計。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

43、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) = 1 * GB3 W(0)=0.6320 = 3 * GB3 W(-1)=1+1+0.6320知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。三、已知某被控對象的傳遞函數(shù)為 (15分) 要求設(shè)計成單位反饋計算機(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) SHAPE * MERGEFORMAT 解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為根據(jù)(gnj)要求設(shè)定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為四、已知控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的被控對象的傳遞函數(shù)為，采樣(ci yn)周期T1s，若選閉

44、環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，試用大林算法設(shè)計數(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的兩個因子中令z1來消除振鈴現(xiàn)象，即五、求出雙積分系統(tǒng)控制對象的離散狀態(tài)方程，假設(shè)系統(tǒng)所有的狀態(tài)皆不可直接測量，設(shè)計全維狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋，并把閉環(huán)兩個極點(diǎn)都配置在0.1，觀測器特征方程的兩個根配置在原點(diǎn)。（T=1s） （20分）解：系統(tǒng)的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為可寫其能控標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)為對應(yīng)的能觀性矩陣為滿秩，故系統(tǒng)能觀

45、可設(shè)計觀測器。先求狀態(tài)觀測器增益矩陣狀態(tài)觀測器特征多項(xiàng)式為觀測器期望特征多項(xiàng)式為比較(bjio)上面兩式z各次冪項(xiàng)系數(shù)(xsh)得再求狀態(tài)(zhungti)反饋增益矩陣期望閉環(huán)特征方程為則引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為比較上面二方程z各次冪項(xiàng)系數(shù)，得簡答題（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，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)gD(kT)是模擬控制器的脈沖響應(yīng)采樣值g(kT)的T倍。4. 寫出增量型PID的差分控制算式。答：增量型PID控制算式可以寫為5. 如何消除比例和微分飽和現(xiàn)象？答：“積分補(bǔ)償法”。其中心思想是