(整理后的)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)題答案

1、概念題：1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中含有五種信號(hào)形式變換，其中 采樣、量化、恢復(fù)(零階保持)三種信號(hào)變換最重要。2為了加強(qiáng)濾波效果，可以同時(shí)使用幾種濾波方法，構(gòu)成復(fù)合濾波算法。3若已知系統(tǒng)被控對(duì)象的主要極點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)為Td，經(jīng)驗(yàn)上，采樣周期T應(yīng)取T Td/10。4抑制共模干擾 的方法之一是采用差分放大器作為信號(hào)的前置放大器。5與連續(xù)系統(tǒng)不同，采樣系統(tǒng)由于采樣開關(guān)的位置不同，所得閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)不同。6若連續(xù)系統(tǒng)為，當(dāng)采樣周期T等于時(shí)，采樣系統(tǒng)是不可控和不可觀的。7為了避免量化非性引起控制器產(chǎn)生死區(qū)或極限環(huán)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使控制器的極點(diǎn)遠(yuǎn)離單位圓。8z平面上正實(shí)軸上極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖響應(yīng)是單調(diào)的，其他位置的

2、極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖響應(yīng)是振蕩的。9.零階保持器頻率特性將會(huì)引起 -wT/2的相位延遲。 10離散系統(tǒng)頻率特性的主要特點(diǎn)是它的幅相特性是采樣頻率的周期函數(shù)。 11當(dāng)系統(tǒng)的極點(diǎn)位于z平面的正實(shí)軸上 時(shí)，對(duì)應(yīng)的脈沖響應(yīng)是單調(diào)的，位于負(fù)實(shí)軸上的極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖響應(yīng) 是交替振蕩的。12.從控制算法的等效離散化角度出發(fā)，希望采樣周期的取值 越小越好；從量化分析的角度出發(fā)，希望采樣周期的取值不要過小。13常值狀態(tài)反饋是否改變系統(tǒng)的可控性？ 否 ；是否改變系統(tǒng)的可觀性？ 可能 14. 離散環(huán)節(jié)產(chǎn)生變量量化產(chǎn)生極限環(huán)和死區(qū)的本質(zhì)是 變量量化的階梯非線段性。15. 若已知系統(tǒng)的閉環(huán)自然頻率wn，經(jīng)驗(yàn)上采樣周期應(yīng)選為 。

3、簡答：1.試簡述零階保持器時(shí)域響應(yīng)的主要特點(diǎn)。 1）時(shí)域響應(yīng)為階梯形狀，階梯大小與采樣周期成正比；（2分）2）時(shí)域響應(yīng)與輸入信號(hào)相比，平均延遲T/2。（3分） 2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在選擇AD轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)注意哪幾項(xiàng)指標(biāo)，這些性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)什么原則選?。?(1）精度：應(yīng)高于傳感器的精度一個(gè)數(shù)量級(jí)；(2分) （2）分辨率：即字長，應(yīng)根據(jù)測試信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍確定；(2分) （3）轉(zhuǎn)換速率：根據(jù)系統(tǒng)的頻帶或信號(hào)的變化頻率。(1分) 3.試簡述在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加入看門狗電路的作用?？撮T狗電路可以用于檢測由于干擾引起的系統(tǒng)出錯(cuò)并自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，提高控制系統(tǒng)的可靠性。4.若G(s)是最小相位系統(tǒng)，Z變換后G(z) 也是

4、最小相位系統(tǒng)嗎? 為什么?不一定，可能是也可能不。因?yàn)閦變換后G(z) 的零點(diǎn)與采樣周期有關(guān)，當(dāng)采樣周期較小時(shí)，G(z) 的零點(diǎn)可趨于單位圓外。5、為了使系統(tǒng)輸出響應(yīng)比較光滑，通常應(yīng)怎樣選用采樣周期？當(dāng)響應(yīng)為非周期時(shí)，要求在階躍響應(yīng)升起時(shí)間Tr內(nèi)采樣點(diǎn)Nr= Tr/T (510) ； （2分） 當(dāng)響應(yīng)為振蕩時(shí)，要求在一個(gè)振蕩周期Td內(nèi)采樣點(diǎn)Nr= Tr/T(1020) 。（3分） 6、已知x(t)=(0.5+5sin3t),采樣周期T=2p/3，試求采樣信號(hào)x(k) ，并討論。x(k)=0.5+5sin(3k2/3)=0.5（2分）。由于不滿足采樣定理，采樣后變?yōu)橹绷餍盘?hào)。（3分）7、已知計(jì)算

5、機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)變換結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。ZOHBAT解碼CPU編碼量化器DCf (t) 試說明A、B、C、D各點(diǎn)信號(hào)特征。A時(shí)間斷續(xù)幅值連續(xù)模擬信號(hào); B 時(shí)間斷續(xù)幅值斷續(xù)模擬信號(hào); C 時(shí)間斷續(xù)的數(shù)字信號(hào); D 時(shí)間連續(xù)幅值斷續(xù)模擬信號(hào)。8.連續(xù)信號(hào)幅頻|F(j)|如圖1所示，試畫出它的采樣信號(hào)的圖1幅頻譜 |F*(j)|,（不考慮相位）。圖中，1 = 6 rad/s, 2 = 8 rad/s, 采樣頻率 s = 10 rad/s 。解: 可得圖2所示圖29.試簡單說明連續(xù)傳遞函數(shù)G(s) 與對(duì)應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)G(z) 的零點(diǎn)、極點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。（極點(diǎn)按映射，零點(diǎn)無對(duì)應(yīng)映射關(guān)系。）10.試簡單說明

6、串模干擾產(chǎn)生的原因以及抑制串模干擾的主要方法。(是通過電磁耦合和漏電等傳輸形式疊加到信號(hào)及引線的干擾；抑制主要方法是采用模擬濾波、進(jìn)行電磁屏蔽和良好接地。)11.試說明何謂前置濾波器，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中為什么常常加入這種濾波器。(前置濾波器是加在A/D轉(zhuǎn)換之前的模擬低通濾波器，其作用是衰減高于的高頻信號(hào)，以防止混疊現(xiàn)象發(fā)生)；12.試簡要說明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣周期T的大小，對(duì)系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性有哪些影響。(采樣周期過大減弱穩(wěn)定性；增大信號(hào)失真；輸出響應(yīng)不光滑，系統(tǒng)相位延遲增大，降低系統(tǒng)抑制噪聲干擾能力。采樣周期過小，會(huì)增大量化誤差，增大對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求，降低計(jì)算機(jī)工作負(fù)荷，增大成本)13.若

7、已知f1(t)=sin(wt)，f2(t)= sin(w+nws)t,采樣頻率為ws，n為整數(shù)，試求上述兩個(gè)信號(hào)的采樣值，由此可得什么結(jié)論。(；表明當(dāng)兩個(gè)連續(xù)信號(hào)頻率相差nws時(shí)，其采樣信號(hào)值相等。)14.試簡單說明數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中積分分離法抑制積分飽和的基本思想，并寫出積分分離PID位置算式。(積分分離法的基本控制思想是，當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，取消積分作用；只有當(dāng)誤差小于規(guī)定門限值時(shí)才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分分離PID位置算式：當(dāng)值，；當(dāng)值，。為規(guī)定的門限值。)15、若數(shù)字計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)為，試根據(jù)采樣定理選擇合理的采樣周期T。設(shè)信號(hào)中的最高頻率為定義為。解： ；所以有

8、由此可得依采樣定理得：rad/s16、對(duì)一信號(hào)進(jìn)行采樣，信號(hào)頻譜如題圖A 2-9所示，其中感興趣的頻率范圍為(01 ) ，已知干擾信號(hào)頻率f =51，試討論采樣周期及前置濾波器的選擇。 題圖 A 2-9解：依采樣定理要求，為使采樣信號(hào)不失真，要求采樣頻率應(yīng)滿足；另外，對(duì)干擾頻率來說，為使其不進(jìn)入感興趣的頻率范圍內(nèi)，要求，所以，要求。因此有2種情況： 1) 如果，那么干擾信號(hào)并不會(huì)與數(shù)據(jù)信號(hào)相混疊，干擾可通過數(shù)字濾波器濾掉； 2) 采用抗混疊前置濾波器進(jìn)行濾除，則采樣頻率取。如要求干擾信號(hào)在信號(hào)頻率處衰減20 dB，那么一個(gè)n階濾波器的最大衰減率為，所以為了到達(dá)在十倍頻程內(nèi)衰老20 dB，應(yīng)取。

9、17以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)是什么？工業(yè)以太網(wǎng)采用哪些機(jī)制來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性？解：關(guān)鍵技術(shù)是：實(shí)時(shí)性，工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)生存性，網(wǎng)絡(luò)安全性， 總線供電與安全防爆，可互操作性。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性采用的機(jī)制有：1、限制總線上站點(diǎn)數(shù)目、控制網(wǎng)絡(luò)流量，使總線保持在輕負(fù)荷工作條件。2、快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。3、在全雙工交換式以太網(wǎng)上，用交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)切分為多個(gè)網(wǎng)段，交換機(jī)之間通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。分析計(jì)算題：三、1.(10分)連續(xù)傳遞函數(shù)，采用一階向前差分方法離散，試寫出D(z) 表達(dá)式，求使D(z) 穩(wěn)定的采樣周期T的極限值。 ；(5分) 穩(wěn)定性要求 , 所以有 ，故；，故 T0；故 結(jié)

10、論：1) 離散系統(tǒng)穩(wěn)定性比連續(xù)系統(tǒng)差，穩(wěn)定增益范圍??； 2) T趨于0時(shí)，系統(tǒng)并不等于連續(xù)系統(tǒng)，按采樣系統(tǒng)計(jì)算k范圍較小。9.(10分) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示(采樣周期T=0.5s)(1)試確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍；（T=0.5s）(2)若將該系統(tǒng)改為連續(xù)系統(tǒng)（即取消采樣開關(guān)及ZOH）結(jié)果又如何？ (3)所得結(jié)果說明了什么問題？ 注：已知Za/s(s+a)=z(1-e-aT)/(z-1)(z- e-aT) （解：要求：， ， 取 （由于系統(tǒng)均為負(fù)反饋），所以 (6分)2）連續(xù)系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，均穩(wěn)定；(2分)3）表明連續(xù)系統(tǒng)變?yōu)椴蓸酉到y(tǒng)后臨界放大系數(shù)減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(2分)10

11、.(10分)已知離散系統(tǒng)狀態(tài)方程求：（1）系統(tǒng)是否可控？是否可觀？ （2）采用狀態(tài)反饋控制u(k)=-Kx(k)，求狀態(tài)反饋陣K，使閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間最短。 解：，所以可控可觀。(3分) ;所以， (7分) 11.（10分）已知離散系統(tǒng)狀態(tài)方程試設(shè)計(jì)一個(gè)全階狀態(tài)觀測器。觀測器的期望特征方程為 。解：檢測可觀性 ，其秩為2，系統(tǒng)可觀。(3分)已知觀測器特征方程為 若觀測器反增益可表示為 則觀測器特征方程可表示為 與期望方程相比較可得下述代數(shù)方程 由此可得 (7分) ）12.(19分) 已知調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 ， T=1s1）試用雙線性變換法，將其離散，求D(z)=？2）將D(z)用直接程序法編排實(shí)現(xiàn)，配置比例因子，試求u (k)表達(dá)式，畫出結(jié)構(gòu)圖；3）將該算法分成算法I與算法II，畫