計算機(jī)控制理論答案

1、第一講1、什么是計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)？一般由哪幾部分組成？請用框圖形式給出實例，并簡單說明其工作原理。計算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計算機(jī)（通常稱為工業(yè)控制機(jī)）來實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)；一般由計算機(jī)和生產(chǎn)過程兩部分組成；計算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)主體（包括硬件、軟件與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）和生產(chǎn)過程兩大部分組長。其中硬件系統(tǒng)有主機(jī)、輸入輸出通道、外部設(shè)備、檢測與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成；三個步驟原理：實時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。實時控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。實時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任

2、務(wù)。2、實時、在線方式、離線方式的含義是什么？實時：指信號的輸入、計算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計算機(jī)對輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機(jī)，控制也就失去了意義。在線方式：在線方式亦稱為聯(lián)機(jī)方式，是指生產(chǎn)過程和計算機(jī)直接連接，并受計算機(jī)控制的方式稱為。離線方式：離線方式亦稱為脫機(jī)方式，是指生產(chǎn)過程不和計算機(jī)相連，且不受計算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式。3、簡述計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。計算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、扁平化、只能化、綜合化。第二講1、簡述計算機(jī)控制系統(tǒng)中過程通道的基本類型及其作用。數(shù)字量輸入通道：接受

3、外部裝置或產(chǎn)生過程的狀態(tài)信號，同時將狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠接收的邏輯信號；數(shù)字量輸出通道：把計算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動信號；模擬量輸入通道：把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位重量等模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號；模擬量輸出通道：把計算機(jī)處理后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號，去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達(dá)到控制的目的。2、簡述計算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的基本措施?？朔蓴_的措施主要有：硬件措施、軟件措施和軟硬結(jié)合的措施。其中硬件抗干擾措施包含：過程通道抗干擾技術(shù)；CPU抗干擾技術(shù)；系統(tǒng)供電與接地技術(shù)。針對不同

4、的干擾采用不用的抗干擾技術(shù)：過程通道抗干擾技術(shù)：針對串模干擾，采用濾波器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、雙絞線作信號引線等方法來抑制；針對共模干擾，采用變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽、采用儀表放大器提高共模抑制比等方式；針對長線傳輸干擾可采用雙絞線與同軸電纜進(jìn)行傳輸；CPU抗干擾技術(shù)：使用Watchdog(俗稱看門狗)、電源監(jiān)控(掉電檢測及保護(hù))、復(fù)位等；系統(tǒng)供電與接地技術(shù)：對于系統(tǒng)供電添加電源異常保護(hù)措施；對于接地技術(shù)有單點接地、低頻接地技術(shù)、通道饋線接地技術(shù)、主機(jī)外殼接地但機(jī)芯浮空、多機(jī)系統(tǒng)的接地等。3、什么是采樣過程、量化誤差、孔徑時間？采樣過程:按一定的時間間隔T,把時間上連續(xù)和幅值上連續(xù)的模

5、擬信號,轉(zhuǎn)變成在時刻0、的一連串脈沖輸出信號的過程叫做采樣過程。量化誤差：當(dāng)離散信號采樣值的電平落在兩個相鄰量化電平之間時，就要舍入到相近的一個量化點評上，該量化電平與實際電平之間的差值稱為量化誤差?？讖綍r間：在模擬量輸入通道中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總需要一定的時間，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間稱之為孔徑時間。4、采樣保持器的作用是什么？是否所有的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器？為什么？采樣保持器的作用：采樣器是一種開關(guān)電路或裝置，它在固定時間點上取出被處理信號的值。采樣保持器則把這個信號值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值

6、來代替原來的值。模擬輸入通道中不一定非得采用采樣保持器，如被采樣的模擬信號的變化頻率相對于A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度較低的話，可以不加采樣保持器。5、什么是串模干擾和共模干擾？如何抑制？串模干擾：指疊加在被測信號上的干擾噪聲，也稱為常態(tài)干擾。抑制方法：如果串模干擾頻率比被測信號頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻率串模干擾；如果串模干擾頻率比被測信號頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測信號頻譜的兩側(cè)，則應(yīng)用帶通濾波器。一般情況下，串模干擾均比被測信號變化快，故常用二級阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。當(dāng)被測信號變化較快時，應(yīng)相應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以適當(dāng)減小時

7、間常數(shù)。當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時，用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。因為此類轉(zhuǎn)換器是對輸入信號的積分值進(jìn)行測量，而不是測量信號的瞬時值。若干擾信號是周期性的而積分時間又為信號周期或信號周期的整數(shù)倍，則積分后干擾值為零，對測量結(jié)果不產(chǎn)生誤差。對于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下，對被測信號應(yīng)盡可能早地進(jìn)行前置放大，從而達(dá)到提高回路中的信號噪聲比的目的；或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。采用雙絞線作信號引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且使各個小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線

8、，且有良好接地，并對測量儀表進(jìn)行電磁屏蔽。共模干擾：指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上公有的干擾電壓，也成共態(tài)干擾。抑制方法：變壓器隔離；光電隔離；浮地屏蔽；采用儀表放大器提高共模抑制比。第三講(計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)部分)1、指出采樣保持器和零階保持器在數(shù)字離散控制系統(tǒng)的功能與作用。采樣保持器的作用：采樣器是一種開關(guān)電路或裝置，它在固定時間點上取出被處理信號的值。采樣保持器則把這個信號值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。零階保持器的作用：將輸入信號的幅值保持一個采樣周期T，即在一個采樣周期內(nèi)將開始時輸入的信號幅值保持不變，直到

9、采樣周期結(jié)束。2、簡述傳遞函數(shù)和脈沖傳遞函數(shù)的概念。傳遞函數(shù)是在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比，即。脈沖傳遞函數(shù)是在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的Z變換和系統(tǒng)輸入量的Z變換之比，即。3、已知：r(t)=1(t), x(0)=0, x(1)=1, 用Z變換原理和方法，求解差分方程r(k)=x(k+2)-6x(k+1)+8x(k)。因為r(t)=1(t)，即；根據(jù)Z變換左移定理，其差分方程的Z變換式為：因為x(0)=0, x(1)=1，故有：4、求下圖所示系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)D(z)=C(z)/R(z).r(t)+-Tc(t) 第四、五講作業(yè)1、某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計為 ,試用

10、雙線性變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(z)。雙線性變換法：前向差分法：后向差分法：2、什么是數(shù)字PID的位置型控c制算法、增量型控制算法？如何得到的？比較它們的優(yōu)缺點。PID算法的數(shù)字化，其實質(zhì)就是將連續(xù)形式的PID微分方程轉(zhuǎn)化成為離散形式的PID差分方程。其中，將PID算法中的模擬式中積分項用求和式，微分項用增量式來表示后得到：將上式稱為PID位置式控制算式對其進(jìn)行變換后得：將上式稱為PID增量式控制算式PID位置式控制算式計算時，只需進(jìn)行四則算術(shù)運算便可求出當(dāng)前輸出值，極方便用計算機(jī)來實現(xiàn)。不過現(xiàn)在計算時，不僅需要知道本次及上次偏差信號和，而且在積分項中還要對歷次的偏差

11、信號進(jìn)行相加求和，因此，在運用計算機(jī)實現(xiàn)控制輸出時，既繁瑣又占用大量內(nèi)存。PID增量式控制算式計算時，只需知道e(n)，e(n-1)和e(n-2)即可，比PID位置式控制算式的計算簡單。很適合于某些以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的要求，另外它還具有輸出增量不大、系統(tǒng)受操作切換沖擊影響較小、不產(chǎn)生積分失控輸出較平穩(wěn)易于獲得較好調(diào)節(jié)效果等優(yōu)點。3、什么是積分飽和？是怎樣引起的？如何消除？如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，盡管計算PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無相應(yīng)的動作，這就叫積分飽和。因長時間出現(xiàn)偏差或偏差較大，計算出的控制量有

12、可能溢出或小于零，就會出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。消除積分飽和的方法：積分分離法,變速積分PID控制算法，超限削弱積分法，有效偏差法，抗積分飽和機(jī)制。4、試比較數(shù)字PID算法中處理積分項的三種方法抑制積分飽和、消除積分量化誤差、變速積分的優(yōu)缺點。抑制積分飽和對積分項采取“開關(guān)”的控制方式，比較容易實現(xiàn)，程序設(shè)計也較為簡單，但關(guān)鍵在于要選取一個合適的閥值，而且適應(yīng)性比較差；消除積分量化誤差在計算上較為方便，但是增加了運算次數(shù)；變速積分法是根據(jù)誤差大小，可隨機(jī)改變積分作用，近似于線性控制方式，具有抑制超調(diào)、防止積分飽和、適應(yīng)性強、線性度好和參數(shù)整定容易等優(yōu)點，大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。5、試指出比例系數(shù)K

13、P、積分時間常數(shù)TI、微分時間常數(shù)TD在PID調(diào)節(jié)器中的作用，它們對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何影響？比例系數(shù)KP：動態(tài)時，比例系數(shù)太小，系統(tǒng)動作慢。增加Kp，可提高系統(tǒng)動作的靈敏度 ，加快調(diào)節(jié)速度，但是，若取值偏大，容易引起系統(tǒng)振蕩，反而使調(diào)節(jié)時間加長，且當(dāng)Kp太大時，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，隨著比例控制Kp的加大，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間常數(shù)TI：動態(tài)時，積分控制常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，TI值太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，TI值偏小，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩。TI值太大，對系統(tǒng)的影響將削弱。只有選擇適合的TI值，才可使系統(tǒng)的過渡過程趨于理想狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，積分控制可以消除系統(tǒng)

14、靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。但TI值太大時，因積分控制作用的削弱，反而不能減小穩(wěn)態(tài)差。微分時間常數(shù)TD：微分時間TD對系統(tǒng)性能的主要作用是減小超調(diào)量、縮短調(diào)節(jié)時間、允許加強比例控制，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度和改善動態(tài)特性等。但TD值偏大或偏小時，反而會誘發(fā)超調(diào)量增加和加長調(diào)節(jié)時間。只有TD取值合適時，才可以獲得比較滿意的過渡過程。6、已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 , 設(shè)采樣周期為T=, 試寫出相應(yīng)的數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式, 并給出相應(yīng)的程序流程圖。即： 代入，得：位置型：增量型：第六講作業(yè)1、 圖中，已知被控對象傳遞函數(shù)為, 采樣周期T=1s, 采用零階保持器，要求：1） 針

15、對單位速度輸入信號，設(shè)計數(shù)字控制器D(z), 使該系統(tǒng)成為最小拍無波紋系統(tǒng)，并計算輸出響應(yīng)c(k), 控制信號u(k), 誤差e(k), 畫出它們對時間變化的波形。2） 針對單位階躍輸入信號，設(shè)計最小拍有波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器D(z), 并計算輸出響應(yīng)c(k), 控制信號u(k), 誤差e(k), 畫出它們對時間變化的波形。（1）、輸入信號為速度階躍信號時，設(shè)計最小拍無波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)z中應(yīng)含有因子z-1和1+0.111z-1。同時考慮誤差脈沖傳遞函數(shù)應(yīng)選Gez=(1-z-1)2。由于z和Gez應(yīng)該是同階次的多項式，應(yīng)有：z=az-11+bz-11+0.111z-1Gez=(1

16、-z-1)21+cz-1a=1.89b=-0.524c=0.11所以：z=1.89z-11-0.524z-11+0.111z-1Gez=(1-z-1)21+0.11z-1Dz=zGzGez=0.211-0.524z-11-4.54e-5z-11-z-11+0.11z-1Cz=zRz=1.89z-11-0.524z-11+0.111z-1z-11-z-12c0=0,c1T=0,c2T=1.89,c3T=3,ckT=k,Ez=GezRz=1-z-121+0.11z-1z-11-z-12=z-11+0.11z-1e0=0,e1T=1,e2T=0.11,e3T=e4T=0（2）、輸入信號為單位階躍信號時，設(shè)計最小拍有波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器。誤差脈沖傳遞函數(shù)和閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：2、 簡析最小拍有波紋隨動系統(tǒng)數(shù)字控制器、最小拍無