（完整版）计算机控制系统复习题答案

1、本word文档可编辑可修改 计算机控制系统课程复习题答案一、知识点：计算机控制系统 的基本概念。具体为了解计算机控制系统与生产自动化 的关系；掌握计算机控制系统 的组成和计算机控制系统 的主要特性；理解计算机控制系统 的分类和发展趋势。回答题：1.画出典型计算机控制系统 的基本框图；答：典型计算机控制系统 的基本框图如下：2.简述计算机控制系统 的一般控制过程；答： (1)数据采集及处理，即对被控对象 的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理； (2)实时控制，即按已设计 的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。3.简述计算机控制系统 的组成；答：计算机控制系统由计算机系统和被控

2、对象组成，4.简述计算机控制系统 的特点；计算机系统又由硬件和软件组成。答：计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点：计算机控制系统是模拟和数字 的混合系统。计算机控制系统修改控制规律，有很大 的灵活性和适应性。只需修改程序，一般不对硬件电路进行改动，因此具能够实现模拟电路不能实现 的复杂控制规律。计算机控制系统并不是连续控制 的，而是离散控制 的。一个数字控制器经常可以采用分时控制 的方式，同时控制多个回路。采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化。5.简述计算机控制系统 的类型。答：（1）操作指导控制系统；1关注我 实时更新 最新资料 （2）直接数字控制系统；（3）监督计算机控制系统

3、（4）分级计算机控制系统二、知识点：计算机控制系统 的硬件基础。具体为了解计算机控制系统 的过程通道与接口；掌握采样和保持电路 的原理和典型芯片 的应用，掌握输入 /输出接口电路：并行接口、串行接口、A/D和 D/A 的使用方法，能根据控制系统 的要求选择控制用计算机系统。回答题：1.给出多通道复用一个 A/D转换器 的原理示意图。2.给出多通道复用一个 D/A转换器 的原理示意图。3.例举三种以上典型 的三端输出电压固定式集成稳压器。答： W78系列 ,如 W7805、7812、7824等； W79系列，如 W7805、7812、7824等4.使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧 的电气被彻

4、底隔离？答：光电隔离器件两侧 的供电电源必须完全隔离。5.说明隔离电源 的基本作用。答：为了实施隔离技术，隔离电源可以为被隔离 的各个部分提供独立 的或相互隔离 的电源供电，以切断各个部分间 的电路联系。6.什么是采样或采样过程？2 答：采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值 的序列过程，有时也称为离散化过程。7.简述典型 的计算机控制系统中所包含 的信号形式。答： (1)连续信号。(2)模拟信号。(3)离散信号。(4)采样信号。(5)数字信号。8.根据采样过程 的特点，可以将采样分为哪几种类型？答：根据采样过程 的特点，可以将采样分为以下几种类型。(1)周期采样。指相邻两次采样 的

5、时间间隔相等，也称为普通采样。(2)同步采样。如果一个系统中有多个采样开关，(3)非同步采样。如果一个系统中有多个采样开关，它们 的采样周期相同且同时进行采样。它们 的采样周期相同但不同时开闭。(4)多速采样。如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样 的，但它们 的采样周期不相同。(5)随机采样。若相邻两次采样 的时间间隔不相等。9.什么是信号重构？答：把离散信号变为连续信号 的过程，称为信号重构，它是采样 的逆过程。10.写出零阶保持器 的传递函数。1 e Ts答：零阶保持器 的传递函数为H (s)0。s11.引入零阶保持器对系统开环传递函数 的极点有何影响？答：零阶保持器 的

6、引入并不影响开环系统脉冲传递函数 的极点。12.简述采样定理 的基本内容。答：采样定理 :如果连续信号 f (t)具有有限频谱，其最高频率为,则对 f (t)进maxf (t)可以由采样信号 f * (t )唯一确时，连续信号行周期采样且采样角频率2smax*定，亦即可以从 f (t)无失真地恢复 f (t)。13.简述连续信号 的定义。答：连续信号是在整个时间范围均有定义 的信号，它 的幅值可以是连续 的,也可以是断续 的。14.简述离散信号 的定义。3 答：模拟信号是在整个时间范围均有定义 的信号，它 的幅值在某一时间范围内是连续 的。模拟信号是连续信号 的一个子集，在大多数场合与很多文献

7、中，将二者等同起来，模拟信号。均指15.简述采样信号 的定义。答：采样信号是离散信号 的子集，在时间上是离散 的、而幅值上是连续 的。在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。16.简述数字信号 的定义。答：数字信号是幅值整量化 的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散 的。三、知识点：数字控制器 的模拟化设计方法。具体为介绍数字控制器 的模拟化设计方法，掌握模拟控制器与数字控制器 的转换方法，掌握数字 PID控制器 的设计方法及存在 的问题、改进 的办法。回答题：1.简述比例调节作用。答：比例调节器对偏差是即时反应 的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差 的方向变化

8、，控制作用 的强弱取决于比例系数快速，但对于系统响应为有限值 的控制对象存在静差。加大比例系数K P。比例调节器虽然简单KP可以减小静差，但是 KP过大时，会使系统 的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。2.简述积分调节 的作用答：为了消除在比例调节中 的残余静差，可在比例调节 的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差到偏差为零。积分时间常数e不为零，它将通过累积作用影响控制量TI大，则积分作用弱，反之强。增大u，从而减小偏差，直TI将减慢消除静差 的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节 的代价是降低系统 的快速性。3.简述微分调节 的作用答：为加快控制过

9、程，有必要在偏差出现或变化 的瞬间，按偏差变化 的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节 的原理。微分作用 的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。4.为什么会出现比例和微分饱和现象？答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中 的比例部分和微分部分计算出 的控制增量可能比较大 (由于积分项 的系数一般小得多，所以积分部分 的增量相对比较小那么，控制作用必然不如应有 的计算值理)。如果该计算值超过了执行元件所允许 的最大限度，想，其中计算值 的多余信息没有执行就遗失了，从而影响控制效果。4 5.如何消除比例和微分饱和现象？答：抑制比例和微分饱和 的办法之一是用“积分

10、补偿法”。其中心思想是将那些因饱和而未能执行 的增量信息积累起来，一旦有可能再补充执行。6.增量型 PID控制算式具有哪些优点？答： (1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置 的变化部分，因而误动作影响小。(2)在i时刻 的输出 ui，只需用到此时刻 的偏差，以及前一时刻、前两时刻 的偏差和前一次 的输出值 ui-1，这大大节约了内存和计算时间。ei -1、ei-2(3)在进行手动自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。7.如何利用试凑法调整 PID算法 的参数？答： (1)先整定比例部分：将比例系数KP由小调大，并观察相应 的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小 的响应曲线。(2)如果

11、在比例调节 的基础上系统 的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。(3)如果即使有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不令人满意，则可以加入微分环节，构成 PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数础上，增大微分时间系数 TD，同时相应地改变比例系数以获得满意 的调节效果和控制参数。TD为零，在第二步整定 的基KP和积分时间系数 TI，逐步试凑，8.何为积分饱和现象？答：在标准 PID位置算法中，控制系统在启动、停止或者大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大 的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，可能会使控制量 u(k)很大，甚至超过执行机构 的极限umax。

12、另外，当负误差 的绝对值较大时，也会出现 uumin 的另一种极端情况。显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有 的计算值理想，从而影响控制效果。这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。9.如何消除积分饱和现象？答：减小积分饱和 的关键在于不能使积分项累积过大。因此当偏差大于某个规定 的门限值时，删除积分作用， PID控制器相当于一个 PD调节器，既可以加快系统 的响应又可以消除积分饱和现象，不致使系统产生过大 的超调和振荡。只有当误差 e在门限之内时，加入积分控制，相当于 PID控制器，则可消除静差，提高控制精度。10.等效离散化设计方法存在哪

13、些缺陷？答：等效离散化设计方法存在以下缺陷：(1)必须以采样周期足够小为前提。在许多实际系统中难以满足这一要求。(2)没有反映采样点之间 的性能。特别是当采样周期过大，除有可能造成控制系统不稳定外，还使系统长时间处于“开环”、失控状态。因此，系统 的调节品质变坏。(3)等效离散化设计所构造 的计算机控制系统，其性能指标只能接近于原连续系统(只有当采样周期 T=0时，计算机控制系统才能完全等同于连续系统)，而不可能超过它。因此，这种方法也被称为近似设计。计算题：5 1.用后向差分法求下列模拟控制器 的等效数字控制器，设采样周期T=1s。s 2G (s)cs 1解：3z 1D(z) G (s)c1

14、 z 1sT2z 12.用双线性变换法求下列模拟控制器 的等效数字控制器，设采样周期T=0.5s。1G (s) 5(1cs)2s解：225.625z 38.75z 15.625z2 1D( z) G (s)c2( z 1)T (z 1)s3某连续控制系统 的校正装置 的传递函数为1 T s1D(s)1 T s2试分别用前向差分法和后向差分法求该装置 的递推输出序列（设输入为e(t)，输出为u(t)）。解：前向差分T (T T )z 1 U( z)11D(z) G (s) scz 1TT (T T )z 1 E(z)22T T0 ui 1 T1 ei T T1 ei 12uiT2T2T2后向差分

15、T T T z 1 U (z)11D(z) G (s)cz 11sT T T z 1 E(z)T22T2T T1 eiT1uiui 1ei 1T T2T T2T T24.已知某连续控制器 的传递函数为2nD(s)s2 22nsn试用双线性变换法求出相应 的数字控制器 的脉冲传递函数D(z)，其中 T=1s。2 z 1解：应用双线性变换sT z 16 2nD( s)s22n2sn2n2(z2z 1)D( z) G (s) |c2 z 12n222s(44)z(28)z (4n4)T z 1nnn5.已知某连续控制器 的传递函数为1 0.15s0.05sG (s)c写出等效 的递推型数字 PID控

16、制器 的差分形式。1 z 1解：应用后向差分法 sT20T 3 3z 1 U (z)D(z) G (s)c11 zTs1 z 1E(z)u ui 1 (20T 3)e 3ei 1ii6.已知某连续控制器 的传递函数为1 0.17sG (s)c0.085s现用数字 PID算法实现它，试写出其相应 的增量型T=1s。PID算法输出表达式。设采样周期1 z 1T解：应用后向差分法等效离散化s1 0.17sG (s)c0.085s13.76 2z 1 U (z)1 z 1E(z)D(z) G (s)c1 z 1Tsu 13.76e 2ei 1ii四、知识点：计算机控制系统 的直接设计方法。具体为掌握数

17、字控制器 的直接设计方法，包括最少拍无差有波纹、无波纹系统设计方法，大林方法。了解根轨迹设计法及频域设计法。回答题：1.给出常规 的直接设计法或离散化设计法 的具体设计步骤。答：直接设计法或称离散化设计法 的具体设计步骤如下：(1)根据已知 的被控对象，针对控制系统 的性能指标要求及其它约束条件，确定理想 的闭环脉冲传递函数(z)。(2)确定数字控制器 的脉冲传递函数D(z)；根据 D(z)编制控制算法程序。7 2.什么是最少拍设计？答：最少拍设计，是指系统在典型输入信号(如阶跃信号，速度信号，加速度信号等)作用下，经过最少拍 (有限拍 )，使系统输出 的稳态误差为零。3.最少拍设计有什么不足

18、之处？答：最少拍控制器设计时，对于不同 的输入，要求使用不同 的闭环脉冲传递函数。所以这样设计出 的控制器对各种典型输入信号 的适应能力较差。输入信号形式不一致，将得不到期望 的最佳性能。若运行时 的输入信号与设计时 的4.最少拍无纹波控制器实现 的必要条件是什么？答：最少拍无纹波控制能够实现 的必要条件是被控对象中含有与输入信号相对应 的积分环节数。5.大林算法 的设计目标是什么？答：大林算法 的设计目标都是使闭环传递函数(s)相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节 的串联，其中纯滞后环节 的滞后时间与被控对象 的纯滞后时间完全相同。6.所谓振铃现象是什么？答：所谓振铃 (Ringing) 现象

19、，是指数字控制器 的输出以二分之一采样频率大幅度衰减 的振荡。7.振铃幅度如何定义？答：振铃幅度 RA用来衡量振铃强烈 的程度。常用单位阶跃作用下数字控制器第出量与第 1次输出量 的差值来衡量振铃现象强烈 的程度。0次输8.如何消除振铃现象？答：有两种方法可用来消除振铃现象。第一种方法是先找出D(z)中引起振铃现象 的因子 (z=-1附近 的极点 )，然后令其中 的 z=1，根据终值定理，这样处理不影响输出量 的稳态值。第二种方法是从保证闭环系统 的特性出发，选择合适 的采样周期T及系统闭环时间常数T，使得数字控制器 的输出避免产生强烈 的振铃现象。c计算题：1 e Tss11.已知广义被控对

20、象 : G(s),给定 T=1s。针对单位斜坡输入设计最小拍s( s 1)有纹波控制系统。解：由已知条件，被控对象含有一个积分环节，有能力产生单位斜坡响应。求广义对象脉冲传递函数为8 Ts1 es1G( z) Z G(s)Zs(s 1)1z 11111(1 z )(1 z )(1 z )Z212111s ( s 1)1 z1 e z10.368z (1 0.718z 1)1(1 z )(1 0.368z 1)可以看出， G(z) 的零点为 - 0.718(单位圆内 )、极点为 1(单位圆上 )、0.368(单位圆内 )，故u=0,v=0(单位圆上除外 ),m=1。根据稳定性要求， G(z)中

21、z=1 的极点应包含在 (z) 的零点中，e由于系统针对等速输入进行设计，故 p=2。为满足准确性条件另有 (z)=(1ze1 2) F (z),显然1准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设1( z) z (c0 c1z 1)(1) c0c11(1) c 2c10解得 c0 2, c11。闭环脉冲传递函数为( z) z (2 z ) 2z 1 z 211 (z) 1( z) (1 z )21e5.435(1 0.5z )(1 0.368z 1)1(z) ( z)G( z)则D( z)11(1 z )(1 0.718z )e2.2z 12.设不稳定对象 G(z)，试对单位阶跃输入设计最少拍有纹

22、波控制器。1 1.2z 12.2z 11 1.2 z 1解：由 G( z)知， u 0, v 1, m=1, p 1( z) z (c c z 1)101(1) c c 1解得 c0 2 c1101&(1) c 2c 001( z) 2z 1 z 2( z)因此11.2z 2D( z)0.09 z(1(z)G(z)(1 z 1) 20.265 z (1 2.78 z )(1 0.2 z 1)，试对单位阶跃输入设计最少拍113.给定对象G( z)121(1 z ) (1 0.286 z )有纹波数字控制器。解：由题知， u 1, v 0, m=1, p 19 11设（ z) z (1 2.78z

23、 )c 0(1) 3.78c0 1 c0( z) 0.264 z (1 2.78 z 1)( z)0.2641(1 z ) (1 0.286 z 1)1 2D( z)(z)G(z) (1 0.2z 1 0.74 z )(1 0.2 z 1)211 e Tss s 114.已知广义被控对象 :G(s),给定 T=1s。针对单位阶跃输入设计最小拍无纹波控制系统。解：广义对象脉冲传递函数为1 e Ts1G( z) Z G( s)Zss 11(1 z 1)10.632z1 0.368z 1Zs(s 1)可以看出， G(z) 的零点为 - 0.718(单位圆内 )、极点为 1(单位圆上 )、0.368(

24、单位圆内 )，故w=0,v=0(单位圆上除外 ), m=1。针对阶跃输入进行设计，故p=1。于是可设1( z) z c0(1) c 10解得 c 1。0闭环脉冲传递函数为(z) z 1 (z) 1( z) 1 z 1e(z)1 0.368z 1则D( z)1 (z)G(z) 0.632(1 z )e105.设对象 的传递函数 G(s)，采样周期T1s，试对单位阶跃输入设计最少s(s 1)拍无纹波数字控制器。解：对所给对象求 z变换，可得113.68z (1 0.717z )(1 z )(1 0.368z 1)G(z)1可见G(z)零点为 0.717(单位圆内 ),极点为 1(单位圆上 ),0.368(单位圆内 )。故u=0, v=0(单位圆上极点不包括 ), m=1,p=1。11设(z) z (1 0.717z )c ,求得c00.580(z)1