计算机控制系统 太原理工大学 考试 知识点 总结 (13届葬仪落整理)

1、第1章 绪论1、计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术的基础上产生的。2、画出典型计算机控制系统的基本框图，并分别说明各单元的作用。 A/D转换器：将电信号转换成数字信号反馈给计算机；控制器：将反馈信号与给定值信号进行比较，得到的偏差信号按照一定的控制算法输出数字控制信号  D/A转换器：将数字控制信号转换为模拟控制信号驱动执行器 执行器：接受模拟控制信号，改变被控对象的控制参数值 被控对象：工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。2、简述计算机控制系统的一般控制过程。(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

2、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、计算机控制系统的组成4、与连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？(1) 计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。(2) 在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。(4) 计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。(5) 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。(6) 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网

3、络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。5、计算机控制系统的类型（1）操作指导控制系统：计算机的输出不直接控制被控对象，只是采集信息，操作人员根据结果操作执行机构，是一种开环控制结构。（2）直接数字控制系统：计算机通过检测元件对一个或多个系统参数进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。计算机根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定值。（3）监督计算机控制系统：由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳控制输出送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳工作状

4、态。 （4）分级计算机控制系统：装置控制级、工厂集中控制级、车间监督级、企业管理级第二章 计算机控制系统设计的硬件基础1、开关量信号输入通道的主要作用是什么？在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输入。2、模拟量信号输入通道的主要作用是什么？把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O接口送入计算机。3、开关量信号输出通道的主要作用是什么？答：在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0tT)，这些控制可通过计算机开关量输出通道来实现。4、模拟量信号输出通道

5、的主要作用是什么？把计算机输出的数字量转换成模拟量。5、说明光电耦合器的作用、用法及注意事项。光电耦合器的作用：从工业现场获取的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，可能从现场引入高压信号损害计算机系统的安全。因此用光电耦合器进行电气隔离。（电气隔离和电平转换）光电耦合器的用法：当输入侧(即发光二极管)流过一定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。光电耦合器的注意事项： 输入侧导通电流：要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使

6、发光二极管发光。不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流IF=10mA。 频率特性：受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。 输出端工作电流：光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。 输出端暗电流：这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以

7、处理。 隔离电压：它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。 电源隔离：光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。光电隔离器件两侧的供电电源也必须完全隔离。6、开关量输出的输出信号处理。（1）隔离处理（2）电平转换和功率放大（小功率低压开关量输出、继电器输出、晶闸管输出、功率场效应管输出、集成功率电子开关输出 ）7、多路A/D转换器电路有几种常见方案，各有什么优、缺点？（1）采用集成多路A/D转换器，或选择内含集成多路A/D转换器的微处理器。 优点:设计简洁、可靠性高 缺点：有时各模拟量输入互相串扰。（2）每个模拟量输入配置一个A/D转换器。缺点：当系统中模拟量输入较多时，硬件费用会

8、迅速增加、可靠性降低，一般不采用这种方案，仅在考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。（3）采取多路模拟量输入复用一个A/D转换器的方案。8、在A/D转换器前使用采样-保持器有什么作用？这里采样保持器中的“采样”和2.6节中的“采样”有何区别？答：在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于“采样”状态，跟踪输入信号变化；进行A/D转换之前使其处于“保持”状态，则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值；转换结束后，又使其变为“采样”状态。2.6节中

9、的“采样”指抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程。9、模拟量输入隔离、放大、滤波。隔离：光电隔离、共模电压的隔离（光电隔离、电容隔离技术、隔离放大器）放大：测量放大器、程控增益放大器 滤波：硬件、软件10、多路D/A转换器电路有几种常用方案，各有何优、缺点？（1）为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。优点：转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。缺点：如果模拟量信号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的D/A转换器时。（2）多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持放大器来实现。这个方案是由计算机

10、通过多路模拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样保持放大器，并由保持电容对模拟量信号进行保持。优点：成本较低。缺点：电路结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减，需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。11、常用的集成稳压器三端输出电压 固定式正输出/负输出、可调式 集成稳压器12、简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。(1) 连续信号：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。(2) 模拟信号：模拟信号

11、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中，将二者等同起来，均指模拟信号。(3) 离散信号：离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。(4) 采样信号：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。(5) 数字信号：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。13、什么是采样或采样过程？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。14、什么是采样开关？常见的采样方式有几种？完成采样操作的装置称为采

12、样开关。(1) 周期采样：指相邻两次采样的时间间隔相等，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，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。(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但不同时开闭，则称为非同步采样。(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，则称多速采样。(5) 随机采样：若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。15、函数的数学定义是什么？区分(t)和(t-kT)的含义，并画出它们的几何图形。函数有下列性质 ： 。即在任意t0时刻，函数的积分或函数的强度为1。

13、根据函数的这个性质，对任意连续函数f(t)和任意整数k有 其中，T为采样周期。从上式可以看出， d(t-kT) 可以把f(t)在kT时刻的值提取出来，也就是说，函数具有采样功能。16、写出理想采样开关的数学表达式，并给出其图形表达方式。函数表示为： 。k为任意整数。那么理想采样开关可以描述为理想单位脉冲函数序列：17、简述采样定理的基本内容及采样周期选取的一般原则采样定理: 如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为,则对进行周期采样且采样角频率时，连续信号可以由采样信号唯一确定，亦即可以从无失真地恢复。从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特征信息。但是，从计算机控制系统角度来

14、讲，选取过高的采样频率会使系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，并且还会使干扰对系统的影响明显上升。因此，应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。（按系统闭环频带选取、系统的开环传递函数选取、系统开环阶跃响应的上升时间选取、生产过程控制的经验选取）18、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。19、试推导零阶采样-保持器的传递函数，说明它和理想低通滤波器之间的特性差异。引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？答：零阶保持器在奈奎斯特频率以外的增益不为零，在相位上相当于引入T/2的时间延迟，因此其性能劣于理想低通滤波器，信号恢复效果也稍差。

15、不影响。20、数字滤波的概念及方法。答：是把A/D转换得到的数据通过软件按照一定的算法进行平滑加工等处理，再送给控制程序运算，以增强其有效信号、消除或减小各种干扰和噪声，从而提高控制精度和系统的可靠性与稳定性。限幅滤波方法、中值滤波方法、算术平均滤波方法、一阶滞后滤波方法、复合滤波方法。21、已知连续系统的开环传递函数为试求采用计算机闭环控制时采样周期的选择范围。答：将系统的开环传递函数写成 从而：T10.25秒，t10.04秒，q12p/32秒0.196秒。得tmin0.04秒。22、差分方程式离散系统的一个完整描述，它完全反映了一个实际物理系统的特征；系统的稳定性只取决于系统的通解，即系统

16、的特征根；系统的动态特性取决于特征根的分布。23、开关量输入信号基本类型：1位的状态信号、成组的开关信号、数字脉冲信号。24、共模电压是指多根信号线对参考电压的相等的部分。若是相差的部分则为差模电压。25、W7800系列是三端式正输出集成稳压器。输入端1、输出端2、公共端3。输入端和公共端之间电容C1为滤波电容，0.33uF，改善纹波和抑制高频干扰。输出端和公共端之间电容C2，0.1uF，改善负载的瞬态响应。W7900系列三端固定式输出集成稳压器。W7800的3为公共端，W79001位公共端。第四章 计算机控制系统特性分析1、稳定：在有界输入作用下，系统的输出也是有界的。2、线性离散控制系统稳

17、定的充要条件是什么？答： 闭环系统特征方程的所有根的模zi<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。3、霍尔维茨判据：由系统特征方程各系数组成的主行列式及其顺序主子式全部为正。4、线性离散系统的动态特性：系统在单位阶跃信号输入下的过渡过程特性。5、线性定常离散系统的稳态误差是否只与系统本身的结构和参数有关？答：线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。除此之外，离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关。6、线性离散系统的脉冲传递函数的定义是什么？答：零初始条件下，系统或环节的输出采样函数z变换和输入采样函数z变换之比。第五章

18、计算机控制系统的间接设计方法1、数字控制器的间接设计法：先根据给定的性能指标及各项参数，应用连续系统理论的设计方法设计模拟控制器，再按照离散化方法将模拟控制器离散化为数字控制器。2、脉冲响应不变法基本思想:离散近似后的数字控制器的脉冲响应gD(kT)是模拟控制器的脉冲响应采样值g(kT)的T倍。特点:模拟控制器稳定，则离散近似后的数字控制器也可保证稳定。由于z变换的多值映射特性，容易出现频率“混叠”现象。应用范围：模拟控制器应具有部分分式结构或能较容易地分解为并联结构。模拟控制器具有陡衰减特性，且适宜应用在有限带宽信号的场合。3、阶跃响应不变法基本思想：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列与模

19、拟控制器的阶跃响应的采样值一致。特点：模拟控制器稳定，离散近似后的数字控制器亦稳定。由于零阶保持器的低通滤波特性，可减少“混叠”现象，可保持稳态增益不变。 模拟控制器应具有并联结构形式或容易分解成部分分式形式。由于数字控制器内含有零阶保持器，该方法只能用于低通网络，且要求保持阶跃响应不变的系统。4、零极点匹配映射法基本思想：根据s域与z域的转换关系z=eTs，可将s平面的零极点直接一一对应地映射到z平面上，使数字控制器的零极点与模拟控制器的零极点完全相匹配。5、z变换设计法结论（1）采样周期T必须取得足够小，才能使D(z)接近Gc(s)的性能；（2）双线性变换法是最好的离散化方法，它在低采样频

20、率下仍然保持良好的性能；（3）如果以增益作为唯一的准则，零极点匹配法性能最好；（4）对连续传递函数Gc(s)=Gc1(s)Gc2(s)Gcn(s)可分别对Gc1(s) , Gc2(s) , , Gcn(s)等效离散得到D1(z), D2(z), , Dn(z)，则D1(z) , D2(z) , , Dn(z)的乘积即为离散近似后的数字控制器D(z)。6、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。(1)比例调节器：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，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制

21、对象存在静差。加大比例系数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)积分调节器：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e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数TI大，则积分作用弱，反之强。增大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)微分调节器：为加快控制过程，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

22、小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。7、增量型PID控制算式具有哪些优点？(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ei-1、ei-2和前一次的输出值ui-1，这大大节约了内存和计算时间。(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。8、PID位置型控制算式 增量型PID控制算式 递推型PID控制算式9、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

23、相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，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。10、 如何消除比例和微分饱和现象？答：“积分补偿法”。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。这样，动态过程也得到了加速。即，一旦超限，则多余的未执行的控制增量将存储在累加器中；当控制量脱离了饱和区，则累加器中的量将全部或部分地加到计算出的控制增量上，以补充由于限制而未能执行的控制。11、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

24、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。另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现u<umin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”。12、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

25、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。13、PID参数整定方法试凑法、简易工程法（扩充临界比例度法、扩充响应曲线法）14、如何利用试凑法调整PID算法的参数？(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。如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那只需用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。(2)如果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。整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI,同时将第一步整定得到的比例系数KP缩小一些(比如取原来的80%)，然后减小积分时间系数，使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数KP和积分时间系数TI,从而实现满意的控制过程和整定参数。(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TD为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，同时相应地改变比例系数KP和积分时间系数TI，逐步试凑，以获得满意的调节效