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计算机控制原理与技术复习提纲20121. 计算机控制系统的概念计算机控制是自动控制理论和计算机技术相结合的产物。自动控制就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。由控制器、执行机构、被控对象等部件，为了一定的目的有机的联结成的一个进行自动控制的总体，称为自动控制系统。计算机控制系统是将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，也就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。2. 闭环控制系统与开环控制系统的根本区别。自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成闭环控制系统与开环控制系统两种结构形式。闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于闭环控制系统有一条从系统输出端经过测量元件到输入端的反馈通路。3. 计算机监督控制系统有哪两种结构形式，区别是什么？监督系统简称SCC，SCC系统有两种不同的结构，一种是SCC模拟调节器，另一种是SCCDDC系统。（1）SCC模拟调节器系统中SCC计算机根据采集到的参数，控制系统的数学模型进行计算，得到优化的设定值，送给模拟调节器，使系统保持最优工况。（2）SCCDDC系统此系统实际上是一个二级控制系统。DDC计算机承担直接控制任务，SCC计算机完成高一级的最优分析和计算任务，计算出最优设定值，将此值传送给DDC计算机，执行控制任务。4. 控制系统稳定的概念，掌握系统稳定性的判断的方法（即会判断系统是否稳定）。如果系统受外界或内部的扰动（包括给定值的变化），偏离了原平衡状态，而当扰动消失后（包括给定值恢复到原状态），系统的输出仍能逐渐恢复到原状态，则称系统是稳定的或具有稳定性。稳定性是控制系统的重要性能，是系统正常工作的首要条件。分析系统的稳定性是控制系统设计的基本任务之一。稳定的数学条件：系统稳定的数学条件为：闭环系统所有特征根均具有负实部（或所有特征根均位于s左半平面），即：Resi 0 (i = 1，2，n）系统闭环传递函数：闭环系统特征方程为：系统的稳定性只取决于自身而与扰动及其形式以及初始条件无关。代数稳定判据方法可采用一种不必解出特征根，而直接判别特征根是否满足Resi 0特点：含有一个储能元件，对突变的输入，输出不能立即复现，输出无振荡积分环节其传递函数为：特点：输出量与输入量的积分成比例，当输入消失。输出具有记忆功能微分环节其传递函数为：特点：输出量正比于输入量的变化速度，能预示输入信号的变化趋势振荡环节其传递函数为：式中： x为阻尼比（0 x 1，欠阻尼) wn为自然振荡角频率（无阻尼振荡角频率）特点：环节中有两个独立的储能元件，并可进行能量交换，其输出出现震荡纯时间滞后环节其传递函数为：式中：t为延迟时间特点：输出量能准确复现输入量，但需延迟一固定的时间间隔7. 自动控制系统的常用的典型测试信号。阶跃输入函数，斜坡（速度）函数，抛物线（加速度）函数，脉冲函数，正弦函数8. 传递函数的定义。在线性定常数系统中，当初始条件全为零时，系统或部件输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比称为系统或部件的传递函数。9. 掌握动态结构图的化简，求得系统传递函数的方法。肯定会有10. 自动控制系统的稳态误差概念，会求解指令输入作用的稳态误差，干扰输入作用的稳态误差及系统总稳态误差。11. 阶跃响应性能指标概念。时间响应可以划分为暂态和稳态两个阶段，暂态是指系统响应从开始到接近终了平衡的状态；稳态是指时间延续较长(t )后的平衡状态。几个性能指标：峰值时间t p：指阶跃响应曲线，即h(t)曲线中超过稳态值而达到第一个峰值所需要的时间。超调量s%：指h(t)中对稳态值的最大超出量与稳态值之比。即：调节时间ts：指响应曲线中，h(t)进入稳态值附近5% h() 或2% h()误差带而不再超出的最小时间。 ts也常称为过渡时间。稳态误差ess：指响应的稳态值与期望值之差。 这几个指标的特性：峰值时间t p表征响应的初始段快慢，而调节时间ts则表明系统响应的过渡阶段的总持续时间，从总体上反映了过程的快速性。超调量s%反映了系统响应阶段的平稳性。稳态误差ess 表征的是系统响应的最终（稳态）精度。控制工程中，常以s% 、ts及 ess 三项指标评价系统的稳、快、准。12. 熟悉典型一阶系统的结构、原理、性能分析（T,ts）。，初始状态为零的系统，在典型输入作用下，输出量的动态过程，称为典型时间响应。所谓一阶是指系统闭环传递函数分母的最高次幂为1。如下图：开环传递函数为：闭环传递函数为：T：一阶系统的时间常数；（一阶系统闭环传递函数分母常数项为1，s一阶项的系数即为时间常数T）C(s)R(s)C(s)R(s)l 一阶系统的阶跃响应没有超调，其动态性能指标主要是调节时间ts当t = 3T 时：此值与稳态值仅差5%，在工程中此时常看作过渡过程已结束，即ts = 3T。13. 了解典型二阶系统的结构、原理、性能分析（开环，闭环数学模型，x ,wn）。数学模型所谓二阶是指系统闭环传递函数分母的最高次幂为2如下图所示系统：开环传递函数为：闭环传递函数为：式中：wn称为二阶系统的自然振荡角频率 z为二阶系统的阻尼比 14. 二阶系统x与超调的关系。阻尼比x是二阶系统的一个重要参量，z值决定超调量0z1时， z s% z1时，无超调15. 二阶系统0x1，调节时间（过渡时间）ts与x、wn的关系。在0z1时，ts与zwn 成反比，z确定后，通过改变wn 来改变ts 在z 1时， z ts 16. 多路模拟量输出通道的两种结构形式。多路模拟量输出通道的结构形式，主要是取决于输出保持器的构成方式输出保持器一般有数字保持和模拟保持两种方案，这就决定了多路模拟量输出通道的两种基本结构形式：一个通道设置一个D/A转换器的形式（即，数字保持方案）优点：转换速度快，工作可靠，一路D/A的故障不会影响其它通道，易于实现控制缺点：使用了多片D/A多个通道共用一个D/A转换器的形式（即，模拟保持方案）优点：节省了D/A转换器缺点：工作速度慢，只适用于通路多、速度慢的场合17. DAC0832单极性输出时的数模关系。18. DAC0832双极性输出时的数模关系。19. DAC0832的单缓冲、双缓冲工作。DAC0832的三种工作方式：会根据电路图的连接判断系统工作方式1）直通方式：两个寄存器的所有五个控制信号常有效，两个寄存器均处于输入直通方式2）单缓冲方式有三种情况：输入寄存器处于直通方式(CS*、WR1* 、ILE常有效)，DAC寄存器受控DAC寄存器处于直通方式(XFER* 、WR2*常有效)，输入寄存器受控两个寄存器同步受控。数据同时进入两寄存器3）双缓冲方式：两个寄存器均受控，数据分时进入输入寄存器和DAC寄存器20. 根据DAC0832与8031的连接图，会写控制程序。21. 量化单位，量化误差（8位，12位）。量化单位（q） ： 数字量最低有效位（LSB）所对应的模拟量q称为量化单位即，A/D转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量 整量化过程是一个数值分层过程，采样四舍五入原则 ，因而存在量化误差，量化误差最大为q/2 n：ADC转换的分辨率2n：分层数例：若8位ADC，量程为05.12V 量化单位:22. 根据ADC0809与8031的连接图写转换控制程序。23. 步进电机的工作方式。步进电机有三相、四相、五相、六相等多种，下面以三相步进电机为例进行分析和讨论。步进电机可以工作于单相通电方式，也可工作于双相通电方式和单、双相交叉通电方式。选用不同的工作方式，可使步进电机具有不同的工作性能，如减小步距，提高定位精度和工作稳定性等。对于三相步进电机有单相三拍（简称单三拍）方式、双相三拍（简称双三拍）方式、三相六拍工作方式。熟悉每种方式的正向、反向的通电顺序。24. 根据步进电机的控制电路，写控制程序。（包括3相，4相）25. 什么是PID调节器？PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其调节的实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用于输出控制。按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID（ Proportional - Integral - Differential ）调节器。26. 模拟PID调节器的数字化对采样周期有什么要求？ 当采样周期足够小时，在模拟调节器的基础上，通过数值逼近的方法，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。在 t=iT 时刻:式中，T为采样周期，i为采样序号如果采样周期T取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近，我们把这种情况称为“准连续控制”。27. PID调节器的微分方程、传递函数。n 模拟PID调解器的微分方程输入为误差信号e(t)，输出为控制量u(t)，微分方程为：式中： 即控制器输出的控制量 即偏差信号，它等于给定量与输出量之差n 模拟PID调节器的传递函数28. 数字PID位置算法、增量算法的表达式。位置式PID算法增量式PID控制算法29. 数字PID增量算法较位置算法有哪些优点？1）增量式算法不需要做累加，计算误差或计算精度问题，对控制量的计算影响较小；而位置式算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差2）增量式算法得出的是控制量的增量，误动作影响小；而位置式算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大3）采用增量式算法，由于算式中不出现u0项，则易于实现手动到自动的无冲击切换因此，在实际控制中，增量式算法要比位置式算法应用更为广泛。30. 说明PID调节中的比例调节、积分调节、微分调节对调节品质有什么影响？比例调节器对于偏差是即时反应的，偏差一旦产生，立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化。对于具有自平衡性的对象(即对阶跃响应终值为有限值的对象)存在静差(稳态误差)，加大比例系数K可以减小静差，但不能完全消除。加大比例系数K，一般将加快系统的响应，但K过大会使动态品质变坏，引起被控制量振荡剧烈超调很大甚至闭环不稳定。积分调节作用滞后，积分调节作用可以消除比例调节中残存的静差，增大Ti 将减慢消除静差的过程，但可减小超调和振荡，提高系统的平稳性。微分调节作用超前，按偏差的变化率产生控制作用，阻止偏差的变化，偏差变化越快校正量则越大，故微分作用的加入有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，改善系统动态特性。31. 说明比例系数，积分时间常数，微分时间常数的变化对调节品质的影响。PID调节器的参数K ，T i，T d的变化对调节品质的影响：增大比例系数K ，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但K 过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏，甚至不稳定。增大积分时间常数Ti ，有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间常数Td ，也有利于加快系统的响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。32. 根据连续PID的传递函数D(S)，求数字PID的位置算法、增量算法的表达式。设采样周期T=1秒，分别写出D1( s )、 D2( s )对应的数字PID位置和增量算法的表达式。求解方法：第一步：将D（S）变换成传递函数的标准格式，即 则可得到K、Ti、Td的值；第二步：将K、Ti、Td的值分别代入位置式和增量式的表达式中即可。例：D1（S）=3+2S将上式变换成标准式：，所以K=3，Td=2/3 没有积分项将K、和Td值及T=1分别代入位置式和增量式的表达式中，得位置式PID算法表达式为： 增量式PID算法表达式为： 33. 积分饱和、比例微分饱和现象的后果是什么？有哪些克服积分饱和、比例微分饱和的PID算法？这些算法的程序框图。在PID位置算法中“饱和作用”主要是由积分项引起的，因此称为“积分饱和”现象。 积分饱和的后果：使系统的输出y出现了明显的超调，甚至产生震荡，使系统不稳定克服积分饱和作用的几种改进方法：n 遇限削弱积分法n 积分分离法n 有限偏差法在PID增量算法中，特别在给定值发生跃变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，计算出的控制量的多余信息没有执行就遗失了，与没有限制时相比系统的动态过程将变坏。显然比例和微分饱和对系统的影响的表现形式与积分饱和作用不同，它不是增大了系统的超调，而是减慢了动态过程克服比例和微分饱和的方法之一，是所谓的“积累补偿法 ”基本思想：将因比例微分饱和而未执行的增量信息积累起来， 一旦可能时，再补充执行。这样，遗失的信息得到了补偿，动态过程就得到了加速。34. 整定PID调节器参数有哪几种工程方法?这些方法的工程步骤？ 凑试法凑试法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线（例如阶跃响应），然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID调节参数。凑试法确定PID调节器参数的工程步骤：凑试法是通过模拟或系统闭环运行，观察系统输出的响应曲线（如阶跃响应）然后根据各调节参数对系统响应（调节品质）的影响，反复凑试参数，以达到满意的响应。在凑试时，对参数实行先比例，后积分，再微分的步骤 阶跃响应曲线法适用于多容量自平衡系统首先通过实验确定基准参数Tu、Kr，根据这两个基准参数查表（阶跃曲线法确定数字调节器参数表）确定PID调节器的参数 扩充临界比例法适用于具有自平衡性的对象临界比例法确定模拟PID参数：系统闭环，仅使用比例调节，逐步加大比例系数，使系统对阶跃输入的响应达到临界振荡状态，将这时的比例系数记为Kr ，临界振荡周期记为Tr ，根据