计算机控制系统.doc

1、计算机控制系统按功能和目的划分为：操作指导控制系统 直接数字控制系统 监督计算机控制系统 分级计算机控制系统2、说明光电耦合器的作用、用法答：光电耦合器的作用：从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。 光电耦合器的用法：下图为原理图。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。使用光电隔离器件时需注意以下几点：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，以使发光二极管发光。典型的导通电流IF=10mA频率特性：光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。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，否则就会损坏元件。一般输出端额定电流在毫安量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常在光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。输出端暗电流：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。隔离电压：光电隔离器的一个重要参数，表示了电压隔离的能力。电源隔离：两侧的供电电源必须完全隔离。3、说明为什么在闭环计算机控制系统中均采用零阶保持器，而不用信号恢复效果更好的高阶保持器？答：随着保持器的阶数增加，信号恢复的效果越好，但带来的问题是实现复杂、相移增大，所以计算机控制系统中很少采用高阶保持器。高阶保持器主要用于没有闭环控制要求的通讯信号处理等领域。4、在A/D转换器前使用采样-保持器有什么作用？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。5、什么是振铃现象？如何消除振铃现象？答：所谓振铃(Ringing)现象，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。产生原因：U(z)含有z平面上单位圆内靠近-1的极点，输出必产生振铃现象。危害：形象系统的稳定。振铃幅度的计算：RA用来衡量振铃强度的程度 RA=a1-b1 消除：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，求e()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Tc，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。消除振铃后，数字控制器的输出形式6、何为最少拍设计？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。最小拍无差系统的不足之处：只针对某种典型输入进行设计，当输入形式改变时，系统性能变坏，输出响应不一定理想。在采样点之间可能出现纹波最小拍无差系统对经典输入信号适应性不好最小拍无差系统对被控对象模型参数变化过于敏感最小拍无差系统并不表示系统的响应时间可无限缩短8、积分饱和效应产生原因答：任何一个执行机构都存在线性和非线性区，当控制信号过大或过小时，就会进入非线性区域导致饱和。积分环节的累加项是造成饱和的主要原因。危害：系统出现震荡现象动态品质不好，稳定性差抑制：积分分离法遇限削弱法速度积分法9、 纹波产生的根本原因答：在G(Z)中有一个不稳定的零点，补偿后G(Z)中还存在一个稳定的零点。何为积分饱和现象？如何消除积分饱和现象？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。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。消除：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。9、 大林算法的目标：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。这样就能保证使系统不产生超调，同时保证其稳定性。因此闭环传函为 式中Tc为理想闭环系统的一阶惯性时间常数。对上式用零阶保持法离散化得由于所以只要确定了被控对象就可以由上式确定控制器。10、何为比例和微分饱和现象？如何消除？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)。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。消除：“积分补偿法”。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。 什么叫常态干扰、共态干扰（共模、差模）常态干扰：又称为对称干扰，是指两根电源导线之间出现的干扰，其干扰频率相对较低。共模干扰：又称为非对称干扰，指每根导线与地之间出现的干扰。其干扰频率较高。消除或削弱传导干扰的方法通常就是在电源与电气设备之间加装电源噪声滤波器离散、数字、模拟、连续信号的区别连续：在整个时间范围内均有定义的信号，其幅值可连续可断续；A模拟：在整个时间范围内均有定义的信号，其幅值在某一时间范围内连续；B BA离散：仅在各个离散时间瞬时上有意义的信号。数字：幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均离散。采样；是离散信号的合集，他是取模拟信号在离散时间瞬时上的值构成的信号序列。因此其幅值可以是模拟信号的连续幅值范围内哦任意值，及其在时间上是离散的，而幅值上是连续的。连续PID控制规律的传函答： 相应传函为：位置式PID算式：增量式PID算法：计算机控制系统有哪些干扰？举例说明有哪些抑制措施答：1从系统电源和电源引线(包括地线)侵入的干扰2从系统的信号输入/输出传输通道引入的干扰3空间电磁干扰4静电噪声5其他环境因素的影响举例，信号传输通道的抗干扰措施1远离干扰源2屏蔽干扰源3使用双绞线和同轴电缆阻止耦合干扰的侵入4接地可靠最小拍有纹波无纹波定义答：指输出在采样点之间出现的衰减震荡现象后果：虽然不影响系统的稳定性，但会造成系统动态误差出现，消耗一定能量，增加执行机构的机械磨损。产生原因：根源是在G(Z)中发现一个零点，也就是U(Z)中的极点，会造成输出在采样点上发散，使U(Z)出现无限项，导致纹波现象出现。典型计算机控制系统的基本框图如下：采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关S的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则S闭合，由A1、A3组成跟随器，并向CH端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至。三端输出电压可调式集成稳压器C0滤波电容C1是输入滤波电容，一般为0.33F，用来改善纹波和抑制高频干扰C2是输出电容，一般为0.1F，用于改善负载的瞬态响应C3改善瞬间响应，去除高压干扰D1、D2是稳压器的短路保护二极管，用于在输入端或输出端发生对地短路时释放电容C2或C3上存储的电荷。光电耦合（光电隔离的双向晶闸管输出）与晶闸管并联的RC网络用于吸收带感性负载时产生的与电流不同步的过压，晶闸管门极电阻则用于提高抗干扰能力，以防误触发。例3.3用z变换法解下列差分方程 初始条件为y(0)=0, y(1)=1。解：对上式进行z变换得代入初始条件，并解得 查表求z反变换得 5-12 已知某连续控制器的传递函数为现用数字PID算法实现它，写出其相应的增量型PID算法表达式。设采样周期T=1s。Z变换笔记例2已知初条（k=0，起始时刻）试用Z变换求。T=1s。解：令k=0代入原方程有 因为所以所以令例6-2 (一定含零阶保持器)解：（单位阶跃缩小） 具有可实现性，不稳定需补偿。设计思路补偿设计 令由得 例7-4 设离