《计算机数字控制技术》习题.pdf

计算机数字控制技术 计算机数字控制技术 习题习题 1 第一讲第一讲 1 什么是计算机数字控制系统 一般由哪几部分组成 请用框图 形式给出实例 并简单说明其工作原理 定义 计算机控制系统利用计算机的软件和硬件代替自动控制系统中的控制器 它以自动控制理论和计算机技术为基础 综合了计算机 自动控制和生产过程等多 方面的知识 组成 算机控制系统由工业控制计算机主体 包括硬件 软件与网络结构 和 被控对象两大部分组成 控制器D A 执行机 构 被控对象 A D 变送器 测量元 件 被控量 生产过程计算机系统 给定值r 偏差e 图 1 计算机控制系统框图 工作原理 计算机控制系统执行控制程序的过程如下 实时数据采集 对被控参数在一定的采样间隔进行测量 并将采样结果输入计 算机 实时计算 对采集到的被控参数进行处理后 按一定的预先规定的控制规律进 行控制率的计算 或称决策 决定当前的控制量 实时控制 根据实时计算结果 将控制信号送往控制的执行机构 信息管理 随着网络技术和控制策略的发展 信息共享和管理也介入到控制系 统中 上述测量 控制 运算 管理的过程不断重复 使整个系统能够按照一定的动 态品质指标进行工作 并且对被控参数或控制设备出现的异常状态及时监督并迅速 作出处理 2 实时 在线方式 离线方式的含义是什么 实时是指信号的输入 计算和输出都要在一定的时间范围内完成 即计算机对 输入信息以足够快的速度进行控制 超出这个时间就失去控制时机 控制也就失去 意义 在线方式 在计算机控制系统中 生产过程和计算机直接连接 并受计算机 控制的方式 离线方式 生产过程不和计算机相连且不受计算机控制 而是靠人进 行联系并作相应操作的方式 3 简述计算机数字控制系统的发展趋势 计算机控制系统是测量技术 计算机技术 通信技术和控制理论的结合 由于 计算机具有大量存储信息的能力 强大的逻辑判断能力及其快速运算的能力 使计 算机控制能够解决常规控制所不能解决的难题 能够达到常规控制达不到的优异的 性能指标 计算机控制系统的发展与数字化 智能化 网络化为特征的信息技术发 展密切相关 其发展前景是非常广阔 采用可编程控制器 PLC PLC 的应用非常广泛 在冶金 机械 石化 过 程控制等工业领域中均得到广泛的应用 它可以代替传统的继电器完成开关量控制 如输入 输出 定量 计数等 不仅如此 高档的 PLC 还可以和上位机一起构成复 杂的控制系统 完成对温度 压力 流量 液位 成份等各参数的自动检测和过程 控制 采用新型控制系统 比如广泛使用智能调节器 采用新型的 DCS 和 FCS 等 实现最优控制 最优控制就是恰当地选择控制规律 在控制系统的工作条件不 变以及某些物理条件的限制下 使得系统的某种性能指标取得最大值或最小值 即 获得最好的经济效益 自适应控制 若系统本身工作条件变化的情况下 能自动地改变控制规律 使 系统仍能处于最佳工作状态 其性能指标仍能取得最佳 这就是自适应控制 人工智能 人工智能是用计算机来模拟人工所从事的推理 学习 思考 规划 等思维活动 来解决需人类专家才能处理的复杂问题 其中具有代表性的两个尖端 领域是专家系统和机器人 模糊控制 在自动控制领域中 对于难以建立数学模型 非线性和大滞后的控 制对象 模糊控制技术具有很好的适应性 模糊控制是以模糊集合论 模糊语言变 量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制 模糊控制是一种非线性控制 属 于智能控制的范畴 预测控制 作为先进过程控制的典型代表 它的出现对复杂工业过程的优化控 制产生了深刻影响 使之成为工业过程控制领域中最受青睐的先进控制算法 不仅 如此 由于预测控制算法具有在不确定环境下进行优化控制的共性机理 使其应用 跨越了工业过程 而延伸到航空 机电 环境 交通 网络等众多应用领域 第二讲第二讲 1 简述计算机控制系统中过程通道的基本类型及其作用 过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道 它包 括模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道 2 简述计算机控制系统抗干扰技术的基本措施 所谓干扰 就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因 素 克服干扰的措施 硬件措施 软件措施 软硬结合的措施 串模干扰的抑制方法 如果串模干扰频率比被测信号频率高 则采用输入低通 滤波器来抑制高频率串模干扰 如果串模干扰频率比被测信号频率低 则采用高通 滤波器来抑制低频串模干扰 如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧 则应用 带通滤波器 一般情况下 串模干扰均比被测信号变化快 故常用二级阻容低通滤 波网络作为模 数转换器的输入滤波器 当被测信号变化较快时 应相应改变网络参 数 以适当减小时间常数 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时 用双积分式 A D 转换器可以削弱串模干 扰的影响 因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量 而不是测量信号的瞬 时值 若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍 则积 分后干扰值为零 对测量结果不产生误差 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下 对被测信号应尽可能早地进行前置 放大 从而达到提高回路中的信号噪声比的目的 或者尽可能早地完成模 数转换或 采取隔离和屏蔽等措施 从选择逻辑器件入手 利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应 并且使各个小环路的感应电势 互相呈反向抵消 选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线 且有良好接地 并 对测量仪表进行电磁屏蔽 共模干扰及其抑制方法 变压器隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电 路隔离开来 也就是把模拟地与数字地断开 以使共模干扰电压 cm不成回路 从 而抑制了共模干扰 另外 隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源 切断 两部分的地线联系 Us 放 大 器 模拟迪 Us1 调 制 器 T 调 制 器 Us2 A D 计 算 机 数字地 图 2 变压器隔离法 光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的 发光二极管两端为信号输入端 光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器 的输出端 它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光 传给光敏三 极管来完成的 Us 放 大 器 模拟地 光耦合放大器 Us1 Us2 A D 计 算 机 数字 地 图 3 光电隔离法 浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰 如图所示 这是利 用屏蔽方法使输入信号的 模拟地 浮空 从而达到抑制共模干扰的目的 Us Zs Rc Ucm A B 模 拟 地 内 屏 蔽 外 屏 蔽 机 器 外 壳 Z1 Z 2 图 4 浮地屏蔽 采用仪表放大器提高共模抑制比仪表放大器具有共模抑制能力强 输入阻抗高 漂移低 增益可调等优点 是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件 仪表 放大器将两个信号的差值放大 抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因 AD620 低功耗 低成本 集成仪表放大器 还有 AD623 等等 长线传输干扰的抑制方法 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配 可以消除长线 传输中的波反射或者把它抑制到最低限度 双绞线与同轴电缆双绞线的波阻抗一般 在 100 200 之间 绞花越密 波阻抗越低 信号 A 双绞线 B Rsc 图 5 始端匹配 信号 A 双绞线 B R a 信号 A 双绞线 Rp E c R1 R2 B b 图 6 终端匹配 CPU 抗干扰技术 计算机控制系统的 CPU 抗干扰措施 Watchdog 俗称看门狗 电源监控 掉电检测及保护 复位 微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能 通过监控 微处理器系统电源供电及监控软件的执行 来增强电路的可靠性 它提供一个反弹 的 无锁的 手动复位输入 3 什么是采样过程 量化误差 孔径时间 采样过程就是通过采样信号 把模拟信号的信息通过采样信号采集 并通过 A D 转换器采集到数字计算机的过程 所谓量化 就是采用一组数码 如二进制码 来逼近离散模拟信号的幅值 将其转 换为数字信号 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程 量化误差是由于 量化是计算机采取信号分割位数决定的 由于信号幅值的离散性 所以产生量化误 差 maxmin 2n yy 量化单位 孔径时间 在模拟量输入通道中 A D 转换器将模拟信号转换成数字量需要一 定的时间 完成一次 A D 转换所需的时间称为孔径时间 4 采样保持器的作用是什么 是否所有的模拟量输入通道中都 需要采样保持器 为什么 为了便于量化和编码 需要将每次采样取得的样值暂存 保持不变 直到下一 个采样脉冲的到来简单的说就是实现模数转换时的必须的抽样 保持电路 称为 采样保持器 如果不需要实现模数转换处理模拟信号的电路 在输入端不需要采样保持器 如 果信号源提供的为模拟信号信号处理电路时数字电路那么输入接口就必须要这个 了 5 什么是串模干扰和共模干扰 如何抑制 串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声 也称为常态干扰 如果串模干扰频率比被测信号频率高 则采用输入低通滤波器来抑制高频率串 模干扰 如果串模干扰频率比被测信号频率低 则采用高通滤波器来抑制低频串模 干扰 如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧 则应用带通滤波器 一般情况 下 串模干扰均比被测信号变化快 故常用二级阻容低通滤波网络作为模 数转换器 的输入滤波器 当被测信号变化较快时 应相应改变网络参数 以适当减小时间常 数 Us Un A D 转换 器 图 7 串模干扰 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时 用双积分式 A D 转换器可以削弱串模干 扰的影响 因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量 而不是测量信号的瞬 时值 若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍 则积 分后干扰值为零 对测量结果不产生误差 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下 对被测信号应尽可能早地进行前置 放大 从而达到提高回路中的信号噪声比的目的 或者尽可能早地完成模 数转换或 采取隔离和屏蔽等措施 从选择逻辑器件入手 利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰 采用双绞线作信 号引线的目的是减少电磁感应 并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消 选 用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线 且有良好接地 并对测量仪表进行电磁 屏蔽 所谓共模干扰是指模 数转换器两个输入端上公有的干扰电压 共模干扰也称为 共态干扰 被测信号 U 的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点 s 之间往往存 在着一定的电位差 Ucm Us A D 转换 器 图 8 共模干扰 共模干扰处理方法同 2 题所述 计算机数字控制技术 习题 计算机数字控制技术 习题 2 第三讲第三讲 1 指出采样保持器和零阶保持器在数字离散控制系统的功能与作 用 为了便于量化和编码 需要将每次采样取得的样值暂存 保持不变 直到下一 个采样脉冲的到来简单的说就是实现模数转换时的必须的抽样 保持电路 称为 采样保持器 零阶保持器的作用 将输入信号的幅值保持一个采样周期 T 即在一个采样周 期内将开始时输入的信号幅值保持不变 直到采样周期结束 2 简述传递函数和脉冲传递函数的概念 传递函数是零初始条件下线性系统响应 即输出 量的拉普拉斯变换 或 z 变 换 与激励 即输入 量的拉普拉斯变换之比 记作 G s Y s U s 其中 Y s U s 分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换 在线性离散系统中 把初始值为零时 系统离散输出信号的 z 变换与离散输入 信号的 z 变换之比 定义为脉冲传递函数 3 已知 r t 1 t x 0 0 x 1 1 用 Z 变换原理和方法 求解差分 方程 r k x k 2 6x k 1 8x k 根据左移定理 差分方程 Z 变换式为 22 0 1 6 0 8 R zz X zz xzxzX zzxX z 带入初值 得到 2 42 z X z zz 22 42 42 4242 kk zz zzzzzz x kT zzzz 1211 13 4222 22 kkkk 4 求下图所示系统的脉冲传递函数 D z C z R z 1 1 s1 G s s 2 1 Ts e G s s r t Tc t E z 由图中可知 112 z C zE z Z G s G sE z GG E zR zC z 1 解之 得到 12 12 1 GG zC z D z R zGG z 2 11 1 Ts e G zZ s ss 1 22 111 1 1 11 1 1 1 1 Ts T T Tzzz Gez ssszze z Tz zze 计算机数字控制技术 习题 计算机数字控制技术 习题 3 第三讲第三讲 1 某系统的连续控制器设计为 1 2 1 1 U sTs D s E sT s 试用双线性变换 法 前向差分法 后向差分法分别求取数字控制器 D z 双线性变换法 1 11 21 1 22 2 21 1 2 21 21 2 2 1 1 z s T z z T z TTTTT z D zD s zz TTTT T T z 前向差分法 1 11 1 22 2 1 1 1 1 z s T z T zTTT T D zD s z zTTT T T 后向差分法 1 11 1 22 2 1 1 1 1 z s Tz z T z TTT Tz D zD s z z TTT T Tz 2 什么是数字 PID 的位置型控制算法 增量型控制算法 如何得 到的 比较它们的优缺点 位置型控制算法 0 1 k PID j P kK E kKE jKE kE k 为了方便程序设计起见 1 00 1 1 PP kk IIIIII jj DD PK E k PKE jK E kKE jK E kP k P kKE kE k 那么上式即可写成 PID P kP kP kP k 增量型控制算法 1 2 1 2 PID P kKE kE kK E kKE kE kE k 为方便计算 0 1 2 1 2 PP k III j DD PKE kE k PKE jK E k P kKE kE kE k 那么有 PID P kP kP kP k 增量型算法不需做累加 计算误差后产生的计算精度问题 对控制量的计算影 响较小 位置型算法用到过去的误差的累加 容易产生较大的累加误差 增量型算法得出的是控制的增量 不会影响系统的工作 位置型算法的输出是 控制量的全部输出 误动作影响大 3 什么是积分饱和 是怎样引起的 如何消除 如果执行机构已经到极限位置 仍然不能消除静差时 由于积分作用 尽管 PID 差分方程式所得的运算结果继续增大或减小 但执行机构已无相应的动作 这就叫 积分饱和 若系统存在一个方向的偏差 PID 控制器的输出由于积分作用的不断累加而加 大 从而导致 u k 达到极限位置 此后若控制器输出继续增大 u k 也不会再增大 即系统输出超出正常运行范围而进入了饱和区 一旦出现反向偏差 u k 逐渐从饱和 区退出 进入饱和区愈深则退饱和时间愈长 此段时间内 执行机构仍停留在极限 位置而不能随着偏差反向立即做出相应的改变 这时系统就像失去控制一样 造成 控制性能恶化 解决的方法是 1 采用双字节的定点数进行计算 以减小因计算引入的延时时间 2 将输出方程中的全部系数扩大 m 为整数 倍 运算后再将结果缩小倍 3 变速积分法 4 试指出比例系数 KP 积分时间常数 TI 微分时间常数 TD在 PID 调节器中的作用 它们对系统的调节品质有何影响 动态时 比例系数 PK太小 系统动作慢 增加 PK 可提高系统动作的灵敏度 加快调节速度 但是 若 PK取值偏大 容易引起系统振荡 反而使调节时间加长 且当 PK太大时 系统将趋于不稳定状态 稳态时在系统稳定的情况下 随着比例控 制 P 的加大 可以减小稳态误差 但不能消除稳态误差 积分控制常数与比例控制和微分控制联合使用 组成 PI 控制或 PID 控制系统 积分时间 TI对系统性能的影响和作用是 动态时 积分控制常使系统的稳定性下降 TI值太小 系统不稳定 TI值偏小容易诱发系统振荡 TI值太大 对系统的影响将 削弱