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计算机控制系统复习第一章绪论一计算机控制系统的基本结构，控制过程，实时概念？基本结构：控制过程：1数据采集及处理 2.实时控制和信息处理实施概念：信号的输入计算和输出都要在一定时间（采样间隔）内完成二计算机控制系统的组成（框图）硬件：计算机 过程输入、输出通道外部设备 操作台软件：系统软件 应用软件三计算机控制系统的特点1.模拟、数字混合系统 2. 便于修改控制规律 3. 可实现复杂的控制规律 4. 离散控制 5.可分时控制多个回路 6.便于实现控制与管理一体化四计算机控制系统的类型及各自特点1.操作指导控制系统：结构简单控制灵活和安全，但人工操作，速度受限 2.直接数字控制系统：参与闭环控制，最普遍 3.监督计算机控制系统： 4.分级计算机控制系统：将控制任务分散，用于多台计算机分别执行不同任务，既能控制又能管理第二章一开关量输入信号的基本类型，几种预处理方法及光耦器件的工作原理及作用 基本类型： 1. 一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的启动与停止、触点的接通与断开。2. 成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。3. 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。 预处理方法：1信号转换处理 2安全保护措施 3 消除机械抖动影响 4 滤波处理 5隔离处理 6光电耦合器件原理与使用光耦器件工作原理：采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。 作用：用于现场设备与计算机系统之间的隔离保护二开关量输出信号的具体通道设计 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 可控硅输出 功率场效应输出 集成功率电子开关输出三多路AD转换系统的设计方案三种 1采用集成多路A/D转换器 2每个模拟量输入配置一个A/D转换器 3多路模拟量输入复用一个A/D转换器四采样/保持器的作用，工作原理 作用：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，其作用为克服该误差 原理：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；转换结束之后，又使其变为采样状态 是否设置采样保持器应根据模拟输入信号的变化频率和A/D转换器的孔径时间来确定五模拟输入信号的隔离措施 1.光电隔离：在计算机接口和A/D转换电路之间实施光电隔离 。这种隔离保证了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底的电气隔离 2.共模电压的隔离：光电隔离： 能够克服光电隔离输出、输入两端设备的地线间的共模干扰，但无法克服模拟信号之间的共模干扰。 电容隔离技术 隔离放大器 六多通道D/A转换系统的设计方案 1. 每一个通道设置一个独立的D/A转换器 ：优点是转换速度快、精度高、工作可靠，相应软件的编制也比较简单。但是，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，这一问题尤为严重。 2. 多通道复用一个D/A转换器：该方案优点是成本较低，缺点是电路结构复杂、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。此方案适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。 七信号采样机理描述，香农采样定理，信号重构定义及零阶采样保持器的传递函数信号采样机理描述：理想采样开关可表示为 则采样信号可表示为 或或 香侬采样定理：如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为max,则对f(t) 进行周期采样且采样角频率s 2max时，连续信号可以由采样信号唯一确定， 亦即可以从f*(t)无失真地恢复f(t) 。 信号重构定义：把离散信号变为连续信号的过程，它是采样的逆过程 零阶采样保持器的传递函数：八数字滤波（软件滤波）的定义及常用方法 定义：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。 方法：1 限幅滤波方法 2.中值滤波方法 3.算术平均滤波方法 4一阶滞后滤波方法 5 复合滤波方法第六章一什么是最少拍设计？及其实质定义：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。实质：时间最优控制系统，系统性能指标就是系统的调节时间最短或尽可能短，对闭环脉冲传递函数的要求是快速性和准确性第八章一计算机控制系统的一般设计步骤 1. 研究被控对象、确定控制任务 2. 确定系统总体控制方案 3. 确定控制策略和控制算法 4. 硬件详细设计 5. 软件详细设计 6. 系统仿真与调试 7. 现场安装调试二数字程序控制系统定义及其组成 能够根据输入的指令和数据，使生产机械按预定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律完成工作的自动控制，称为数字程序控制。组成：以计算机为核心，包括输入装置、输出装置、插补器和控制器等部分三步进电机的功能、特点、工作原理 步进电机是计算机控制系统常用的执行元件，具有快速起停、精确步进的特点，并可直接采用数字脉冲信号控制，而不需要进行A/D转换，因而为控制系统的设计带来极大的方便计算控制原理框图：第十章一提高计算机控制系统可靠性措施1提高元器件和设备的可靠性 2采取抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力 3 采用可靠性设计技术 4采用故障诊断技术二计算机控制系统干扰来源 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其它环境因素的影响三电源系统的抗干扰措施1远离干扰源 2安装电源低通滤波器 3采取变压器屏蔽和分路供电措施 4采取措施拓宽对电网波动的适应能力 5 使用压敏电阻和均衡器 6 直流侧去耦措施 7供电系统应合理配线和布线 8电柜接地和公共接地的处理 9尖峰脉冲干扰的综合防治尖峰脉冲干扰的综合防治：1.远离干扰源 2.用硬件设备抑制尖峰干扰的影响 3.在大功率用电设备上采取措施抑制尖峰干扰的产生。 4.采用看门狗技术 四针对信号传输通道的干扰常用处理方法 1 抑制干扰源 2使用双绞线和同轴电缆阻止耦合干扰的侵入 3接地处理试卷一二、已知系统的差分方程为 （10分）输入信号是初始条件为，试写出输出脉冲序列。解：三、设被控对象传递函数为，在对象前接有零阶保持器，试求广义对象的脉冲传递函数。 （10分）解：广义对象传递函数对应的脉冲传递函数为四、已知被控对象传递函数为 试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器Gc(s)，并用后向差分法给出等效的数字控制器形式。（10分）解：经动态校正后系统的开环传递函数为应选择Gc(s)为PI控制器，其基本形式为为使PI控制器能抵消被控对象中较大的时间常数，可选择则有 根据二阶工程最佳设计法则，应有解之得于是得到模拟控制器的传递函数为对以上的模拟PI控制器，根据后向差分近似的等效变换方法，得等效的数字控制器：五、已知广义被控对象:, 给定T=1s (20分) 针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统, 并画出系统的输出波形图。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z=1的极点应包含在e(z)的零点中，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e(z)=(1-z-1)2F1(z),显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设 解得 。闭环脉冲传递函数为 则 试卷二 二、已知系统框图如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 试确定闭环系统稳定时K的取值范围。解：广义对象传递函数对应的脉冲传递函数为此时系统的特征方程为采用双线性变换可得等效的特征方程为此时，劳斯表为 w2 （1-0.0381K） 0.924K K 26.2 w1 0.924-0.386K K 0故K的变化范围为 0 K 2.39。三、已知某连续控制器的传递函数为 （10分）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，并给出控制器的差分形式。其中。解：令 控制器的差分形式为四、已知离散控制系统的结构如下所示，采样周期，输入信号，求该系统的稳态误差。 （10分）r(t)y(t)解：系统开环脉冲传递函数为则误差脉冲传递函数为稳态误差为五、已知广义被控对象为 （15分）其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用史密斯预估器方法确定数字控制器。解：不含纯滞后的广义对象脉冲传递函数为广义对象脉冲传递函数为不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为，进而求得于是得史密斯预估器如下六、采用逐点比较法法插补圆弧OP，起点坐标O(0，5)，终点坐标P(5，0)，圆心在原点。要求以表格形式给出插补计算过程，并画出插补运动轨迹。（10分）解：步数误差判别坐标进给下一步误差计算进给后动点坐标终点判别初始化F0x=0,y=5=101F=0-yF=F-2y+1=-9x=0，y=y-1=4=-1=92F0+xF=F+2x+1=-8x=x+1=1,y=4=-1=83F0+xF=F+2x+1=-5x=x+1=2,y=4=-1=74F0+xF=F+2x+1=0x=x+1=3,y=4=-1=65F=0-yF=F-2y+1=-7x=3，y=y-1=3=-1=56F0+xF=F+2x+1=0x=x+1=4,y=3=-1=47F=0-yF=F-2y+1=-5x=4，y=y-1=2=-1=38F0-yF=F-2y+1=1x=5，y=y-1=1=-1=110F0-yF=F-2y+1=0x=5，y=y-1=0=-1=0End试卷三y*(t)二、已知系统框图如下所示： T=1s (15分)r(t)Ty(t) 试写出离散系统的动态方程。解：所给系统的脉冲传递函数为令进而则取于是得如下状态方程写成矩阵形式为三、已知广义被控对象为 （15分）其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用大林算法确定数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为闭环系统理想脉冲传递函数为得大林控制器如下四、已知被控对象 （15分）设计一个特征值为的全维状态观测器。并画出相应的状态变量结构图。解：能观性矩阵满秩，故系统能观测，可设计状态观测器。令输出误差反馈矩阵观测器期望特征方程为观测器特征方程为比较上面两式，可得(状态变量图略)。五、已知某系统连续控制器的传递函数 （15分）试分别用阶跃响应和脉冲响应不变法求的等效数字控制器，并写出相应的差分方程表达式。其中采样周期。解：1、阶跃响应不变法由可推得数字控制器的差分方程形式如下2、脉冲响应不变法由可推得数字控制器的差分方程形式如下试卷四二、已知系统框图如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 试求闭环离散系统的闭环脉冲传递函数，并判别系统的稳定性。解：广义对象脉冲传递函数为系统闭环脉冲传递函数为则闭环系统的特征方程为由z域直接判据 W(0)=0.6320 W(-1)=1+1+0.6320知闭环系统稳定。三、已知某被控对象的传递函数为 (15分) 要求设计成单位反馈计算机控制系统，结构如下图所示。采样周期为T1s。要求闭环特征根为0.4和0.6。试求数字控制器。y(t)r(t)解：广义对象脉冲传递函数为根据要求设定闭环脉冲传递函数为四、已知控制系统的被控对象的传递函数为，采样周期T1s，若选闭环系统的时间常数，试用大林算法设计数字控制器。若出现振铃现象，修正数字控制器，消除振铃现象。（20分）解：采样周期T=1s，期望闭环脉冲传递函数为进而被控装置广义脉冲传递函数则由振铃现象产生的原理知，用常规大林算法设计的被控对象为二阶的系统必产生振铃现象。在D(z)中的靠近z1的两个因子中令z1来消除振铃现象，即五、求出双积分系统控制对象的离散状态方程，假设系统所有的状态皆不可直接测量，设计全维状态观测器实现状态反馈，并把闭环两个极点都配置在0.1，观测器特征方程的两个根配置在原点。（T=1s） （20分）解：系统的广义对象脉冲传递函数为可写其能控标准型实现为对应的能观性矩阵为满秩，故系统能观可设计观测器。先求状态观测器增益矩阵状态观测器特征多项式为观测器期望特征多项式为比较上面两式z各次幂项系数得再求状态反馈增益矩阵期望闭环特征方程为则引入状态反馈后系统闭环特征方程为比较上面二方程z各次幂项系数，得四卷五二、已知 求 （10分）解：三、已知系统框图如下所示： T=1s (10分)Ty(t)r(t)- 判别系统稳定性。解：系统开环传递函数为系统闭环特征方程采用双线性变换得w平面特征方程为建立劳斯表 w2 2.104 0.632 w1 1.264 w0 0.632 由劳斯判据可知系统稳定。四、用后向差分法求下列模拟滤波器D(s)的等效数字滤波器，并给出差分递推算式，设T=1s, (10分) 解：使用后项差分离散化方法，令，则可得其差分递推算式为五、已知广义被控对象:, 给定T=1s (20分) 针对单位阶跃输入设计最小拍无纹波控制系统, 并画出系统的输出波形图。解：广义对象脉冲传递函数为可以看出，G(z)的零点为-0.718(单位圆内)、极