计算机控制理论答案

1、第一讲1、什么是计算机数字控制系统？一般由哪几局部组成？请用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。计算机控制系统就是利用计算机通常称为工业控制机来实现生产过 程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两局部组成；计算机控制系统由工业控制计算机主体包括硬件、软件与网格结构 和生产过程两大局部组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、 检测与执行机构组成；三个步骤原理： 实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输 入。 实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制 规律，决定将要采取的控制行为。 实时控制输出：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完

2、 成控制任务。2、实时、在线方式、离线方式的含义是什么？实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间围完成，亦即计算机对 输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时 机，控制也就失去了意义。在线方式：在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，并 受计算机控制的方式称为。离线方式： 离线方式亦称为脱机方式，是指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做相应操作的方式。3、简述计算机数字控制系统的开展趋势。计算机数值控制系统的开展趋势有控制系统的网络化、 扁平化、 只能化、综 合化。第二讲1、简述计算机控制系统中过程通道的根本类型及其作用。

3、 数字量输入通道： 接受外部装置或产生过程的状态信号， 同时将状态信号经 转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号；数字量输出通道： 把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控 制的数字驱动信号；模拟量输入通道： 把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位重量等 模拟信号转换成计算机可以接收的数字量信号；模拟量输出通道： 把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信 号，去驱动相应的执行器，从而到达控制的目的。2、简述计算机控制系统抗干扰技术的根本措施。克服干扰的措施主要有：硬件措施、软件措施和软硬结合的措施。其中硬件抗干扰措施包含：过程通道抗干扰技术；CPU

4、抗干扰技术；系统供电与接地技术。针对不同的干扰采用不用的抗干扰技术： 过程通道抗干扰技术：针对串模干扰，采用滤波器、双积分式A/D转换器、双绞线作信号引线等方法来抑制；针对共模干扰，采用变压器隔离、光电隔 离、浮地屏蔽、 采用仪表放大器提高共模抑制比等方式； 针对长线传输干扰可采 用双绞线与同轴电缆进行传输； CPU抗干扰技术：使用 Watchdog俗称看门狗、电源监控掉电检测及保 护 、复位等； 系统供电与接地技术： 对于系统供电添加电源异常保护措施； 对于接地技 术有单点接地、低频接地技术、通道馈线接地技术、主机外壳接地但机芯浮空、 多机系统的接地等。3、什么是采样过程、量化误差、孔径时间

5、？采样过程：按一定的时间间隔T,把时间上连续和幅值上连续的模拟信号，转变 成在时刻0、T、2T、kT的一连串脉冲输出信号的过程叫做采样过程。量化误差 ：当离散信号采样值的电平落在两个相邻量化电平之间时， 就要舍 入到相近的一个量化点评上，该量化电平与实际电平之间的差值称为量化误差。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总需 要一定的时间，完成一次 A/D 转换所需的时间称之为孔径时间。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？采样保持器的作用 ：采样器是一种开关电路或装置， 它在固定时间点上取出 被处理信号的值。采样保持器

6、那么把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间， 以供模数转换器转换， 直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的 值。模拟输入通道中不一定非得采用采样保持器， 如被采样的模拟信号的变化频 率相对于 A/D 转换的转换速度较低的话，可以不加采样保持器。5、什么是串模干扰和共模干扰？如何抑制？串模干扰 ：指叠加在被测信号上的干扰噪声，也称为常态干扰。抑制方法：如果串模干扰频率比被测信号频率高，那么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， 那么采用高通滤波 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， 那么应用带 通滤波器。 一般情况

7、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。假设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，那么积分后干扰值为零，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，从而到达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

8、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：指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压，也成共态干扰。抑制方法： 变压器隔离； 光电隔离； 浮地屏蔽； 采用仪表放大器提高共模抑制比。第三讲计算机数字控制系统理论根底局部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。采样保持器的作用：采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出 被处理信号的值。采样保持器那么把这个信号值放大后存储起来，保持

9、一段时间， 以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的 值。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。传递函数是在零初始条件下，系统输出量ct的拉氏变换Cs与输入量rtGs的的拉氏变换Rs之比，即Rs。脉冲传递函数是在零初始条件下，系统输出量ckT的z变换Cz和系统输入量r(kT)的z变换R(z)之比，即G(z)器。3、：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)

10、+8x(k)。Z变换式为:6zx(0)8X(z)因为 r(t)=1(t)，即 R(z) ； z 1根据Z变换左移定理，其差分方程的z 22z X(z) z x(0)zx(1) 6zX(z)z 1因为 x(0)=0, x(1)=1，故有：z2X(z) z 6zX(z) 8X(z)X(z)(z 4)(z 2)(z 1)x(kT)z2lim (z 1)zk 1z 八；(z 1)(z 2)(z 4)2zz22)(z 1)(z 2)(z 4)zlim (z 4)zkz 4 (z 1)(z 2)(z 4)1 2k 2 4k334、求下列图所示系统的脉冲传递函数D(z)=C(z)/R(z).r(t) +14

11、1 eTss(s 1)sTc(t)D(z) C(z) GG2(z)R(z) 1 GiG2(z)GG (z) Z-1- - Z(1s(s 1) seTs)(gs)(1 z1)( s 1(z 1)zzD(z)-'(z 1)2 z 1 z 訂R(z) 1 (1 z1)亠丄刍(z 1)2 z 1 z e T(1 z1£第四、五讲作业1、 某系统的连续控制器设计为 D(s) U| 寫,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：D(z) D(s)| 2zis m前向差分法：D(z) D(s)| zis T后向差分法：D(z) D(s)| zis

12、Tz1T1茁z 1T2tzz 1Tz 1TT TzT z 1T2 TzT(z 1) 2Tdz 1)T(zh(z1) 2T2(z 1)1)T T2(z 1)Tz 壬(z 1)Tz T2(z 1)2、什么是数字PID的位置型控c制算法、增量型控制算法？ 如何得到的？比拟它们的优缺点。PID算法的数字化，其实质就是将连续形式的PID微分方程转化成为离散形 式的PID差分方程。其中，将PID算法中的模拟式中积分项用求和式，微分项 用增量式来表示后得到：T nTP(n) Kpe(n)e( j)寸e(n) e(n 1)ti j oT将上式称为PID位置式控制算式对其进行变换后得： P( n) P(n) P

13、(n 1) Kpe (n) e(n 1) Kie (n) K°e( n) 2e(n 1) e(n 2)将上式称为PID增量式控制算式PID位置式控制算式 计算时，只需进行四那么算术运算便可求出当前输出值， 极方便用计算机来实现。不过现在计算时，不仅需要知道本次及上次偏差信号和， 而且在积分项中还要对历次的偏差信号进行相加求和，因此，在运用计算机实现 控制输出时，既繁琐又占用大量存。PID增量式控制算式 计算时，只需知道e(n), e(n-1)和e(n-2)即可，比PID 位置式控制算式的计算简单。 很适合于某些以步进电机或多圈电位器作为执行机 构的控制系统的要求， 另外它还具有输出增

14、量不大、 系统受操作切换冲击影响较 小、不产生积分失控输出较平稳易于获得较好调节效果等优点。3、什么是积分饱和？是怎样引起的？如何消除？如果执行机构已到极限位置， 仍然不能消除偏差时， 由于积分作用， 尽管计 算 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。因长时间出现偏差或偏差较大， 计算出的控制量有可能溢出或小于零， 就会 出现积分饱和的现象。消除积分饱和的方法：积分别离法 ,变速积分 PID 控制算法，超限削弱积分 法，有效偏差法，抗积分饱和机制。4、试比拟数字 PID 算法中处理积分项的三种方法 抑制积 分饱和、消除积分量化误差、变速积分

15、的优缺点。抑制积分饱和对积分项采取“开关的控制方式，比拟容易实现，程序设计 也较为简单，但关键在于要选取一个适宜的阀值，而且适应性比拟差；消除积分量化误差在计算上较为方便，但是增加了运算次数； 变速积分法是根据误差大小，可随机改变积分作用，近似于线性控制方式， 具有抑制超调、防止积分饱和、适应性强、线性度好和参数整定容易等优点，大 大提高了系统的调节品质。5、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？比例系数 K P：动态时，比例系数太小， 系统动作慢。增加 Kp ，可提高系统动作的灵敏度 ， 加快调节速度，但是，假设

16、取值偏大，容易引起系统振荡，反而使调节时间加长， 且当 Kp 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 Kp 的加大，可以减小稳态误差，但不能消除稳态误差。积分时间常数Ti :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。只有选择适合的 Ti 值，才可使系统的过渡过程趋于理想状态。稳态时，积分控制可以消除系统静态误差，提高系统的控制精度。但Ti值太大时，因积分控制作用的削弱，反而不能减小稳态差。微分时间常数Td：微分时间Td对系统性能的主要作用是减小超调量、缩短调节时间、允许加 强比例

17、控制，从而减小稳态误差，提高控制精度和改善动态特性等。？但Td值偏大或偏小时，反而会诱发超调量增加和加长调节时间。只有Td取值合适时，才可以获得比拟满意的过渡过程。6、模拟调节器的传递函数为D(S)Ug 14鴉，设采样周期为T=0.2s，试写出相应的数字控制器的位置型和增量 型控制算式，并给出相应的程序流程图。血 1 0,17sE(s) 10.085s即：Kp 2,Ti 0.17,Td 0代入T 0.2s，得：位置型：nP(n) 2 e(n) 1.18 e(j)J 0增量型：P(n) 2 e(n) e(n 1)2.36e(n)第六讲作业1、图中，被控对象传递函数为Gc(s)K髙，采样周期T=1

18、s,采用零阶保持器，要求:1)针对单位速度输入信号，设计数字控制器D(z),使该系统成为最小拍无波纹系统，并计算输出响应c(k),控制信号u(k),误差e(k),画出它们对时间变 化的波形。2)针对单位阶跃输入信号，设计 最小拍有波纹系统数字控制器D(z),并计算输出响应c(k),控制信号G(z)1Zu(k),误差e(k),画出它们对时间变化的波形10Z(1 eTs)s s(1 0.1s)s (1 0.1s)i 10Tz(1 zTs 1011Z(1 e )(二)s s 10 s1 110Tz 11 z- T 110T11 z1 e z10T11110T11、2(1 e z )(1 z ) 10

19、Tz (1 e z )(1 z )10T11(1 e z )(1 z )z 11 5 10 4 z 14.54 10511(1 4.54 10 z )(1 z )1 19z 1 0.111z511(1 4.54 10 z )(1 z )(1 )、输入信号为速度阶跃信号时，设计最小拍无波纹系统 数字控制器。闭环脉冲传递函数0(刃中应含有因子1和1 + 0.111才I同时考虑误差脉冲传递函数应选= (1-Z"1)2由于曲门和h八应该是同阶次的多项式，应有:讪= az_1(l + &z_1)(l + O.lllz"1) f « = -89.I=(!-_ ) (1

20、+ 殆 )t c = 0.11F0(z) = L89z_1(l -0.5242* (l +0.111zJ) 所以：久=d-VCl + OAlz-1)00.21(1 - 0524z_1)(l - 4.54e 一 5z_1)D(z) =&q(1 -广】)(1 + O.llz" i)C=0R=L89z_1(l-0.524"x)(l + OJllz" ')(I") c(0) = 0(17) = 0,c(2T) = 1.89,c(3T)=玄疋仇 71)=匕|己7_1=GeR=(1 -广厅(1 + 0A1Z-')")e(0) = O.e(lT) = lfe(2T) = 0Alfe(3T) = e(4T)=0(2)、输入信号为单位阶跃信号时，设计最小拍有波纹系统数字控制器。误差脉冲传递函数和闭环脉冲传递函数为:Ge(Z)1 Z(z)z1,R(z)D(z)G(z)Ge (z)511 4.54 10 5z 119 1 0.111zC(z)(z)R(z)z0 1 z 1c(0)0, c(1)c(2)c(3).1E(z) Ge(z)R(z)1e