中南大学2013微型计算机控制技术试题及答案

1、中南犬学考试试卷20122013学年 下 学期 时间110分钟2013年6月17日计算机控制技术课程48学时3学分 考试形式：开 卷专业年级：自动化、电气、探控10级 总分100分占总评成绩0%注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上一、分析题（2小题，每题10分，共20分）1. 水箱水位自动控制系统如图1示，水从进水管流入（没有控制阀），岀水通过可以调节的 阀门流岀。画出用数字PID算法保持液位稳左的程序框图。进水注匚阀门开到最大吋 岀水大于进水°阀门岀水图1水箱水位自动控制系统示意图2. 已知A点信号如图2所示，假设采样周期Qis,画出B点、C点的信号图形。如果采用周期巴05秒画

2、岀C点波形图（要求标明*（上）的数值和时间坐标）。E零阶保持器C（保持沐秒）二. 简答题（每题5分，共25分）1、滤波的作用是什么？有哪些常用的滤波方法？2、简述计算机控制系统的工作步骤。3、试分析孔径误差产生的原因。4、硬件总体方案设计主要包含哪几个方面的内容?5、FCS对DCS的变革包括哪几方而？三、若加工第二象限直线0A,起点0(4,0),终点A(0,6)o要求：(1) 按逐点比较法插补进行列表计算：(2) 作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。(10分)四、某温度测量系统，英测量范用为0000°C,温度变送器输出电压信号为O1Y,如果要求 分辨出4°C温度，应选用多

3、少位的A/D转换器？假设A/D转换的模拟量输入范国为05V,变 送器的信号如果直接接A/D,这时A/D实际能分辨温度是多少？要达到A/D理想的分辨率要将 变送器的信号放大多少倍？如果当某时刻的采样值为6BH时，苴测量的温度值是多少？(要 求写出计算步骤)(15分)五、已知被控对象的状态方程和输出方程为：X伙+ 1)=0 0.10.2 0.3兀伙)+0"1讹)y伙)=1 x(k)试设讣预报状态观测器，将其极点配置到入.2=-0±)02。(10分)六. 已知被控对象在单位阶跃信号(即r(Z) = 1(0)作用下，输出响应如图3所示。设采样周期 70. 6 so图31、求被控对象

4、的传递函数G(s)和广义的被控对彖的脉冲传递函数G(z):2、针对单位阶跃输入信号设计最少舶无纹波系统的控制器P(z)；3、计算输出响应y(A),控制信号u(£)和误差e(&)序列,画岀它们对时间变化的波形。(20分)计算机控制技术试题答案一、分析题（2小题，每题10分，共20分）1. 答：系统结构图设水位的采样值为， 设泄值为也。Kp为比例系数、匕为积分系数、Kd为微分系 数。“伙）控制器输出值，为最大值，由于没有进水最小设为0。卩”为最终控制阀门开 度的控制值。注：由于只有出水阀门， 而且阀门的打开程度与 水位是成反比的，因此 最终控制阀门的控制呈:Up与PID控制器的输

5、 出"伙）是反比的关系。2.答:4.03.2 -2.4-1.60.8-5.64.S40T=丄秒B点波形TR5秒C点波形o r 弋h亍 匕 秒 o1mE7* t 秒T=JL秒C点波形二、简答题（每题5分，共25分）1、滤波的作用是什么？有哪些常用的滤波方法？P214滤波的作用是消除被测信号中的噪音与干扰。常用的滤波方法有硬件滤波和软件滤波， 硬件滤波如RC滤波网络等，软件滤波包括算术平均值汉，中位值法，限幅滤波法和惯性滤波 法等。2、简述计算机控制系统的工作步骤。P2归纳为以下三个步骤：实时数据采集，实时控制决策，实时控制输出。3、试分析孔径误差产生的原因。P39在模拟量输入通道中，A

6、/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，对于随时间变化的模拟信号，孔径时间决泄了每一个采样 时刻的最大转换误差，即孔径误差。如果被转换的模拟量y不是一个恒定的常量，而是随时间变化形成了连续时间函数，则在有 一泄孔径时间的情况下，A/D转换器将产生孔径误差。4、硬件总体方案设计主要包含哪几个方面的内容？P314确左系统的结构和类型，确左系统的构成方式，现场设备选择，苴他方面的考虑（包括 人机联系方式，系统的机柜或机箱的结构设讣、抗干扰等方而的问题）5、FCS对DCS的变革包括哪几方面？P284 FCS的信号传输实现了全数字化：FCS的系统结构是

7、全分散式，废弃了 DCS的输入输岀 单元和控制站，由现场设备或现场仪表取代；FCS的现场设备具有互操作性：FCS的通信网络 为开放式互连网络；FCS的技术和标准实现了全开放，可供任何人使用。三、答：将坐标原点平移到直线的起点A（-4, 0）,在新的坐标起点A坐标为（0,0）,终点B的坐标为（4,6）,即为第一象限直线。有：xoy = , xe =4,儿=6, Nxy = 10 ,花=0。步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别起点F0=0Nxy=101F0 二 0+xFl二F0-ye二0-6二-6Nxy=92Fl<0+yF2二Fl+xe二-6+4二-2Nxy=83F2<0+yF3二F2

8、+xe二-2+4二2Nxy=74F3>0+xF4=F3-ye=2-6=-4Nxy=6F4<0+yF5二F4+xe二-4+4二0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=0-6=-6Nxy=47F6<0+yF7二F6+xe二-6+4二-2Nxy=38F7<0+yF8=F7+xe=-2+4=2Nxy=29F8>0+xF9=F8-ye=2-6=-4Nxy=l10F9<0+yF10二F9+xe二-4+4二0Nxy=0四. 答:(1)由于要从1000°分辨4。即为"惴亠门 X叭一心n、5000, 十 r crnx > log2(l +；) =

9、> n > log2(l + )=log2 251 a 7.97A2041_ 或 D = /. n > log2(l )=log,1 + 250)« 7.971000D不考虑A/D的其它误差可以选用8位A/D.(2) 由于A/D的量程为5V, 8位A/D可以分辨丄 =096V = 19.6wV,另外01000°对255应为O1V即01000mV, lmv对应1° ,这样8位A/D实际只能分辨19.6°的温度。(3) 由于变送器输出为O1V电压信号，而A/D的输入为05Y,因此为了达到A/D能分辨温 度4°的目的，要将O1V的信

10、号放大到05V才满足要求，即5倍。(4) 假设A/D采样值与对应的温度是线性的，由于8为A/D的数字量为00HFFH对应温度 0000°即采样值6BH对应的温度为Y _ Y1 AAA+ “ 益 6 心42。GC = l1五、答:(1)可观测性检验1 0 F =0.2 0.3,rank C '1.2 04_CF系统的状态完全可观，观测器可以任意配置极点。设观测器误差反馈增益阵为（2）极点配置到人.2=-0.1±；0.2az) = (z + 0.1 + J0.2)(z + 0.1-J0.2) = z2+ 0.2z + 0.05 = 0（3）预报观测器特征方程dct-(F

11、-KC) =1 0.10.2 0.3H1 0热0.2 込 0.3 爲可得.a (z) = det(zZ 一(F- KC)=才 + & + 心 一 1 3)z + (0冏 + 0.9込 一 0.01) = 0有：«+妬_1.3_0.2,可得:-0. ,-0.9+0.28 = 0.05观测濡的方程为x(k +1) = (F - KC)xk) + G“伙)+ Ky 伙)0""伙)+-0.4 -1.30.1 0.21.40.1y(k)'A-0.4-1.3"=,F-KC=000.2即：K六、答：1.根据响应曲线可得：G(y)=0.6s +1G =Z匕上一G($) = (1 - 厂)Z一一 = 5.6(1-厂)Z115(0.65 +1)2'由于*2%-由于输入为单位阶跃信号有: (z) = z"g=丄空亠 严1 二 严仆。占） G（z）Z）3.54汀1-厂 1-以3、丫虫陀）=台=厂+厂+戶+ 可得,y伙）的序列是0, 1, 1, 1,= 0.281-037以l z"T(l O37z")(l-z")354