中南大学2013微型计算机控制技术试题及答案

第第8页中南大学考试试卷2012~2013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：开专业年级自动化、电气、探控10级总分100分占总评成绩70%注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上一、分析题1020分）水箱水位自动控制系统如图1示，水从进水管流入（没有控制阀阀门流出。画出用数字PID算法保持液位稳定的程序框图。图1水箱水位自动控制系统示意图A2T=1sBCT=0.5秒画出C点波形图（x(t)的数值和时间坐标。图2二、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的变革包括哪几方面？三、若加工第二象限直线OA，起点O(－4,0)，终点A(0,6)。要求：按逐点比较法插补进行列表计算：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，其测量范围为0~1000℃，温度变送器输出电压信号为0~1V4℃温度，应选用多少位的A/D转换器？假设A/D0~5V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（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：00.1000.100.20.3x(k)1

u(k)y(k)1x(k)试设计预报状态观测器，将其极点配置到 0.1j0.2（10分）1,2六、已知被控对象在单位阶跃信号（即r(t)1(t)）作用下，输出响应如图3所示。设采样周期T=0.6s。图31、求被控对象的传递函数G(s)和广义的被控对象的脉冲传递函数G(z)；2、针对单位阶跃输入信号设计最少拍无纹波系统的控制器D(z)；3y(k)u(k)序列，画出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）答：系统结构图设水位的采样值为h，设定值为ph。K K为p i积分系数、Kd数。

为微分系u(k)控制器输出值，U max有进水最小设为0。U 为最终控制阀门开p度的控制值。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量U PID控制器的输p出u(k是反比的关系。答：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硬件滤波如RC2、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/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，则在有一定孔径时间的情况下，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确定系统的结构和类型，确定系统的构成方式，现场设备选择，其他方面的考虑（包括人机联系方式，系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题）5、FCS对DCS的变革包括哪几方面？P284FCSDCS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(-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：xoy1，xe

4，ye

6，Nxy

10，F0

0。步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别起点F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=0-6=-6Nxy=92F1<0+yF2=F1+xe=-6+4=-2Nxy=83F2<0+yF3=F2+xe=-2+4=2Nxy=74F3>0+xF4=F3-ye=2-6=-4Nxy=65F4<0+yF5=F4+xe=-4+4=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=0-6=-6Nxy=47F6<0+yF7=F6+xe=-6+4=-2Nxy=38F7<0+yF8=F7+xe=-2+4=2Nxy=29F8>0+xF9=F8-ye=2-6=-4Nxy=110F9<0+yF10=F9+xe=-4+4=0Nxy=0（）由于要从100°分辨°即为Xmax

,

minx

41000x

20mV5000

bitnlog

(max i

nlog(1 )log2517.971 2

1 2 20 24 1或D 1000

nlog1

(1 )logD 2

(1250)7.97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5 0.196V19.6mV，另外0~1000°255对应为0~1V即0~1000mV，1mv对应1°，这样8位A/D实际只能分辨19.6°的温度。0~1VA/D0~5VA/D40~1V0~5V5倍。假设A/D采样值与对应的温度是线性的，由于8A/D00H~FFH0~10006BHYYYNmax

YminNmin

(X

min

)Ymin

(6*16110)0255（）可观测性检验 F1 0，C 0.2 0.3 1 C1

1,rankC2 CF 系统的状态完全可观，观测器可以任意配置极点。k设观测器误差反馈增益阵为 K1k2（2）极点配置到 0.1j0.21,2*(z)(z0.1j0.2)(z0.1j0.2)z20.2z0.050（3）预报观测器特征方程detzI

(FKC)

0(1 0.1

120 z 0.2 0.3 k2z 0 1

0.1k zk1 k0.1 0.2

1 1 1 0 z

k 0.3k2

k

0.2 zk2

0.32可得：*(z)det(zIFKC))z2kk21 2

1.3)z(0.1k1

0.9k2

0kk有：1 2

1.30.2

，可得：

k1.410.1k1

0.9k2

0.280.05

k 0.120.4 1.3 即：K，FKC 观测器的方程为ˆ(k1)(FKC)ˆ(k)Gu(k)Ky(k)0.4 1.ˆ(k)0u(k)1.4y(k)0.1 0.2 1 5.6六、答、根据响应曲线可得：G(s) 0.6s11s10.611s10.6G(z)Z[s

G(s)](1z1)Z[ ]5.6(1z1)Z[ ]s(0.6s1) s1 1 5.6(1e1)z1 3.54z15.6(1z1)( ) 1z13.54z1

1e1z1

1e1z1

10.37z12、由于G(z) ，由于输入为单位阶跃信号有：10.37z1(z)z1(z)1z1e1 (z) 10.37z1 z1 0.28(10.37z1)D(z) G(z)(z) 3.54z1 1z1 1z1ez3、Y(z)(z)R(z) zz2zz1zy(k0,1,1,1,(z)R(z) z1(10.37z1) 10.37z1U(