计算机控制技术试题及详解B卷

计算机控制技术试题及详解B卷引言本试卷旨在考察学习者对计算机控制技术基本概念、原理及应用的掌握程度，适用于相关专业课程的中期或期末考核。试卷内容涵盖计算机控制系统的构成、数据采集与处理、数字控制器设计、系统稳定性分析以及典型应用等核心知识点。希望通过这份试卷，能够帮助学习者检验学习成果，巩固专业知识，并为后续的深入学习和工程实践奠定基础。建议答题时间为120分钟，满分100分。---试题部分一、选择题(每题3分，共15分)1.以下哪项不是计算机控制系统区别于传统模拟控制系统的显著特点？A.控制规律灵活，易于修改B.可实现复杂的控制算法C.抗干扰能力强，稳定性好D.控制精度完全由硬件决定2.在计算机控制系统中，A/D转换器的主要作用是？A.将数字量转换为模拟量，用于驱动执行机构B.将模拟量转换为数字量，以便计算机进行处理C.对输入信号进行滤波和放大D.实现系统的实时时钟同步3.数字PID控制器中，积分环节的主要作用是？A.加快系统响应速度B.消除系统的静态误差C.提高系统的稳定性D.减小系统的超调量4.采样定理（香农定理）指出，为了不失真地恢复连续信号，采样频率应至少为信号最高频率成分的多少倍？A.1倍B.1.5倍C.2倍D.3倍5.在计算机控制系统的抗干扰措施中，光电耦合器主要用于抑制哪种类型的干扰？A.空间电磁干扰B.供电系统干扰C.接地环路干扰D.模拟信号传输干扰二、填空题(每空2分，共20分)1.计算机控制系统通常由被控对象、_________、执行机构、_________和计算机（控制器）五大部分组成。2.数据采集系统中，为了提高信号的信噪比，通常在A/D转换之前加入_________电路。3.数字控制器的设计方法主要有_________设计法和_________设计法两大类。4.若某连续控制器的传递函数为D(s)，为了用计算机实现其控制功能，需要将其_________化为对应的数字传递函数D(z)。5.常见的数字滤波方法有算术平均滤波法、_________滤波法和_________滤波法等。6.计算机控制系统的实时性是指系统对外部_________能够在规定的_________内做出快速响应并进行处理的能力。三、简答题(每题8分，共24分)1.请简述计算机控制系统中，采样周期的选择需要考虑哪些主要因素？2.什么是PID控制器的参数整定？常用的参数整定方法有哪些（至少列举两种）？3.试分析在计算机控制系统中引入中断系统的意义及其主要作用。四、分析计算题(共41分)1.(15分)已知某温度控制系统，其被控对象的传递函数为Gp(s)=1/(Ts+1)，其中T为对象时间常数。采用数字PID控制器进行控制，采样周期为T0。(1)写出位置式数字PID控制器的差分方程表达式。(2)若采用增量式PID控制算法，其输出的控制增量Δu(k)与位置式PID输出u(k)之间有何关系？增量式PID有哪些优点？2.(12分)某计算机控制系统的闭环特征方程为z²-1.5z+0.6=0。试用朱利稳定判据判断该系统的稳定性，并说明理由。3.(14分)某数据采集系统中，采用8位A/D转换器，其参考电压为±5V。(1)计算该A/D转换器的量化单位q。(2)若输入一模拟信号电压为2.5V，忽略转换误差，计算其对应的数字量输出（用十六进制表示）。(3)若该A/D转换器的转换时间为50μs，请问在1秒内最多能完成多少次这样的A/D转换？（不考虑通道切换等其他时间开销）---详解部分一、选择题(每题3分，共15分)1.答案：D详解：计算机控制系统的控制精度不仅取决于硬件（如A/D、D/A转换器的位数），更重要的是可以通过先进的控制算法和软件编程进行优化和补偿，因此其控制精度并非完全由硬件决定。而A、B、C选项均为计算机控制系统的显著优点。2.答案：B详解：A/D转换器即模/数转换器，其核心功能是将来自传感器的连续变化的模拟信号（如温度、压力、流量等）转换为计算机能够识别和处理的离散数字信号。选项A是D/A转换器的作用，选项C是信号调理电路的作用，选项D与A/D转换无关。3.答案：B详解：积分环节的作用是对系统的偏差进行积分累积，当系统存在静态误差时，积分作用会使控制器的输出持续变化，直到偏差为零，从而消除静态误差。选项A主要是比例环节的作用，选项C和D通常与微分环节或PID参数的合理配置相关。4.答案：C详解：香农采样定理明确指出，为了能够从采样信号中不失真地恢复原连续信号，采样频率必须至少是被采样信号最高频率成分的2倍。这是数字信号处理和计算机控制系统中进行信号采样的基本准则。5.答案：C详解：光电耦合器通过光信号的传输来实现电信号的隔离，能够有效切断两个电路之间的地环路，从而抑制由地电位差引起的共模干扰。它对空间电磁干扰（A）和供电系统干扰（B）的直接抑制作用有限，也不用于信号滤波放大（C）或时钟同步（D）。二、填空题(每空2分，共20分)1.答案：传感器与检测装置，输入/输出接口详解：计算机控制系统的基本组成包括：被控对象、传感器与检测装置（负责感知被控量和扰动量）、执行机构（负责执行控制命令）、输入/输出接口（如A/D、D/A转换器，实现计算机与外部设备的信号交互）以及作为核心的计算机（控制器）。2.答案：信号调理详解：传感器输出的原始信号往往比较微弱，且可能含有噪声，因此在进入A/D转换器之前，需要进行信号调理，包括滤波、放大、隔离、线性化等处理，以提高信号质量，满足A/D转换的要求。3.答案：模拟化设计方法（间接设计法），离散化设计方法（直接设计法）详解：数字控制器设计主要有两大类方法。模拟化设计法是先按模拟系统设计方法设计出模拟控制器，再通过离散化方法将其转换为数字控制器；离散化设计法则是直接根据离散系统理论，在z域或时域中设计数字控制器。4.答案：离散化详解：连续控制器的传递函数D(s)是基于连续时间系统的，而计算机控制是离散的，因此需要通过某种离散化方法（如冲激响应不变法、双线性变换法等）将D(s)转换为适合计算机实现的数字传递函数D(z)或差分方程。5.答案：中位值滤波法，限幅滤波法（或加权平均滤波法、惯性滤波法等）详解：数字滤波是通过软件算法对采集到的数据进行处理，以消除或削弱噪声干扰。除了算术平均滤波法，常用的还有能有效抑制脉冲干扰的中位值滤波法，以及限制变化速率的限幅滤波法等。6.答案：事件（或激励、请求），时间详解：实时性是计算机控制系统的核心要求之一。它要求系统能够及时响应外部发生的事件（如传感器数据到达、故障报警等），并在预先规定的时间内完成对该事件的处理，以保证控制过程的有效性和准确性。三、简答题(每题8分，共24分)1.答案：采样周期的选择是计算机控制系统设计中的关键问题，需要综合考虑以下主要因素：*被控对象的动态特性：对于快速变化的对象（如流量、压力），应选用较小的采样周期；对于慢速变化的对象（如温度、液位），可选用较大的采样周期。一般来说，采样周期应远小于对象的时间常数和纯滞后时间。*干扰信号的频率：为了抑制高频干扰，采样频率应高于干扰信号最高频率的两倍（根据采样定理），以避免频谱混叠。*控制算法的复杂程度：复杂的控制算法（如自适应控制、预测控制）需要更长的计算时间，因此应适当增大采样周期，以保证在一个采样周期内能够完成控制算法的计算和输出。*执行机构的响应速度：如果执行机构的响应速度较慢，过小的采样周期将无法充分发挥其作用，甚至可能导致执行机构动作过于频繁而损坏。*系统的稳定性要求：采样周期的大小会影响数字控制系统的稳定性。较小的采样周期能使数字系统更接近连续系统，稳定性较好，但过小将增加系统负担；过大的采样周期可能导致系统不稳定。实际应用中，通常先根据经验或参考类似系统初步选定采样周期，再通过实验进行调整和优化。2.答案：PID控制器的参数整定是指根据被控对象的特性和系统的性能指标要求，确定合适的比例系数(Kp)、积分时间常数(Ti)和微分时间常数(Td)，以使得控制系统达到期望的动态和静态性能。常用的PID参数整定方法有：*临界比例度法（Ziegler-Nichols法之一）：首先将控制器设置为纯比例作用，逐渐增大比例系数直至系统出现等幅振荡，记录此时的临界比例系数和临界振荡周期，然后根据经验公式计算出PID控制器的参数。*衰减曲线法：与临界比例度法类似，但允许系统出现一定衰减率（如4:1或10:1）的振荡过程，根据此时的比例系数和衰减周期来整定PID参数，更为安全。*经验凑试法：依靠工程技术人员的经验，根据系统的阶跃响应曲线，先整定比例系数，再整定积分时间，最后整定微分时间，反复调整，直到系统性能满足要求。这种方法灵活，适用于对系统特性了解不充分的情况。*响应曲线法（Ziegler-Nichols法之二）：通过给系统施加阶跃输入，得到对象的阶跃响应曲线，根据曲线求出对象的特征参数（如滞后时间、时间常数），再利用经验公式计算PID参数。3.答案：在计算机控制系统中，中断系统是实现实时控制和信息处理的核心机制之一，其意义和主要作用如下：*提高CPU的利用率：没有中断系统时，CPU通常采用查询方式与外设交换信息，效率低下。引入中断后，CPU可以正常执行主程序，只有当外设需要服务（如数据准备好、操作完成或发生故障）时，才向CPU发出中断请求，CPU暂时中止当前程序，转去处理中断服务，处理完毕后再返回主程序。这样CPU不必一直等待外设，大大提高了其工作效率。*实现实时处理：对于控制系统中的许多实时事件（如传感器数据的到达、紧急故障信号等），要求CPU必须在规定的时间内做出响应并进行处理。中断系统能够保证这些紧急和实时性要求高的事件优先得到处理，确保系统的实时性。*处理突发事件：系统运行过程中可能会出现各种预料不到的突发事件，如电源掉电、硬件故障等。中断系统可以及时检测到这些事件，并引导CPU执行相应的中断服务程序进行紧急处理，如保存重要数据、发出报警信号等，提高了系统的可靠性和容错能力。*实现多任务并发处理：通过中断机制，CPU可以分时为多个外设或任务服务，宏观上实现了多任务的并发执行，这对于复杂的计算机控制系统尤为重要，使得系统能够同时处理数据采集、控制算法运算、人机交互、通信等多项任务。四、分析计算题(共41分)1.(15分)答案：(1)位置式数字PID控制器的差分方程表达式如下：对于模拟PID控制器的理想表达式：u(t)=Kp[e(t)+(1/Ti)∫e(t)dt+Tdde(t)/dt]离散化后，位置式PID的差分方程为：u(k)=Kp*e(k)+Ki*Σ(j=0tok)e(j)*T0+Kd*[e(k)-e(k-1)]/T0其中：*u(k)为第k次采样时刻控制器的输出；*e(k)为第k次采样时刻的偏差信号，e(k)=r(k)-y(k)，r(k)为设定值，y(k)为反馈值；*Kp为比例系数；*Ki=Kp*T0/Ti为积分系数，Ti为积分时间常数；*Kd=Kp*Td/T0为微分系数，Td为微分时间常数；*T0为采样周期；*Σ(j=0tok)e(j)*T0表示对偏差从第0次到第k次采样时刻的积分和（矩形近似）。(2)增量式PID控制算法的输出控制增量Δu(k)与位置式PID输出u(k)之间的关系为：Δu(k)=u(k)-u(k-1)即当前时刻的控制增量等于当前位置式输出与上一时刻位置式输出之差。展开后，增量式PID的表达式为：Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]增量式PID的优点主要有：*输出为增量，不易产生积分饱和：位置式PID的输出u(k)与过去的所有偏差有关，当偏差较大时，容易产生积分饱和，导致控制量超出执行机构的极限。而增量式PID输出的是控制量的增量，即使偏差较大，增量也不会太大，能有效避免或减轻积分饱和现象。*易于实现手动/自动无扰动切换：当系统从手动切换到自动时，由于增量式PID只输出增量，只要手动控制时的阀门位置与自动切换瞬间的u(k-1)对应，切换时对系统的冲击较小，易于实现无扰动切换。*可靠性高：若计算机发生故障，导致Δu(k)输出为零，执行机构的位置能保持在u(k-1)，不会发生突变，这对于安全生产尤为重要。而位置式PID若输出中断，则执行机构可能回到零位或初始位置，造成较大影响。2.(12分)答案：朱利稳定判据是判断离散系统稳定性的常用方法之一。对于n阶离散系统的闭环特征方程P(z)=a0zⁿ+a1zⁿ⁻¹+...+an=0(a0>0)，朱利稳定判据通过构造朱利阵列并检查一系列条件来判断系统是否稳定。系统稳定的必要条件是|P(1)|>0和(-1)ⁿP(-1)>0，且所有朱利行列式均大于零。给定系统闭环特征方程为：P(z)=z²-1.5z+0.6=0。这里n=2，a0=1，a1=-1.5，a2=0