中国石油大学期末考试复习题040116机电系统计算机控制-18

中国石油大学《机电系统计算机控制》（课程代码：____）期末复习要点与典型问题解析（2018年参考）前言《机电系统计算机控制》作为机电类专业的核心课程，旨在培养学生运用计算机技术分析和设计机电一体化系统控制策略的能力。期末考试不仅是对课程知识掌握程度的检验，更是对综合应用能力的考察。本文结合课程特点与历年考核重点，梳理核心复习内容，并对典型问题进行解析，以期为同学们提供有效的复习指引，提升备考效率与信心。一、课程核心知识模块梳理（一）计算机控制系统基础理论与概念此部分为课程的基石，需深刻理解计算机控制系统的构成要素、工作原理及主要特点。重点包括：1.系统组成：明确传感器、执行器、计算机（控制器核心）、A/D与D/A转换器在系统中的角色与信息流向。理解各组成部分的性能指标对整个系统控制精度和动态特性的影响。2.典型结构：如操作指导、直接数字控制（DDC）、监督控制（SCC）、集散控制系统（DCS）及现场总线控制系统（FCS）的基本概念与应用场景差异。尤其关注DDC系统的闭环控制过程。3.主要特点：与连续控制系统相比，计算机控制系统在控制灵活性、精度、信息处理能力及复杂控制算法实现方面的优势，以及采样、量化、时延等带来的新问题。4.性能指标：时域指标（如超调量、调节时间、稳态误差）和频域指标在计算机控制系统中的体现与要求。复习建议：此部分多以概念辨析、简答题形式出现。需准确记忆核心定义，理解系统各环节的内在联系。（二）离散控制系统理论基础计算机控制系统本质上是离散系统，掌握离散系统的数学描述与分析方法是设计控制器的前提。1.信号的采样与保持：*采样过程的数学描述，采样定理（香农定理）的内涵及其对系统设计的指导意义，避免频谱混叠的措施。*保持器的作用，零阶保持器（ZOH）的特性（时域响应、传递函数、频率特性）及其对系统动态性能的影响。2.离散系统的数学模型：*差分方程：线性定常离散系统的时域描述，迭代求解方法。*Z变换与Z反变换：定义、主要性质、常用变换对，Z反变换的部分分式展开法和长除法。*脉冲传递函数（Z传递函数）：定义、物理意义，开环、闭环系统脉冲传递函数的推导（注意负载扰动作用下的传递函数）。3.离散系统的性能分析：*稳定性分析：Z平面与S平面的映射关系，朱利稳定判据的应用。*稳态误差分析：静态误差系数法（位置、速度、加速度误差系数）在离散系统中的推广与应用条件。*动态性能分析：基于单位阶跃响应的性能指标计算，极点分布对动态性能的影响。复习建议：此部分是课程的难点，也是计算题的重点来源。需熟练掌握Z变换的运算、脉冲传递函数的推导以及稳定性判据的应用。多做习题，加深对概念的理解和公式的运用能力。（三）数字控制器设计控制器设计是计算机控制系统的核心内容，需掌握基本设计方法及其在计算机上的实现。1.数字PID控制技术：*模拟PID控制器的数字化：位置式PID算法、增量式PID算法的推导及其优缺点比较。*PID控制器参数整定：理论整定法（如根轨迹法、频率特性法）与工程整定法（如临界比例度法、衰减曲线法、经验凑试法）的原理与步骤。*PID控制的改进：抗积分饱和、微分先行、不完全微分等改进措施的目的和实现方法。2.基于离散化设计方法：*最少拍控制系统设计：设计准则（最少拍、无波纹），针对典型输入信号（阶跃、斜坡、抛物线）的控制器设计步骤，局限性分析。*大林算法：针对具有纯滞后系统的设计方法，振铃现象产生的原因及消除方法。3.数字控制器的实现：*量化效应与字长选择：A/D转换精度、运算字长、输出字长对系统性能的影响及工程考虑。*控制算法的编程实现要点：数据类型、运算顺序、溢出处理等。复习建议：PID控制是工业应用中最广泛的控制方法，务必熟练掌握其算法、参数整定及改进策略。最少拍和大林算法等离散化设计方法需理解其设计思想和适用场景。（四）计算机控制系统的输入输出接口技术了解计算机如何与被控对象进行物理连接和信息交互。1.过程通道：*模拟量输入通道（A/D转换）：组成（传感器、信号调理电路、多路开关、采样保持器、A/D转换器），主要性能指标（分辨率、转换精度、转换时间）。*模拟量输出通道（D/A转换）：组成（D/A转换器、输出保持电路），主要性能指标，单极性与双极性输出。*数字量输入/输出通道：光电隔离、电平转换、驱动电路的作用与典型电路。2.数据采集与处理：*信号调理的目的与常用方法（放大、滤波、隔离、线性化）。*标度变换的概念与实现。复习建议：此部分以概念理解和定性分析为主，了解各组成部分的功能和主要技术指标。（五）系统的可靠性与抗干扰技术在工业环境下，系统的可靠性和抗干扰能力至关重要。1.干扰的来源与分类：外部干扰与内部干扰，常见的干扰类型（如电磁干扰、接地干扰、电源干扰）。2.抗干扰措施：*硬件抗干扰：接地技术（单点接地、多点接地）、屏蔽技术、滤波技术（电源滤波、信号滤波）、隔离技术（光电隔离、变压器隔离）。*软件抗干扰：数字滤波（算术平均滤波、加权平均滤波、中值滤波等）、指令冗余、软件陷阱、看门狗技术。3.系统可靠性设计的一般原则。复习建议：此部分多以简答题或多选题形式考察，理解常见干扰的成因及对应的软硬件抗干扰策略。（六）机电系统计算机控制的典型应用与设计实例结合具体的机电系统（如电机控制、过程控制等），理解计算机控制系统设计的一般步骤和方法。1.控制系统总体方案设计：需求分析、性能指标确定、控制方案选择。2.硬件选型与接口设计：控制器（如PLC、单片机、工业控制计算机）的选择，传感器、执行器的选型，过程通道设计。3.软件设计：主程序流程图、中断服务程序设计、控制算法实现。4.系统调试与性能评估。复习建议：此部分侧重于综合应用能力，可能以分析题或设计题的形式出现。需理解系统设计的完整流程，并能结合所学知识进行简单的方案设计。二、典型问题解析思路与复习建议1.概念辨析题：例如，比较模拟控制与数字控制的优缺点；解释采样定理的含义及其对系统设计的指导作用；说明位置式PID和增量式PID的区别及应用场合。*思路：准确回忆定义，抓住核心区别，条理清晰地阐述。2.计算题：*Z变换与Z反变换的求解。*已知系统结构图，推导其闭环脉冲传递函数。*利用朱利判据判断离散系统的稳定性。*计算离散系统在典型输入下的稳态误差。*设计最少拍控制器或数字PID控制器参数。*思路：熟记公式和定理，仔细审题，步骤清晰，注意计算准确性。对于控制器设计，要明确设计目标和约束条件。3.分析论述题：例如，分析某干扰因素对系统的影响，并提出相应的抗干扰措施；论述数字控制器实现时应考虑的主要问题。*思路：结合课程理论知识，联系实际应用，分析问题要全面，提出的措施要具有可行性。4.综合设计题：给出一个简单的机电控制任务（如温度控制、电机速度控制），要求学生初步设计其计算机控制系统方案，包括控制算法选择、传感器与执行器选型、简述软件流程等。*思路：从系统需求出发，综合运用各章节知识，方案设计应体现可行性和合理性。三、复习策略与备考注意事项1.回归教材与讲义：系统梳理知识点，构建知识框架，确保对基本概念、基本原理和基本方法的理解准确无误。2.重视例题与习题：通过做例题和课后习题巩固所学知识，提高解题能力。尤其注意老师课堂上强调的重点题型和解题方法。3.动手实践：如果有条件，可结合实验或仿真软件（如MATLAB/Simulink）对所学控制算法进行仿真验证，加深理解。4.归纳总结：对相似概念、易混淆知识点进行对比归纳，对重要公式进行整理记忆。5.模拟演练：如果能找到历年考题或模拟题，进行限时模拟训练，有助于熟悉考试节奏，检验复习效果。6.关注工程应用：该课程实