计算机控制复习

1、2.1 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输入。2.2 把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O接口送入计算机。2.3 在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0tT)，这些控制可通过计算机开关量输出通道来实现。 2.4 把计算机输出的数字量转换成模拟量。2.5 光电耦合器的作用：从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系

2、统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。 光电耦合器的用法：下图为原理图。当输入侧(即发光二极管)流过一定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。2.5 光电耦合器的注意事项： 输入侧导通电流 要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流IF=10mA。 频率特性 受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传送

3、高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。 输出端工作电流 光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。 输出端暗电流 这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。 隔离电压 它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。 电源隔离 光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须保证被隔

4、离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离作用了。2.9 完成采样操作的装置称为采样开关。 根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 (2) 同步采样 (3) 非同步采样 (4) 多速采样 (5) 随机采样10. 为提高计算机控制系统的可靠性，通常采取的措施有哪些？(1) 提高元器件和设备的可靠性。(2) 采取抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力。(3) 采用可靠性设计技术。(4) 采用故障诊断技术。10.1 说明计算机控制系统中干扰的来源。从系统电源和电源引线（包括地线）引入的干扰从系统的信号输入/输出传输通道引入的干扰空间电磁干扰 静电噪声其它环境因素的影

5、响10.2 列举三种电源抗扰措施。     远离干扰源     安装电源低通滤波器     采取变压器屏蔽和分路供电措施     采取措施拓宽对电网波动的适应能力     使用压敏电阻和均衡器     直流侧去耦措施稳定性条件：     供电系统应合理配线和布线     电柜接地

6、和公共接地的处理4.11解： 尖峰脉冲干扰的综合防治 6.1解：最少拍控制系统是指系统在典型输入信号作用下，经过最少拍使系统输出稳态误差为零。不足之处：只针对某种典型输入进行设计，当输入形式改变时，系统性能变坏，输出响应不一定理想。1. 画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2. 根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。(1) 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。(2) 同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。(3) 非同步采样如果一

7、个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。(4) 多速采样如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。(5) 随机采样若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。3. 简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数KP可以减小静差，但是KP过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振

8、荡，甚至导致闭环系统不稳定。(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数TI大，则积分作用弱，反之强。增大TI将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。7. 什么是振铃现象？如何消除振铃现象？答：所谓振铃(Ring

9、ing)现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。有两种方法可用来消除振铃现象。第一种方法是先找出D(z)中引起振铃现象的因子(z=-1附近的极点)，然后令其中的z=1，根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tc，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。1. 连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？答：与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点：(1) 计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。(2) 在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规

10、律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。(4) 计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。(5) 一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。(6) 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。2. 简述计算机控制系统的一般控制过程。答：(1) 数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。 (2) 实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。3. 简述典型的计算机控制系统

11、中所包含的信号形式。答：(1) 连续信号连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的,也可以是断续的。(2) 模拟信号模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。(3) 离散信号离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。(4) 采样信号采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。(5) 数字信号数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。7. 简述对偶原理的基本内容。答：对偶原理

12、：设S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互为对偶的两个系统，则S1的能控性等价于S2的能观测性；S1的能观测性等价于S2的能控性。或者说，若S1是状态完全能控的(完全能测观的)，则S2是状态完全能观测的(完全能控的)。3. 何为最少拍设计？答：最少拍设计，是指系统在典型输入信号(如阶跃信号，速度信号，加速度信号等)作用下，经过最少拍(有限拍)，使系统输出的稳态误差为零。1. 简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。答：开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。3. 什么是信号重构？答：把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆

13、过程。4. 写出零阶保持器的传递函数，引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？答：零阶保持器的传递函数为。零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递函数的极点。5. 阶跃响应不变法的基本思想是什么？答：阶跃响应不变法的基本思想是：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列与模拟控制器的阶跃响应的采样值一致。1. 简述采样定理的基本内容。答：采样定理: 如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为,则对进行周期采样且采样角频率时，连续信号可以由采样信号唯一确定，亦即可以从无失真地恢复。2. 线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？答：线性离散控制系统稳定的充要条件是： 闭环系统特征方程的所有根的模zi&

14、lt;1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。3. 脉冲响应不变法的基本思想是什么？答：脉冲响应不变法的基本思想是：离散近似后的数字控制器的脉冲响应gD(kT)是模拟控制器的脉冲响应采样值g(kT)的T倍。5. 如何消除比例和微分饱和现象？答：“积分补偿法”。其中心思想是将那些因饱和而未能执行的增量信息积累起来，一旦有可能再补充执行。这样，动态过程也得到了加速。即，一旦超限，则多余的未执行的控制增量将存储在累加器中；当控制量脱离了饱和区，则累加器中的量将全部或部分地加到计算出的控制增量上，以补充由于限制而未能执行的控制.三、已知某连续控制器的传递函数为 （10分）试用双线性变换法求

15、出相应的数字控制器的脉冲传递函数，并给出控制器的差分形式。其中。解：令 控制器的差分形式为五、已知广义被控对象为 （15分）其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用史密斯预估器方法确定数字控制器。解：不含纯滞后的广义对象脉冲传递函数为广义对象脉冲传递函数为不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为，进而求得于是得史密斯预估器如下四、已知被控对象传递函数为 试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器Gc(s)，并用后向差分法给出等效的数字控制器形式。（10分）解：经动态校正后系统的开环传递函数为应选择Gc(s)为PI控制器，其基本形式为为使PI控制器能抵消被控对象中

16、较大的时间常数，可选择则有 根据二阶工程最佳设计法则，应有解之得于是得到模拟控制器的传递函数为对以上的模拟PI控制器，根据后向差分近似的等效变换方法，得等效的数字控制器：五、已知广义被控对象:, 给定T=1s (20分) 针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统, 并画出系统的输出波形图。解：由已知条件，被控对象含有一个积分环节，有能力产生单位斜坡响应。求广义对象脉冲传递函数为可以看出，G(z)的零点为-0.718(单位圆内)、极点为1(单位圆上)、0.368(单位圆内)，故u=0,v=0(单位圆上除外),m=1。根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在e(z)的零点中，由于系统针对等速输入进行设计，故p=2。为满足准确性条件另有e(z)=(1z1)2F1(z),显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设 解得 。闭环脉冲传递函数为 则 二、已知系统框图如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 试确定闭环系统稳定时K的取值范围。解：广义对象传递函数对应的脉冲传递函数为此时系统的特征方程为采用双线性变换可得等效的特