计算机控制技术期末复习试题附答案

1、第一章计算机控制系统概述1、计算机控制系统的概念是什么？计算机控制系统是以计算机技术、控制理论及自动化技术相结合并应用于工业生产过程的结果，是以自动控制理论为基础，以计算机为手 段的控制系统。2、计算机系统由哪些部分组成？并画出方框图。计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、 检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。各项信号形式控制规律实现控制形式控制器作用连续控制系统都是模拟信号由模拟电路实现整个过程始终连续控制一个控制器控制一个回路功能强度简单控制具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能自动化程度自动化程度低便于实现控制与管理的一体化3、计算机控制系统的主要性能

2、指标有哪些?稳定性/动态指标/稳态指标/能控性与能观性4、计算机控制系统的主要特点有哪些?计算机控制系统模拟信号、数字信号皆有由计算机通过程序实现整个过程始终离散控制一个控制器分时控制多个回路5、计算机控制系统是怎样分类的？按功能和控制规律可分为几类?一、按控制系统的功能及结构特点分类操作指导控制系统直接数字控制系统 DDC监督控制系统 SCC计算机分级控制集散控制系统 DCS现场总线控制系统 FCS二、按控制规律分类程序和顺序控制PID控制最少拍控制复杂规律的控制智能控制第二章离散控制系统及Z变换分析法1、计算机控制系统的信号形式有哪些？连续模拟信号：时间与幅值上均连续，如 r(t)、y(t

3、)、u(t)离散模拟信号：时间是离散的，幅值上连续，如 y*(t)、u*(t)离散数字信号：时间离散的，幅值为数字量，如 y(kT)、u(kT)2、香农(Shannon)采样定理是如何描述的？一个连续时间信号f(t),设其频带宽度是有限的， 其最高频率为co max(或fmax),如果在等间 隔点上对该信号f进行连续采样，为了使采样后的离散信号 f *(t)能包含原信号f(t)的全部信 息量。则采样角频率只有满足下面的关系：ws> 2 wmax采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现 f。否则不能从f *(t)中恢复f(t)。其中, comax是最高角频率，s是采样角频率。它与采样

4、频率fs、采样周期T的关系为：fs3、简述信号的恢复过程T零阶保持器的作用是什么？其传递函数形式是什么？零阶保持器作用：将前一个采样时刻的采样值f(kT)恒定地保持到下一个采样时刻(k+1)T。也就是说在区间kT, (k+1)T 内零价保持器的输出为常数。零阶保持器的传递函数设零阶保持器在作用下的脉冲响应 h(t),而h(t)又可以看成单位阶跃函数1(t)与1(t-T)的迭加即：h(t)=1(t)-1(t-T)。取拉氏变换，得零阶保持器的传递函数：TsH (s)4、掌握常用信号的Z变换/(f)*F (z)* <¥(/)11* 1(/)1zsM1*f1TzJ 2(z - I)21

5、 2/ 21r 2z(z r i)5 32(z - n1*a a (/")1zj - ( J / T ) In aN - Q- of1ze$ + 0qT 2 g-J- 01(1 £一货”1 - (?胃 f q 4- n 1tz - IX z -)6、Z变换的滞后定理和超前定理是如何描述的?“卜-田上黄依） 嘛）妞：H盘笈可问稀/H % 之比.储£印计时?力）-加D 卅二。/9、脉冲传递函数定义是什么？零初始条件下，离散输出信号的z变换与离散输入信号的 z变换之比。Y(zG亿户R(z)10、开环Z传递函数的求法:(1) 口个环 ¥串联检成的 系统. 若各串

6、联坏甘之间宥司第 采样开关，忌的勿专递函数等于各个中联环节w&通函数之积，HP G(w) = <V】(n)Gn (N)-Gr <N)C23如里在中联环门之间设心采样开关.需要格这些小联环节看成一个箫体F 求用甚传递函数G(s) =。1(5)。工(手)6片($)然后再根据 以古求奴 4. 一般表示成f，a)= z5(凶)3(斗)= 5G (工a)15、采样系统稳定的条件是什么？采样系统稳定的条件：闭环脉冲传递函数的极点均位于 z平面上以原点为圆心的单位圆内。即zi|<1 16、三种照型输入时的稳态促是土表2"不同输入时各类系统的稳态误差误差类型位置误差 /&l

7、t;ki)=i(KD速度误差r(kT>=kl加速度湿差“kiA(Kiy/2口型系统l/Kpexj1CXJf1型系统OT/Kv|ZKZ>II型系统OOT/KciII1型系统0O017、求该系统在三种典型信号的作用下的O0.368(z 0.718)G(Z) T 1s(z 1)(z 0.368)产s单位我反僮招苜攵盖统(1)单位阶跃函数输入时解:K r = Em ! + G(z)l = lim 1F ZtI、- J Zt11%(8)= = 0K 50.368 (z + 0.718 )=QQ(z 1)(z - 0.368 )(2)单位速度函数输入时旷 r ,、0.368(z + 0.718

8、)1K&, = lim (z - 1)= 1j (z-l)(z-0,368)单位加速度函数输入时叱 ,0.368(2十0,718)K 二 hm (z - 1)-:" /田仁一 1)(3 - 0.368)/、 1e (oc) = oo“K。18、掌握计算机控制系统的稳定性分析：劳斯判据劳斯稳定判据根据复变函数双线性变换公式:令z=曙或z=x+/y. 2v一/*7伊什/z平面s平面设 w=u+jv_k(x2+y2)-l一飞刁亏加平面u=0u<0u>019、已知一采样控制系统，试求:(i)系统的闭环脉冲传递函数。(2)判定系统的稳定性。(3)系统对阶跃输入和斜坡输入的稳

9、态误差? ? ? 第三、四章 计算机控制系统的离散化设计1、D(z)的设计方法常见有哪两种？(1)离散化设计方法直接设计方法(重点)思想：已知被控对象的 Z传递函数G(Z),根据所要求的性能指标，设计数字控制器。(2)连续化设计方法-间接设计方法思想：先设计控制器的传递函数 D(s),然后采用某种离散化方法， 将它变成计算机算法。2、最少拍系统概念？最少拍控制中主要研究哪三种类型的设计方法？最少拍设计：就是系统在典型输入下，设计数字控制器D(z)使闭环系统输出在最少个采样周期内能准确跟踪输入(或系统输出稳态误差为0)。(1)最少拍控制器的设计：系统无误差，简单，但是本身缺陷多。(2)最少拍有纹

10、波控制器的设计：系统无误差，考虑了系统稳定性，但输出有纹波。(3)最少拍无纹波控制器的设计：系统无误差，考虑了系统稳定性，输出无纹波。3、简述数字控制器的离散化设计步骤。(1)求广义对象的脉冲传递函数G(z);(2)根据控制系统的性能指标要求和其它约束条件，确定所需要的闭环脉冲传递函数(z)和闭环误差脉冲传递函数 e(z);(3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z);(4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式，就可编写控制算法程序。4、不同输入时，最少拍控制器设计综合：rR皿i(t)1 XtTzl7122 1空川7+口2(1-沙T2T3厂3个+” g”3T5、最少拍控制器的局限性体现在哪几个

11、方面?最少拍控制器的设计只是使系统对某一典型输入的响应为最少拍，但对其他典型输入不一定为最少拍，甚至引起静差和超调：当针对某一典型的输入函数 R(z照计的D(z),用于次数较高的R(z), 系统将不能完全跟踪，产生稳态误差。当针对某一典型的输入函数 R(z照计的D(z),用于次数较低的R(z), 系统将出现超调；显然，一种典型的最少拍控制器只适应一种特定的输入，而不能适用于各种输入 6、最少拍有纹波控制器的设计（1） D必须是可实现的，D不包含单位圆上0=1除外） 和单位圆外的极点；D8）不包含超前环节，（2）选择中时，应把G分子作为0）分子的因子；应 把G包）的单位圆上（z=l除外）和单位圆

12、外的零点作为 的零点立即选择：S©=个力。也冷£您i =1（3）选择Se时，必须考虑输入型式，并把G （z）的所有 不稳定极点即单位圆上S=1除外）和单位圆外的极点作为 的零点。即选择：”）=加7-/"，吊如果G<y有7个极点在单位因则：j J：Gg=赞"/汇）（1三尸身仪）*i =ij>q：砥=行/ =/Fl （z） =1 +d妥2+%=4（7+。/"+。”?+-f7、实例：设计最少拍有纹波控制系统解：1。s2(s+l) =10(l-z !)I3.6阮1(1+0.7183)G(z)中含有一个万1因=(l<-f)(1368z-

13、J) 一 子，没有不稳定极点和零点口 则 r= 1, u-Of v=0, q-l o| r+u-1-140-1-0F2(z)=k q+v-1=1+0-1=0r Fl (z)=lu(z)=zr T(i-biz1)F2(z) =kNZ=1. m纥=I=7y-7WE e(Z)=l-工./)e= z/7 G© e 036821(1+0718z1)八(卜2 (I-/)(l-0.368z“)1_0.368z'- 0368(1+0.718z4)_.yit) z E(z)=R(z)叱=1 一:_/!I Y(z)=R(z)力(z)=彳/+£7+二3+L+/ F -' 1!10

14、12 3d|58最少拍系统输出响应8、最小拍有纹波控制器出现纹波的原因？数字控制器输出U(k)在若干拍后，不为。或常值，是震荡收敛的。9、最小拍有纹波控制器出现纹波后对系统有什么影响？消除纹波办 法？输出在采样点之间有偏差；增加了执行元件的功率损耗和机械元件的 磨损。最小拍无纹波控制器能够消除输出纹波。10、有纹波和无纹波设计唯一区别是什么？有纹波和无纹波设计唯一区别在于：有纹波设计时，(z)包含G(z洋位圆上和单位圆外的零点；无波纹设计时，(z)包含G(z)单位圆内、单位圆上、单位圆外的所有零点。习题:已知被控对象的传递函数为Q。)=就而，采样周 期7-1区，采用零阶保持器“(1)针对单位阶

15、跃输入设计最小拍有波纹控制器口(2)针对单位斜坡输入设计最小拍无波纹控制器口第五章计算机控制系统的模拟化设计1 .模拟控制器的离散化方法有哪些？各有什么特点？1、冲激不变法2、加零阶保持器的Z变换法(常用)3、差分变换法4、双线性变换法5、频率预畸变双线性变换法6、零极点匹配法冲激不变法的特点：D(z)与D(s)的脉冲响应相同。若D(s)稳定，则D(z)也稳定。D不能保持D(s)的频率响应。(缺点)D(z)将3s的整数倍频率变换到Z平面上的同一个点的频率，因而出现了混叠现象。(缺点)加零阶保持器Z变换法的特点：若D(s)稳定，则D(z)也稳定。D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。(缺

16、点)后向差分变换法的特点：稳定的D(s)变换成稳定的D(z)。D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。(缺点)前向差分变换法的特点：稳定的D(s)不能保证变换成稳定的D(z),且不能保证有相同的脉 冲响应和频率响应。双线性变换的特点：将整个S平面的左半面变换到Z平面的单位圆内，因而没有混叠效 应。稳定的D(s)变换成稳定的D(z)。D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。(缺点)2 .什么叫模拟 PID调节器的数字实现？它对采样周期有什么要求？理由何在？ ?3 .位置式PID算法和增量式PID算法是什么？各有什么样的优缺 点？1.位置式kTe(k) e(k 1u(k) Kpe(k)

17、e(j) TdT j ok%e(k) K e(j) Kd e(k)-e(k-1)j oup(k) ui(k) UD(k)2、增量式当执行机构不需要控制量的全值，而是其增量，由位置式可以导出增量PID控制算法。T kTu(k) Kpe(k) - e(j)*e(k) e(k 1)ti j 0Tu(k 1) Kpe(k 1) - e(j) TDe(k 1) e(k 2)TI j 0 Tu(k) Kpe(k) e(k 1) -e(k) TDe(k) 2e(k 1) e(k 2)Ti T利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的递推形式，即 u(k) u(k 1) u(k)两者本质相同，只是

18、后者需要使用有附加积分作用的执行机构。但有如下优点：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；在k时刻的增量输出4 u(k),只需用到此时刻的偏差e(k)、以及前 一时刻的偏差e(k-1)、前两时刻的偏差e(k-2),这大大节约了内存和 计算时间；(3)在进行手动自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡；4.试描述PID调节器中比例系数，积分时间常数和微分时间常数的 变化对闭环系统控制性能的影响(分别对动态响应性能和稳态响应性 能影响)。1、比例控制对系统性能的影响 对动态性能影响Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快；但当 Kp太大时，系统 会趋于不稳定；当Kp

19、太小时，使系统动作缓慢。对稳态性能影响加大比例控制Kp,在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提 高控制精度，但不能完全消除稳态误差。2、积分控制Ti对系统性能的影响对动态性能影响积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。当Ti太大时，系统会趋于 不稳定；当Ti小时，对系统的性能影响减少。当 Ti合适时，过渡特 性比较理想。对稳态性能影响Ti能消除系统的稳态误差，提高控制精度，但 Ti太大时，积分作 用太弱，以至不能减小稳态误差。3、微分控制Td对系统性能的影响对动态性能影响微分可以改善动态特性，如减少超调量、调节时间缩短等。对稳态性能影响微分控制中允许加大比例控制，使系统的稳态误差减小，提高控 制

20、精度。但Td太大时，超调量较大、调节时间较长。Td偏小时，超 调量也较大、调节时间也较长。只有合适时，可以得到比较满意的过 渡过程。5. PID参数整定有些什么样的方法？它们各自的特点和适应范围如 何？试凑法(常用)扩充临界比例度法归一参数整定法扩充响应曲线法优选法变参数的PID控制(常用)各自特点和适应范围：略第六章离散系统的离散状态空间分析法1、线性离散系统的离散状态空间表达式的表示形式？状态方程 x(kT+T)-Fx(kT)十 Gu(kT)输出方程 WT)= Cx(kT)+Du(kT)2、由差分方程导出离散状态空间表达式：u(kT)T) y(kT)1 .y(kT2T)0.2y(kTT)0

21、.5y(kT)2 .y(kT3T)0.5y(kT2T)0.2y(kTu(kTT)1.2u(kT)第十二章计算机控制系统设计与实现1. 简述计算机控制系统的总体方案设计的主要内容?1 .研究被控对象、确定控制任务2 .确定系统整体方案(1)确定系统的性质和结构(2)确定执行机构方案(3)控制系统总体“黑箱”设计(4)控制系统层次以及硬件、软件功能划分3 .建立数学模型，确定控制算法4 .硬件的设计(1)确定过程的输入、输出通道及其处理方式(2)计算机系统选择(3)过程通道及接口设计(4)控制台设计(5)可靠性设计(6)硬件调试5 .软件的设计 (1)选择编程语言汇编语言高级语言混合语言 r(2)

22、软件设计步骤问题定义细化设计编制源程序 形成可执行代码调试6 .系统仿真与调试(1)实验室硬件联调(2)实验室软件联调(3)实验室系统仿真7 .现场安装调试2. 简述过程输入输出通道的分类，组成及功能。一、过程输入输出通道的组成与功能根据过程信息的性质及传送方向， 过程通道包括：模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。计算机控制生产现场的控制通道也有两种：即模拟量输出通道及数字量输出通道。功能？3. 简述计算机控制系统的主要抗干扰措施。1 .接地技术2 .屏蔽技术3.隔离技术4.串模干扰的抑制5 .共模干扰的抑制6 .电源噪声的抑制7 .提高软件可靠性课堂练习:求尸的:

23、变换尸。尸（$）=所赤解:尸（$）=旖5（系一击）“（Z尸溢（出广力）_ K七 Y叼一（力卬）（z-e-aT）（z-e-bt）课堂练习：求函数很变换. F(z)=z2，i 4-0 4解：-+0.8 蛇 +0.936筝3 十, &L4z+(k40.6Z-0.84+9.24S08402上0K4L176s336(20.936 汇 L0.336Z-20*936石】L31醛20.374030.974看2+0.374百3F=0.6z/+0.84z2+0.936z3+ fYt)=0.奇(t-T)+0.84 (t-2T)+(k93(i5 (f-37)+课堂练习：y(k-2)-3y(k-1) +2y(k

24、) =u(k)u(k)=l(k)解：对差分方程求厘换得2Y(z)-3z-,Y(z) + z-2Y(z) = U(z)=一Ty（后）=_斤一+43上课堂练习：分别求串联环节两种情况的脉冲传递函数。Lrl（s）= S（s+3）设:。T=1解：（1）串联环节间无采样开关G（s尸G/s）G抬尸 s（s+J（s+3）=醇备+金（2）串联环节间有采样开关G小尸蹙始快片舒一普=。注意特殊情况;5（QC讨n GG点课堂练习求带零阶保持器的 -1开环脉冲传递函数。t7s（s+l） -I*解：«s尸r> s（&）G26片苒%G?=Z&6； /=2/弓.9+ 曷j"7(j(

25、z)=(1-z1)G2(z)=AiGD YOG")(M吟+&)40巩+(1-2e，) _ d386 工+机264(11)("上)z2-L368z+0.386(1)13、闭环脉冲传递函数求法:T，设:小加丁=ft5TflJ ；ft Is+1(2)解：系统的开环脉冲传递函数：（有问题）G方代叼西裕气1归闭土卷+禺JTz (z-l)2 Z-J z，=：2 «+&%+4-代入参数：G) = 5368中)264WJ Z2-L368z+0.368用环脉冲传递函数:YG _0368z+0.264R(z) F+G- z2-Z+0.632解：G(z)=Z!Gh(s)

26、 Gt(s)l=77GH(z)=ZH(s)G,(s)G/s)=0.05丁1小/的 G_ 1-鬲短。,05婷 叫=R(z) l+GH(z) g 75L =l0.45z-i1 L0.5R14、用Z传递函数分析离散系统的过渡过程特性：T-ls系统的开环脉冲传递函数：中叼岛尸=(5)4 力z-1 Tz z z 1 (T-l +er)z+(T-(rTT+(rT)代人参数:厂 0.368-+0.264G加胃 ”.36也+4368闭环脉冲传递函数：的_ 6(/03681+0.264R 1+G(z) = z2-z+0.632z设输入为单位阶跃信号：R(z)=三丁“0.36870.264 z 0.368z2+0.264zYG尸仇 632 ' 7T " ?-2p+A 632z-0.632=。368十+