计算机控制技术课后习题详解答案

期末复习必备

计算机控制技术课后习题答案

第一章计算机控制系统概述

习题参考答案

1.计算机控制系统的控制过程是怎样的？

计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：

⑴实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。

(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规

律，决定下一步的控制过程。

⑶实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内

完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作

出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

⑵“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，

生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或者“在线”方式。

(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计

算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则

叫做“脱机”方式或者“离线”方式。

3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部份组成？各部份的作用是什么?

由四部份组成。

1

生产过IV长克

人

七

机

路

联

开测网交送

系

关

设

备

窝la交送卜—

反捻h机构卜一

Z

执行机构|—►

路

通

开

用

关

外执打机构卜一

部

设

笛

图1.1微机控制系统组成框图

⑴主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部份

发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要

功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算（如调节规律运算、最

优化计算等）和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之

处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等

等。

⑵输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程

输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通

道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过

程输入输出通道包括摹拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

⑶外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机

联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）

和外存贮器（磁盘）。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能

即将显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要

保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。

（4）检测与执行机构

a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了采集和测量各种参数，采用了各种

检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热

电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号

经变送器转换成统一的计算机标准电平信号（0〜5V或者4〜20mA）后，再送入微机。

b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要

部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或者直线位移，

并通过调节机构改变被调介质的流量或者能量，使生产过程符合预定的要求。

例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给

执行机构（调节阀）来控制进入加热炉的煤气（或者油）量以实现预期的温度值。

常用的执

2

行机构有电动、液动温和动等控制形式，也有的采用马达、步进机电及可控硅

元件等进行控制。

4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部份软件的作用。

软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都

是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来

分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。

（1）系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。

对用户来说，系统软件只是作为开辟应用软件的工具，是不需要自己设计的。

系统软件包括：

a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；

b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序；

c.开辟系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序（编译程序）、服务程序（装

配程序和编辑程序）、摹拟主系统（系统摹拟、仿真、移植软件）、数据管理系统

等；

d.信息处理：指文字翻译、企业管理等。

⑵应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而

编写的各种程序。

应用软件包括：

a.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、

操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等；

b.过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，

其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；

c.公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编

码程序。

⑶数据库：数据库及数据库管理系统主要用于资料管理、存档和检索，相应软

件设计指如何建立数据库以及如何查询、显示、调用和修改数据等。

3

5.微型计算机控制系统的特点是什么？

微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点:

a.控制规律灵便多样，改动方便

b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制

c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高

d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度

6.操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？

(1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生

产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产

过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或者最优的数值，供操作员

参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。其原理框图如图1.2所示。

图1.2操作指导控制系统原理框图

(2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(DirectDigitalControl)系统就是通过

检测元件对一个或者多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机

将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执

行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在

工业生产过程中最普遍的一种应用形式。其原理框图如图1.3所示。

4

名依

路M

快拟修或开美■♦人通城开元

X件

4:

产

道

W

图1.3DDC系统原理框图

(3)计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(SupervisoryComputerControl)系统

比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模

拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定

值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。SCC系统的原

理框图如图L4所示。

依

多

测

路

元

开

模拟量或开关1ft输入通道

件

关

生

产

过

程

模拟R或开_常规调"器__

关量输出通道或DDC级微机一风”矶网

图1.4SCC系统原理框图

SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。

7.计算机控制系统的发展趋势是什么？

大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从

而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大

生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制

系统的发展趋势有以下几个方面。

a.普及应用可编程序控制器

b.采用集散控制系统

C.研究和发展智能控制系统

5

第二章输入输出过程通道

习题参考答案

1.什么是过程通道？过程通道有哪些分类？

过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。

按信息传递的方向来分，过程通道可分为输入过程通道和输出过程通道；按所

传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和摹拟量过程通道。

2.数字量过程通道由哪些部份组成？各部份的作用是什么？

数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。

数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行

接口电路和定时计数电路等组成。数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱

动电路、输出口地址译码电路等组成。其中：输入调理电路将来自控制装置或

者生产过程的各种开关量，进行电平转换，将其通断状态转换成相应的高、

低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点颤动，以及进行信

号隔离等问题。

3.简述两种硬件消抖电路的工作原理。

采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将颤动的高频部份滤出，其

次利用施密特触发器整形。

采用RS触发器的硬件消抖电路，主要是利用RS触发器的保持功能实现消抖。

6

4.简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。

光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所

示。输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信

号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的彻底隔离。

X1

图2.1光电耦合器电路图

5.摹拟量输入通道由哪些部份组成？各部份的作用是什么？

摹拟量输入通道普通由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口

及控制逻辑电路组成。

⑴I/V变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，

为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。

⑵多路转换器：用来切换摹拟电压信号的关键元件。

⑶采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D

转换时间内，希翼输入信号再也不变化，以免造成转换误差。这样，就需要在

A/D转换器之前加入采样保持器。

(4)A/D转换器：摹拟量输入通道的任务是将摹拟量转换成数字量，能够完成这

一任务的器件，称为之模/数转换器(Analog/DigitalConverter,简称A/D转

换器或者ADC)o

6.对理想多路开关的要求是什么？

理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。止匕外，还希

望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。

7

7.采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。

采样保持器的作用：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行

A/D转换时间内，希翼输入信号再也不变化，以免造成转换误差。这样，就需要

在A/D转换器之前加入采样保持器。

保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样

状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的尾随特性好，

但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，

保持电容值大，保持性能好，但尾随特性差。

8.在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？

不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在

A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样

保持器。

9.A/D转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在I/O控制中的连接方式，

A/D转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有什么特点？

A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成。

常见的A/D转换有以下几种控制方式，各自特点如下

•延时等待法:EOC可不和I/O口连接，程序设计时，延时大于ADC转换时间后，

取数据。

•保持等待法:EOC与READY相连,EOC无效时，自动插入等待状态。直至EOC有效

时一，取数据。

•查询法：EOC可以和任意I/O口连接，程序设计时，反复判断EOC是否有效，

直至EOC有效时，取数据。

8

•中断响应法：EOC与外部中断相连，AD转换结束后，发中断申请，在中断服务程

序中取数据。

10.设被测温度变化范围为0£~1200£,如果要求误差不超过0.4£,应选用分辨

为多少位的A/D转换器？

(17()0A

选择依据：n>logII+____I~12

210.4)

11.设计出8路摹拟量采集系统。请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模

拟量数据采集程序。

本例给出用8031、DAC0809设计的数据采集系统实例。

把采样转换所得的数字量按序存于片内RAM的301r37H单元中。采样完一遍后

住手采集。其数据采集的初始化程序和中断服务程序如下：

初始化程序：MOVRO,#30H;设立数据存储区指针

MOVR2,#08H;设置8路采样计数值

SETBITO;设置外部中断0为边沿触发方式

SETBEA；CPU开放中断SETBEXO

；允许外部中断0中断

MOVDPTR,#FEF8H；送入口地址并指向IN0

LOOP：MOVX@DPTR,A;启动A/D转换，A的值无意义

HERE：SJMPHERE;等待中断

中断服务程序:

MOVXA,@DPTR;读取转换后的数字量

MOV@R0,A；存入片内RAM单兀

INCDPTR；指向下一摹拟通道

INCRO;指向下一个数据存储单元

DJNZR2,INTO;8路未转换完，则继续

CLREA;已转换完，则关中断

CLREXO；禁止外部中断0中断

RETI;中断返回

INTO：MOVX@DPTR,A;再次启动A/D转换

RETI;中断返回

12.摹拟量输出通道由哪几部份组成？各部份的作用是什么？

摹拟量输出通道普通由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理

电路组成。

(DD/A转换器：摹拟量输出通道的核心是数/模转换器(Digital/Analog

10

Converter,简称D/A转换器或者DAC)。它是指将数字量转换成摹拟量的元件或

者装置。

(2)V/I变换：普通情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。在计算机控制系

统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的

干扰和衰减，需要采用电流方式输出摹拟信号。许多标准化的工业仪表或者执

行机构，普通是采用O^lOmA或者4〜20mA的电流信号驱动的。因此，需要

将摹拟电压信号通过电压/电流(V/I)变换技术，转化为电流信号。

13.采用DAC0832和PC总线工业控制机接口。请画出接口电路原理图，并编写

+5V

ILEVV

ccREF

/数据总线AD1.R

8086CPUlb

DII

地卅绣-地0OUTl

DAC0832

址Y

译o

CS-ew2

M/IO电

WR2

XFER

DGND

前-WR4-AGND

产生三角波、梯形波和锯齿波的程序。

本章作业

设计一八路数据采集及其回放系统。要求八路数据巡回检测，存储10组数据,

输数据为电压信号(0-5V),检测精度＜1%。CPU、AD、DA可任选。

11

第三章微机数控系统

习题参考答案

3.1.什么是数控程序控制？数字程序控制有哪几种方式？

所谓数控程序控制是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加

工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完

成工作的自动控制。

数字程序控制方式：点位控制、直线切削控制和轮廓的切削控制。

3.2.什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几

个步骤？

逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步（即输出一个进给脉冲），

就作一次计算，将实际进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情

况，根据偏差，再决定下一步的走向（沿X轴进给，还是沿Y轴进给）。逐点比

较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或者圆弧曲线，最大逼近误差不

超过数控系统的一个脉冲当量（每走一步的距离，即步长）。

直线插补计算过程的步骤如下：

（1）偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最大于等于零，还是小于零；

⑵坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步；

⑶偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1,作为下一步偏差判别的依据；

⑷终点判别：即若已到达终点，则住手插补；若未到达终点，则重复上述步骤。

圆弧插补计算过程的步骤如下：

⑴偏差判别

⑵坐标进给

⑶偏差计算

⑷坐标计算

⑸终点判别

5.若加工第一象限直线0A,起点0（0,0）,终点A（11,7）o要求：

12

(1)按逐点比较法插补进行列表计算；

⑵作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：由题意可知X=11,y=7,F=0,我们设置一个总的计数器N，其初值应为

ee0xy

N二|7-0|+|ll-0hl8,则插补计算过程如表3-1所示。根据插补计算过程表所

xy

作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。

表3—1

步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别

起点F=0N=18

0xy

1F=0+XF=F-y=~7N=17

010exy

2F<0+YF=F+x=4N=16

121exy

3F>0+XF=F-y=-3N=15

232exy

4F<0+YF=F+x=8N=14

343exy

5F>0+XF=F-y-1N=13

454exy

6F>0+XF寸-y=-6N=12

565exy

7F<0+YF=F+x=5N=11

676exy

8F>0+XF=F-y=-2N=10

787exy

9F<0+YF=F+x=9N=9

898exy

10F>0+XF=F-y=2N=8

9109exy

11+Xb=E-yN=7

101110exy

12卜'<0+Y卜+x=bN=6

111211exy

13F>0+Xh-y=TN=5

121312exy

14F<0+YF=b+x=10N=4

131413exy

15F>0+X卜'=b-y=3N=3

141514exy

16F>0+X卜=b-y=-4N=2

151615exy

17F<0+Y卜=卜+x-IN=1

161716exy

18F>0+X卜'=F-y=UN=0

171816exy

13

3.5.设加工第一象限的圆弧AB,起点A(6,0),终点B(0,6)。要求：

⑴按逐点比较法插补进行列表计算；

⑵作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。

解：插补计算过程如表3-2所示。终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计

数器N,每走一步便减1操作，当N=0时，加工到终点，插补运算结束。下图

xyxy

为插补过程中的走步轨迹。

表3—2

步偏差判坐标计算

坐标进给偏差计算终点判别

数别

起x=6,y=0

F=000N=12

点0xy

1F=0F=0-12+1=-11x=5,y=0N=11

0-X111xy

F=-11+0+1=-1x=5,y=1

2F<0+Y222N=10

10xy

3F<0+YF=-10+2+1=-7x=5,y=2N=9

2333xy

4F<0+YF=-7+4+1=—2x=5,y=3N=8

3444xy

5E<0+YF=-2+6+l=bxy=4N=7

4555xy

6F>0F=5T0+l=-4x=4,y=4N=6

5-X666xy

7F<0+YF=-4+8+1=5X=4,y=5N=5

6777xy

8F>0F=5-8+1=-2x=3,y=5N=4

7-X888xy

9E<0+YF=-2+10+1=9x=3,y=6N=3

8999xy

14

10F>0-XF=9-6+1=4x=2,y=6N=2

9101010xy

11F>0-XF=4-4+1=1x=1,y=6N=1

10111111xy

12F>0-XF=1-2+1=0x=0,y=6N=0

11121212xy

3.6.三相步进机电有哪几种工作方式？分别画出每种工作方式的各相通电顺序

和电压波形图。

解：有三种工作方式：

(1)三相单三拍工作方式

各相的通电顺序为AfBfC,各相通电的电压波形如图3.1所示。

步进时钟JUUMUUL

A相J__________

B相-------------------------

C相--------------------------1I—

图3.1单三拍工作的电压波形图

(2)三相双三拍工作方式

双三拍工作方式各相的通电顺序为AB-BC-CA。各相通电的电压波形如图3.2

所示。

rUUUUUUUULTULnJULTL

-u—U~~UU1_

B*_1―U-LJ―U―U

c*TJ—U-UU~~U~

图3.2双三拍工作的电压波形图

(3)三相六拍工作方式

在反应式步进机电控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生

了六拍工作方式，其通电顺序为A->AB-B-*BC-*C-*CAo各相通电的电压波形如

图3.3所示。

15

如"rLrLn_n_rui_n_n_n_n_n_rLrLn_n_

Bfll

图3.3三相六拍工作的电压波形图

3.7.采用8255A作为x轴步进机电和y轴步进机电的控制接口，要求

(1)画出接口电路原理图；

(2)分别列出x轴和y轴步进机电在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍工作

方式下的输出字表。

电路原理图如图所示

三相单三拍控制方式输出字表

ADX300000100=04HADY300000100=04H

三相双三拍控制方式输出字表

x轴步进机电输出字表y轴步进机电输出字表

存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字

ADX10000001l=03HADY10000001l=03H

ADX200000110=06HADY200000110=06H

16

ADX300000101=05HADY300000101=05H

三相六拍控制方式输出字表

x轴步进机电输出字表y轴步进机电输出字表

存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字

ADX100000001=01HADY100000001=01H

ADX20000001l=03HADY20000001l=03H

ADX300000010=02HADY300000010=02H

ADX400000110=06HADY400000110=06H

ADX500000100=04HADY500000100=04H

ADX600000101=05HADY600000101=05H

17

第四章微型计算机控制系统的控制算法

习题参考答案

4..1.数字控制器的摹拟化设计步骤是什么？

摹拟化设计步骤：

(1)设计假想的摹拟控制器D(S)

(2)正确地选择采样周期T

(3)将D(S)离散化为D(Z)

(4)求出与D(S)对应的差分方程

(5)根据差分方程编制相应程序。

2.某系统的连续控制器设计为

D(s)=U(s)=UTs

E(s)1+Ts

试用双线形变换法:前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)O

解：双线形变换法：把s=2.±l代入，则

Tz+1

2

D(z)=D(z)|上L&=6+个+?

s=U1+T2.z-1(r+2T2)z+T_2T2

2T-.(

前向差分法：把2=匕代入，则

T

D(z)=D(s)|=上艮上鱼JJ+7T；

z-i1+Ts,z-1Tz+T-

"T21+T।丁2

2T

后向差分法：把$=7-1代入，则

Tz

D(Z)=D(s)|工

<1+T2s1+T；-1TZ+T-T

2Tz

4.3什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。

18

为了实现微机控制生产过程变量，必须将摹拟PID算式离散化，变为数字

PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小

时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：

(p'edt^TDeG)

°j=o

dee(k)-e(k-1)

—=------------------

dtT

于是有：

u(k)=K{e(k)+[/e(j)+L[e(k)-e(k-1)])

pTT

u(k)是全量值输出，每次的输山看都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)

一一对应，所以称之为位置型PID算法。

在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)

不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，

这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制

量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行

器为步进机电、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这种装

置时，普通均采用增量型PID控制算法。

Au(k)=K{[e(k)-e(k-1)]+*(k)+L-{e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}

与位置算法相比，增量型PID算法有加下优点：

(1)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加

值，容易产生较大的积累计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从

而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，

容易取得较好的控制效果。

⑵为实现手动一一自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始

阀门开度u,若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部份，即算式

0

中不浮现U项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。

0

⑶采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生

故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。

4.4.已知摹拟调节器的传递函数为

19

DQ=1+0.17s

2一1+0.085s

试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=0.2s。

D(s)陷J+。』7s

1+0.()85s

则U(s)+0.085SU(s)=E(s)+0.17SE(s)

:u(t)+0.085d")=e(t)+0.17上^

dtdt

:u(k)+0.0阪城^=e(k)+卢

把T=0.2S代入得

1.425u(k)-0.425u(k-1)=4.5e(k)-3.5e(k-1)

位置型u(k)=3.1579e(k)-2.4561e(k-1)+O.2982u(k-1)

增量型Au(k)=u(k)-U(k-1)=3.1579e(k)-2.4561e(k-l)-0.7018u(k-1)

(补充题)已知摹拟调节器的传递函数为

D(S)J+0」7S

0.085s

试写出相应数字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，设采样周

期T=0.2so

解：因为D(s)=1+°”S=2(1+1)=K(1+J_+Ts)

0.085s0.17sPTsd

所以K=2,T=0.17,T=0o

pid

故位置型PID控制器

u(k)=K1e(k)+7*e(i)+T线.-6(火一1)”

P丁…。“T

北+券》］

=2e(k)+04X7(i)

0.17

i=0

故增量型PID控制器

20

u(k)-u(k-1)+Au(k)

=u(k-1)+K[e(k)-e(k-1)]+Ke(k)+Kte(k)-2e(k-1)+e(k-

2)]p..1。

=u(k-1)+21e(k)_e(k-1)]+券e(k)

«u(k-1)+4.35e(k)-2e(k-1)

4.5.什么叫积分饱和？它是怎么引起的？如何消除？

解：(1)如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于积分作

用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或者减小，但执行机构已

无相应的动作，这就叫积分饱和。

(2)1、当偏差产生跃变时，位置型PID算式的输出将急剧增大或者减小，

有可能超过执行机构的上(下)限，而此时执行机构只能工作在上限。

2、系统输出需要很长期才达到给定值，在这段时间内算式的积分项将产

生一个很大的积累值。

3、当系统输出超过给定值后，偏差反向，但由于大的积分积累值，控制量

需要相当一段时间脱离饱和区。因此引起系统产生大幅度超调，系统不稳定。

(3)常用的改进方法：积分分离法和抗积分饱和

4.6.采样周期的选择需要考虑那些因素？

(1)从调节品质上看，希翼采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精

度。通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次~15次即可。

⑵从快速性和抗扰性方面考虑，希翼采样周期尽量短，这样给定值的改变可以

迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。

⑶从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，特别是多回路控制

时，应使每一个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间T较大时,

常选T=(l/ri/8)T0

⑷从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，

将使先后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。此外，若执行机构的速度

较低，会浮现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这

样采样周期再短也将毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。

21

4.7.简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。

扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：

⑴选择一个足够短的采样周期T,例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞

后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。

⑵逐渐加大比例系数Kp,使控制系统浮现临界振荡。由临界振荡过程求得相应

的临界振荡周期Ts,并记下此时的比例系数Kp,将其记作临界振荡增益Ks。此

时的比例度为临界比例度，记作6=1o

sK

⑶选择控制度，所谓控制度是数字调S节器和摹拟调节器所对应的过渡过程的误

差平方的积分之比。

⑷根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。

⑸按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直

到获得满意的控制效果为止。

扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：

⑴断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并

稳定后，然后蓦地改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。

⑵用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。

⑶在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间T、被控对象的时间常数Tc,以

及它们的比值TC/To

⑷由T、Tc、TC/T值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。

4..8.数字控制器的离散化设计步骤是什么？

计算机控制系统框图如图4-1所示。

22

图4-1计算机控制系统框图

由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递

函数D(z)o

数字控制器的直接设计步骤如下：

⑴根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函

数①(z)o

(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)o

⑶求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)o

⑷根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。

4.9已知被控对象的传递函数为

G(s)=10

cs(0.1s+1)

采样周期T=0.Is,采用零阶保持器。要求

(1)针对单位速度输入信号设计至少拍无纹波系统的D(z),并计算输出响

应y(k)、控制信号u(k)和误差e(k)序列，画出它们对时间变化的波形。

(2)针对单位阶跃输入信号设计至少拍有纹波系统的D(z),并计算输出响

应y(k)、控制信号u(k)和误差e(k)序列，画出它们对时间变化的波形。

解：广义脉冲传递函数为

G(z)=Z(1-e-Ts.10)=(1-z-i)Z(100)

ss(0.1s+1)s2(s+10)

10Tz-i__1+1)

(1—z-i)21—z-i(1—e-wTz-i)

0.368z-i(1+0.717Z-1)

(1_Z-1)(1-O.368Z-0

至少拍无纹波设计步骤：

1)根据广义对象的传递函数确定参数已知N=2,M=2

N(分母多项式的塞次)所以d=0

M(份子多项式的幕次)w=l(即份子多项式中的(1+0.717Z」))

d=N44延时v=l,j=l；

23

W在所有零点的总数（不包括无穷远的q=2（单位速度输入）

零点）

V在Z平面的单位圆上或者圆外极点的

个数

j在Z平面的单位圆上极点的个数

q（输入类型）

2）确定Fl（z）和F2（z）的塞次m和nm=w+d=1

n=v-j+max(j,q)=2

m=w+d

n=v-j+max(j,q)所以：

F(z)=1+fZ-i+fZ-2+...+fZ-mF(z)=1+fz-1

111121m111

F(z)=fZ-1+fZ-2+...+fz-nF(z)=fz-1+fz-2

221222n22122

3)确定①e(z)rv-i]

中(z)=In(1-az-1)1(1-Z-1)max(jfl)F(z)

1

中(Z)=1-中(Z)=1(1-aZ-1)(1-Z-1)max(j.q)F(Z)eLii」'

=(1-Z-1)2(1+fZ-1)

6111

|Li=1'」I

=1+(f-1)z-1-fZ-2+fz-3

111111

4)确定力(z)

中(z)=z«(nw(1-bz-i)^|F2(z)

中(z)=z[nw(i一¥-1),尸2⑵