计算机控制理论答案

计算机控制理论答案第一讲1、什么是计算机数字控制系统？一般由哪几部分组成？请用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制机）来实现生产过程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两部分组成；计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网格结构）和生产过程两大部分组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成；三个步骤原理：①实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。②实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。③实时控制输出：根据控制决策，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、离线方式的含义是什么？实时：指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。在线方式：在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为。的拉氏变换之比，即。脉冲传递函数是在零初始条件下，系统输出量的Z变换和系统输入量的Z变换之比，即。3、已知：r(t)=1(t),x(0)=0,x(1)=1,用Z变换原理和方法，求解差分方程r(k)=x(k+2)-6x(k+1)+8x(k)。因为r(t)=1(t)，即；根据Z变换左移定理，其差分方程的Z变换式为：因为x(0)=0,x(1)=1，故有：4、求下图所示系统的脉冲传递函数D(z)=C(z)/R(z).rr(t)+-Tc(t)第四、五讲作业1、某系统的连续控制器设计为,试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(z)。双线性变换法：前向差分法：后向差分法：2、什么是数字PID的位置型控c制算法、增量型控制算法？如何得到的？比较它们的优缺点。PID算法的数字化，其实质就是将连续形式的PID微分方程转化成为离散形式的PID差分方程。其中，将PID算法中的模拟式中积分项用求和式，微分项用增量式来表示后得到：将上式称为PID位置式控制算式对其进行变换后得：将上式称为PID增量式控制算式PID位置式控制算式计算时，只需进行四则算术运算便可求出当前输出值，极方便用计算机来实现。不过现在计算时，不仅需要知道本次及上次偏差信号和，而且在积分项中还要对历次的偏差信号进行相加求和，因此，在运用计算机实现控制输出时，既繁琐又占用大量内存。PID增量式控制算式计算时，只需知道e(n)，e(n-1)和e(n-2)即可，比PID位置式控制算式的计算简单。很适合于某些以步进电机或多圈电位器作为执行机构的控制系统的要求，另外它还具有输出增量不大、系统受操作切换冲击影响较小、不产生积分失控输出较平稳易于获得较好调节效果等优点。3、什么是积分饱和？是怎样引起的？如何消除？如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。因长时间出现偏差或偏差较大，计算出的控制量有可能溢出或小于零，就会出现积分饱和的现象。消除积分饱和的方法：积分分离法,变速积分PID控制算法，超限削弱积分法，有效偏差法，抗积分饱和机制。4、试比较数字PID算法中处理积分项的三种方法—抑制积分饱和、消除积分量化误差、变速积分的优缺点。抑制积分饱和对积分项采取“开关”的控制方式，比较容易实现，程序设计也较为简单，但关键在于要选取一个合适的阀值，而且适应性比较差；消除积分量化误差在计算上较为方便，但是增加了运算次数；变速积分法是根据误差大小，可随机改变积分作用，近似于线性控制方式，具有抑制超调、防止积分饱和、适应性强、线性度好和参数整定容易等优点，大大提高了系统的调节品质。5、试指出比例系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数TD在PID调节器中的作用，它们对系统的调节品质有何影响？比例系数KP：动态时，比例系数太小，系统动作慢。增加Kp，可提高系统动作的灵敏度，加快调节速度，但是，若取值偏大，容易引起系统振荡，反而使调节时间加长，且当Kp太大时，系统将趋于不稳定状态。稳态时，在系统稳定的情况下，随着比例控制Kp的加大，可以减小稳态误差，但不能消除稳态误差。积分时间常数TI：动态时，积分控制常使系统的稳定性下降，TI值太小，系统不稳定，TI值偏小，容易诱发系统振荡。TI值太大，对系统的影响将削弱。只有选择适合的TI值，才可使系统的过渡过程趋于理想状态。稳态时，积分控制可以消除系统静态误差，提高系统的控制精度。但TI值太大时，因积分控制作用的削弱，反而不能减小稳态差。微分时间常数TD：微分时间TD对系统性能的主要作用是减小超调量、缩短调节时间、允许加强比例控制，从而减小稳态误差，提高控制精度和改善动态特性等。•但TD值偏大或偏小时，反而会诱发超调量增加和加长调节时间。只有TD取值合适时，才可以获得比较满意的过渡过程。6、已知模拟调节器的传递函数为,设采样周期为T=0.2s,试写出相应的数字控制器的位置型和增量型控制算式,并给出相应的程序流程图。即：代入，得：位置型：增量型：第六讲作业图中，已知被控对象传递函数为,采样周期T=1s,采用零阶保持器，要求：针对单位速度输入信号，设计数字控制器D(z),使该系统成为最小拍无波纹系统，并计算输出响应c(k),控制信号u(k),误差e(k),画出它们对时间变化的波形。针对单位阶跃输入信号，设计最小拍有波纹系统数字控制器D(z),并计算输出响应c(k),控制信号u(k),误差e(k),画出它们对时间变化的波形。（1）、输入信号为速度阶跃信号时，设计最小拍无波纹系统数字控制器。闭环脉冲传递函数ϕz中应含有因子z-1和1+0.111z-1由于ϕz和Gez应该ϕ所以：ϕDCcEe（2）、输入信号为单位阶跃信号时，设计最小拍有波纹系统数字控制器。误差脉冲传递函数和闭环脉冲传递函数为：简析最小拍有波纹随动系统数字控制器、最小拍无波纹数字控制器的设计原理有何异同。最小拍无波纹系统设计要求包含的全部零点，最小拍有波纹系统只要求包含在单位圆上和在单位圆外的零点。已知控制系统的被控对象传递函数为,采样