河南工业大学计算机控制技术2014年试卷AB-含答案

A卷（本题15分）一、填空（每空1分）1.计算机控制系统一般由计算机、I/O接口电路、通用外部设备和工业生产对象组成。2.采样保持器有两个基本的工作状态：分别是采样状态和保持状态。3.在工业控制中，经A/D转换后得到的数据一般要经过数字滤波和标度变换两个环节进行加工处理才能得到相应准确的结果。4.常用的数字滤波算法有程序滤波、中值滤波、算术平均值滤波、加权平均值滤波、滑动平均值滤波、低通滤波和复合数字滤波等。5.典型的顺序控制系统一般由系统控制器、控制对象、执行机构、检测机构、开关量输入接口电路、开关量输出接口电路、显示与报警电路七部分组成。6.计算机控制系统中的键盘有独立式和行列式两种接口方法。（本题30分）二、简答题（每题5分）1.微分先行PID控制算法是针对什么问题提出的？改进方法是什么？答：突加的给定值（升或降）会给系统带来冲击，引起超调量过大，执行机构动作剧烈。改进：调节器采用PI规律，将微分作用移到反馈回路上，即只对被控量微分，不对输入偏差微分，也就是说对给定值无微分作用，减小了给定值的升降对系统的直接影响。2.PID控制算法中积分项的改进有哪几种方法？并简述其改进方法。答：①积分分离法：偏差较大时，取消积分作用，进行快速控制，偏差较小时，投入积分作用，取消静差。②抗积分饱和法：对输出进行限幅，同时切除积分作用，最大幅值为|Em|。③梯形积分法：将矩形积分改为梯形积分，即。④消除积分不灵敏法：1）增加A/D转换的位数，提高转换精度，减小不灵敏区；2）将小于量化误差的各次积分项累加起来,当累加值时，输出,同时将累加器清零，为下一次累加做准备。3.画出直接数字控制系统的组成框图，简述其工作原理，并指出其具有特点。答：工作原理：用一台计算机对多个被控参数进行巡回检测，结果与设定值比较，经控制运算后送到执行机构，对生产过程进行控制，使被控参数稳定在给定值上。特点：计算机直接参与控制，系统经计算机构成了闭环，而在操作指导控制系统中，通过人工或别的装置来进行控制，计算机与对象未形成闭环，给定值是预先设定好后送给或存入计算机的，在控制过程中不变化。4.采用直接设计法设计最少拍无差数字控制器的步骤是什么？答：①由D（z）的物理可实现性确定Ф（z）②由系统的准确性确定Ф（z）③由系统的快速性确定Ф（z）④由系统的稳定性确定Ф（z）⑤再由Ф（z）确定控制器D（z）5.达林算法数字控制器的设计目标是什么？答：使整个闭环系统的期望传递函数等效为一个惯性环节和一个延迟环节串联，并使整个闭环系统的纯滞后时间与被控对象G0（s）的纯滞后时间τ相同。6、多微处理器控制系统中常用的总线有哪些？答：并行总线：PC总线，STD总线串行总线（本题20分）三、简单应用题（每题10分）1、已知数字控制器D(z)=0.5(1−0.6𝑧−1)(1−0.35𝑧−1)(1−𝑧−1)(1+0.72𝑧−1)；试采用直接实现法推导出u(k)的迭代算式。解：𝐃(𝐳)=𝟎.𝟓−𝟎.𝟒𝟕𝟓𝒛−𝟏+𝟎.𝟏𝟎𝟓𝒛−𝟐𝟏−𝟎.𝟐𝟖𝒛−𝟏−𝟎.𝟕𝟐𝒛−𝟐=𝑼(𝒛)𝑬(𝒛)𝐔(𝐳)=𝟎.𝟓𝐄(𝐳)−𝟎.𝟒𝟕𝟓𝒛−𝟏𝑬(𝒛)+𝟎.𝟏𝟎𝟓𝒛−𝟐𝑬(𝒛)+𝟎.𝟐𝟖𝒛−𝟏𝐔(𝐳)+𝟎.𝟕𝟐𝒛−𝟐𝑼(𝒛)𝐮(𝐤)=𝟎.𝟐𝟖𝐮(𝐤−𝟏)+𝟎.𝟕𝟐𝐮(𝐤−𝟐)+𝟎.𝟓𝐞(𝐤)−𝟎.𝟒𝟕𝟓𝐞(𝐤−𝟏)+𝟎.𝟏𝟎𝟓𝐞(𝐤−𝟐)2、连续PID控制器可描述为u(t)=𝐾𝑃[𝑒(𝑡)+1𝑇𝐼∫𝑒(𝑡)𝑑𝑡+𝑇𝐷𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡],推导出增量型数字PID控制算法Δu(k)的递推式，并画出程序流程图。解：𝐮(𝐭)=𝐮(𝐤𝐓){𝒒𝟎=𝑲𝑷(𝟏+𝑻𝑻𝑰+𝑻𝑫𝑻)𝒒𝟏=−𝑲𝑷(𝟏+𝟐𝑻𝑫𝑻)𝒒𝟐=𝑲𝑷𝑻𝑫𝑻∵𝐞(𝐭)=𝐞(𝐤𝐓)∫𝒆(𝒕)𝒅𝒕=∑𝑻𝒆(𝒊𝑻)𝒌𝒊=𝟎𝒕𝟎𝒅𝒆(𝒕)𝒅𝒕=𝒆(𝒌)−𝒆(𝒌−𝟏)𝑻代入得，𝐮(𝐤)=𝑲𝑷[𝒆(𝒌)+𝑻𝑻𝑰∑𝒆(𝒊)+𝑻𝑫𝑻(𝒆(𝒌)−𝒆(𝒌−𝟏))𝒌𝒊=𝟎]=𝑲𝑷𝒆(𝒌)+𝑲𝑷𝑻𝑻𝑰∑𝒆(𝒊)+𝒌𝒊=𝟎𝑲𝑷𝑻𝑫𝑻[𝒆(𝒌)−𝒆(𝒌−𝟏)]𝐮(𝐤−𝟏)=𝑲𝑷𝒆(𝒌−𝟏)+𝑲𝑷𝑻𝑻𝑰∑𝒆(𝒊)+𝑲𝑷𝑻𝑫𝑻[𝒆(𝒌−𝟏)−𝒆(𝒌−𝟐)]𝒌−𝟏𝒊=𝟎△𝐮(𝐤)=𝐮(𝐤)−𝐮(𝐤−𝟏)=𝒒𝟎𝒆(𝒌)+𝒒𝟏𝒆(𝒌−𝟏)+𝒒𝟐𝒆(𝒌−𝟐)得分评卷人得分评卷人（本题15分）四、设加工第一象限逆圆弧AB，已知起点A的坐标为(6，0)，终点B的坐标为(0，6)。要求：（1）列出逐点比较法插补计算得过程。（2）做出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：（2）（1）步序偏差判别坐标进给方向偏差计算坐标计算终点判断起点F0=0(6，0)E=121F0=0-xF1=-11(5，0)E=112F10+yF2=-10(5，1)E=103F20+yF3=-7(5，2)E=94F30+yF4=-2(5，3)E=85F40+yF5=5(5，4)E=76F50-xF6=-4(4，4)E=67F60+yF7=5(4，5)E=58F70-xF8=-2(3，5)E=49F80+yF9=9(3，6)E=310F90-xF10=4(2，6)E=211F100-xF11=1(1，6)E=112F110-xF12=0(0，6)E=0（本题20分）五、在计算机控制系统中，被控制对象的传递函数为)11.0)(1(10)(0ssssG采样周期T=0.5s。试设计在单位阶跃输入时，最少拍有波纹控制系统的数字控制器D(z)，并求出误差E(z)、控制器输出U(z)和系统输出Y(z)。已知：1112112111；1111；111；)1(1zeasZzesZzsZzzsZaTT得分评卷人得分评卷人计算机控制技术试卷B卷（本题20分）一、填空（每空1分）1.计算机控制系统按照功能划分有直接数字控制系统、操作指导控制系统、计算机监督控制系统、分布式控制系统、计算机集成制造系统五种类型。2.输入通道通常包括信号测量部分、信号调理电路、模拟多路开关、以及输入控制接口等。3.LED显示器显示的方法有动态显示和静态显示两种。4.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械按照规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成的自动控制。5.控制系统中的信号可分为连续信号、离散信号、采样信号、数字信号采样保持信号五种类型。（本题30分）二、简答题（每小题5分）1.PID控制算法中积分分离法是针对什么问题提出的？改进方法是什么？答：偏差较大时，积分的滞后作用会影响系统的响应速度，引起较大的超调并加长过渡过程，尤其对时间常数较大、有时间滞后的被控对象，更加剧了震荡过程。改进：偏差较大时，取消积分作用，进行快速控制，偏差较小时，投入积分作用，消除静差。2.PID控制算法中微分项的改进有哪几种方法？并简述其改进方法。答：①不完全微分PID控制算法：在标准PID输出后串联一阶惯性环节，构成不完全微分PID控制。②微分先行PID控制算法：调节器采用PI规律，将微分作用转移到反馈回路上，即只对被控量微分，不对偏差微分，也就是说，对给定值无微分作用，减小了给定值的升降对系统的直接影响。③微分平滑算法：采用微分平滑原理。3.画出计算机监督控制系统的组成框图，简述其工作原理，并指出其具有的特点。答：工作原理：在SCC系统中，由计算机按照描述生产过程的数学模型计算出最佳给定值后，送给模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，使生产过程处于最优工作状态。特点：①SCC+模拟调节器控制系统：在技术改造时，可充分利用原有的模拟调节器，同时又实现了最佳给定值控制；②SCC+DDC控制系统：给定值是计算得到的，以保证系统在最优工作状态下运行。4.采用数字控制器的直接设计方法设计一个控制系统时，Φ(z)的确定应遵循哪些原则？答：①D(z)的物理可实现性②系统的准确性③系统的快速性④系统的稳定性5.史密斯预估补偿数字控制器的设计步骤是什么？答：①求广义对象Z传递函数②按不带纯滞后的被控对象的设计数字控制器D(z)，并满足系统的性能要求。③加入纯滞后环节6.多微处理器控制系统的结构有哪些形式？并简述其结构特点。答：①分级结构形式：把一台微处理器作为主处理器，并使其担任控制其他微处理器的任务。其他微处理器称为从处理器，在主处理器的统一控制下，完成各自独立的子任务。②系统中各微处理器之间没有固定的主从关系，各微处理器既可作为主处理器，也可作为从处理器。各微处理器之间关系对等，互相通信。（本题20分）三、简单应用题（每题10分）4、已知数字控制器D(z)=0.3𝑧−1(1−0.718𝑧−1)(1−𝑧−1)(1−0.368𝑧−1)；试采用直接实现法推导出u(k)的迭代算式。解：𝐃(𝐳)=𝟎.𝟑𝒛−𝟏−𝟎.𝟐𝟏𝟓𝟒𝒛−𝟐𝟏−𝟏.𝟑𝟔𝟖𝒛−𝟏+𝟎.𝟑𝟔𝟖𝒛−𝟐=𝑼(𝒛)𝑬(𝒛)𝐔(𝐳)=𝟎.𝟑𝒛−𝟏𝑬(𝒛)−𝟎.𝟐𝟏𝟓𝟒𝒛−𝟐𝑬(𝒛)+𝟏.𝟑𝟔𝟖𝒛−𝟏𝐔(𝐳)−𝟎.𝟑𝟔𝟖𝒛−𝟐𝑼(𝒛)𝐮(𝐤)=𝟏.𝟑𝟔𝟖𝐮(𝐤−𝟏)−𝟎.𝟑𝟔𝟖𝐮(𝐤−𝟐)+𝟎.𝟑𝐞(𝐤−𝟏)−𝟎.𝟐𝟏𝟓𝟒𝐞(𝐤−𝟐)5、连续PID控制器可描述为u(t)=𝐾𝑃[𝑒(𝑡)+1𝑇𝐼∫𝑒(𝑡)𝑑𝑡+𝑇𝐷𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡],对其进行离散化，推导出位置型数字PID控制算法u(k)的递推式，并画出程序流程图。解：u(t)=u(kT)∵e(t)=e(kT)∫𝑒(𝑡)𝑑𝑡=∑𝑇𝑒(𝑖𝑇)𝑘𝑖=0𝑡0𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡=𝑒(𝑘)−𝑒(𝑘−1)𝑇代入得，u(k)=𝑘𝑃[𝑒(𝑘)+𝑇𝑇𝐼∑𝑒(𝑖)+𝑇𝐷𝑇(𝑒(𝑘)−𝑒(𝑘−1))𝑘𝑖=0]=𝑘𝑃𝑒(𝑘)+𝑘𝐼∑𝑒(𝑖)+𝑘𝑖=0𝑘𝐷[𝑒(𝑘)−𝑒(𝑘−1)]𝑘𝐼=𝑘𝑃𝑇𝑇𝐼𝑘𝐷=𝑘𝑃𝑇𝐷𝑇（本题15分）四、设加工第一象限直线OA，起点为坐标为原点O（0，0），终点坐标为A(6，6)。要求：（1）列出逐点比较法插补计算的过程。（2）做出走步轨迹图。解：（1）步数偏差判别坐标进给偏差终点判断起点F0=0E=121F0=0+xF1=-6E=112F10+yF2=0E=103F2=0+xF3=-6E=94F30+yF4=0E=85F4=0+xF5=-6E=76F50+yF6=0E=67F6=0+xF7=-6E=58F70+yF8=0E=49F8=0+xF9=-6E=3得分评卷人得分评卷人得分评卷人得分评卷人10F90+yF10=0E=211F10=0+xF11=-6E=112F110+yF12=0E=0（本题20分）五、在计算机控制系统中，已知被控制对象的传递函数为)1(10)(0sssG采样周期T=1s。试设计在单位速度输入函数时，最少拍无纹波系统的数字控制器D(z)，并求出误差E(z)、控制器输出U(z)和系统输出Y(z)。已知：1121121111;111;)1(1zesZzsZzzsZT得分评卷人