计算机控制系统

11.计算机控制系统有哪些特点？答：1.控制规律的实现灵活.方便。2.控制精度高3.控制效率高4.可集中操作显示5.可实现分机控制与整体优化6.存在着采样延迟2.计算机控制系统有哪些类型？答：1.操作指导控制系统2.直接数字控制系统（DDC）2.监督计算机控制系统(SCC)3.分布式控制系统（DCS）3.模拟控制器离散化方法：1、后行差分法2、双线性变换法3、加零阶保持器的Z变换法6.数字控制器实现方法：1.、直接程序设计法2、串行程序设计法3、并行程序设计法7.用双线性变换法求下列模拟控制器等效的数字控制器，设采样周期T=1ssss3140)(D解：双线性变换法：D(Z)=1--11-1.T2SD(S))-12(1159-161)-12(11)-160(11-10.5231)1-1.0.5240(D(Z)1-1-1-1-1-1-1-1--18.用后向差分法求下列模拟控制器等效的数字控制器，设采样周期T=1s)1(18.0)(ssssD解：后向差分法)2)(1(8.08.1111111)1-10.8(D(Z)1D(S)D(Z)111111-1））（（TS4.设有模拟控制器D(s)=)3)(2(2ss分别用后向差分法.双线性变换法和加零阶保持器的Z变换方法离散化处理，求其对应的数字控制器D（z)(采样周期为T=0.1s)解：（1）向后差分法Ts1z1D(s)D(z))3Tz-1)(2Tz1(2z)(1-1-D)z)(1.3z(1.20.0211)z)(1.0.76920.8333z(10.012811(2）双线性变换法11z1z1T2sD(s)D(z)3)z1z1T22)(z1z1T2(2(z)1111D3)z1z12)(20z1z1(2021111)z13z320z20)(z12z220z20(2111111)17z)(2318z(22)z2(11121)0.7391z)(10.8182z(1)z0.004(11121（3）加零阶保持器的Z变换方法)0.7408z)(10.8187z(1)0.8465z(10.00848z0.7408)0.8187)(z(z0.8465)0.00848(z3)2)(ss(s6Z3)z(13)2)(s(s2se-1ZD(z)11111sT5.设控制系统器的数字控制器为)1.01)(5.01()25.01(5D111zzzz）（使用三种实现方法写出便于计算机编程的控制器输出的差分方程。解：(1)直接程序设计法21105.06.0125.15E(z)z)U(zzzu(k)=5e(k)+1.25e(k-1)+0.6u(k-1)-0.05u(k-2)（2）串行程序设计法)()()()(1.0155.0125.01E(z)U(z)11111zUzUzEzUzzz)1(1.0)(5)()(1.0)(5Uz)U(1-ku5.0)1(25.0)()(5.0)(25.0)(U111)(1111(z)kukukuzUzzkekeuzUzzEzzEk）（(3)并行程序设计法36、)()()()1(1.0)(375.4)()(0.1z4.375E(z)(z)U)1-k(5.0)(375.9)(5.0)(375.9)()()()()()()(1.01375.45.01375.9E(z)U(z)212221-21)(111121)(2111kukukukukekuzUukeuzUzzEzUzUzUUzEzUzEzUzzkZ设被测温度变化范围为0--1200度，如果要求误差不超过0.4度，应选用分辨率为多少位A/D转换器。2解：D0=12000.4=0.000333N1log2(1+0D1)=log2(1+000333.01)11.5选分辨率为12位的A/D转化器9.已知某模拟控制器的传递函数10.1S1SD(S),设采样周期T=0.25s，使用双线性变换法求出相应的等效数字控制器D(z)及输出的差分方程。解：1-1-222222220.21.87-911-10.811-1811-1T20.111-1T2D(Z)10.已知某模拟控制器的传递函数为D(S)=10.2SS12设采样周期T=1试用零极点匹配法求出相应的等效数字控制器D(z)及输出的差分方程。）（）（最后）（平面映射到）（求得复数根：零极点匹配法进行离散75.0j49.0j0.75)0.49-(1)0.2056()(DkD0.20560.8225411)(D0SD(S)k75.0j49.0j0.75)0.49-(1)()(D75.0j49.057sin9.0j57cos9.1955.0eeej995.01.0S0.995j)0.1(S1D(S)0.995j-0.1S22oo1.0995.0j1.0.211.211已知某数字控制器为)95.01)(9.01(1.0)()()(D11zzzEzUz试给出并行程序设计编程时差分方程解：12.设某控制系统数字控制器为0.721.7ZZ1ZD(Z)2试用直接程序法、串行程序法、并行程序法确定实现，并画出实现的框图。解313.PID控制：按偏差信号的比例、积分和微分进行控制的控制器称为PID控制其控制规律称为PID控制算法；PID控制作用：1、比例环节作用：能迅速反映偏差，从而减小偏差，但不能消除静差，KP的加大会引起系统的不稳定。2.积分环节的作用：只要系统存在偏差，积分环节就会产生控制作用减小偏差，直到最终消除偏差，但积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现震荡3.微分的作用：有助于系统减小超调，克服震荡，加快系统的响应速度减小调节时间，从而改善了系统的动态性能。但Td过大，会使系统出现不稳定14.试写出数字PID控制的位置式和增量式比较它们的优缺点。位置式：0dk0jipu1kekeKjekkekcku）（）（）（）（）（2keq1kqkeqku210）（）（）（数字PID控制算法缺点：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，容易产生较大的累计计算误差增量式数字PID控制算法优点：编程简单，对历史数据要求不高而且可以递推使用占用内存单元少运算速度快15.积分饱和：系统有较大的扰动或给定值有较大变化时由于系统的惯性偏差e将随之增大，标准PID算法中的积分项将有较大的积累值，以致使位置式PID的计算结果超出uminuumax所限定范围。主要由PID位置算式中的积分项引起的消除方法：对PID控制算法计算出的控制量进行约束，也就是对积分项和微分项进行改进，形成各种改进的数字PID控制算法16.PID控制器三个参数对系统响应的影响为：1.增大比例系数Kp一般会加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但是如果比例系数过大，会使系统有较大的超调，并产生震荡稳定性下降2.增大积分时间常数Ti有利于减小超调，减小震荡，提高系统的稳定性，但加大消除静差的时间，是调节时间变长。3.增大为分时间常数Td有利于加快系统响应，减小超调，增加稳定性，但它是系统抗干扰的能力下降对扰动有较敏感的响应17.积分控制消除系统的稳态误差18.设临界振荡周期为2.5秒临界比例系数为6，控制度为1.5，试用扩充临界比例度法确定数字PID控制器的参数。解：由题可知Tr=2.5sKr=6控制度为1.5则：用扩充临界比例度法确定数字PID控制器参数：T=0.09Tr=0.09×2.5s=0.225sKp=0.34Sr=0.34rK1=0.34×61=0.0567Ti=0.43Tr=0.43×2.5s=1.075Td=0.20Tr=0.20×2.5s=0.519.已知0.05S0.15S1D(S)写出等效的数字PID控制器增量式的差分形式解：）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（ku1kukukTe201keke32ke1ke2kekkek1kekekpku0TTkpkT20TTkpkdiddii20.已知某连续控制器的传递函数为0.085S0.17S1D(S)现用数字PID控制器控制算法实现它，舍采样周期T=1s，试分别写出相应PID控制算法的增量式和位置式。解：设有微分环节即：4Kp=2Ki=KpiTT=0.085T=11.76T=11.76Kd=0增量式：0k0j0k0jiuje76.11ke2ujeKkKpck2ck21ck2ck21keke76.13ke76.111keke2ku）（）（）（）（）（位置式：）（）（）（）（）（）（）（）（）（21.设最小拍控制系统如图，被控制对象的传递函数0.5S)S(12G(S)T=0.5S,采用零阶保持器设计单位速度输入时的最小拍控制器。)0.368-)(1-(1)0.718(10.368e-11)-(11-)-(12T)-(12)(SS2)Z-2(10.5S)(1S2)Z-(10.5S)S(12Se-1Z)G(1-1-1-1-1-2T-1-1-21-1-1-21-21--ST由速度信））（（））（（）（）（）（）（）（111121e21e718.011368.015.01435.5e)G()()D(21122.最小拍系统：在数字控制过程中一个采样周期成为一拍，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，经过最小个采样周期使系统输出的稳态误差为零。性能指标：1、调节时间最短2。在采样点处无静差不足之处：图像在除采样点外存在波纹干扰。23.已知某过程对象的传递函数为G(S)，1s4.0es76.0试用达林算法设计数字控制器设采样周期T=0.5S.解：据题意可知，τ=0.76s，T1=0.4S,K=1,N=τ/T=1.21，设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0=0.15S,则的数字控制器。算法设计上式即采用）（）（）（）（）（程得到易于编程的差分方则））（（）（）（）（）（Dahlin2-ku9643.01-k0357.01-k3872.0ke3515.1kuE(z)0.3872z-1.3515EU(z)0.9643z-U(z)0.0357z-U(z)z9643.0z0357.01z3872.03515.1E(z)U(z)D(Z)z9643.01z1z2865.013515.1ze1ez1ze1)e-(1e1D(z)1-2-1-211111215.0/5.015.0/5.01-10.5/0.4-0.5/0.4-15.0/5.024。振铃现象：数字控制器的输出u（k）以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动称为振铃现象。产生原因：数字控制器D(z)在z平面上z=-1附近有极点。当z=-1时，振铃现象最严重，在单位圆内离z=-1越远，振铃现象越弱消除方法：1.、参数选择法2、消除振铃因子法25、已知被控对象的传递函数为）（1ss1G(s)，设采样周期T=1s，设计单位数独输入信号下的最小拍控制器，计算出输出响应y（k），控制信号