计算机控制技术复习题

计算机控制技术复习题一、简答题1.画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下：2.简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数KP可以减小静差，但是KP过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数TI大，则积分作用弱，反之强。增大TI将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。3.给出多通道复用一个D/A转换器的原理示意图。答：4.回答下述电路中克服共模干扰的工作原理。答：平时，开关S1i(i=1,2,...,n)处于闭合状态，Ci的电压跟踪Vi的输入值，开关S2i(i=1,2,...,n)处于断开状态。需检测Vi时，则令S1i断开,S2i闭合，放大器A的输出经采样保持器送至A/D转换器化为数字量，然后开关再恢复平时的状态。在采样、转换过程中，放大器A不与任何模拟量信号输入共地，电容Ci的电压均为差模电压，这样就克服了共模电压的影响。5.采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关S的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则S闭合，由A1、A3组成跟随器，并向CH端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至outA。6.线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜zi｜1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。7.为什么会出现比例和微分饱和现象？答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，其中计算值的多余信息没有执行就遗失了，从而影响控制效果。8.连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？答：与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特(1)(2)在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。(3)计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规(4)(5)一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多(6)采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进9.简述计算机控制系统的一般控制过程。答：(1)数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。(2)实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。10.线性定常离散系统的稳态误差是否只与系统本身的结构和参数有关？答：线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。除此之外，离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关。11.增量型PID控制算式具有哪些优点？答：(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。(2)在i时刻的输出ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻、前两时刻的偏差ei-1、ei-2和前一次的输出值ui-1，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。12.简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。答：开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。13.什么是采样或采样过程？答：采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。14.线性离散系统的脉冲传递函数的定义是什么？答：线性离散系统的脉冲传递函数定义为零初始条件下，系统或环节的输出采样函数z变换和输入采样函数z变换之比。15.何为积分饱和现象？答：在标准PID位置算法中，控制系统在启动、停止或者大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，可能会使控制量u(k)很大，甚至超过执行机构的极限umax。另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现uumin的另一种极端情况。显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。16.等效离散化设计方法存在哪些缺陷？答：等效离散化设计方法存在以下缺陷：(1)必须以采样周期足够小为前提。在许多实际系统中难以满足这一要求。(2)没有反映采样点之间的性能。特别是当采样周期过大，除有可能造成控制系统不稳定外，还使系统长时间处于“开环”、失控状态。因此，系统的调节品质变坏。(3)等效离散化设计所构造的计算机控制系统，其性能指标只能接近于原连续系统(只有当采样周期T=0时，计算机控制系统才能完全等同于连续系统)，而不可能超过它。因此，这种方法也被称为近似设计。17.何为最少拍设计？答：最少拍设计，是指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，经过最少拍(有限拍)，使系统输出的稳态误差为零。18.什么是信号重构？答：把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆过程。19.写出零阶保持器的传递函数，引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？答：零阶保持器的传递函数为01e()TsHss。零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递函数的极点。20.如何消除积分饱和现象？答：减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。因此当偏差大于某个规定的门限值时，删除积分作用，PID控制器相当于一个PD调节器，既可以加快系统的响应又可以消除积分饱和现象，不致使系统产生过大的超调和振荡。只有当误差e在门限之内时，加入积分控制，相当于PID控制器，则可消除静差，提高控制精度。21.给出常规的直接设计法或离散化设计法的具体设计步骤。答：直接设计法或称离散化设计法的具体设计步骤如下：(1)根据已知的被控对象，针对控制系统的性能指标要求及其它约束条件，确定理想的闭环脉冲传递函数()Φz。(2)确定数字控制器的脉冲传递函数D(z)；根据D(z)编制控制算法程序。22.简述采样定理的基本内容。答：采样定理:如果连续信号)(tf具有有限频谱，其最高频率为max,)(tf进行周期采样且采样角频率smax2时，连续信号)(tf可以由采样信号)(*tf唯一确定，亦即可以从)(*tf无失真地恢复)(tf。23.线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜zi｜1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。24.写出位置型及增量型PID的差分控制算式。答：增量型PID控制算式可以写为D1P112I[(2)]iiiiiiiiTTuuKeeeeeeTT25.叙述扩充响应曲线法整定PID参数的步骤26.叙述扩充临界比例度法整定PID参数的步骤。二、已知系统的差分方程为)2()1()(krkyky输入信号是0001)(kkkr初始条件为1)0(y，试写出输出脉冲序列()yk。解：1)0(y1)0()1()1(yry2)1()0()2(yry1)2()1()3(yry2)3()2()4(yry1)4()3()5(yry…三、已知时间序列如图2所示,求其z变换表达式图2四、设被控对象传递函数为)1()(pssKsG，在对象前接有零阶保持器，试求广义对象的脉冲传递函数。解：广义对象传递函数)1(e1)(ssKssGTs对应的脉冲传递函数为1112121111111e()()(1)111(1)(1)(1)(1)11eee1(e1)1e1(1)(1e)TsTTTTTTKGzGssssTzKzKzsszzzTKTzzTzzZZZ五、已知被控对象传递函数为)13)(15.0(10)(sssG，试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器Gc(s)，分别写出其位置式及增量式数字PID的控制算式。解：经动态校正后系统的开环传递函数为)13)(15.0(10)()()()(cc0sssGsGsGsΦ应选择Gc(s)为PI控制器，其基本形式为sTssGIc1)(为使PI控制器能抵消被控对象中较大的时间常数，可选择3则有)15.0(101)13)(15.0(1013)()()(c0sTsssTssGsGsΦII根据二阶工程最佳设计法则，应有22I2215.0210TTT解之得10IT于是得到模拟控制器的传递函数为)311(3.0)11(1013)(IPcssKKsssG可知0,3,3.0DIPTTK位置算式：)3(3.01ijjiieTeu增量算式：)3(3.01iiiieTeeu六、已知广义被控对象:)1(1e1)(ssssGTs,给定T=1s针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统,并画出系统的输出波形图。解：求广义对象脉冲传递函数为11121211111111e1()()(1)111(1)(1)(1)(1)11e0.368(10.718)(1)(10.368)TsGzGsssszzzsszzzzzzzZZZ可以看出，G(z)的零点为-0.718(单位圆内)、极点为1(单位圆上)、0.368(单位圆内)，故u=0,d=0,v=1，j=1,q=2,jq,m=u+d=0,n=v-j+q=2。111212e()(2)2()1()(1)ΦzzzzzΦzΦzz则1111e()5.435(10.5)(10.368)()()()(1)(10.718)ΦzzzDzΦzGzzz11223412()()()(2)234(1)zYzRzΦzzzzzzz（图略）。七、已知系统框图如下所示：T=1s试确定闭环系统稳定时K的取值范围。解：广义对象传递函数1e()(1)TsKGssss对应的脉冲传递函数为111212111111121e()()(1)111(1)(1)(1)(1)11e0.368(10.718)0.3680.264(1)(10.368)1.3680.368TsKGzGsssszKzKzsszzzKzzzKzzzzZZZ此时系统的特征方程为2(0.3680.624)1()11.3680.368KzGzzz=0法一：采用双线性变换)2/(1)2/(1)1(ssKr(t)y(t)-—T1eTss可得等效的特征方程为