計算機控制技術(shù)期末復(fù)習(xí)試題附答案

1、第一章計算機控制系統(tǒng)概述1、計算機控制系統(tǒng)的概念是什么？計算機控制系統(tǒng)是以計算機技術(shù)、控制理論及自動化技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的結(jié)果，是以自動控制理論為基礎(chǔ)，以計算機為手 段的控制系統(tǒng)。2、計算機系統(tǒng)由哪些部分組成？并畫出方框圖。計算機控制系統(tǒng)由計算機、外部設(shè)備、操作臺、輸入通道、輸出通道、 檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象以及相應(yīng)的軟件組成。各項信號形式控制規(guī)律實現(xiàn)控制形式控制器作用連續(xù)控制系統(tǒng)都是模擬信號由模擬電路實現(xiàn)整個過程始終連續(xù)控制一個控制器控制一個回路功能強度簡單控制具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能自動化程度自動化程度低便于實現(xiàn)控制與管理的一體化3、計算機控制系統(tǒng)的主要性能

2、指標有哪些?穩(wěn)定性/動態(tài)指標/穩(wěn)態(tài)指標/能控性與能觀性4、計算機控制系統(tǒng)的主要特點有哪些?計算機控制系統(tǒng)模擬信號、數(shù)字信號皆有由計算機通過程序?qū)崿F(xiàn)整個過程始終離散控制一個控制器分時控制多個回路5、計算機控制系統(tǒng)是怎樣分類的？按功能和控制規(guī)律可分為幾類?一、按控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點分類操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制系統(tǒng) DDC監(jiān)督控制系統(tǒng) SCC計算機分級控制集散控制系統(tǒng) DCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS二、按控制規(guī)律分類程序和順序控制PID控制最少拍控制復(fù)雜規(guī)律的控制智能控制第二章離散控制系統(tǒng)及Z變換分析法1、計算機控制系統(tǒng)的信號形式有哪些？連續(xù)模擬信號：時間與幅值上均連續(xù)，如 r(t)、y(t

3、)、u(t)離散模擬信號：時間是離散的，幅值上連續(xù)，如 y*(t)、u*(t)離散數(shù)字信號：時間離散的，幅值為數(shù)字量，如 y(kT)、u(kT)2、香農(nóng)(Shannon)采樣定理是如何描述的？一個連續(xù)時間信號f(t),設(shè)其頻帶寬度是有限的， 其最高頻率為co max(或fmax),如果在等間 隔點上對該信號f進行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號 f *(t)能包含原信號f(t)的全部信 息量。則采樣角頻率只有滿足下面的關(guān)系：ws> 2 wmax采樣后的離散信號f *(t)才能夠無失真地復(fù)現(xiàn) f。否則不能從f *(t)中恢復(fù)f(t)。其中, comax是最高角頻率，s是采樣角頻率。它與采樣

4、頻率fs、采樣周期T的關(guān)系為：fs3、簡述信號的恢復(fù)過程T零階保持器的作用是什么？其傳遞函數(shù)形式是什么？零階保持器作用：將前一個采樣時刻的采樣值f(kT)恒定地保持到下一個采樣時刻(k+1)T。也就是說在區(qū)間kT, (k+1)T 內(nèi)零價保持器的輸出為常數(shù)。零階保持器的傳遞函數(shù)設(shè)零階保持器在作用下的脈沖響應(yīng) h(t),而h(t)又可以看成單位階躍函數(shù)1(t)與1(t-T)的迭加即：h(t)=1(t)-1(t-T)。取拉氏變換，得零階保持器的傳遞函數(shù)：TsH (s)4、掌握常用信號的Z變換/(f)*F (z)* <¥(/)11* 1(/)1zsM1*f1TzJ 2(z - I)21

5、 2/ 21r 2z(z r i)5 32(z - n1*a a (/")1zj - ( J / T ) In aN - Q- of1ze$ + 0qT 2 g-J- 01(1 £一貨”1 - (?胃 f q 4- n 1tz - IX z -)6、Z變換的滯后定理和超前定理是如何描述的?“卜-田上黃依） 嘛）妞：H盤笈可問稀/H % 之比.儲£印計時?力）-加D 卅二。/9、脈沖傳遞函數(shù)定義是什么？零初始條件下，離散輸出信號的z變換與離散輸入信號的 z變換之比。Y(zG億戶R(z)10、開環(huán)Z傳遞函數(shù)的求法:(1) 口個環(huán) ¥串聯(lián)檢成的 系統(tǒng). 若各串

6、聯(lián)壞甘之間宥司第 采樣開關(guān)，忌的勿專遞函數(shù)等于各個中聯(lián)環(huán)節(jié)w&通函數(shù)之積，HP G(w) = <V】(n)Gn (N)-Gr <N)C23如里在中聯(lián)環(huán)門之間設(shè)心采樣開關(guān).需要格這些小聯(lián)環(huán)節(jié)看成一個簫體F 求用甚傳遞函數(shù)G(s) =。1(5)。工(手)6片($)然后再根據(jù) 以古求奴 4. 一般表示成f，a)= z5(兇)3(斗)= 5G (工a)15、采樣系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是什么？采樣系統(tǒng)穩(wěn)定的條件：閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點均位于 z平面上以原點為圓心的單位圓內(nèi)。即zi|<1 16、三種照型輸入時的穩(wěn)態(tài)促是土表2"不同輸入時各類系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差誤差類型位置誤差 /&l

7、t;ki)=i(KD速度誤差r(kT>=kl加速度濕差“kiA(Kiy/2口型系統(tǒng)l/Kpexj1CXJf1型系統(tǒng)OT/Kv|ZKZ>II型系統(tǒng)OOT/KciII1型系統(tǒng)0O017、求該系統(tǒng)在三種典型信號的作用下的O0.368(z 0.718)G(Z) T 1s(z 1)(z 0.368)產(chǎn)s單位我反僮招苜攵蓋統(tǒng)(1)單位階躍函數(shù)輸入時解:K r = Em ! + G(z)l = lim 1F ZtI、- J Zt11%(8)= = 0K 50.368 (z + 0.718 )=QQ(z 1)(z - 0.368 )(2)單位速度函數(shù)輸入時曠 r ,、0.368(z + 0.718

8、)1K&, = lim (z - 1)= 1j (z-l)(z-0,368)單位加速度函數(shù)輸入時叱 ,0.368(2十0,718)K 二 hm (z - 1)-:" /田仁一 1)(3 - 0.368)/、 1e (oc) = oo“K。18、掌握計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析：勞斯判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)根據(jù)復(fù)變函數(shù)雙線性變換公式:令z=曙或z=x+/y. 2v一/*7伊什/z平面s平面設(shè) w=u+jv_k(x2+y2)-l一飛刁虧加平面u=0u<0u>019、已知一采樣控制系統(tǒng)，試求:(i)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。(2)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)系統(tǒng)對階躍輸入和斜坡輸入的穩(wěn)

9、態(tài)誤差? ? ? 第三、四章 計算機控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計1、D(z)的設(shè)計方法常見有哪兩種？(1)離散化設(shè)計方法直接設(shè)計方法(重點)思想：已知被控對象的 Z傳遞函數(shù)G(Z),根據(jù)所要求的性能指標，設(shè)計數(shù)字控制器。(2)連續(xù)化設(shè)計方法-間接設(shè)計方法思想：先設(shè)計控制器的傳遞函數(shù) D(s),然后采用某種離散化方法， 將它變成計算機算法。2、最少拍系統(tǒng)概念？最少拍控制中主要研究哪三種類型的設(shè)計方法？最少拍設(shè)計：就是系統(tǒng)在典型輸入下，設(shè)計數(shù)字控制器D(z)使閉環(huán)系統(tǒng)輸出在最少個采樣周期內(nèi)能準確跟蹤輸入(或系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差為0)。(1)最少拍控制器的設(shè)計：系統(tǒng)無誤差，簡單，但是本身缺陷多。(2)最少拍有紋

10、波控制器的設(shè)計：系統(tǒng)無誤差，考慮了系統(tǒng)穩(wěn)定性，但輸出有紋波。(3)最少拍無紋波控制器的設(shè)計：系統(tǒng)無誤差，考慮了系統(tǒng)穩(wěn)定性，輸出無紋波。3、簡述數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟。(1)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z);(2)根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標要求和其它約束條件，確定所需要的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)和閉環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù) e(z);(3)求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z);(4)根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計算公式，就可編寫控制算法程序。4、不同輸入時，最少拍控制器設(shè)計綜合：rR皿i(t)1 XtTzl7122 1空川7+口2(1-沙T2T3廠3個+” g”3T5、最少拍控制器的局限性體現(xiàn)在哪幾個

11、方面?最少拍控制器的設(shè)計只是使系統(tǒng)對某一典型輸入的響應(yīng)為最少拍，但對其他典型輸入不一定為最少拍，甚至引起靜差和超調(diào)：當(dāng)針對某一典型的輸入函數(shù) R(z照計的D(z),用于次數(shù)較高的R(z), 系統(tǒng)將不能完全跟蹤，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)針對某一典型的輸入函數(shù) R(z照計的D(z),用于次數(shù)較低的R(z), 系統(tǒng)將出現(xiàn)超調(diào)；顯然，一種典型的最少拍控制器只適應(yīng)一種特定的輸入，而不能適用于各種輸入 6、最少拍有紋波控制器的設(shè)計（1） D必須是可實現(xiàn)的，D不包含單位圓上0=1除外） 和單位圓外的極點；D8）不包含超前環(huán)節(jié)，（2）選擇中時，應(yīng)把G分子作為0）分子的因子；應(yīng) 把G包）的單位圓上（z=l除外）和單位圓

12、外的零點作為 的零點立即選擇：S©=個力。也冷£您i =1（3）選擇Se時，必須考慮輸入型式，并把G （z）的所有 不穩(wěn)定極點即單位圓上S=1除外）和單位圓外的極點作為 的零點。即選擇：”）=加7-/"，吊如果G<y有7個極點在單位因則：j J：Gg=贊"/匯）（1三尸身儀）*i =ij>q：砥=行/ =/Fl （z） =1 +d妥2+%=4（7+。/"+?！?+-f7、實例：設(shè)計最少拍有紋波控制系統(tǒng)解：1。s2(s+l) =10(l-z !)I3.6阮1(1+0.7183)G(z)中含有一個萬1因=(l<-f)(1368z-

13、J) 一 子，沒有不穩(wěn)定極點和零點口 則 r= 1, u-Of v=0, q-l o| r+u-1-140-1-0F2(z)=k q+v-1=1+0-1=0r Fl (z)=lu(z)=zr T(i-biz1)F2(z) =kNZ=1. m紇=I=7y-7WE e(Z)=l-工./)e= z/7 G© e 036821(1+0718z1)八(卜2 (I-/)(l-0.368z“)1_0.368z'- 0368(1+0.718z4)_.yit) z E(z)=R(z)叱=1 一:_/!I Y(z)=R(z)力(z)=彳/+£7+二3+L+/ F -' 1!10

14、12 3d|58最少拍系統(tǒng)輸出響應(yīng)8、最小拍有紋波控制器出現(xiàn)紋波的原因？數(shù)字控制器輸出U(k)在若干拍后，不為?；虺Ｖ?，是震蕩收斂的。9、最小拍有紋波控制器出現(xiàn)紋波后對系統(tǒng)有什么影響？消除紋波辦 法？輸出在采樣點之間有偏差；增加了執(zhí)行元件的功率損耗和機械元件的 磨損。最小拍無紋波控制器能夠消除輸出紋波。10、有紋波和無紋波設(shè)計唯一區(qū)別是什么？有紋波和無紋波設(shè)計唯一區(qū)別在于：有紋波設(shè)計時，(z)包含G(z洋位圓上和單位圓外的零點；無波紋設(shè)計時，(z)包含G(z)單位圓內(nèi)、單位圓上、單位圓外的所有零點。習(xí)題:已知被控對象的傳遞函數(shù)為Q。)=就而，采樣周 期7-1區(qū)，采用零階保持器“(1)針對單位階

15、躍輸入設(shè)計最小拍有波紋控制器口(2)針對單位斜坡輸入設(shè)計最小拍無波紋控制器口第五章計算機控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計1 .模擬控制器的離散化方法有哪些？各有什么特點？1、沖激不變法2、加零階保持器的Z變換法(常用)3、差分變換法4、雙線性變換法5、頻率預(yù)畸變雙線性變換法6、零極點匹配法沖激不變法的特點：D(z)與D(s)的脈沖響應(yīng)相同。若D(s)穩(wěn)定，則D(z)也穩(wěn)定。D不能保持D(s)的頻率響應(yīng)。(缺點)D(z)將3s的整數(shù)倍頻率變換到Z平面上的同一個點的頻率，因而出現(xiàn)了混疊現(xiàn)象。(缺點)加零階保持器Z變換法的特點：若D(s)穩(wěn)定，則D(z)也穩(wěn)定。D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。(缺

16、點)后向差分變換法的特點：穩(wěn)定的D(s)變換成穩(wěn)定的D(z)。D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。(缺點)前向差分變換法的特點：穩(wěn)定的D(s)不能保證變換成穩(wěn)定的D(z),且不能保證有相同的脈 沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。雙線性變換的特點：將整個S平面的左半面變換到Z平面的單位圓內(nèi)，因而沒有混疊效 應(yīng)。穩(wěn)定的D(s)變換成穩(wěn)定的D(z)。D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。(缺點)2 .什么叫模擬 PID調(diào)節(jié)器的數(shù)字實現(xiàn)？它對采樣周期有什么要求？理由何在？ ?3 .位置式PID算法和增量式PID算法是什么？各有什么樣的優(yōu)缺 點？1.位置式kTe(k) e(k 1u(k) Kpe(k)

17、e(j) TdT j ok%e(k) K e(j) Kd e(k)-e(k-1)j oup(k) ui(k) UD(k)2、增量式當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)不需要控制量的全值，而是其增量，由位置式可以導(dǎo)出增量PID控制算法。T kTu(k) Kpe(k) - e(j)*e(k) e(k 1)ti j 0Tu(k 1) Kpe(k 1) - e(j) TDe(k 1) e(k 2)TI j 0 Tu(k) Kpe(k) e(k 1) -e(k) TDe(k) 2e(k 1) e(k 2)Ti T利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的遞推形式，即 u(k) u(k 1) u(k)兩者本質(zhì)相同，只是

18、后者需要使用有附加積分作用的執(zhí)行機構(gòu)。但有如下優(yōu)點：(1)計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構(gòu)位置的變化部分，因而誤動作影響?。辉趉時刻的增量輸出4 u(k),只需用到此時刻的偏差e(k)、以及前 一時刻的偏差e(k-1)、前兩時刻的偏差e(k-2),這大大節(jié)約了內(nèi)存和 計算時間；(3)在進行手動自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡；4.試描述PID調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)，積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)的 變化對閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的影響(分別對動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性 能影響)。1、比例控制對系統(tǒng)性能的影響 對動態(tài)性能影響Kp加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快；但當(dāng) Kp太大時，系統(tǒng) 會趨于不穩(wěn)定；當(dāng)Kp

19、太小時，使系統(tǒng)動作緩慢。對穩(wěn)態(tài)性能影響加大比例控制Kp,在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提 高控制精度，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。2、積分控制Ti對系統(tǒng)性能的影響對動態(tài)性能影響積分控制Ti通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。當(dāng)Ti太大時，系統(tǒng)會趨于 不穩(wěn)定；當(dāng)Ti小時，對系統(tǒng)的性能影響減少。當(dāng) Ti合適時，過渡特 性比較理想。對穩(wěn)態(tài)性能影響Ti能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但 Ti太大時，積分作 用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。3、微分控制Td對系統(tǒng)性能的影響對動態(tài)性能影響微分可以改善動態(tài)特性，如減少超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間縮短等。對穩(wěn)態(tài)性能影響微分控制中允許加大比例控制，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控 制

20、精度。但Td太大時，超調(diào)量較大、調(diào)節(jié)時間較長。Td偏小時，超 調(diào)量也較大、調(diào)節(jié)時間也較長。只有合適時，可以得到比較滿意的過 渡過程。5. PID參數(shù)整定有些什么樣的方法？它們各自的特點和適應(yīng)范圍如 何？試湊法(常用)擴充臨界比例度法歸一參數(shù)整定法擴充響應(yīng)曲線法優(yōu)選法變參數(shù)的PID控制(常用)各自特點和適應(yīng)范圍：略第六章離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析法1、線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間表達式的表示形式？狀態(tài)方程 x(kT+T)-Fx(kT)十 Gu(kT)輸出方程 WT)= Cx(kT)+Du(kT)2、由差分方程導(dǎo)出離散狀態(tài)空間表達式：u(kT)T) y(kT)1 .y(kT2T)0.2y(kTT)0

21、.5y(kT)2 .y(kT3T)0.5y(kT2T)0.2y(kTu(kTT)1.2u(kT)第十二章計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1. 簡述計算機控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計的主要內(nèi)容?1 .研究被控對象、確定控制任務(wù)2 .確定系統(tǒng)整體方案(1)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)(2)確定執(zhí)行機構(gòu)方案(3)控制系統(tǒng)總體“黑箱”設(shè)計(4)控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分3 .建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法4 .硬件的設(shè)計(1)確定過程的輸入、輸出通道及其處理方式(2)計算機系統(tǒng)選擇(3)過程通道及接口設(shè)計(4)控制臺設(shè)計(5)可靠性設(shè)計(6)硬件調(diào)試5 .軟件的設(shè)計 (1)選擇編程語言匯編語言高級語言混合語言 r(2)

22、軟件設(shè)計步驟問題定義細化設(shè)計編制源程序 形成可執(zhí)行代碼調(diào)試6 .系統(tǒng)仿真與調(diào)試(1)實驗室硬件聯(lián)調(diào)(2)實驗室軟件聯(lián)調(diào)(3)實驗室系統(tǒng)仿真7 .現(xiàn)場安裝調(diào)試2. 簡述過程輸入輸出通道的分類，組成及功能。一、過程輸入輸出通道的組成與功能根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳送方向， 過程通道包括：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。計算機控制生產(chǎn)現(xiàn)場的控制通道也有兩種：即模擬量輸出通道及數(shù)字量輸出通道。功能？3. 簡述計算機控制系統(tǒng)的主要抗干擾措施。1 .接地技術(shù)2 .屏蔽技術(shù)3.隔離技術(shù)4.串模干擾的抑制5 .共模干擾的抑制6 .電源噪聲的抑制7 .提高軟件可靠性課堂練習(xí):求尸的:

23、變換尸。尸（$）=所赤解:尸（$）=旖5（系一擊）“（Z尸溢（出廣力）_ K七 Y叼一（力卬）（z-e-aT）（z-e-bt）課堂練習(xí)：求函數(shù)很變換. F(z)=z2，i 4-0 4解：-+0.8 蛇 +0.936箏3 十, &L4z+(k40.6Z-0.84+9.24S08402上0K4L176s336(20.936 匯 L0.336Z-20*936石】L31醛20.374030.974看2+0.374百3F=0.6z/+0.84z2+0.936z3+ fYt)=0.奇(t-T)+0.84 (t-2T)+(k93(i5 (f-37)+課堂練習(xí)：y(k-2)-3y(k-1) +2y(k

24、) =u(k)u(k)=l(k)解：對差分方程求厘換得2Y(z)-3z-,Y(z) + z-2Y(z) = U(z)=一Ty（后）=_斤一+43上課堂練習(xí)：分別求串聯(lián)環(huán)節(jié)兩種情況的脈沖傳遞函數(shù)。Lrl（s）= S（s+3）設(shè):。T=1解：（1）串聯(lián)環(huán)節(jié)間無采樣開關(guān)G（s尸G/s）G抬尸 s（s+J（s+3）=醇備+金（2）串聯(lián)環(huán)節(jié)間有采樣開關(guān)G小尸蹙始快片舒一普=。注意特殊情況;5（QC討n GG點課堂練習(xí)求帶零階保持器的 -1開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。t7s（s+l） -I*解：«s尸r> s（&）G26片苒%G?=Z&6； /=2/弓.9+ 曷j"7(j(

25、z)=(1-z1)G2(z)=AiGD YOG")(M吟+&)40鞏+(1-2e，) _ d386 工+機264(11)("上)z2-L368z+0.386(1)13、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)求法:T，設(shè):小加丁=ft5TflJ ；ft Is+1(2)解：系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)：（有問題）G方代叼西裕氣1歸閉土卷+禺JTz (z-l)2 Z-J z，=：2 «+&%+4-代入?yún)?shù)：G) = 5368中)264WJ Z2-L368z+0.368用環(huán)脈沖傳遞函數(shù):YG _0368z+0.264R(z) F+G- z2-Z+0.632解：G(z)=Z!Gh(s)

26、 Gt(s)l=77GH(z)=ZH(s)G,(s)G/s)=0.05丁1小/的 G_ 1-鬲短。,05婷 叫=R(z) l+GH(z) g 75L =l0.45z-i1 L0.5R14、用Z傳遞函數(shù)分析離散系統(tǒng)的過渡過程特性：T-ls系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)：中叼島尸=(5)4 力z-1 Tz z z 1 (T-l +er)z+(T-(rTT+(rT)代人參數(shù):廠 0.368-+0.264G加胃 ”.36也+4368閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)：的_ 6(/03681+0.264R 1+G(z) = z2-z+0.632z設(shè)輸入為單位階躍信號：R(z)=三丁“0.36870.264 z 0.368z2+0.264zYG尸仇 632 ' 7T " ?-2p+A 632z-0.632=。368十+