計算機控制基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題簡答題匯總

1、 復(fù)習(xí)題匯總1.計算機控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的?計算機控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟：(1)實時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進行檢測，并輸入給計算機。(2)實時決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。(3)實時控制：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。2.實時、在線方式和離線方式的含義是什么？(1)實時（以及為什么強調(diào)實時性）：所謂“實時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完成的，即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反應(yīng)并進行控制，超出了這個時間就會失去控制時機，控制也就失去了意義

2、。(2)“在線”方式：在計算機控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機連接，生產(chǎn)過程直接受計算機的控制，就叫做“聯(lián)機”方式或“在線”方式。(3)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計算機相連接，其工作不直接受計算機的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，則叫做“脫機”方式或“離線”方式。3.計算機控制技術(shù)的工作方式有哪幾種？答:計算機控制技術(shù)的工作方式有2種,即在線方式和離線方式.4.什么是香農(nóng)采樣定理？ 香農(nóng)采樣定理:如果模擬信號(包括噪聲干擾在內(nèi))頻譜的最高頻率為fmax,只要按照采樣頻率f>=2fmax進行采樣,那么采樣信號就能惟一地復(fù)現(xiàn).5.什么是量化誤差？

3、 量化過程實際上是一個用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過程,由于量化過程是一個小數(shù)歸整過程,因而存在量化誤差,量化誤差為(+_1/2)q.6. 什么是積分飽和現(xiàn)象？積分分離算法的工作原理是什么？ 所謂積分飽和現(xiàn)象是指若系統(tǒng)存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而導(dǎo)致u(k)達到極限位置。此后若控制器輸出繼續(xù)增大，u(k)也不會再增大，即系統(tǒng)輸出超出正常運行范圍而進入了飽和區(qū)。一旦出現(xiàn)反向偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出。進入飽和區(qū)愈深則退飽和時間愈長。此段時間內(nèi)，執(zhí)行機構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨著偏差反向立即做出相應(yīng)的改變，這時系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制性能

4、惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象 積分分離算法的工作原理是:當(dāng)偏差較大時,取消職分作用,當(dāng)偏差較小時,才將積分作用投入. |e(k)|>B時,采用PD控制,當(dāng)|e(k)|<=B,采用PID控制(B為積分分離閾值)7.最少拍控制算法本質(zhì)上是什么算法，為什么？ 最少拍控制算法本質(zhì)上是時間最優(yōu)控制算法,因為最少拍控制算法是以系統(tǒng)的快速性為主要性能指標(biāo).8.最少拍控制算法的局限性是什么？最少拍控制器對典型輸入信號的適應(yīng)性較差9.微型計算機控制系統(tǒng)的特點是什么？微機控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特點：a.控制規(guī)律靈活多樣，改動方便b.控制精度高，抑制擾動能力強，能實現(xiàn)

5、最優(yōu)控制c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高d.控制與管理一體化，進一步提高自動化程度10.操作指導(dǎo)、DDC和SCC系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？(1)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進行處理，計算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時計算機就起到了操作指導(dǎo)的作用。(2) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng))：DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機，微機將檢測結(jié)果與設(shè)定值

6、進行比較，再進行控制運算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預(yù)定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式。(3) 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(Supervisory Computer Control)系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況，因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調(diào)節(jié)器進行控制，系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制，并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。11、計算機控制系統(tǒng)的典型形式有哪些？各有什么優(yōu)缺點？答：（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，安全。 缺點：由人工操作，

7、速度受到限制，不能控制多個對象。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDS） 優(yōu)點：實時性好，可靠性高，適應(yīng)性強。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（SCC） 優(yōu)點：生產(chǎn)過程始終處于最優(yōu)工況。（4）分散控制系統(tǒng)（DCS） 優(yōu)點：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。（5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 優(yōu)點：與DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后，可實現(xiàn)真正的開放式互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。12.采樣保持器有什么作用？保持模擬量信號不變，以便完成A/D轉(zhuǎn)換；同時采樣幾個模擬信號，以便進行數(shù)據(jù)處理和測量；減少D/A轉(zhuǎn)換器的輸出“毛刺”；把一個D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分配到幾個輸出點，以保證輸出電壓的穩(wěn)定性。13.在數(shù)

8、據(jù)采樣系統(tǒng)中，是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？不是，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號；或者A/D轉(zhuǎn)換時間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在允許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。14.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計步驟是什么？模擬化設(shè)計步驟：（1）設(shè)計假想的模擬控制器D(S)（2）正確地選擇采樣周期T（3）將D(S)離散化為D(Z)（4）求出與D(S)對應(yīng)的差分方程（5）根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。15.在PID調(diào)節(jié)器中系數(shù)、各有什么作用？對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？答：(1)比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差是即時反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏

9、差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù)KP。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對象存在穩(wěn)態(tài)誤差。加大比例系數(shù)KP可以減小差穩(wěn)態(tài)誤差，但是KP過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分調(diào)節(jié)器：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余穩(wěn)態(tài)誤差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。積分時間常數(shù)TI大，則積分作用弱，反之強。增大TI將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分調(diào)節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。(3)微分調(diào)節(jié)器：為加快控制過程，有必要在偏

10、差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。16.什么是數(shù)字PID位置型控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點。為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量，必須將模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式，為此，在采樣周期T遠(yuǎn)小于信號變化周期時，作如下近似(T足夠小時，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近)：于是有：u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機構(gòu)的位置(如控制閥門的開度)一一對應(yīng)，所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量u(k)

11、不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實際中當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用增量型PID算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進電機、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型PID控制算法。與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點：(1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。(2)

12、為實現(xiàn)手動自動無擾切換，在切換瞬時，計算機的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度u0，若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)u0項，所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。(3)采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。17.有哪幾種改進的數(shù)字PID控制器？有四種：（1）積分分離PID控制算法（2）不完全微分PID控制算法（3）帶死區(qū)的PID控制算法（4）消除積分不靈敏區(qū)的PID控制18.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？(1)從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。通常保證在

13、95%的系統(tǒng)的過渡過程時間內(nèi)，采樣6次15次即可。(2)從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映，而不致產(chǎn)生過大的延時。(3)從計算機的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長些，尤其是多回路控制時，應(yīng)使每個回路都有足夠的計算時間；當(dāng)被控對象的純滯后時間較大時，常選T=（1/41/8）。(4)從計算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當(dāng)主機字長較小時，若T過短，將使前后兩次采樣值差別小，調(diào)節(jié)作用因此會減弱。另外，若執(zhí)行機構(gòu)的速度較低，會出現(xiàn)這種情況，即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完成，這樣采樣周期再短也將毫無意義，因此T必須大于執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)時

14、間。8.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：(1)選擇一個足夠短的采樣周期T，例如被控過程有純滯后時，采樣周期T取滯后時間的1/10以下，此時調(diào)節(jié)器只作純比例控制，給定值r作階躍輸入。(2)逐漸加大比例系數(shù)Kp，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts，并記下此時的比例系數(shù)Kp，將其記作臨界振蕩增益Ks。此時的比例度為臨界比例度，記作。(3)選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器所對應(yīng)的過渡過程的誤差平方的積分之比。(4)根據(jù)控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。(5)按照求得的整定參數(shù)，投入系統(tǒng)運行

15、，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟：(1)斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近并穩(wěn)定后，然后突然改變給定值，即給對象輸入一個階躍信號。(2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖所示。(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間、被控對象的時間常數(shù)Tc，以及它們的比值Tc/。(4)由、Tc、Tc/值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。9.數(shù)字控制器直接設(shè)計步驟是什么？由廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，可求得控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)。數(shù)字控制器的直接設(shè)計步驟如下：(1)

16、根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標(biāo)要求和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)。(2)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(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。12.何為振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？所謂振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動。它對系統(tǒng)的輸出幾乎是沒有影響的，但會使執(zhí)行機構(gòu)因磨損而造成損壞。消除振鈴現(xiàn)象的方法：（1）參數(shù)選擇法對于一階滯后對象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù)T0和采樣周期T，使RA0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RA0，也可以把RA減到最小，最大程度地抑制振鈴。（2）消除振

17、鈴因子法找出數(shù)字控制器D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(即z=-1附近的極點)，然后人為地令其中的z=1，就消除了這個極點。根據(jù)終值定理，這樣做不影響輸出的穩(wěn)態(tài)值，但卻改變了數(shù)字控制器的動態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。13.前饋控制完全補償?shù)臈l件是什么？前饋和反饋相結(jié)合有什么好處？前饋控制完全補償?shù)臈l件是。如果能將擾動因素測量出來，預(yù)先將其變化量送到系統(tǒng)中進行調(diào)整，這樣在被調(diào)量改變之前就能克服這些擾動的影響。這種擾動的預(yù)先調(diào)整作用就稱為前饋。若參數(shù)選擇得合適，前饋控制可取得良好的控制效果。但實際上，前饋控制環(huán)節(jié)的參數(shù)不易選得那么準(zhǔn)確，而且一個實際系統(tǒng)的擾動也不只一個，因此反饋控制還是不可少

18、的。主要擾動引起的誤差，由前饋控制進行補償；次要擾動引起的誤差，由反饋控制予以抑制，這樣在不提高開環(huán)增益的情況下，各種擾動引起的誤差均可得到補償，從而有利于同時兼顧提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。2、什么是信號的采樣、量化和編碼時間上連續(xù)的模擬信號變成一連串時間上不連續(xù)的脈沖信號的過程稱為采樣采樣信號不能直接輸入計算機，將其整量化后成為數(shù)字信號的過程（把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值，將其幅度離散化，即用一組規(guī)定的電平把瞬時抽樣值用最接近的電平值表示）稱為量化把量化信號轉(zhuǎn)換為二進制代碼的過程稱為編碼1、 數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點？ 數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比，有以

19、下幾個優(yōu)點：(1)數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好；(2)數(shù)字濾波可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷；(3)數(shù)字濾波器可根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點。5、 PID數(shù)字控制器參數(shù)整定的含義是什么？PID數(shù)字控制器參數(shù)整定是指確定PID數(shù)字控制器的參數(shù)KI,KD,KP ，以使系統(tǒng)輸出達到滿意的效果。 6、簡述積分分離法克服位置式PID積分飽和作用的原理。 開始時不進行積分，直至偏差達到一定閾值后才進行積分累積，這樣，一方面防止了一開始有過大的控制量，另一方面即使進入飽和后，因積分累積小

20、，也能較快推出，減少了超調(diào)9、 什么是積分飽和？克服積分飽和有哪幾種常用方法？如果執(zhí)行機構(gòu)已到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，盡管計算PID差分方程式所得的運算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構(gòu)已無相應(yīng)的動作，這就稱為積分飽和。（2）積分飽和的抑制 a.積分分離法 b. 遇限制削弱積分法6. 為什么會出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象？答：當(dāng)給定值發(fā)生很大躍變時，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大(由于積分項的系數(shù)一般小得多，所以積分部分的增量相對比較小)。如果該計算值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么，控制作用必然不如應(yīng)有的計算值理想，其中計算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。10、連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機控制系統(tǒng)具有哪些特點？答：