微型計(jì)算機(jī)控制專業(yè)技術(shù)復(fù)習(xí)

1、第一章（緒論）作業(yè)1.1 什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？ 答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的系統(tǒng)。 、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過程兩個(gè)大部分組成。 工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)過程 控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)， 它包括硬件和軟件兩部分。 生產(chǎn)過程包括被控對(duì)象、 測 量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)裝置。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖見書本第2 頁（圖 1.2）。1.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：（1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，安全。 缺點(diǎn)：由人工操作，速度受到限制，不能控制多個(gè)對(duì)象。（2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（ DDS ） 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)

2、時(shí)性好，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)。（3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（ SCC） 優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)：分散控制、集中操作、分級(jí)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(diǎn)：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(shí)現(xiàn)真正的開5. 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？ 微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：a. 控制規(guī)律靈活多樣，改動(dòng)方便b. 控制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制c. 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高d. 控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度第二章（輸入輸出接口與過程通道）作業(yè)2.1 什

3、么是接口、接口技術(shù)和過程通道？ 答：接口是計(jì)算機(jī)與外設(shè)交換信息的橋梁，包括輸入接口和輸出接口。接口技術(shù)是研究計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間如何交換信息的技術(shù)。 過程通道是計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。2.2 采用 74LS244 和 74LS273 與 PC 總線工業(yè)控制機(jī)接口，設(shè)計(jì) 8 路數(shù)字量（開關(guān)量）輸入 接口和 8 路數(shù)字量輸出接口。請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并分別編寫數(shù)字量輸入與輸出程序。 答：電路原理圖見書本第 19 頁（圖 2.1 和圖 2.2）。數(shù)字量輸入程序（設(shè)片選端口地址為 port ）：MOV DX ， portIN AL , DX 數(shù)字量輸出程序： MOV AL

4、 , DATA MOV DX , port OUT DX ， AL2.3 用 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809 通過 8255A 與 PC 總線工業(yè)控制接口，實(shí)現(xiàn) 8 路模擬量的采集，請(qǐng)畫出接口原理圖，并設(shè)計(jì)出8路模擬量的數(shù)據(jù)采集程序。答：原理圖見書本上第 28頁（圖2.15）o8路模擬量采樣程序：ADC0809 PROC NEARMOV CX,8CLDMOV BL , 00HLEADI , DA TABUFNEXT:MOV DX , 02C2HMOVAL , BLOUTDX , ALINCDXMOVAL , 00000111B/輸入啟動(dòng)信號(hào)OUTDX , ALDEC DXNOSC:IN

5、 AL , DXTEST AL,80HJNZ NOSC /NOEOC:IN AL ,DXTEST AL ,80HJZ NOEOC / EOC=0，等待 MOV DX , 02C0H/讀轉(zhuǎn)換結(jié)果IN AL , DXSTOS DATABUFINC BL /修改模擬通道地址LOOP NEXTRETADC0809 ENDP 2.5請(qǐng)分別畫出一個(gè)有源 N變換電路和一個(gè)無源 N變換電路圖。并分別說明各個(gè)器件的 作用。答：有源變換電路見書本上第32頁（圖2.19）:同相放大器電路把電阻 R上的輸入電壓變成標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓（放大倍數(shù)為A=1 電）;R3極性電容C能起到濾波作用，防止高頻的干擾；R為平衡電容。無源

6、變換電路見書本上第 31頁（圖2.18）:極性電容C起濾波的作用；二極管D起限幅保護(hù)作用（當(dāng)輸出電壓大于5V時(shí)，D導(dǎo)通減少流過 R,的電流從而降低&上的電壓，保證輸出不超過5V）;2.6什么是采樣過程？量化，孔徑時(shí)間?答：采樣過程：按一定的時(shí)間間隔T,把時(shí)間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成在時(shí)刻0, T，2T,、kT的一連串脈沖輸出信號(hào)的過程稱為采樣過程。量化：采用一組數(shù)碼來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)?？讖綍r(shí)間：在模擬輸入通道中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總需要一定的時(shí)間, 完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為孔徑時(shí)間。2.7采樣保持器的作用是什么？是否所有的

7、模擬量輸入通道中都需要采樣保持器？為什 么？答：為了提高模擬量輸入信號(hào)的頻率范圍，以適應(yīng)某些隨時(shí)間變化較快的信號(hào)的要求，可以采用帶有保持器電路的采樣器。當(dāng)被測信號(hào)變化很慢時(shí)，若A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)間足夠短，可以不加采樣保持器。2.8 一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，孔徑時(shí)間為100。如果要求轉(zhuǎn)換誤差在 A/D轉(zhuǎn)換精度（0.4%） 內(nèi)，求允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率是多少？解：0.42二 *100*10 £*102s= 6.4HZ2.9試用8255A、AD574、LF398、CD4051和PC總線工業(yè)控制機(jī)接口設(shè)計(jì)出8路模擬量采集系統(tǒng)，請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫相應(yīng)8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。答：

8、原理圖見書本上第 36頁（圖2.25）。數(shù)據(jù)采集程序如下：設(shè) 8255A的地址為2C0H 2C3H，主過程已對(duì) 8255A初始化，且 已裝填DS、ES （兩者段基值相同），采樣值村入數(shù)據(jù)段中的采樣值緩沖區(qū) BUF。其8通道 數(shù)據(jù)采集的程序見書本上第 37 （圖2.26）。（猴子喜歡沈依）AD574A PROCCLDLEAMOVMOVADC:MOVMOVOUTNOPNOPOROUTANDOUTMOVPULLING: INTESTJNZMOVORMOVOUTORNEARDI , BUFBL , 00000000B/CX , 8DX ,2C2HAL , BLDX , ALAL ,01000000BD

9、X , ALAL , 10111111BDX , ALDX ,2C0HAL , DXAL,80HPULLINGAL , BLAL ,00010000BDX ,2C2HDX , ALAL ,01000000BOUT DX , ALMOV DX,2C0HIN AL , DXAND AL,0FHMOV AH , ALINC DXINAL , DXSTOSWINCBLLOOPADCMOVAL , 00111000BMOVDX ,2C2HOUTDX , ALRETADC574A ENDP2.10采用DAC0832和PC總線工業(yè)控制機(jī)接口， 請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫D/A轉(zhuǎn)換程序。答：原理圖見書本上第

10、 41頁（圖2.29）o若DAC0832的片選地址為200H,則8位2進(jìn)制數(shù)6DH轉(zhuǎn)換為模擬電壓的接口程序?yàn)椋篗OVDX ,200HMOVAL ,6DHOUTDX ,ALHLT2.12請(qǐng)分別畫出D/A轉(zhuǎn)換器的單極性和雙極性電壓輸出電路，并分別推出輸出電壓與輸入 數(shù)字兩之間的關(guān)系式。解：D/A轉(zhuǎn)換器的單極性和雙極性輸出電路見書本上第44頁（圖2.33）。Vout1為單極性輸出，若 D為輸入數(shù)字量，Vref為基準(zhǔn)參考電壓，且為n位D/A轉(zhuǎn)換器，則有 Vouti = -Vref *；2VoUT2為雙極性輸出，可以推出：R3R3DVout2r3*Vref JVoutAVref'）2.13采用D

11、AC0832、運(yùn)放、CD4051等元件與PC總線工業(yè)控制機(jī)接口，設(shè)計(jì)8路模擬量輸出系統(tǒng)，請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫8路模擬量輸出的程序。答：原理圖見書本上第 48頁（圖2.40） o設(shè)8個(gè)輸出數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存數(shù)據(jù)段BUF0 BUF7這8個(gè)連續(xù)單元中，主過程已經(jīng)填裝DS，輸出子程序如下：DOUTPROC NEARMOV BX , OFFSET BUFNEXT:MOV AL , BXOUT DX , ALINC DXOUT DX , ALCALL DELAYINC AHDEC DXLOOP NEXTRETDOUT ENDP其中DELAY是一段延時(shí)程序。5. 模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作

12、用是什么?模擬量輸入通道一般由I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯電路組成。(1) I/V 變換：提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號(hào)的衰減，為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī) 構(gòu)匹配提供了方便。(2) 多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號(hào)的關(guān)鍵元件。(3) 采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。(4) A/D轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog/Digital

13、Converter ，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC)。6. 對(duì)理想多路開關(guān)的要求是什么？理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽 命長、工作可靠。7. 采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。采樣保持器的作用：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。保持電容對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀態(tài)時(shí)充電時(shí)間常數(shù)小，即 保持電容充電快，輸岀對(duì)輸入信號(hào)的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時(shí)

14、放電時(shí)間常數(shù)也小，即保持電容放電快，故保持性能差；反之，保持電容值大，保持性能好，但跟隨特性差。(沈依？對(duì)猴子.)8. 在數(shù)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(duì)于輸入信號(hào)變化很慢，如溫度信號(hào)；或者 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較快，使得在 A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)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。10.設(shè)被測溫度變化范圍為 0°C1200°C，如果要求誤差不超過 0.4 °C,應(yīng)選用分辨為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？選擇依據(jù)：n Llog 1 J200丿胡2g2l 0.4 丿12.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是

15、什么？ 模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大和 V/I變換等信號(hào)調(diào)理電路組成。(1) D/A 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digital/Analog Converter, 簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC)o它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。(2) V/I變換：一般情況下，D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號(hào)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場，為了便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，減少由于傳輸帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸岀模擬信號(hào)。許多標(biāo) 準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般是采用010mA或 420mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此，需要將模擬電壓信號(hào)通過電壓/電流(V/I)變換

16、技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。第四章（常規(guī)及復(fù)雜控制技術(shù)）作業(yè)4.1數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)步驟是什么? 答：1、設(shè)計(jì)家鄉(xiāng)的連續(xù)控制器 D（ S）2、選擇采樣周期T3、將D（ S）離散化為D（ Z）4、設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制算法5、校驗(yàn)4.2某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為D（S）二U（S）二E（s） 1 +T2sD（ Z），并分別給出三試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求出數(shù)字控制器 種方法對(duì)應(yīng)的遞推控制算法。2 z -1答：雙線形變換法：由S=21 帶入D（s）表達(dá)式中得到:T z 1D(z) =1 2Tz -1T2 z-1T z 1(T 2T1) (T-2T1)z(T 2T2) (T -2T2)

17、z進(jìn)-步利用D晉得到:U(z)(T 2T2) (T -2T2)zU 二 E(z)(T 2TJ (T -2TJzE(z)1所以:屮八飛仃01麗仃-樸仃如朮-1）、z 1前向差分法：將s代入D （ s）中得到:TD(z)z I(TFz'T2Z+T T2T2 +(T T2)z1所以：u(k)T1e(k) (T -TJe(k -1) -(T -T2)u(k -1)T2、z 1后向差分法：將s代入D（ s）中得到:TzD(z) =1 T11T 工-tz'T T2 -T2z(沈依.)1所以：u(k)T2u(k -1) - (T TJe(k) -TQ(k -1)T To4. 2.某連續(xù)控制器

18、設(shè)計(jì)為1 +T1s&)=i 4T2S試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D（Z）2 z _1雙線形變換法：把S代入，則T z+1D(z)=D(zR 2 zA s訐吟2 z-11 TiT z 12_1 T2T z 1T 2T1 z T-2T1T 2T2 z T -2T2z-1前向差分法：把Z = T代入，則D(z)=D(sQ 上三1T1S1T1T1zT -T11T2S1, z -1T2ZT -T22z 1后向差分法：把s代入，則TzD(z)=D(s|)三1 T1S1 T2S1 T11 T2z -1TzT1z T -T1T2Z T J3什么是數(shù)字PID位置控制算法和增

19、量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。 答：數(shù)字PID位置控制算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：T：e(k)e(k1)u(k)=Kpe(k)e(k) Tdl| i=01數(shù)字PID增量型控制算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：u(k-1)=Kpe(k -1) T' e(i) TDe(k")Te(k-2)l| i=0Iu(k) =u(k) -u(k -1)這種數(shù)字PID算法的比較如下：（1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算 誤差對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。而位置型的算法要用到過去的誤差的累加值，容易 產(chǎn)生大的累加誤差。（2）增量型算法得出的是控制量的增量；而位置型算法得到的控制

20、兩的全量輸出，誤動(dòng) 作影響很大。（3）采用增量型算法，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。3.在pid調(diào)節(jié)器中系數(shù)kp、ki、kd各有什么作用？它們對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響？系數(shù)kp為比例系數(shù)，提高系數(shù) kp可以減小偏差，但永遠(yuǎn)不會(huì)使偏差減小到零，而且無止境地提高系數(shù)kp最終將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調(diào)節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。系數(shù)ki為積分常數(shù)，ki越大積分作用越弱，積分調(diào)節(jié)器的突岀優(yōu)點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸岀的調(diào) 節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸岀將停留在 新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點(diǎn)，其動(dòng)作過于遲緩，因而在改善靜

21、 態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時(shí)間加長。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，提高控制精度。 系數(shù)kd為微分常數(shù)，kd越大微分作用越強(qiáng)。微分調(diào)節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振 蕩，消除系統(tǒng)慣性的影響。(4)4.4已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：D(s)二四二1 °.17S，試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算法，設(shè)采樣周E(s) 1 +0.085S期T=0.2S并以C語言實(shí)現(xiàn)。答：根據(jù)D(s)皿°皿，得到0.085巴®屮)=0.17釗 e(t)E(s) 1 +0.085Sdtdt0.085 朮)-1). u(k) =0.仃e(k) ；(k &q

22、uot;) . e(k),T = 0.2s令：m=0.0855m10m+110m朮八齊U(k1)帛辦)一硏辦一1)5m10m+110mu(k -1)u(k-2)e(k-1)e(k-2)5m+15m+15m+ 15m10m+120m+ 1u(k)二 u(k)-u(k-1)u(k-1)-u(k-2)e(k) e(k-2)e(k-1)5m+ 15m+ 15m+1所以：u(k) =0.298u(k-1)-u(k-2) 1.298e(k) e(k -2) 1.895e(k-1)5. 已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為10.17s10.085sT=0.2s試寫岀相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設(shè)采樣周期U

23、 s 1 0.17sE s _ 1 0.085s則 U s 0.085SU s=E s 0.17SEs.u t 0.085 二et 0.17-dedt ' * dt.uk 0085 u k ；k 一1 二ek 017 ek 學(xué)一1 把T=0.2S代入得1.425u k -0.425u k -1 = 4.5e k - 3.5e k-1位置型u k i = 3.1579ek -2.4561ek -10.2982u k-1增量型u k 二u k -u k -1 =3.1579sk -2.4561ek -1 -0.7018u k -16. 有哪幾種改進(jìn)的數(shù)字 pid控制器？有四種：(1 )積分

24、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7. 采樣周期的選擇需要考慮那些因素？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95%的系統(tǒng)的過渡過程時(shí)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(shí)。(3) 從計(jì)算機(jī)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(shí)，應(yīng)使每個(gè)回路都有足夠的計(jì)算時(shí)間；當(dāng)被控對(duì)象的純滯后時(shí)間t較大時(shí)，常選T= (1/41/8 ) t。(4) 從計(jì)

25、算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當(dāng)主機(jī)字長較小時(shí)，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(huì)減弱。另外，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度較低，會(huì)岀現(xiàn)這種情況，即新的控制量已輸岀，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(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)時(shí)間。4.5什么叫積分飽和？它是怎么樣產(chǎn)生的？如何消除？導(dǎo)致控制量雖然答：(1)由于長時(shí)間的偏差或偏差過大，控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限位置,在增大但是執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無動(dòng)作的現(xiàn)象稱為積分飽和。(2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性和偏差的長時(shí)間存在時(shí)導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象的原因。(3) 消除方法：對(duì)控制量限幅：例如令:u(" U1u(k) ： 0u(k) u

26、1過限削弱積分PID算法:若u(k -1) u1則只有當(dāng)e(k) ：0時(shí)才將e(k)計(jì)入積分項(xiàng);若u(k -1) ： -口則只有當(dāng)e(k) - 0時(shí)才將其計(jì)入積分項(xiàng)。第四章補(bǔ)充題1:求z變換(1) f(t)=e"t(2) F(s)二s 3(s 1)(s 2)解：(1 )離散化：f(k)=e'akTF(z)11-e92aTe z2aT e z-1z >e<aT(2)F(s)二s 3(s 1)(s 2)所以：f(t)=2e e2kT2kTf(k)=2ee離散化：2 1F (z)T 1.2T 11 e_ z_1 e_ z_(1)F(z)z2 3z 3(z-0.5)(z-

27、0.8)(2)F(z)二z(z-1)2(z-2)第四章補(bǔ)充題2 :求z反變換解：(1)因?yàn)閆變化的特殊性，所以先要確定收斂域才能進(jìn)行反變換，從而與一個(gè)特定的 信號(hào)相對(duì)應(yīng)起來。對(duì)于控制系統(tǒng)中假定信號(hào)為因果序列，用部分分式展開發(fā)：F二z2 -3z 3(z-0.5)(z-0.8)z 19z 0.5131z-0.8z > 0.819z1 -0.5zJ131z151 -0.8zJ(2)F(z) =(z1)2(z2)-2z 12(z-1)2 z-2z-2z2z(1-z)2 1 -2zJ第四章補(bǔ)充題3 :求初值和終值。F(z)1.6z2 - z2z-0.8z 0.52解: f (0) = lim F

28、(z) = lim 161.6z2(1.6z -1)(z-1)2z -0.8z 0.5第四章補(bǔ)充題4 :用z變換求差分方程y(k 2) 4y(k 1) 3y(k)二 2k y(0) = y(1) = 0解：第四章補(bǔ)充題5:求脈沖函數(shù)的z變換(1)G(s) =1 sk(s a)(s b)(2)TsG(s)k(s a)(s b)kk k解：(1)2仔卑_k1)1ab . a(a -b) b(a -b) _J_aT J上T -z 1 -e z 1 -e z(2) G(Z)二 G1G2(z)9.數(shù)字控制器直接設(shè)計(jì)步驟是什么?1+G(z)G2(z)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖 41所示。圖41計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框

29、圖由廣義對(duì)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(jì)步驟如下：(1) 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(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)。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(jì)算公式。10. 被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為Gcs s采樣周期T=1s，采用零階保持器，針對(duì)單位速度輸入函數(shù)，設(shè)計(jì):(1)最少拍控制器 D z ;(2)畫岀采樣瞬間數(shù)字控制器的輸岀和系統(tǒng)的輸岀曲線。(1)最少拍控制器可以寫岀系統(tǒng)的廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)Gc z = Z1 e-TssT2z-1 1

30、 z，21-z°2將T=1S代入，有Gc z =z-1 1 z 丄21 -z1由于輸入r(t)=t ，則1 2Ge(z)=Q_zj1 -Ge zGezGz系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) z =2zJ -z'2Z變換為則當(dāng)輸入為單位速度信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)輸出序列Y z =Rz 2zx -z- Tz2 =2Tz - 3Tz - 4Tz -1 z亠y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,543210T 2T 3T 4T 5T 6T11. 被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為Ges 二采樣周期T=1s，要求：(1)采用Smith補(bǔ)償控制，求取控制器的輸出u k ;(2)采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器

31、D z， 并求取u k的遞推形式。(1)采用Smith補(bǔ)償控制廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為_“1 - eHGc s 二H° sGc se_s.-s.=HG P is *ee 1 -e厶e s s -1 s s 1S ._s-e -z1b1z±丄pz其中 a1 二e " 二etb =1 _e：L = =1,T =1S0.6321 z°z：1 -0.3679Z 1U z -0.3697zU 0.6321 z 1 - z E zu k =0.6321e k -1 -0.6321e k -2 產(chǎn)0.3679u k -1（2）采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器取T=1S, 1；

32、=：1,心1=1丄=./T =1,設(shè)期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時(shí)間常數(shù)To=O.5S則期望的閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為_LTse _ *ToS -1廣義被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為HGc z =Z -°sT1TiSK_LTse_1 s 1 -z_e_HGcGb Zz 1Gb z 1zHGz2 1 e2 2 2.z 1 _e_(1 z 丄e 丄 1eC1 e1 1 _z _ 1 _ez 1 -y.3679z 丄 0-0.1353)-1 0.3679 1 0.1353Z 丄1 0.1353z? 1 1.36800.5033z 丄0.1353z- -0.8647z-Dz +E（z）則 U z -0.

33、1353z1U z -0.8647z 2U z =1.3680E z -0.5033z JE z上式反變換到時(shí)域，則可得到u k -1.3680ek -0.5033e k -1 0.1353u k -1 0.8647u k -24.6采樣周期的選擇需要考慮什么因素？答：（1 ）根據(jù)香農(nóng)定律可以計(jì)算出采樣周期的上限，其下限為計(jì)算機(jī)執(zhí)行控制程序和輸入和輸出及A/DQ/A轉(zhuǎn)換時(shí)間。（2）給定值的變化頻率。（3）被控對(duì)象的特性。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性。（5）控制算法的類型。（6 ）控制的回路數(shù)。4.7試敘述試湊法，擴(kuò)充臨界比力度法，擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。答：試湊法：（1）只整定比例部分，將

34、比例系數(shù)由小變大直至反應(yīng)快，超調(diào)小的曲線；（2）若（1）步不能滿足設(shè)計(jì)要求（靜差），加入積分環(huán)節(jié)，將積分時(shí)間 T|由較大值開始調(diào)整，并將（1）步得到的比例系數(shù)調(diào)味原來的80%左右，見效TI直至靜差消除;（3）若動(dòng)態(tài)過程性能不好，先置微分時(shí)間Td為0,然后增大至其滿意的結(jié)果。擴(kuò)充臨界比力度法:1(1) 選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后的以下；10(2) 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。去掉積分和微分作用，減小比例度：直至系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩。記下此時(shí)的臨界比例度沖與臨界振蕩周期Tk ；(3) 選擇控制度，以模擬調(diào)節(jié)器為基準(zhǔn)，將 DDC的控制效果與之比較(4) 根據(jù)選定的控制度查表求得 T,Kp，T，Td的值

35、。擴(kuò)充響應(yīng)曲線法：(1) 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)中，手動(dòng)將被調(diào)量穩(wěn)定在給定值附近，突然改變給定植，給對(duì)象一個(gè)階躍信號(hào)；(2) 用記錄儀表記錄被調(diào)量在節(jié)約輸入下的整個(gè)變化過程的曲線(3) 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間.，被控對(duì)象時(shí)間參數(shù) c以及它們的比值。查表得到T,Kp，T，Td的值。4.8數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟是什么？答：(1 )根據(jù)系統(tǒng)性能的指標(biāo)要求和其他約束條件確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(z)B(z)1 _e(2)根據(jù)式G(z)ZH(S)G(S»ZG(s)求出廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)A(z)s(3)根據(jù)式D(z) 1 空求得數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)G(z)1-(z

36、)(4) 根據(jù)D(z)求取控制器算法的遞推形式mD二U(z)E(z)、bz亠i £n1、qz丄mnU(z)=送 bzxE(z)qzU(z)i=Qi士mnu(k) be(k-i)-' qu(k -i)i=&i±4.9已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為G)(9，采樣周期為T=1s，采用零階保持器。要s(0.1s+1)求：(1)針對(duì)單位速度輸入信號(hào)設(shè)計(jì)最小拍無紋波系統(tǒng)的D(z),并計(jì)算輸出響應(yīng) y(k)、控制信號(hào)u(k)、誤差e(k)序列，畫出它們對(duì)時(shí)間的波形。(2)針對(duì)單位階躍輸入信號(hào)設(shè)計(jì)最小拍有紋波系統(tǒng)的D，并計(jì)算輸出響應(yīng)y(k)、控制信號(hào)u(k)、誤差e(k)序列，畫

37、出它們對(duì)時(shí)間的波形。解：(1)廣義對(duì)象傳遞函數(shù):G岡1-6 10s s(0.S 1=(1上09zJ z2 zJ(9 z1)一 1/ 一 1-z二d =0,u=0,v=1,j 1q =1j <q=m=u d =0u 二v -j q =1對(duì)于單位速度輸入信號(hào)r(t) =t= R(z) =Tz選擇:v -j1e(Z)=1 可口 1-aZ (1-Zi旦z)qFi(z)=1 ZG(z) =1 _+e(Z)二 f21Z1f21 =仃'"(Z) = Z1 1 d(» 丄G(z)1 (z) z (9+z ) 1zAE"R珂仁)存*k =0k =1,2,.丫二 R(z

38、)G(z)z41 -zy(k)= 0k =0k =1,2,.U(z) =E(z)D(z)9 z'1 1U(k)7 寸 k®2,.0對(duì)時(shí)間的波形見下圖:(2) G二z'(9 z)1-zJd =0,v =1, w =0,q =2, j =1 j : q對(duì)于單位階躍信號(hào) r(t)二(t)= R(z)二 *1 -z選擇：；Je(z) =(z4)2： ：(Z) = f21Z 斗f22z，：(z) =1 -：(Z)= fR =2.f22 =T=G(z) = 2z4 _z，1:(z)1 -z" 2z" -z"G(z) 1 - G(z) z-(9 zJ)

39、 (VzJ)22 Z(1-z)(9 zJ)E(z)-九R(z) =(1-z)2缶二z(1-z )e(k) (k -1)234Y(z)二 R(z)：(z) =2z 3z 4z .”0 k=0,1kk = 2,3,.y(k)u(k) =0.1* (k-1)-1.1*()9對(duì)時(shí)間的波形見下圖:23 40+17/810123 412. 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)字控制器的輸岀u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動(dòng)。它對(duì)系統(tǒng)的輸岀幾乎是沒有影響的，但會(huì)使執(zhí)行機(jī)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(duì)于一階滯后對(duì)象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時(shí)間常數(shù)TO和采樣周期T,使RX 0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使 RX