計算機控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)資料

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計算機控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)第一章·緒論一計算機控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，控制過程，實時概念？基本結(jié)構(gòu)：控制過程：1數(shù)據(jù)采集及處理 2.實時控制和信息處理實施概念：信號的輸入計算和輸出都要在一定時間（采樣間隔）內(nèi)完成二計算機控制系統(tǒng)的組成（框圖）硬件：計算機 過程輸入、輸出通道外部設(shè)備 操作臺軟件：系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件三計算機控制系統(tǒng)的特點1.模擬、數(shù)字混合系統(tǒng) 2. 便于修改控制規(guī)律 3. 可實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律 4. 離散控制 5.可分時控制多個回路 6.便于實現(xiàn)控制與管理一體化四計算機控制系統(tǒng)的類型及各自特點1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單控制靈活和安全，但人工操作，速度受

2、限 2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)：參與閉環(huán)控制，最普遍 3.監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)： 4.分級計算機控制系統(tǒng)：將控制任務(wù)分散，用于多臺計算機分別執(zhí)行不同任務(wù)，既能控制又能管理第二章一開關(guān)量輸入信號的基本類型，幾種預(yù)處理方法及光耦器件的工作原理及作用 基本類型： 1. 一位的狀態(tài)信號。如閥門的閉合與開啟、電機的啟動與停止、觸點的接通與斷開。2. 成組的開關(guān)信號。如用于設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的撥碼開關(guān)組等。3. 數(shù)字脈沖信號。許多數(shù)字式傳感器(如轉(zhuǎn)速、位移、流量的數(shù)字傳感器)將被測物理量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號，這些信號也可歸結(jié)為開關(guān)量。 預(yù)處理方法：1信號轉(zhuǎn)換處理 2安全保護措施 3 消除機械抖動影響 4 濾波處理 5隔

3、離處理 6光電耦合器件原理與使用光耦器件工作原理：采用光作為傳輸信號的媒介，實現(xiàn)電氣隔離。 作用：用于現(xiàn)場設(shè)備與計算機系統(tǒng)之間的隔離保護二開關(guān)量輸出信號的具體通道設(shè)計 1. 隔離處理2. 電平轉(zhuǎn)換和功率放大：小功率低壓開關(guān)量輸出 繼電器輸出 可控硅輸出 功率場效應(yīng)輸出 集成功率電子開關(guān)輸出三多路AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計方案三種 1采用集成多路A/D轉(zhuǎn)換器 2每個模擬量輸入配置一個A/D轉(zhuǎn)換器 3多路模擬量輸入復(fù)用一個A/D轉(zhuǎn)換器四采樣/保持器的作用，工作原理 作用：在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，如果模擬信號的頻率較高，就會由于A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間(即轉(zhuǎn)換時間)而造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，其作用為克服該誤差 原理：采

4、樣保持器平時處于“采樣”狀態(tài)，跟蹤輸入信號變化：進行A/D轉(zhuǎn)換之前使其處于“保持”狀態(tài)，則在A/D轉(zhuǎn)換期間一直保持轉(zhuǎn)換開始時刻的模擬輸入電壓值；轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，又使其變?yōu)椴蓸訝顟B(tài) 是否設(shè)置采樣保持器應(yīng)根據(jù)模擬輸入信號的變化頻率和A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間來確定五模擬輸入信號的隔離措施 1.光電隔離：在計算機接口和A/D轉(zhuǎn)換電路之間實施光電隔離 。這種隔離保證了模擬量信號輸入部分和計算機數(shù)字處理系統(tǒng)之間的徹底的電氣隔離 2.共模電壓的隔離：光電隔離： 能夠克服光電隔離輸出、輸入兩端設(shè)備的地線間的共模干擾，但無法克服模擬信號之間的共模干擾。 電容隔離技術(shù) 隔離放大器 六多通道D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計方案 1

5、. 每一個通道設(shè)置一個獨立的D/A轉(zhuǎn)換器 ：優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快、精度高、工作可靠，相應(yīng)軟件的編制也比較簡單。但是，如果模擬量信號輸出通道較多，就會使系統(tǒng)造價增加很多，尤其是采用高精度的D/A轉(zhuǎn)換器時，這一問題尤為嚴重。 2. 多通道復(fù)用一個D/A轉(zhuǎn)換器：該方案優(yōu)點是成本較低，缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、可靠性差，受運算放大器的輸入阻抗、模擬開關(guān)和保持電容的漏電阻等因素的影響，導(dǎo)致保持電容上的電壓信號逐漸衰減，需要計算機定時刷新輸出，也因此占用了CPU的大量時間。此方案適用于輸出通道不多且對速度要求不高的場合。 七信號采樣機理描述，香農(nóng)采樣定理，信號重構(gòu)定義及零階采樣保持器的傳遞函數(shù)信號采樣機理描

6、述：理想采樣開關(guān)可表示為 則采樣信號可表示為 或或 香儂采樣定理：如果連續(xù)信號f(t)具有有限頻譜，其最高頻率為max,則對f(t) 進行周期采樣且采樣角頻率s 2max時，連續(xù)信號可以由采樣信號唯一確定， 亦即可以從f*(t)無失真地恢復(fù)f(t) 。 信號重構(gòu)定義：把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，它是采樣的逆過程 零階采樣保持器的傳遞函數(shù)：八數(shù)字濾波（軟件濾波）的定義及常用方法 定義：是把A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)通過軟件按照一定的算法進行平滑加工等處理，再送給控制程序運算，以增強其有效信號、消除或減小各種干擾和噪聲，從而提高控制精度和系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。 方法：1 限幅濾波方法 2.中值濾波方法

7、 3.算術(shù)平均濾波方法 4一階滯后濾波方法 5 復(fù)合濾波方法第六章一什么是最少拍設(shè)計？及其實質(zhì)定義：最少拍設(shè)計，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(如階躍信號，速度信號，加速度信號等作用下經(jīng)過最少拍(有限拍)，使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。實質(zhì)：時間最優(yōu)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)性能指標(biāo)就是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間最短或盡可能短，對閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的要求是快速性和準(zhǔn)確性第八章一計算機控制系統(tǒng)的一般設(shè)計步驟 1. 研究被控對象、確定控制任務(wù) 2. 確定系統(tǒng)總體控制方案 3. 確定控制策略和控制算法 4. 硬件詳細設(shè)計 5. 軟件詳細設(shè)計 6. 系統(tǒng)仿真與調(diào)試 7. 現(xiàn)場安裝調(diào)試二數(shù)字程序控制系統(tǒng)定義及其組成 能夠根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)

8、，使生產(chǎn)機械按預(yù)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律完成工作的自動控制，稱為數(shù)字程序控制。組成：以計算機為核心，包括輸入裝置、輸出裝置、插補器和控制器等部分三步進電機的功能、特點、工作原理 步進電機是計算機控制系統(tǒng)常用的執(zhí)行元件，具有快速起停、精確步進的特點，并可直接采用數(shù)字脈沖信號控制，而不需要進行A/D轉(zhuǎn)換，因而為控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來極大的方便計算控制原理框圖：第十章一提高計算機控制系統(tǒng)可靠性措施1提高元器件和設(shè)備的可靠性 2采取抗干擾措施，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力 3 采用可靠性設(shè)計技術(shù) 4采用故障診斷技術(shù)二計算機控制系統(tǒng)干擾來源 1從系統(tǒng)電源和電源引線（包括地線）侵入的干擾

9、2從系統(tǒng)的信號輸入/輸出傳輸通道引入的干擾 3空間電磁干擾 4 靜電噪聲 5其它環(huán)境因素的影響三電源系統(tǒng)的抗干擾措施1遠離干擾源 2安裝電源低通濾波器 3采取變壓器屏蔽和分路供電措施 4采取措施拓寬對電網(wǎng)波動的適應(yīng)能力 5 使用壓敏電阻和均衡器 6 直流側(cè)去耦措施 7供電系統(tǒng)應(yīng)合理配線和布線 8電柜接地和公共接地的處理 9尖峰脈沖干擾的綜合防治尖峰脈沖干擾的綜合防治：1.遠離干擾源 2.用硬件設(shè)備抑制尖峰干擾的影響 3.在大功率用電設(shè)備上采取措施抑制尖峰干擾的產(chǎn)生。 4.采用看門狗技術(shù) 四針對信號傳輸通道的干擾常用處理方法 1 抑制干擾源 2使用雙絞線和同軸電纜阻止耦合干擾的侵入 3接地處理試

10、卷一二、已知系統(tǒng)的差分方程為 （10分）輸入信號是初始條件為，試寫出輸出脈沖序列。解：三、設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為，在對象前接有零階保持器，試求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)。 （10分）解：廣義對象傳遞函數(shù)對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為四、已知被控對象傳遞函數(shù)為 試用“二階工程最佳”設(shè)計法確定模擬控制器Gc(s)，并用后向差分法給出等效的數(shù)字控制器形式。（10分）解：經(jīng)動態(tài)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為應(yīng)選擇Gc(s)為PI控制器，其基本形式為為使PI控制器能抵消被控對象中較大的時間常數(shù)，可選擇則有 根據(jù)二階工程最佳設(shè)計法則，應(yīng)有解之得于是得到模擬控制器的傳遞函數(shù)為對以上的模擬PI控制器，根據(jù)后向差分近似的等效變換方

11、法，得等效的數(shù)字控制器：五、已知廣義被控對象:, 給定T=1s (20分) 針對單位斜坡輸入設(shè)計最小拍有紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的輸出波形圖。解：由已知條件，被控對象含有一個積分環(huán)節(jié)，有能力產(chǎn)生單位斜坡響應(yīng)。求廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為可以看出，G(z)的零點為-0.718(單位圓內(nèi))、極點為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi))，故u=0,v=0(單位圓上除外),m=1。根據(jù)穩(wěn)定性要求，G(z)中z=1的極點應(yīng)包含在e(z)的零點中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進行設(shè)計，故p=2。為滿足準(zhǔn)確性條件另有e(z)=(1-z-1)2F1(z),顯然準(zhǔn)確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設(shè) 解得 。閉環(huán)脈沖傳

12、遞函數(shù)為 則 試卷二 二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 試確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時K的取值范圍。解：廣義對象傳遞函數(shù)對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為此時系統(tǒng)的特征方程為采用雙線性變換可得等效的特征方程為此時，勞斯表為 w2 （1-0.0381K） 0.924K K< 26.2 w1 0.924-0.386K K< 2.39 w0 0.924K K> 0故K的變化范圍為 0< K < 2.39。三、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為 （10分）試用雙線性變換法求出相應(yīng)的數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，并給出控制器的差分形式。其中。解：令 控制器的差分形式為四、

13、已知離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下所示，采樣周期，輸入信號，求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 （10分）r(t)y(t)解：系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則誤差脈沖傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差為五、已知廣義被控對象為 （15分）其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用史密斯預(yù)估器方法確定數(shù)字控制器。解：不含純滯后的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為不考慮純滯后，閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為，進而求得于是得史密斯預(yù)估器如下六、采用逐點比較法法插補圓弧OP，起點坐標(biāo)O(0，5)，終點坐標(biāo)P(5，0)，圓心在原點。要求以表格形式給出插補計算過程，并畫出插補運動軌跡。（10分）解：步數(shù)誤差判別坐標(biāo)

14、進給下一步誤差計算進給后動點坐標(biāo)終點判別初始化F0x=0,y=5=101F=0-yF=F-2y+1=-9x=0，y=y-1=4=-1=92F<0+xF=F+2x+1=-8x=x+1=1,y=4=-1=83F<0+xF=F+2x+1=-5x=x+1=2,y=4=-1=74F<0+xF=F+2x+1=0x=x+1=3,y=4=-1=65F=0-yF=F-2y+1=-7x=3，y=y-1=3=-1=56F<0+xF=F+2x+1=0x=x+1=4,y=3=-1=47F=0-yF=F-2y+1=-5x=4，y=y-1=2=-1=38F<0+xF=F+2x+1=4x=x+1

15、=5,y=2=-1=29F>0-yF=F-2y+1=1x=5，y=y-1=1=-1=110F>0-yF=F-2y+1=0x=5，y=y-1=0=-1=0End試卷三y*(t)二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)r(t)Ty(t) 試寫出離散系統(tǒng)的動態(tài)方程。解：所給系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為令進而則取于是得如下狀態(tài)方程寫成矩陣形式為三、已知廣義被控對象為 （15分）其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用大林算法確定數(shù)字控制器。解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為得大林控制器如下四、已知被控對象 （15分）設(shè)計一個特征值為的全維

16、狀態(tài)觀測器。并畫出相應(yīng)的狀態(tài)變量結(jié)構(gòu)圖。解：能觀性矩陣滿秩，故系統(tǒng)能觀測，可設(shè)計狀態(tài)觀測器。令輸出誤差反饋矩陣觀測器期望特征方程為觀測器特征方程為比較上面兩式，可得(狀態(tài)變量圖略)。五、已知某系統(tǒng)連續(xù)控制器的傳遞函數(shù) （15分）試分別用階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)不變法求的等效數(shù)字控制器，并寫出相應(yīng)的差分方程表達式。其中采樣周期。解：1、階躍響應(yīng)不變法由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下2、脈沖響應(yīng)不變法由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下試卷四二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 試求閉環(huán)離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，并判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為系統(tǒng)閉環(huán)

17、脈沖傳遞函數(shù)為則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為由z域直接判據(jù) W(0)=0.632<1 W(1)=1-1+0.632>0 W(-1)=1+1+0.632>0知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。三、已知某被控對象的傳遞函數(shù)為 (15分) 要求設(shè)計成單位反饋計算機控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如下圖所示。采樣周期為T1s。要求閉環(huán)特征根為0.4和0.6。試求數(shù)字控制器。y(t)r(t)解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為根據(jù)要求設(shè)定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為四、已知控制系統(tǒng)的被控對象的傳遞函數(shù)為，采樣周期T1s，若選閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，試用大林算法設(shè)計數(shù)字控制器。若出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，修正數(shù)字控制器，消除振鈴現(xiàn)象。（20分）解：采樣周期T=1s，期

18、望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為進而被控裝置廣義脈沖傳遞函數(shù)則由振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原理知，用常規(guī)大林算法設(shè)計的被控對象為二階的系統(tǒng)必產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。在D(z)中的靠近z1的兩個因子中令z1來消除振鈴現(xiàn)象，即五、求出雙積分系統(tǒng)控制對象的離散狀態(tài)方程，假設(shè)系統(tǒng)所有的狀態(tài)皆不可直接測量，設(shè)計全維狀態(tài)觀測器實現(xiàn)狀態(tài)反饋，并把閉環(huán)兩個極點都配置在0.1，觀測器特征方程的兩個根配置在原點。（T=1s） （20分）解：系統(tǒng)的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為可寫其能控標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)為對應(yīng)的能觀性矩陣為滿秩，故系統(tǒng)能觀可設(shè)計觀測器。先求狀態(tài)觀測器增益矩陣狀態(tài)觀測器特征多項式為觀測器期望特征多項式為比較上面兩式z各次冪項系數(shù)得再求狀態(tài)反饋增益矩陣期望閉環(huán)特征方程為則引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為比較上面二方程z各次冪項系數(shù)，得四卷五二、已知 求 （10分）解：三、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (10分)Ty(t)r(t)- 判別系統(tǒng)穩(wěn)定性。解：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)閉環(huán)特征方程采用雙線性變換得w平面特征方程為建立勞斯表 w2 2.104 0.632