計(jì)算機(jī)控制專業(yè)技術(shù)及其應(yīng)用思考題與習(xí)題的指導(dǎo)信息

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其應(yīng)用思 考題與習(xí)題的指導(dǎo)信息作者:日期:第1章概述.什么是自動(dòng)控制、控制系統(tǒng)、自動(dòng)化和控制論？指導(dǎo)信息:參見1.1自動(dòng)控制的基本概念。自動(dòng)控制(autocontrol)：不用人力來實(shí)現(xiàn)的控制，通常可用機(jī)械、電氣等裝置來實(shí)現(xiàn)。通常相對(duì)手 動(dòng)控制而言?？刂葡到y(tǒng)(control system)：通過控制來實(shí)現(xiàn)特定功能目標(biāo)的系統(tǒng)。而系統(tǒng)(system)是由相互聯(lián)系、相互作用要素組成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體。控制系統(tǒng)通常有一定的規(guī)模和復(fù)雜性， 否則常稱為控制裝置或控制機(jī)構(gòu)。自動(dòng)化(automation)：在無人工干預(yù)情況下，一個(gè)或多個(gè)控制系統(tǒng)或裝置按規(guī)定要求和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn) 過程。自

2、動(dòng)化強(qiáng)調(diào)的是自動(dòng)控制過程，其核心概念是信息?？刂普?cybernetics)：研究各類系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制規(guī)律的科學(xué)。各類系統(tǒng)包括動(dòng)物(及人類)和機(jī)器系統(tǒng)。自從1948年諾伯特維納發(fā)表了著名的控制論一一關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)中控制和通訊的科學(xué)一書 以來，控制論的思想和方法已經(jīng)滲透到了幾乎有的自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域?？刂普撝赜谘芯窟^程中的數(shù)學(xué)關(guān)系。.控制的本質(zhì)是什么？指導(dǎo)信息:參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問題?？刂七^程本質(zhì)上是一系列的信息過程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等?？刂葡到y(tǒng) 中的目標(biāo)信息、被控對(duì)象的初始信息、被控對(duì)象和環(huán)境的反饋信息、指令信息、執(zhí)行信息等，通常由電 子或機(jī)械的信號(hào)來

3、表示。.自動(dòng)控制中有哪些基本問題？指導(dǎo)信息:參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問題。自動(dòng)控制中的基本問題包括：自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、目標(biāo)和品質(zhì)等。結(jié)構(gòu)包括組成及其關(guān)系兩個(gè)部分；控制過程主要為一系列的信息過程，如信息獲取、信息傳輸、信息加工、信息施效等；目標(biāo)規(guī)則體現(xiàn)了系統(tǒng)的功能；控制品質(zhì)即為控制的質(zhì)量，可通過系統(tǒng)的性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)。. 一個(gè)控制系統(tǒng)由哪些部分組成？試結(jié)合一個(gè)實(shí)例來說明。指導(dǎo)信息:參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問題。一個(gè)控制系統(tǒng)可以由控制單元、執(zhí)行單元、反饋單元、被控對(duì)象、目標(biāo)規(guī)則組成，它們的相互關(guān)系 參見圖1 5所示?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)有哪些？試結(jié)合一個(gè)實(shí)例來說明

4、。指導(dǎo)信息：參見1.1.2自動(dòng)控制中的基本問題?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)有傳統(tǒng)意義上的性能指標(biāo)和廣義的評(píng)價(jià)指標(biāo)。統(tǒng)意的性能指標(biāo)有穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性等。廣義的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括可靠性、操作性、互換性、效率以及性價(jià)比等。(結(jié)合實(shí)例來說明略。). 一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪些部分組成？它們的關(guān)系如何？指導(dǎo)信息：參見1.2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、輸入輸出接口、過程通道(輸入通道和輸出通道卜外部設(shè)備(交互設(shè)備和通信設(shè)備等)，軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件， 其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 作為控制單元，見圖 1 6所示。典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些

5、分類？試比較 DDG SCC DCS FCS的各自特點(diǎn)。指導(dǎo)信息：參見1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類。分類方法有：按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類、按控制器與被控對(duì)象的關(guān)系分類、按計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的地位和工作方式分類、按控制規(guī)律分類。其中 DDC(Direct Digital Control) SCC(Supervisory Computer Control) DCS(Distributed Control System)和FCS(Field bus Control System)是按計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的地位和工作方式來分類的。DDC中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)、運(yùn)算、控制任務(wù)，相當(dāng)于“一線員工” 。SCC

6、系統(tǒng)中的SCC計(jì)算機(jī)主要完成監(jiān)督控制，指揮下級(jí)DDC計(jì)算機(jī)完成現(xiàn)場(chǎng)的控制，相當(dāng)于“車間主任”或“線長(zhǎng)”。DCS由多臺(tái)分布在不同物理位置的計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，以“分散控制、集中操作、分級(jí)管理”為原則 而構(gòu)建的控制系統(tǒng)，DCS中的計(jì)算機(jī)充當(dāng)各個(gè)部門的“管理人員”，如過程管理、生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理等職能。FCS是建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的高級(jí)分布式控制系統(tǒng)。在FCS中，控制器、智能傳感器和執(zhí)行器、交互設(shè)備、通信設(shè)備都含有計(jì)算機(jī)，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線相連接。這些計(jì)算機(jī)的功能不僅僅在于對(duì)一般信息處 理，而是更強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)的信息交換功能。.試通過實(shí)例來說明不同控制規(guī)律的特征。指導(dǎo)信息：參見1.2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類。不同控制

7、規(guī)律分類有恒值控制、隨動(dòng)控制、PID控制、順序控制、程序控制、模糊控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制等。恒值控制：控制目標(biāo)是系統(tǒng)的輸出根據(jù)輸入的給定值保持不變，輸入通常是在某一時(shí)間范圍內(nèi)恒定不變或變化不大的模擬量。如恒溫爐的溫度控制，供水系統(tǒng)的水壓控制，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度控制。隨動(dòng)控制：控制目標(biāo)是要求系統(tǒng)的輸出跟蹤輸入而變化，而輸入的值通常是隨機(jī)變化的模擬量，往往不能預(yù)測(cè)。如自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、陽光自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、雷達(dá)天線的控制等。PID控制：根據(jù)給定值與輸出值之間偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行的反饋控制，是工業(yè)上適用面較廣、歷史較長(zhǎng)、目前仍得到廣泛應(yīng)用的控制規(guī)律。許多連續(xù)

8、變化的物理量如溫度、流量、壓力、水位、速度等的控制，都可采用PID控制。許多恒值控制和某些隨動(dòng)控制也可采用PID規(guī)律來實(shí)現(xiàn)。順序控制：根據(jù)給定的動(dòng)作序列、狀態(tài)和時(shí)間要求而進(jìn)行的控制。如交通信號(hào)燈的控制、電梯升降的控制、自動(dòng)包裝機(jī)、自動(dòng)流水線的控制。程序控制（數(shù)值控制、數(shù)字控制）：指根據(jù)預(yù)先給定的運(yùn)動(dòng)軌跡來控制部件行動(dòng)。如線切割機(jī)的控 制、電腦繡花機(jī)的控制。模糊控制：基于模糊集合和模糊運(yùn)算，采用語言規(guī)則表示法進(jìn)行的控制。在許多家用電器（電飯煲、洗衣機(jī)等）、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。最優(yōu)控制（最佳控制）：使系統(tǒng)的某些指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，而這些指標(biāo)往往不能直接測(cè)量，如時(shí)間、能 耗等。自適應(yīng)控

9、制：在工作條件改變的情況下，仍能使控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的控制處于最佳狀態(tài)。它需要隨時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境和工作狀況，并可隨時(shí)修正當(dāng)前算法的一些參數(shù)，以適應(yīng)環(huán)境和工作狀況的改變。自學(xué)習(xí)控制：能夠根據(jù)運(yùn)行結(jié)果積累經(jīng)驗(yàn)，自行改變和完善控制的算法，使控制品質(zhì)愈來愈好。它有一個(gè)積累經(jīng)驗(yàn)和主動(dòng)學(xué)習(xí)的過程，可以適時(shí)地調(diào)整算法的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以不斷地提高自身算法質(zhì)量。.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中獲取信息、傳輸信息、加工信息、執(zhí)行信息等過程分別與哪些技術(shù)有關(guān)?指導(dǎo)信息：參見1.2.3計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及其發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的獲取信息、傳遞信息、加工信息、執(zhí)行信息等過程都有相應(yīng)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而這些過程中的信息大部分由電子信號(hào)來表示，

10、信息處理的工具是電子計(jì)算機(jī)。在這些過程用到的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)包括控制用計(jì)算機(jī)技術(shù)、輸入輸出接口與過程通道技術(shù)、控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)字控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、控制系統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)、控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù).學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可遵循哪些原則?指導(dǎo)信息：參見1.3.2學(xué)習(xí)方法。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可遵循的原則有系統(tǒng)化、信息化、規(guī)范化、實(shí)用化。系統(tǒng)化原則：要認(rèn)識(shí)到控制系統(tǒng)是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體，可將其分解為相互聯(lián)系、相互作用的各個(gè)子系統(tǒng)，它們的子功能可通過外特性來描述。信息化原則：可從信息化的本質(zhì)來看待一個(gè)控制過程。 計(jì)算機(jī)是一個(gè)強(qiáng)大的信息處理工具， 一個(gè)合 適的信息

11、表達(dá)形式是信息得到有效處理的前提，控制規(guī)律的數(shù)據(jù)形式表達(dá)是信息加工的關(guān)鍵， 而時(shí)間和空間是信息處理的兩大限約要素，因此計(jì)算機(jī)的速度和存儲(chǔ)空間是其重要的性能指標(biāo)。規(guī)范化原則：為提高系統(tǒng)的構(gòu)建效率， 降低維護(hù)費(fèi)用，應(yīng)從規(guī)范化的要求來分析和設(shè)計(jì)一個(gè)控制系 統(tǒng)。應(yīng)了解和掌握控制系統(tǒng)從底層的標(biāo)準(zhǔn)元器件、信號(hào)類型、總線標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議到組態(tài)軟件的編程語言、開放式的監(jiān)控軟件。 這些規(guī)范化技術(shù)通常有較長(zhǎng)的生命周期，重點(diǎn)掌握這些技術(shù)也是提高學(xué)習(xí)效率的一個(gè)要素。實(shí)用化原則：從實(shí)用化的角度來理解控制技術(shù)的應(yīng)用水平。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的環(huán)境下，生命力強(qiáng)的技術(shù)必然會(huì)有性能和價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比高的產(chǎn)品必然會(huì)得到應(yīng)用廣泛，低碳環(huán)保

12、的產(chǎn)品會(huì)受到更多用戶的歡迎。因此，我們要隨時(shí)了解當(dāng)前技術(shù)、產(chǎn)品性能和價(jià)格情況，在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選用性價(jià)比好的技術(shù)和產(chǎn)品，避免重復(fù)使用低級(jí)落后技術(shù)，減少低性能、高價(jià)格、高能耗、不可靠、難維護(hù)的劣質(zhì)系統(tǒng)。.請(qǐng)收集有關(guān)資料，了解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)近期的發(fā)展動(dòng)向。（略）.請(qǐng)收集有關(guān)參考教材，了解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容。（略）第2章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)1,簡(jiǎn)述輸入輸出描述方法和狀態(tài)空間描述方法的各自特點(diǎn)。指導(dǎo)信息:參見2,1.1控制系統(tǒng)的描述方法。輸入輸出描述方法也稱激勵(lì)響應(yīng)法，它是基于系統(tǒng)的輸入與輸出之間的因果關(guān)系來描述系統(tǒng)特性的，主要適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統(tǒng)。輸入輸出描述方法

13、中，系統(tǒng)的輸出不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)，還與過去的輸入和輸出有關(guān)。狀態(tài)空間描述方法是基于系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為核心，不僅適用于描述單變量輸入和單變量輸出的系統(tǒng)，也能適用于多變量的場(chǎng)合。系統(tǒng)的輸出僅與當(dāng)前的系統(tǒng)輸入和狀態(tài)變量有關(guān)。.連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)分別使用哪些數(shù)學(xué)工具來表示？指導(dǎo)信息:參見2,1.1控制系統(tǒng)的描述方法。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)用到的數(shù)學(xué)工具有微分方程、拉氏變換和傳遞函數(shù)， 對(duì)離散系統(tǒng)用到的數(shù)學(xué)工具有差分方程、Z變換和脈沖傳遞函數(shù)。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)，可用微分方程、脈沖響應(yīng)、傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)模型；對(duì)離散系統(tǒng)，可用差分方程、脈沖響應(yīng)、脈沖傳遞函數(shù)建立系統(tǒng)模型；對(duì)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)，都可用方框圖來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。.什么

14、是連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)？什么是離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)？它們有什么實(shí)用意義?指導(dǎo)信息:參見2,1.5用傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)模型，2.3,6 脈沖傳遞函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為零初始條件下系統(tǒng)輸出y的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比，即:離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù) (也稱Z傳遞函數(shù))可定義為:H(z)YR(z)其中，Y(z)為系統(tǒng)輸出序列 y(k)的Z變換，R(z)為輸入序列r(k)的Z變換。傳遞函數(shù)或脈沖傳遞函數(shù)都反映了系統(tǒng)固有本質(zhì)屬性，它與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)有關(guān)，而與 輸入量無關(guān)。利用傳遞函數(shù)的表達(dá)式就能分析出系統(tǒng)的特性，如穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性等；禾I用 傳遞函數(shù)可通過求解方程代數(shù)而不是求

15、解微分方程，就可求出零初始條件下的系統(tǒng)響應(yīng)。特別指出，通過實(shí)驗(yàn)的方法，求出離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)更為方便有效。4,方框圖有哪些符號(hào)要素和等效變換規(guī)則？ 指導(dǎo)信息:參見2,1.6 系統(tǒng)的方框圖。系統(tǒng)的方框圖是線圖形式的系統(tǒng)模型，由方框、有向線段和相加節(jié)點(diǎn)組成，方框圖的變換規(guī)則有:并聯(lián)、串聯(lián)和反饋。參見表 2-3和表2-4。.畫出狀態(tài)空間模型框圖，寫出輸出方程和狀態(tài)方程表達(dá)式。指導(dǎo)信息:參見2.1.7狀態(tài)空間概念和模型框圖和2.3.7離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。2-14所示。A為狀態(tài)矩陣、B為輸離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述與連續(xù)系統(tǒng)類似，其模型框圖參見圖入矩B$、C為輸出矩陣、D為傳輸矩陣，延時(shí)單元 z-1

16、可以看成一組 D型觸發(fā)器或數(shù)據(jù)寄存器。離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述方法輸出方程和狀態(tài)方程表達(dá)式用矩陣表示為:x(k 1) A x(k) B r(k)y(k) C x(k) D r(k).簡(jiǎn)述采樣過程和采樣定理。指導(dǎo)信息:參見2.3.2 采樣過程和采樣定理。設(shè)模擬信號(hào)為e(t),經(jīng)采樣開關(guān)后輸出為采樣信號(hào)e*(t)。理想的采樣信號(hào)e*(t)的表達(dá)式為:e*(t) e(t) 8T(t)e(t) S (t kT) e(kT) S (t kT)kk通常在整個(gè)采樣過程中采樣周期 T是不變的，這種采樣稱為均勻采樣，為簡(jiǎn)化起見，采樣信號(hào)e*(t)也可用序列e(kT)表示，進(jìn)一步簡(jiǎn)化用e(k)表示，此處自變量 k為

17、整數(shù)。香農(nóng)(C.E.Shannon)的采樣定理(也稱抽樣定理或取樣定理)：只要采樣頻率fs大于信號(hào)(包括噪聲)e(t) 中最高頻率fmax的兩倍，即fs或fmax,則采中制言號(hào)e*(t)就能包含e中的所有信息，也就是說，通過理想濾波器由e*(t)可以唯一地復(fù)現(xiàn)e(t)o.已知某離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)模型如下表達(dá)式，求相應(yīng)的零極點(diǎn)增益模型和狀態(tài)空間模型(可嘗試借助 MATLABT具)。H(z)0.2 0.1z2z 11 2z3z 2H(z)-120.2 0.1z z111 2z 3zx(k 1) Ax(k) B r(k)指導(dǎo)信息:參見2.3.7離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述。 零極點(diǎn)增益模型如下：-1-

18、10.2 (1 2.5 z ) (1 2 z )11(1 3z ) (1 z )狀態(tài)空間模型如下:y(k) C x(k) D r(k)其中:2 1.5A2 0C 0.50.2x1xx2.寫出下列序列 x1(k)、x2(k)對(duì)應(yīng)的Z變換。012345k指導(dǎo)信息：參見2.3.3 序列和差分方程。x1(k)=2+1z -1+3z-2+4z-4x2(k)=1+2z -1+8*z -2/(1-z_12_41 X1(z) 5 3z z 2z ； (2) X 2(z) 2 1 指導(dǎo)信息：參見2.4.2穩(wěn)定性分析。根據(jù)自動(dòng)控制理論，連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)傳遞函數(shù)的特征根全部位于s域左半平面，而對(duì)離散系統(tǒng)

19、穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的特征根全部位于z平面的單位圓中。12.動(dòng)態(tài)特性主要是用系統(tǒng)在單位階躍輸入信號(hào)作用下的響應(yīng)特性來描述。常見的有哪些具體的指標(biāo)？指導(dǎo)信息：參見2.2.2連續(xù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法回顧和 2.4.4動(dòng)態(tài)特性分析。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可通過多項(xiàng)性能指標(biāo)來描述，常見的具體指標(biāo)有上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp、調(diào)節(jié)時(shí)間ts和超調(diào)量8等。13.已知如下所示的離散系統(tǒng)的G(z)、D(z),試分別求出不同 R(z)情況下的穩(wěn)態(tài)誤差 ess。1z 丁R(1指導(dǎo)信息:參見2.4.3 靜態(tài)誤差分析。)7z 44.69(1 0.6065z1)1 0.847z 1.寫出下列Z表達(dá)式所對(duì)應(yīng)的序列表達(dá)式

20、和序列圖。)KT2X.已知控制算式y(tǒng)(k) = 0.8 y(k-1) + 0.2 x(k),試根據(jù)輸入 x(k)寫出相應(yīng)的響應(yīng)y(k)。指導(dǎo)信息:參見2.3.3序列和差分方程。k x(k) y(k)迭代法求解差分方程計(jì)算過程001234020018017016000406888.4102.7282.176G(z)1Z其中:.離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？因?yàn)?D(z) G(z)2.5(1 0.6z1) 0.2z 1(1 0.8z 1) 1111 0.5z(1 z )(1 0.6z )0.5z1(1 0.8z1)11(1 0.5z )(1 z ),所以系統(tǒng)是I型系統(tǒng)。(2)R(z)Kvess(

21、k)r時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差ess(k)為0。 z1z(1 z1lim 1(1 z 1 T1KVT時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差 )2z1)D(z)G(z)11.6670.61ess( k)為.，(取 T=1),其中 Kvlim1一 11 0.5z (1 0.8z )(1 0.5z 1)0.5 1.81.50.6第3章 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1,簡(jiǎn)述數(shù)字控制器近似設(shè)計(jì)與解析設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)過程。指導(dǎo)信息:參考3.1.1近似設(shè)計(jì)法。數(shù)字控制器D(z)的近似設(shè)計(jì)過程如下：?先設(shè)計(jì)控制器的傳遞函數(shù)D(s)(需要運(yùn)用自動(dòng)控制理論知識(shí))。?選擇合適的離散化方法，將D(s)離散化，獲得與 D(s)性能近似的D(z)。?檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

22、閉環(huán)性能。進(jìn)彳T優(yōu)化。必要時(shí)，重新修正 D(s)后，再離散化。?對(duì)D(z)滿意后，將其變?yōu)閿?shù)字算法，在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)字控制器D(z)的解析設(shè)計(jì)過程如下：根據(jù)系統(tǒng)的G(z)、輸入R(z)及主要性能指標(biāo)，選擇合適的采樣頻率；根據(jù)D(z)的可行性，確定閉環(huán)傳遞函數(shù)中(z);.由(z)、G(z),確定 D(z);分析各點(diǎn)波形，檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)性能。若不滿意，重新修正中(z)。對(duì)D(z)滿意后，將其變?yōu)閿?shù)字算法，在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。2.已知某對(duì)象的傳遞函數(shù)如下，分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)，設(shè)采樣周期T=1s。G1(s)指導(dǎo)信息：參見3.2.12八G2 s4s 3, 積

23、分變換法。0.1s0.11 0.5s 1根據(jù)公式(3-3)和(3-5)計(jì)算。G(z) G(s)G(z)G(s)s 士用向后矩形法求解(設(shè)T=1):G1(z)G1(s)1 z1T271 -z17G2(z)G2(s)0.1(0.11 z 1限 1) (0.5233d 14 11 z331 2-z33G3(z)G3(s)(*)21 3z1 1z248用梯形變換法(設(shè)T=1)G1(z)G1(s)G2(z)G3(z)2 1 z 1 sThG2(s)G3(s)221z11 11d 511 一 z110.13.已知某對(duì)象的傳遞函數(shù)如下,的脈沖傳遞函數(shù)，設(shè)采樣周期2 1 z 1八(0.1 T TV 1)123

24、1 13/15z1 1/5z 2 1/15z 32 1 z 12 1 z 1T1 z124 12TI；34/151 2z241128/15z 1 4/15z 2分別用脈沖響應(yīng)不變法和帶保持器的階躍響應(yīng)不變法求出相應(yīng)T=1s。D(s)(s 1)(s 4)指導(dǎo)信息:參見3.2.2 零極點(diǎn)匹配法和 3.2.3等效變換法。零極點(diǎn)匹配法(略)等效變換法求解:TsD(z) Z3-(s 1)(s 4)(1zbZs1/3 1/12s 1 s 4121-4T 1e z4.寫出PID的傳遞函數(shù)D(s),并分別用向后矩形法和梯形變換法求出相應(yīng)的D(z),要求將表達(dá)式整理成規(guī)范的分式，設(shè)采樣周期T=1s。指導(dǎo)信息：參

25、見3.2.1積分變換法和3.3.2數(shù)字PID控制算法。PID的傳遞函數(shù)D(s)如下:Kp1Ti sTd sKpKiKd s用向后矩形法求出相應(yīng)的D(z)如下:1Kp (1 z )1/TiTd (1(1 z1)2 Tdz2)Kp_ _ _1 _2(1 1/Ti Td) (1 2 Td) z 1 Td z 2(1 z1)用梯形變換法求出相應(yīng)的D(z)如下:Kp (1 1/(2 Ti) 2 Td) (1/Ti 4 Td) z 1 ( 1 1/(2 Ti) 2 Td) z 2D z2(1 z2). PID的Kp Ki、Kd參數(shù)各有什么作用？指導(dǎo)信息:參見3.3.1 PID控制的原理。比例系數(shù)Kp的增大

26、利于提高靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。Kp過大時(shí)，系統(tǒng)容易引起振蕩，趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。積分時(shí)間Ti是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)鍵，Ti要與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相匹配，Ti太小，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定；Ti太大，則減小穩(wěn)態(tài)誤差的能力將削弱，系統(tǒng)的過渡過程會(huì)延長(zhǎng)。微分時(shí)間Td的主要作用是加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即可以減少超調(diào)量，又可減小調(diào)節(jié)時(shí)間。但引入Td后，系統(tǒng)受干擾的影響會(huì)增加。.數(shù)字PID控制的參數(shù)整定方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？指導(dǎo)信息:參見3.3.3 數(shù)字PID控制的參數(shù)整定。數(shù)字PID控制的參數(shù)整定方法常見的有擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法、歸一參數(shù)法和經(jīng)驗(yàn) 整定法等。

27、擴(kuò)充臨界比例度法在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，在整定過程中允許出現(xiàn)振蕩。擴(kuò)充響應(yīng)曲線法通過開環(huán)實(shí)驗(yàn)獲得對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)過程中不會(huì)出現(xiàn)振蕩。歸一參數(shù)整定法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，人為地設(shè)定“約束條件” ，只需要改變Kp,就可觀察控制效果。.數(shù)字PID控制算法有哪些改進(jìn)的方法？指導(dǎo)信息:參見3.3.2 數(shù)字PID控制算法。主要的改進(jìn)包括積分項(xiàng)的改進(jìn)、微分項(xiàng)的改進(jìn)、串接濾波單元等。積分項(xiàng)的改進(jìn)有：積分項(xiàng)分離的PID算式，變速積分的 PID算式，飽和停止積分的 PID算式。微分項(xiàng)的改進(jìn)有：不完全微分的PID算式和微分先行 PID算式。串接濾波單元：基于連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的數(shù)字濾波器，基于邏輯判斷來實(shí)現(xiàn)的濾波器。.已知某控

28、制系統(tǒng)的 G(z)如下，假定 R(z)分別在階躍信號(hào)、單位速度信號(hào)激勵(lì)下，按最少拍隨 動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，求出D(z),并畫出各點(diǎn)波形。G(z)0.5z 1(1 0.6z 1) 1(1 z )(1 0.4z )指導(dǎo)信息:參見3.4.2(1)在階躍信號(hào)激勵(lì)下最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因?yàn)镚(z)具有因子z 1 ,無單位圓外的零點(diǎn),則(z)應(yīng)包括z 1因子；G(z)分母和R(z)均有(1 z 1)因子則Ge(z)應(yīng)包含(1 z 1)；又因?yàn)?z) 1 Ge(z),(z)和Ge(z)應(yīng)該是z 1同階次的多項(xiàng)式，所以有：兩式中的a,b為待定系數(shù)。所以:D(z)各點(diǎn)波形:(z)Ge(z)1 Ge(z)1(1 z

29、 )b1azb bz 1將上兩式聯(lián)立,bz 1得:az 1，比較等式兩側(cè),(Z)1 Ge(Z)Ge(z) (1 z1z10.5z (1 0.6z )1T(1 z )(1 0.4z得到解:1)G(z)Ge(z)2 (10.4z1)(1 z1)(1 0.6z 1)k序列數(shù)據(jù)k: 0r(k): 1e(k): 1.0000.0000.000 0.0000.0000.000 0.0000.000p(k): 2.000-2.0001.200 -0.7200.432 -0.2590.156 -0.093y(k): 0.0001.0001.000 1.000 1.0001.000 1.000 1.000(2)

30、在單位速度信號(hào)激勵(lì)下R(z)T z 1Ta K2(1 z )因?yàn)镚(z)含有因子z 1 ,則(z)分子應(yīng)包括z 1 ； G(z)分母有(1 z 1)因子，R(z)分母有(1 z 1)2均則Ge(z)應(yīng)包含(1z 1)2;又因?yàn)?(z) 1 Ge(z),(z)和Ge(z)應(yīng)該是z 1同階次的多項(xiàng)式，所以有:(z) 1Ge(z) (1Ge(z)z1)211az (1 bz )式中a、b、c為待定系數(shù)，求解上述方程組可得:a =2,b =-0.5,c=1。所以有:(z)_11 Ge(z) 2 z (11-10.5 z ) 2 zGe(z)(1 z1)2各點(diǎn)波形:D(z)(z)G(z) Ge(z)1z

31、G(z) Ge(z)D(z)2 (2 z1) (10.4z 1)0.5z 1(1 0.6z 1) 1- (1(1 z )(1 0.4z )1)2(1 0.6z 1) (1 z 1)10510105 k10k注意：按最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,p(k)會(huì)有紋波。序列數(shù)據(jù)：k: 0r(k): 0e(k): 0.000p(k): 0.000y(k): 0.0001.000 0.0004.000 -2.0000.0000.0000.0000.0000.0002.400 -0.2401.344 0.394 0.9640.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000.已知某控

32、制系統(tǒng)的G(z)如下，假定分別在階躍信號(hào)、單位速度信號(hào)激勵(lì)下，按最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，求出 D(z),并畫出各點(diǎn)波形。G(z)2 z 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)1_1_1(1 z )(1 0.6z )(1 0.2z ) 指導(dǎo)信息：參見3.4.2最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。參見3.4.2最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在階躍信號(hào)激勵(lì)下：因?yàn)镚(z)具有因子z 1,有單位圓外的零點(diǎn) z=-1.5,則億)應(yīng)包括z1 因子和(1 1.5z 1) ; G(z)分母和R(z)均有(1 z 1)因子,則Ge(z)應(yīng)包含(1 z又因?yàn)?z)Ge(z),(z)和Ge(z)應(yīng)該是z 1同階次的多項(xiàng)式，所以有:兩

33、式中的a,(z)Ge(z)1 Ge(z) a z 1(1 11(1 z )(1 b z )b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，得:(b 1) z 1 b z 21.5(b1) a zz 11.5 a2z1.5所以:(b 1) b 1.50.40.6(z)Ge(z)1 Ge(z)(1 z1)(10.4 z0.6z1(11)1.5 z0.4D(z)(z)G(z) Ge(z)G(z)D(z)11) 0.4z 1 0.6 z0.62G(z) Ge(z)_1112 z (1 1.5z )(1 0.1z )11_1(1 z )(1 0.6z )(1 0.2z )0.4 z 1(1 1.5 z 1)2 z 1(1

34、1.5z 1)(1 0.1z 1)1(1 z )(1_10.4 (1 0.2z )一， 一， 1、2 (1 0.1z )110.6z 1)(1 0.2z 1)_10.2 (1 0.2z )， 一， 1、(1 0.1z )(1 z 1)(1 0.6z 1)各點(diǎn)波形:123467序列數(shù)據(jù)：k: 0r(k): 1e(k): 1.000p(k): 0.200y(k): 0.0000.600 -0.000-0.000-0.000-0.000-0.000-0.000-0.1800.4000.042 -0.0040.000 -0.0000.000 -0.0001.000 1.000 1.0001.000 1

35、.000 1.000(2)在單位速度信號(hào)激勵(lì)下R(z)T z _1-1(1 z )(1 0.6z )(1 0.2z )13/25(1 8/13 z 1)(1 0.6z 1)(1 0.2z1)(1 0.1z 1)(1 z 1)(1 24/25 z1)1 2(1 z )解：因?yàn)镚(z)含有因子1,則(z)分子應(yīng)包括z11 ; G(z)分母有(1 z)因子,R(z)分母有1 2(1 z )均則Ge(z)應(yīng)包含(1S2)；又因?yàn)?z) 1Ge(z),億)和Ge(z)應(yīng)該是z同階次的多項(xiàng)式，所以有:(z)Ge(z)_1I Ge(z)a z (1(1 z 1)2(1 c z1)11.5 z )(11 (c

36、 2)1)(_ _2(aba 3/2)z (a2*c 1) z 2_ _2b 3/2)z所以有:a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c ;(參考 MATLAB 命令：a,b,c=soke(a=-c+2,a*b+a*3/2=2*c-1,a*b*3/2=-c);) 解得：a =26/25,b =-8/13,c =24/25,所以有：(z) 1Ge(z) (1Ge(z) 26/25 z z 1)2(1 24/251(1 1.5z1)1)(1 8/13 z1)26/251z (1 1.51z )(1 8/13z 1)2 z 1(1 1.5z 1)(1 0.1z1)(1 z

37、1)2(1 24/25 z1)各點(diǎn)波形:注意：按最少拍隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,p(k)會(huì)有紋波。序列數(shù)據(jù)：k: 0r(k): 0e(k): 0.000p(k): 0.000y(k): 0.0001.000 0.9600.520 -0.2680.000 1.0400.0000.0000.1293.0004.0000.000 0.0000.051 0.0595.000 6.0000.0000.0587.0000.0588和習(xí)題9的D(z),并畫出各點(diǎn)波形。.按最少拍無紋波隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，求出前面習(xí)題指導(dǎo)信息：參見3.4.3最少拍無紋波隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(1)在階躍信號(hào)激勵(lì)下G(z)0.5z 1(1 0.

38、6z 1)因?yàn)镚(z)具有因子z1 ,單位圓內(nèi)的零點(diǎn)z=-0.6,則(z)應(yīng)包括z 1和(1+0.6z-1)因子；G(z)分母和 1.R(z)均有(1 z )因子則Ge(z)應(yīng)包含(1 z1 一)因子;又因?yàn)?z)1 Ge(z),中(z)和 Ge(z)應(yīng)該是 z 1同階次的多項(xiàng)式，所以有:(z)Ge(z)1 Ge(z)1(1 z )(1az 1 (1bz 1)0.6z 1)az 111 (1 b)z0.6 a z 2 bz 2兩式中的a, b為待定系數(shù)。將上兩式聯(lián)立，可求得：a=0.625, b=0.375。(參考 MATLAB 命令：a,b=solve(a= (1-b),(0.6*a尸b);

39、)所以有:(z) 1 Ge(z) 0.625 z 1(1 0.6z 1)Ge(z) (1 z 1)(1 0.375z 1) 1 0.6250.625 z 1z 1 0.3750.375 z 22 z將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)G(z) Ge(z)110.625 z 1(1 0.6z 1)0.5z 1(1 0.6z 1) “1 (1(1 z 1)(1 0.4z 1)z1)(1 0.375z 1)11.25 (1 0.4z 1)(1 0.375 z 1)各點(diǎn)波形:注意：按最少拍無紋波隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,p(k)不會(huì)有紋波。序列數(shù)據(jù)：k: 0r(k): 1e(k): 1.00

40、00.3750.000 0.0000.0000.000 0.0000.000p(k): 1.250-0.5000.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000y(k): 0.0000.6251.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000(2)在單位速度信號(hào)激勵(lì)下R(z)T 1(1TV,G(z)110.5z (1 0.6z )1(1 z )(1 0.4z )因?yàn)镚(z)含有因子z 1和零點(diǎn)z=-0.6,因此,(z)中應(yīng)含有z 1、(1+0.6z-1)項(xiàng)；G(z)分母和R(z)均有11(1 z )因子則Ge(z)應(yīng)包含(1 z )；又因?yàn)?z) 1Ge

41、(z),(z)和Ge(z)應(yīng)該是z 1同階次的多項(xiàng)式，所以有:_1_ _11(z) 1 Ge(z) a z (1 0.6 z )(1 b z )_1 21_12Ge(z) (1 z ) (1 c z ) (1 2z z ) (1123az a (0.6 b) z a 0.6 b z1_1_2c z ) 1 ( 2 c) z (1 2 c) z c z式中a、b、c為待定系數(shù)，由此得方程組:a ( 2 c)a (0.6 b) (1 2 c)a 0.6 b c求解上述方程組可得:a =1.484;b =-0.579;c =0.516。（參考MATLAB命令:a,b,c=solve(a=-(-2+c

42、),a*(0.6+b)=-(1-2*c),a*0.6*b=-c);)(z)Ge(z)(1_1_ _1_1Ge(z) 1.484z (1 0.6 z )(1-0.579z )1 2_1_12z ) (1 0.516z ) (1 2z z ) (1 0.516z )_1_2 _3(z) 1 Ge(z) 1.484z 10.031z 2 0.516z 3_123Ge(z) 1 1.484 z 0.031z0.516z將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)(z)一 1一 1一 11.484z (1 0.6 z )(1-0.578z )_ _ 11、G(z) Ge(z)0.5z 1(1 0.6z

43、 1)(1 z 1)(1 0.4z 1)2.968 (1 0.4z 1)(1-0.578z 1)(1 z 1)2(1 0.516z 1)各點(diǎn)波形:(1 z 1)(1 0.516Z1)注意：按最少拍無紋波隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法， 序列數(shù)據(jù)：k: 01r(k): 0 e(k): 0.000 p(k): 0.000 y(k): 0.000(3)在階躍信號(hào)激勵(lì)下1 R(z)-一11 z由G(z)可知(z)應(yīng)p(k)不會(huì)有紋波。23412341.000 0.5160.0010.0010.0020.0020.0022.968 0.0620.7500.7500.7500.7500.7500.000 1.4842.

44、9993.9994.9985.9986.998G(z)_1112 z (1 1.5z )(1 0.1z )11Z -(1 z )(1 0.6z )(1 0.2z )1 和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子;由 G(z)和 R(z可知 Ge(z)應(yīng)包含(1z 1)因子；(z)和Ge(z)應(yīng)該是z 1同階次的多項(xiàng)式，所以有:(z) 1 Ge(z) az 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)(1 bz 1) Ge(z) (1 z 1)(1 cz 1 dz 2)(z) 1 Ge(z) az 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)Ge(z) (1 z 1 )(1 bz 1 cz 2

45、)兩式中的 a,b,c,d 為待定系數(shù)。a =4/11;b =7/11;c =3/55;(參考 MATLAB 命令：a,b,c=solve(3/20*a=c,(8/5*a)=-(c-b),a=-(b-1) 求得：a =4/11,b =7/11,c =3/55,則有：(z) 1 Ge(z) 4/11 z 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)Ge( z) (1 z 1)(1 7/11z 1 3/55z 2)將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)1114/11 z 1(1 1.5z1)(1 0.1z 1) TOC o 1-5 h z 111(1z1)(1 7/11z 1 3/55z 2

46、)2 z 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)11v(1 z 1)(1 0.6z 1)(1 0.2z1)-1-12/11 (1 0.6z )(1 0.2z )(1 7/11z 1 3/55z z 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)(1 z 1)(1 0.6z 1)(1 0.2z 1)由G(z)可知(z)應(yīng)包括z 1和(1+1.5z-1)和(1+0.1z-1)因子；由G(z)和R(z可知Ge(z)應(yīng)包含(1 z 1)因子；(z)和Ge(z)應(yīng)該是z 1同階次的多項(xiàng)式，所以有:)各點(diǎn)波形:y序列數(shù)據(jù)：k: 0r(k): 1e(k): 1.0000.6360.055 0.0000.00

47、00.000 0.0000.000p(k): 0.182-0.1450.022 -0.0000.000 -0.0000.000 -0.000y(k): 0.0000.3640.945 1.000 1.0001.000 1.000 1.000(4)在單位速度信號(hào)激勵(lì)下(z) 1 Ge(z) az 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)(1 bz 1) _1 21Ge(z) (1 z ) (1 cz )(參考 MATLAB 命令：a,b,c,d= soke(3/20*a*b=-d,(8/5*a*b+3/20*a)=(2*d-c),(a*b+8/5*a尸(-d+2*c-1),a=(-c+2)求得

48、：a =592/605,b =-93/148,c =618/605,d =279/3025.,以及： TOC o 1-5 h z _一 _111_1(z) 1 Ge(z) 592/605 z (1 1.5z )(1 0.1z )(1 93/148z ) _1 2_1_ 2Ge(z) (1 z ) (1 618/605z279/3025 z )將上面兩式代入，可求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z) (zG(z) Ge(z)-1111592/605 z (1 1.5z )(1 0.1z )(1 93/148z )2 z 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1) 12、v(1 z 1)2(1 61

49、8/605z 1 279/3025z 2) (1 z 1)(1 0.6z 1)(1 0.2z1)296/605 (1 93/148z 1)(1 0.6z 1)(1 0.2z 1)(1 z 1)(1 618/605z 1 279/3025z 2)各點(diǎn)波形:k3434567567e(k): 0.000序列數(shù)據(jù):k: 012r(k): 0121.000 1.021 0.092 0.000 0.000 0.000 0.000p(k): 0.0000.489 -0.2100.095 0.0580.058 0.058 0.058y(k): 0.0000.000 0.979 2.908 4.000 5.00

50、0 6.000 7.000附：不同輸入信號(hào)下的各點(diǎn)波形:(1)在三個(gè)階躍信號(hào)激勵(lì)下0.5z 1(1 0.6z 1)(z)1.25 (1 0.4z 1)11 -D(z)1(1 z 1)(1 0.4z 1)G(z) Ge(z) (1 0.375 z1)k如果輸入是速度函數(shù)，則會(huì)存在誤差，如下所示:kk(2)在三個(gè)單位速度信號(hào)激勵(lì)下T z 1R(z)-一中，G(z)(1 z )1_10.5z (1 0.6z )(1 z 1)(1 0.4z 1)D(z)(z)G(z) Ge(z) 1_12.968 (1 0.4z )(1-0.578z )i Z 7T i(1 z 1)(1 0.516z 1)k(3)在

51、三個(gè)階躍信號(hào)激勵(lì)下kR(z)G(z)2 z 1(1 1.5z 1)(1 0.1z 1)(1 z 1)(1 0.6z 1)(1 0.2z 1)D(z)11(z)2/11 (1 0.6z )(1 0.2z )1 Z 2G(z) Ge(z) (1 7/11 z3/55 z )k10.80.60.40.2010152025(4)在三個(gè)單位速度信號(hào)激勵(lì)下,RT z 1(1 z1)2G(z)_1112 z (1 1.5z )(1 0.1z )(1 z 1)(1 0.6z 1)(1 0.2z 1)D(z)(z)G(z) Ge(z) _1_1_1296/605 (1 93/148z )(1 0.6z )(1

52、0.2z )11.根據(jù)下列控制器的 D(z),分別畫出直接式、串行實(shí)現(xiàn)法和并行實(shí)現(xiàn)法的實(shí)現(xiàn)框圖和相應(yīng)的輸(b)出方程和狀態(tài)方程。D1(z)串行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為:、33.6z10.6z2D1(z)1210.1z10.2z23 (1 z 1) (1 0.2z 1)(1 0.5z 1)(10.4z 1)3 (1(1 z1)(1 0.2z 1)0.5z 1) (10.4z 1)(實(shí)現(xiàn)框圖略。)D1(z)并行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為:3 3.6z1 0.6z 2D1(z)i21 0.1z 1 0.2z 21(1 0.5z 1)71(1 0.4z 1)(實(shí)現(xiàn)框圖略。)(2)對(duì)D2(z),采用直接式1和直接式2的實(shí)

53、現(xiàn)框圖如下:D2(z)對(duì)應(yīng)直接式1實(shí)現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下:狀態(tài)方程：x1(k 1)2 x1(k) x2(k) (0.1 0.2 2) e(k) 2 x1(k) x2(k) 0.5 e(k)x2(k 1) 3 x1(k) ( 1 0.2 3) e(k) 3 x1(k) 0.4 e(k)輸出方程：p(k) x1(k) 0.2 e(k)D2(z)對(duì)應(yīng)直接式2實(shí)現(xiàn)框圖的狀態(tài)方程和輸出方程如下：狀態(tài)方程：x1(k 1) 2 x1(k) 3 x2(k) e(k) x2(k 1) x1(k)輸出方程：p(k) (0.2*2 0.1) x1(k) (0.2*3 1) x2(k) 0.2 e(k)0.

54、5 x1(k) 0.4 x2(k) 0.2 e(k)D2(z)串行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為:D1(z)-120.2 0.1z 1z_1-21 2z 3z-1-10.2 (1 2.5z ) (1 2z )- 1、 ，.1、(1 3z ) (1 z )0.2-1-1(1 2.5z ) (1 2z )-1、1、(1 3z )(1 z )(實(shí)現(xiàn)框圖略。)D2(z)并行實(shí)現(xiàn)法的表達(dá)式為:D1(z)0.2 0.1z 1 z 21 2z1 3z21 0.2* (1 2.4/3)* (1 2/3) *3/4 0.2*( 1.5) *3/43(1 3z1)(1 z1)10.090.2251v3 (1 3z1) (1 z

55、1)(實(shí)現(xiàn)框圖略。)第4章控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及其接口技術(shù).工業(yè)控制計(jì)算機(jī)有哪些要求？基于pc機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)其結(jié)構(gòu)與普通pc機(jī)有何不同？指導(dǎo)信息:參見4.1.1工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)。對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的要求主要體現(xiàn)在其所具有特點(diǎn)：適應(yīng)性、可靠性、實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性等方面?；赑C機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)其結(jié)構(gòu)與普通PC機(jī)不同之處是前者在機(jī)械結(jié)構(gòu)、元器件選用和電源配置等方面比普通PC機(jī)的可靠性更高。.工業(yè)控制中的嵌入式系統(tǒng)可選擇哪些設(shè)計(jì)模式？指導(dǎo)信息：4.1.2嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常與其架構(gòu)有關(guān)，通常有基于片上系統(tǒng)（SoC:System on Chip）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP:Syste

56、m-in-a-Package）、模塊級(jí)系統(tǒng)（SOB:System-on-Board）的設(shè)計(jì)模式。.通過查閱資料，了解目前常見的8位和32位微控制器的特點(diǎn)和性能指標(biāo)。指導(dǎo)信息:建議利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱有關(guān)資料。提示：可查閱有關(guān)微控制器廠商的網(wǎng)站，了解目前常見微控制器的特點(diǎn)和性能指標(biāo)。.通過查閱資料，了解某種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的構(gòu)成、性能指標(biāo)和適用場(chǎng)合。指導(dǎo)信息:利用網(wǎng)絡(luò)資源查閱有關(guān)資料。提示：可查閱某工業(yè)控制計(jì)算機(jī)廠商的網(wǎng)站，了解某種產(chǎn)品的構(gòu)成、性能指標(biāo)和適用場(chǎng)合。.接口數(shù)據(jù)傳輸中有哪些定時(shí)和協(xié)調(diào)信號(hào)？指導(dǎo)信息:參見4.2.1接口與總線。定時(shí)信號(hào)有：CPU或DMA控制發(fā)出的讀（Read）或?qū)懀╓ri

57、te）信號(hào)，來實(shí)現(xiàn) CPU或存儲(chǔ)器與外設(shè)之 間的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)調(diào)信號(hào)有請(qǐng)求（REQ）和應(yīng)答（ACK）或選通（Strobe）和就緒（Ready）。.接口技術(shù)中有哪些數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?？各有什么特點(diǎn)？指導(dǎo)信息:參見4.2.1接口與總線。根據(jù)定時(shí)和協(xié)調(diào)的不同要求，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)有直接傳輸、程序查詢、定時(shí)查詢、中斷傳輸和DMA 等幾種方式。特點(diǎn)請(qǐng)參見 4.2.1接口與總線。.接口與總線有哪些分類？指導(dǎo)信息:參見4.2.1接口與總線。按接口所連接的功能部件來分，有過程通道接口、人機(jī)交互接口、存儲(chǔ)設(shè)備接口和通信接口。按接口的數(shù)據(jù)傳輸特征進(jìn)行分類，有并行接口和串行接口；按接口和總線連接部件的技術(shù)特征可分為芯片級(jí)總

58、線、板級(jí)總線（也稱系統(tǒng)總線）和通信總線（也稱外部總線）。. RS-232C和RS-485各有什么特點(diǎn)？指導(dǎo)信息:參見4.2.3串行接口。提示：可通過傳輸方式、傳輸速率、傳輸距離、信號(hào)類型、連接方式、能否組網(wǎng)、應(yīng)用情況等方面來比較。. I2C總線和SPI總線各有什么特點(diǎn)？指導(dǎo)信息:參見4.2.3串行接口。提示：可通過總線結(jié)構(gòu)、時(shí)序、傳輸速率、傳輸距離、適用場(chǎng)合等方面來比較。.簡(jiǎn)述 Infranet 、Intranet 、Internet 之間的關(guān)系。指導(dǎo)信息：參見4.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線。FCS中，形成最底層的控制網(wǎng)稱為Infranet。Infranet的網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)包括控制現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器以

59、及人機(jī)接口HMI（如安全監(jiān)控器）等。Infranet可與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet相連，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部管理、財(cái)務(wù)、辦公及人事等的信息化。Intranet再與全球信息網(wǎng)Internet相連，實(shí)現(xiàn)企業(yè)之間的信息交流。最終 可構(gòu)成一個(gè)完整的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)三級(jí)體系結(jié)構(gòu)。.簡(jiǎn)述現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特征 .指導(dǎo)信息:參見4.2.4現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線的主要技術(shù)特征有：（1）.數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信；（2）.互操作性和互換性；（3）.傳輸介質(zhì)的 多樣化；（4）.適應(yīng)性和可靠性等。.畫出I2C總線上主器件對(duì)地址為的從器件寫入2字節(jié)5BH和87H的時(shí)序。指導(dǎo)信息:參見4.2.3串行接口。提示：參考圖 4 28 I2C總線的傳輸數(shù)據(jù)

60、格式。.畫出SPI總線上主器件向從器件寫入A5H的時(shí)序。指導(dǎo)信息:參見4.2.3串行接口。提示：圖4 30 SPI總線的四種時(shí)鐘工作方式和圖4 31 SPI總線傳輸數(shù)據(jù)實(shí)例。.控制系統(tǒng)中對(duì)人機(jī)交互有哪些要求？指導(dǎo)信息:參見4.3.1人機(jī)交互及其要求。主要包括可理解性和易操作性?？衫斫庑园ù_定性、關(guān)聯(lián)性、層次性、一致性等要素。易操作性 包括方便性、有序性、健壯性、安全性等要素。.通過查閱資料，有哪些嵌入式操作系統(tǒng)？指導(dǎo)信息:參見4.4.1系統(tǒng)軟件。提示：利用網(wǎng)絡(luò)資源，查閱相關(guān)資料。第5章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的過程通道簡(jiǎn)述傳感器與變送器的異同。指導(dǎo)信息：參見5.1.1傳感器和變送器。變送器(Tran