計(jì)算機(jī)控制理論答案

計(jì)算機(jī)控制理論答案計(jì)算機(jī)控制理論答案計(jì)算機(jī)控制理論答案計(jì)算機(jī)控制理論答案編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:第一講1、什么是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)一般由哪幾部分組成請用框圖形式給出實(shí)例，并簡單說明其工作原理。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)（通常稱為工業(yè)控制機(jī)）來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動控制的系統(tǒng)；一般由計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程兩部分組成；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主體（包括硬件、軟件與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）和生產(chǎn)過程兩大部分組長。其中硬件系統(tǒng)有主機(jī)、輸入輸出通道、外部設(shè)備、檢測與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成；三個步驟原理：①實(shí)時數(shù)據(jù)采集：對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進(jìn)行檢測和輸入。②實(shí)時控制決策：對采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。③實(shí)時控制輸出：根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。2、實(shí)時、在線方式、離線方式的含義是什么實(shí)時：指信號的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個時間，就失去了控制的時機(jī)，控制也就失去了意義。在線方式：在線方式亦稱為聯(lián)機(jī)方式，是指生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為。離線方式：離線方式亦稱為脫機(jī)方式，是指生產(chǎn)過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并做相應(yīng)操作的方式。3、簡述計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、扁平化、只能化、綜合化。第二講1、簡述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中過程通道的基本類型及其作用。數(shù)字量輸入通道：接受外部裝置或產(chǎn)生過程的狀態(tài)信號，同時將狀態(tài)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯信號；數(shù)字量輸出通道：把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動信號；模擬量輸入通道：把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位重量等模擬信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以接收的數(shù)字量信號；模擬量輸出通道：把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換成模擬量電壓或電流信號，去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器，從而達(dá)到控制的目的。2、簡述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的基本措施?？朔蓴_的措施主要有：硬件措施、軟件措施和軟硬結(jié)合的措施。其中硬件抗干擾措施包含：①過程通道抗干擾技術(shù)；②CPU抗干擾技術(shù)；③系統(tǒng)供電與接地技術(shù)。針對不同的干擾采用不用的抗干擾技術(shù)：①過程通道抗干擾技術(shù)：針對串模干擾，采用濾波器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、雙絞線作信號引線等方法來抑制；針對共模干擾，采用變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽、采用儀表放大器提高共模抑制比等方式；針對長線傳輸干擾可采用雙絞線與同軸電纜進(jìn)行傳輸；②CPU抗干擾技術(shù)：使用Watchdog(俗稱看門狗)、電源監(jiān)控(掉電檢測及保護(hù))、復(fù)位等；③系統(tǒng)供電與接地技術(shù)：對于系統(tǒng)供電添加電源異常保護(hù)措施；對于接地技術(shù)有單點(diǎn)接地、低頻接地技術(shù)、通道饋線接地技術(shù)、主機(jī)外殼接地但機(jī)芯浮空、多機(jī)系統(tǒng)的接地等。3、什么是采樣過程、量化誤差、孔徑時間采樣過程:按一定的時間間隔T,把時間上連續(xù)和幅值上連續(xù)的模擬信號,轉(zhuǎn)變成在時刻0、Ｔ、２Ｔ…、ｋＴ的一連串脈沖輸出信號的過程叫做采樣過程。量化誤差：當(dāng)離散信號采樣值的電平落在兩個相鄰量化電平之間時，就要舍入到相近的一個量化點(diǎn)評上，該量化電平與實(shí)際電平之間的差值稱為量化誤差?？讖綍r間：在模擬量輸入通道中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量總需要一定的時間，完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間稱之為孔徑時間。4、采樣保持器的作用是什么是否所有的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器為什么采樣保持器的作用：采樣器是一種開關(guān)電路或裝置，它在固定時間點(diǎn)上取出被處理信號的值。采樣保持器則把這個信號值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。模擬輸入通道中不一定非得采用采樣保持器，如被采樣的模擬信號的變化頻率相對于A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度較低的話，可以不加采樣保持器。5、什么是串模干擾和共模干擾如何抑制串模干擾：指疊加在被測信號上的干擾噪聲，也稱為常態(tài)干擾。抑制方法：①如果串模干擾頻率比被測信號頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻率串模干擾；如果串模干擾頻率比被測信號頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測信號頻譜的兩側(cè)，則應(yīng)用帶通濾波器。一般情況下，串模干擾均比被測信號變化快，故常用二級阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。當(dāng)被測信號變化較快時，應(yīng)相應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以適當(dāng)減小時間常數(shù)。②當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時，用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。因?yàn)榇祟愞D(zhuǎn)換器是對輸入信號的積分值進(jìn)行測量，而不是測量信號的瞬時值。若干擾信號是周期性的而積分時間又為信號周期或信號周期的整數(shù)倍，則積分后干擾值為零，對測量結(jié)果不產(chǎn)生誤差。③對于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下，對被測信號應(yīng)盡可能早地進(jìn)行前置放大，從而達(dá)到提高回路中的信號噪聲比的目的；或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。④從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。⑤采用雙絞線作信號引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且使各個小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線，且有良好接地，并對測量儀表進(jìn)行電磁屏蔽。共模干擾：指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上公有的干擾電壓，也成共態(tài)干擾。抑制方法：①變壓器隔離；②光電隔離；③浮地屏蔽；④采用儀表放大器提高共模抑制比。第三講(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)部分)1、指出采樣保持器和零階保持器在數(shù)字離散控制系統(tǒng)的功能與作用。采樣保持器的作用：采樣器是一種開關(guān)電路或裝置，它在固定時間點(diǎn)上取出被處理信號的值。采樣保持器則把這個信號值放大后存儲起來，保持一段時間，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。零階保持器的作用：將輸入信號的幅值保持一個采樣周期T，即在一個采樣周期內(nèi)將開始時輸入的信號幅值保持不變，直到采樣周期結(jié)束。2、簡述傳遞函數(shù)和脈沖傳遞函數(shù)的概念。傳遞函數(shù)是在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比，即。脈沖傳遞函數(shù)是在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的Z變換和系統(tǒng)輸入量的Z變換之比，即。3、已知：r(t)=1(t),x(0)=0,x(1)=1,用Z變換原理和方法，求解差分方程r(k)=x(k+2)-6x(k+1)+8x(k)。因?yàn)閞(t)=1(t)，即；根據(jù)Z變換左移定理，其差分方程的Z變換式為：因?yàn)閤(0)=0,x(1)=1，故有：4、求下圖所示系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)D(z)=C(z)/R(z).rr(t)+-Tc(t)第四、五講作業(yè)1、某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為,試用雙線性變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(z)。雙線性變換法：前向差分法：后向差分法：2、什么是數(shù)字PID的位置型控c制算法、增量型控制算法如何得到的比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。PID算法的數(shù)字化，其實(shí)質(zhì)就是將連續(xù)形式的PID微分方程轉(zhuǎn)化成為離散形式的PID差分方程。其中，將PID算法中的模擬式中積分項(xiàng)用求和式，微分項(xiàng)用增量式來表示后得到：將上式稱為PID位置式控制算式對其進(jìn)行變換后得：將上式稱為PID增量式控制算式PID位置式控制算式計(jì)算時，只需進(jìn)行四則算術(shù)運(yùn)算便可求出當(dāng)前輸出值，極方便用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。不過現(xiàn)在計(jì)算時，不僅需要知道本次及上次偏差信號和，而且在積分項(xiàng)中還要對歷次的偏差信號進(jìn)行相加求和，因此，在運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制輸出時，既繁瑣又占用大量內(nèi)存。PID增量式控制算式計(jì)算時，只需知道e(n)，e(n-1)和e(n-2)即可，比PID位置式控制算式的計(jì)算簡單。很適合于某些以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的要求，另外它還具有輸出增量不大、系統(tǒng)受操作切換沖擊影響較小、不產(chǎn)生積分失控輸出較平穩(wěn)易于獲得較好調(diào)節(jié)效果等優(yōu)點(diǎn)。3、什么是積分飽和是怎樣引起的如何消除如果執(zhí)行機(jī)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(jì)算PID差分方程式所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無相應(yīng)的動作，這就叫積分飽和。因長時間出現(xiàn)偏差或偏差較大，計(jì)算出的控制量有可能溢出或小于零，就會出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。消除積分飽和的方法：積分分離法,變速積分PID控制算法，超限削弱積分法，有效偏差法，抗積分飽和機(jī)制。4、試比較數(shù)字PID算法中處理積分項(xiàng)的三種方法—抑制積分飽和、消除積分量化誤差、變速積分的優(yōu)缺點(diǎn)。抑制積分飽和對積分項(xiàng)采取“開關(guān)”的控制方式，比較容易實(shí)現(xiàn)，程序設(shè)計(jì)也較為簡單，但關(guān)鍵在于要選取一個合適的閥值，而且適應(yīng)性比較差；消除積分量化誤差在計(jì)算上較為方便，但是增加了運(yùn)算次數(shù)；變速積分法是根據(jù)誤差大小，可隨機(jī)改變積分作用，近似于線性控制方式，具有抑制超調(diào)、防止積分飽和、適應(yīng)性強(qiáng)、線性度好和參數(shù)整定容易等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。5、試指出比例系數(shù)KP、積分時間常數(shù)TI、微分時間常數(shù)TD在PID調(diào)節(jié)器中的作用，它們對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何影響比例系數(shù)KP：動態(tài)時，比例系數(shù)太小，系統(tǒng)動作慢。增加Kp，可提高系統(tǒng)動作的靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度，但是，若取值偏大，容易引起系統(tǒng)振蕩，反而使調(diào)節(jié)時間加長，且當(dāng)Kp太大時，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，隨著比例控制Kp的加大，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間常數(shù)TI：動態(tài)時，積分控制常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，TI值太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，TI值偏小，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩。TI值太大，對系統(tǒng)的影響將削弱。只有選擇適合的TI值，才可使系統(tǒng)的過渡過程趨于理想狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時，積分控制可以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。但TI值太大時，因積分控制作用的削弱，反而不能減小穩(wěn)態(tài)差。微分時間常數(shù)TD：微分時間TD對系統(tǒng)性能的主要作用是減小超調(diào)量、縮短調(diào)節(jié)時間、允許加強(qiáng)比例控制，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度和改善動態(tài)特性等。但TD值偏大或偏小時，反而會誘發(fā)超調(diào)量增加和加長調(diào)節(jié)時間。只有TD取值合適時，才可以獲得比較滿意的過渡過程。6、已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,設(shè)采樣周期為T=,試寫出相應(yīng)的數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式,并給出相應(yīng)的程序流程圖。即：代入，得：位置型：增量型：第六講作業(yè)圖中，已知被控對象傳遞函數(shù)為,采樣周期T=1s,采用零階保持器，要求：針對單位速度輸入信號，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z),使該系統(tǒng)成為最小拍無波紋系統(tǒng)，并計(jì)算輸出響應(yīng)c(k),控制信號u(k),誤差e(k),畫出它們對時間變化的波形。針對單位階躍輸入信號，設(shè)計(jì)最小拍有波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器D(z),并計(jì)算輸出響應(yīng)c(k),控制信號u(k),誤差e(k),畫出它們對時間變化的波形。（1）、輸入信號為速度階躍信號時，設(shè)計(jì)最小拍無波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)z中應(yīng)含有因子z-1和1+0.111z-1。同時考慮誤差脈沖傳遞函數(shù)由于z和Gez應(yīng)該是z所以：zDCcEe（2）、輸入信號為單位階躍信號時，設(shè)計(jì)最小拍有波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器。誤差脈沖傳遞函數(shù)和閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：