計算機控制系統(tǒng)課后習(xí)題答案

計算機控制系統(tǒng)課后習(xí)題答案1-1什么是計算機控制系統(tǒng)？畫出一個實際計算機控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖，并說明一個計算機控制系統(tǒng)由哪些部分組成及各部分的作用。利用計算機參與控制的系統(tǒng)稱為計算機控制系統(tǒng)。1-2簡述計算機控制系統(tǒng)的控制過程。實時數(shù)據(jù)采樣實時計算控制量實時控制實時管理1-3實時、在線方式和離線方式的含義是什么？(1)實時：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，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)“在線”方式：生產(chǎn)過程和計算機系統(tǒng)直接連接，并接受計算機直接控制的方式稱為在線或聯(lián)機方式。2-3什么是過程通道？過程通道分哪幾類？過程通道是在計算機和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。信息傳遞的方向：輸入過程通道和輸出過程通道；傳遞和交換的信息：數(shù)字量過程通道和模擬量過程通道。2-4數(shù)字量過程通道由哪幾部分組成？個部分的作用是什么？數(shù)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路、并行接口電路和定時計數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電路等組成。2-6模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？模擬量輸入通道一般由信號調(diào)理電路、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)信號調(diào)理電路：小信號放大、信號濾波和信號變化和整形。(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。(3)采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在進行A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，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：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。2-7對理想多路開關(guān)的要求是什么？開路電阻為無窮大，導(dǎo)通電阻為零，切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。2-9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，只有在信號變化頻率較高而A/D轉(zhuǎn)換速度又不高，以致孔徑誤差影響轉(zhuǎn)換精度時，或者要求同時進行多路采樣的情況下，才需要設(shè)計采樣保持電路。2-10設(shè)被測溫度變化范圍為0℃~1200℃，如果要求誤差不超過0.4℃，應(yīng)該用分辨率為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？選擇依據(jù)：2-11A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號有什么作用？根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式，A/D轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們在接口電路和程序設(shè)計上有什么特點？判斷本次AD轉(zhuǎn)換是否完成。常見的A/D轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式，各自特點如下?延時等待法:EOC可不和I/O口連接，程序設(shè)計時，延時大于ADC轉(zhuǎn)換時間后，取數(shù)據(jù)。?保持等待法:EOC與READY相連,EOC低電平時,自動插入等待狀態(tài)。直至EOC高電平時，取數(shù)據(jù)。?查詢法:EOC可以和任意I/O口連接，程序設(shè)計時，反復(fù)判斷EOC是否有效，直至EOC高電平時，取數(shù)據(jù)。?中斷響應(yīng)法:EOC與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后,發(fā)中斷申請,在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。3-2簡述數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計基本思想及設(shè)計步驟。思想：將計算機控制系統(tǒng)看作是一個連續(xù)系統(tǒng)，采用連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計出模擬控制器，在滿足一定條件下，對其離散化處理，形成數(shù)字控制器。S1：設(shè)計模擬控制器——D(s)S2：選擇合適的采樣周期TS3：模擬控制器D(s)的離散化S4：仿真校驗是否達到設(shè)計要求S5：數(shù)值控制器的計算機實現(xiàn)3-4計算機控制系統(tǒng)中，采樣周期的選擇學(xué)要注意什么問題？1.從被控對象的特性考慮：（1）慢速的熱工對象：T=Tp/(2~4)（2）快速系統(tǒng)，T<1/10Tp；（3）純滯后對象，T<（1/10~1/4)τ；大純滯后，T=τ2.從控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和抗干擾性能方面考慮：T選擇要小些經(jīng)驗：在閉環(huán)響應(yīng)的一個振蕩周期內(nèi)至少采樣6~8次；或者，在閉環(huán)階躍響應(yīng)的上升時間內(nèi)至少采樣2~4次；3.從系統(tǒng)的控制品質(zhì)方面考慮：T選擇的越小，控制品質(zhì)越高，在系統(tǒng)輸出達到95%的過渡過程時間內(nèi)，采樣6~15次；4.從計算機的工作量和回路成本方面考慮：T選擇要大一些T>=各個回路采樣周期的和5.從計算機及AD、DA轉(zhuǎn)換器的特性方面考慮：T選擇的過小，計算機的量化誤差會使調(diào)節(jié)作用減弱。6.從執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)速度方面考慮：T選擇的過小，執(zhí)行機構(gòu)不能及時響應(yīng)。3-11試寫出數(shù)字PID控制的位置適和增量式，比較他們的優(yōu)缺點。位置型算式：增量型算式：（1）位置型算法容易產(chǎn)生大的累加誤差。增量型算法不需要做累加，對控制量的計算影響較小。（2）采用增量式算法時所用的執(zhí)行器本事都是具有保持功能，在計算機放生故障時，執(zhí)行器保持原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。（3）采用增量型算法，由于算式中不出現(xiàn)U0項，則易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。3-12試說明PID控制器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)的作用。比例環(huán)節(jié)：能迅速放映偏差，從而減小偏差，但不能消除靜差，Kp的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分環(huán)節(jié)：只要系統(tǒng)存在偏差，積分環(huán)節(jié)就會產(chǎn)生控制作用減小偏差，直到最終消除偏差，但積分作回事系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至是系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩；微分環(huán)節(jié)：有助于系統(tǒng)減小超調(diào)，客服震蕩，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時間，但Td過大，會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。3-13試描述PID控制器中比例系數(shù)，積分時間常數(shù)和微分常數(shù)的變化對閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的影響。Kp增大，系統(tǒng)響應(yīng)加快，靜差減小，但系統(tǒng)振蕩增強，穩(wěn)定性下降；Ti增大，系統(tǒng)超調(diào)減小，振蕩減弱，但系統(tǒng)靜差的消除也隨之減慢；Td增大，調(diào)節(jié)時間減小，快速性增強，系統(tǒng)振蕩減弱，穩(wěn)定性增強，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。3-15什么叫積分飽和？系統(tǒng)有較大的擾動或給定值有較大變化時由于系統(tǒng)系統(tǒng)的慣性偏差e將隨之增大，標準PID算法中的積分項將有較大的積累值，以致使位置式PID的計算結(jié)果超出Umin≤U≤Umax所限定范圍。主要由PID位置算式中的積分項引起的。消除方法：對PID控制算法計算出的控制量進行約束，也就是對積分項和微分項進行改進，形成各種改進的數(shù)字PID控制算法3-16不完全微分數(shù)字PID算法解決了標準數(shù)字PID控制算法中什么問題？試推導(dǎo)出不完全微分數(shù)字PID的增量式。不易引起振蕩，改善控制效果，是控制器的抗干擾能力得到提高。3-18對PID控制器參數(shù)整定的目的是什么？敘述擴充響應(yīng)曲線發(fā)整定PID參數(shù)的步驟。它適用于什么類型的被控對象？在控制器的形式已經(jīng)確定的情況下，通過調(diào)正控制器參數(shù)，達到要求的控制目標整定步驟如下：①選擇一足夠小的采樣周期。若系統(tǒng)存在純滯后，采樣周期應(yīng)小于純滯后的1／10。②投入純比例控制，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。記下臨界比例系數(shù)和臨界振蕩周期。③選擇控制度；④按擴充臨界比例度法參數(shù)整定計算公式，求取T、Kp、Ti、Td。⑤按求得的參數(shù)運行，在運行中觀察控制效果，用試湊法適當(dāng)調(diào)整有關(guān)控制參數(shù)，以便獲得滿意的控制效果。適用于具有自平衡性的被控對象，不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。4-1簡述數(shù)字控制器離散化設(shè)計方法的基本思想和設(shè)計步驟。思想：若已知系統(tǒng)廣義脈沖傳遞函數(shù)G（Z），且可根據(jù)設(shè)計要求，和控制系統(tǒng)性能指標構(gòu)造出，就可以根據(jù)D（Z）=/G（Z），[1-]直接求出數(shù)字控制器D（Z）。步驟：S1：求系統(tǒng)廣義脈沖傳遞函數(shù)，即對帶有零階保持器的被控對象傳遞函數(shù)進行變換。S2：根據(jù)對控制系統(tǒng)性能指標的要求和其他約束條件，構(gòu)造系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。S3：求出數(shù)字控制器。S4：檢驗計算機控制系統(tǒng)閉環(huán)性能。若滿足指標要求，進行下一步；否則，重新進行設(shè)計。S5：將D(z)變?yōu)椴罘址匠?，在計算機上編程實現(xiàn)。4-2什么是最小拍系統(tǒng)？最小拍控制的性能指標是什么？最小拍系統(tǒng)有什么不足之處?所謂最小拍控制，就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài)，使系統(tǒng)輸出值盡快地跟蹤期望值的變化。性能指標：系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間最短或者盡可能最短不足之處：當(dāng)輸入信號形式改變時，系統(tǒng)的性能將變壞，輸出響應(yīng)不一定理想，對輸入信號變化的適應(yīng)性差4-6Dahlin算法的設(shè)計目標是什么？設(shè)計一個適合的數(shù)字控制器D（Z），使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個一階慣性純滯后系統(tǒng)。4-7什么是振鈴現(xiàn)象？振鈴是如何引起的？如何消除振鈴現(xiàn)象？振鈴現(xiàn)象：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。起因：數(shù)字控制器D（Z）在Z平面上Z=-1附近有極點消除振鈴現(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RA≤0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RA≤0，也可以把RA減到最小，最大程度地抑制振鈴。（2）消除振鈴因子法找出數(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)。5-5數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點？(1)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，很容易實現(xiàn)。同時，多個輸入通道還可以共用一個濾波程序。(2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高,穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。(3)數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。(4)通過改寫數(shù)字濾波程序，可以實現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，它比改變模擬濾波器的硬件方便得多。5-6常用的數(shù)字濾波方法有幾種？它們各自有什么特點？常用的數(shù)字濾波方法有7種。（1）程序判斷濾波法：是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn)得最大偏差。（2）中值濾波法：它對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效。（3）算術(shù)平均值濾波法：它適用于一般的具有隨機干擾信號的濾波。它特別適合于信號本身在某一數(shù)值范圍附近作上下波動的情況。（4）加權(quán)平均值濾波：可以提高濾波效果（5）移動平均值濾波法：采樣時間短，可以提高檢測速度（6）一階慣性濾波法：適用于慢速隨機變量的濾波（7）復(fù)合濾波：比單純的平均值濾波的效果要好5-7算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波以及滑動平均濾波三者有什么區(qū)別？算術(shù)平均值法適用于對壓力、流量等周期脈動信號的平滑，這種信號的特點是往往在某一數(shù)值范圍附近作上、下波動，有一個平均值。這種算法對信號的平滑程度取決于平均次數(shù)N，當(dāng)N較大時平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N較小時，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)該視具體情況選取N值。對于一般流量，通常取N=12；若為壓力，則取N=4。在算術(shù)平均濾波中，N次采樣值在結(jié)果中所占的比重是均等的，即每次采樣值具有相同的加權(quán)因子1/N。但有時為了提高濾波效果，往往對不同時刻的采樣值賦以不同的加權(quán)因子。這種方法稱為加權(quán)平均濾波法，也稱滑動平均或加權(quán)遞推平均。其算法為其中。加權(quán)因子選取可視具體情況決定，一般采樣值愈靠后，賦予的比重越大，這樣可增加新的采樣值在平均值中的比例，系統(tǒng)對正常變化的靈敏性也可提高，當(dāng)然對干擾的靈敏性也稍大了些。滑動平均值濾波法，依次存放N次采樣值，每采進一個新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內(nèi)的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。6-2什么是共模干擾和串模干擾？