1、第一章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念是什么？計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論及自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的結(jié)果，是以自動(dòng)控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為手段的控制系統(tǒng)。2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由哪些部分組成？并畫出方框圖。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、操作臺(tái)、 輸入通道、輸出通道、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象以及相應(yīng)的軟件組成。3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有哪些？穩(wěn)定性/動(dòng)態(tài)指標(biāo)/穩(wěn)態(tài)指標(biāo)/能控性與能觀性4、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有哪些？各項(xiàng) 信號(hào)形式 控制規(guī)律實(shí)現(xiàn) 控制形式 控制器作用 功能強(qiáng)度 自動(dòng)化程度連續(xù)控制系統(tǒng) 都是模擬信號(hào) 由模擬電路實(shí)現(xiàn) 整個(gè)過(guò)程始終連續(xù)控

2、制 一個(gè)控制器控制一個(gè)回路 簡(jiǎn)單控制 自動(dòng)化程度低計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)皆有 由計(jì)算機(jī)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn) 整個(gè)過(guò)程始終離散控制 一個(gè)控制器分時(shí)控制多個(gè)回路具有豐富的指令系統(tǒng)和很強(qiáng)的邏輯判斷功能便于實(shí)現(xiàn)控制與管理的一體化5、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是怎樣分類的？按功能和控制規(guī)律可分為幾類？一、按控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) TOC o 1-5 h z 直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC計(jì)算機(jī)分級(jí)控制集散控制系統(tǒng)DCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS二、按控制規(guī)律分類程序和順序控制 PID 控制最少拍控制復(fù)雜規(guī)律的控制智能控制第二章 離散控制系統(tǒng)及Z 變換分析法1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)形式

3、有哪些？連續(xù)模擬信號(hào): 時(shí)間與幅值上均連續(xù)，如r(t)、 y(t)、 u(t)離散模擬信號(hào): 時(shí)間是離散的，幅值上連續(xù)，如y*(t) 、 u*(t)離散數(shù)字信號(hào): 時(shí)間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT) 、 u(kT)2、香農(nóng)(Shannon)采樣定理是如何描述的？一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)f(t)，設(shè)其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為max(或fmax)，如果在等間隔點(diǎn)上對(duì)該信號(hào)f(t) 進(jìn)行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號(hào)f *(t) 能包含原信號(hào)f(t) 的全部信息量。則采樣角頻率只有滿足下面的關(guān)系： s 2 max采樣后的離散信號(hào)f *(t)才能夠無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)f(t)。否則不能從f *(t)中恢復(fù)

4、 f(t)。其中， max是最高角頻率，s是采樣角頻率。它與采樣頻率fs、采樣周期T 的關(guān)系為：3、簡(jiǎn)述信號(hào)的恢復(fù)過(guò)程。零階保持器的作用是什么？其傳遞函數(shù)形式是什么？零階保持器作用：將前一個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值f(kT) 恒定地保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻(k+1)T 。也就是說(shuō)在區(qū)間 kT， (k+1)T 內(nèi)零價(jià)保持器的輸出為常數(shù)。零階保持器的傳遞函數(shù)設(shè)零階保持器在(t)作用下的脈沖響應(yīng)h(t)， 而h(t)又可以看成單位階躍函數(shù)1(t)與 1(t-T)的迭加即：h(t)=1(t)-1(t-T) 。取拉氏變換，得零階保持器的傳遞函數(shù):TsH (s)4、掌握常用信號(hào)的Z 變換9、脈沖傳遞函數(shù)定義是什么？零

5、初始條件下，離散輸出信號(hào)的Z 變換與離散輸入信號(hào)的Z 變換之比。Y(z )G(z)=R(z)10、開環(huán)Z 傳遞函數(shù)的求法：15、采樣系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是什么？采樣系統(tǒng)穩(wěn)定的條件：閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于z 平面上以原點(diǎn)為圓心的單位圓內(nèi)。即|zi|1求該系統(tǒng)在三種典型信號(hào)的作用下的 穩(wěn)態(tài)誤差。18、掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析：勞斯判據(jù)。19、已知一采樣控制系統(tǒng)，試求：(1)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。(2)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)系統(tǒng)對(duì)階躍輸入和斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差。第三、四章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計(jì)1、 D(z)的設(shè)計(jì)方法常見有哪兩種？( 1 )離散化設(shè)計(jì)方法直接設(shè)計(jì)方法(重點(diǎn))思想：已知被控

6、對(duì)象的Z 傳遞函數(shù)G(Z) ，根據(jù)所要求的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。( 2)連續(xù)化設(shè)計(jì)方法間接設(shè)計(jì)方法思想： 先設(shè)計(jì)控制器的傳遞函數(shù)D(s)， 然后采用某種離散化方法，將它變成計(jì)算機(jī)算法。2、最少拍系統(tǒng)概念？最少拍控制中主要研究哪三種類型的設(shè)計(jì)方法？最少拍設(shè)計(jì)：就是系統(tǒng)在典型輸入下，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z) 使閉環(huán)系統(tǒng)輸出在最少個(gè)采樣周期內(nèi)能準(zhǔn)確跟蹤輸入(或系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差為0) 。(1)最少拍控制器的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)無(wú)誤差，簡(jiǎn)單，但是本身缺陷多。(2)最少拍有紋波控制器的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)無(wú)誤差，考慮了系統(tǒng)穩(wěn)定性，但輸出有紋波。(3)最少拍無(wú)紋波控制器的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)無(wú)誤差，考慮了系統(tǒng)穩(wěn)定性，輸出無(wú)紋波。3、簡(jiǎn)

7、述數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟。( 1 )求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z);( 2)根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求和其它約束條件，確定所需要的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)(z)和閉環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù)e(z);( 3)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，就可編寫控制算法程序。4、不同輸入時(shí)，最少拍控制器設(shè)計(jì)綜合：5、 最少拍控制器的局限性體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？最少拍控制器的設(shè)計(jì)只是使系統(tǒng)對(duì)某一典型輸入的響應(yīng)為最少拍，但對(duì)其他典型輸入不一定為最少拍，甚至引起靜差和超調(diào)：當(dāng)針對(duì)某一典型的輸入函數(shù)R(z) 設(shè)計(jì)的D(z) ， 用于次數(shù)較高的R(z) ，系統(tǒng)將不能完全跟蹤

8、，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)針對(duì)某一典型的輸入函數(shù)R(z) 設(shè)計(jì)的D(z) ， 用于次數(shù)較低的R(z) ，系統(tǒng)將出現(xiàn)超調(diào)；顯然， 一種典型的最少拍控制器只適應(yīng)一種特定的輸入，而不能適用于各種輸入。6、 最少拍有紋波控制器的設(shè)計(jì)7、實(shí)例：設(shè)計(jì)最少拍有紋波控制系統(tǒng)。解:(i(Z)=(l-2)Z Rs旬一 I= 10(1-1-)二/尸一修7+/-3黑，G(z)中含有一個(gè)ZT因子，沒(méi)有不穩(wěn)定極點(diǎn)和零點(diǎn)。貝懺二 1, u二0, v=0, q=lo3.68(1+0.718)=(1 七 i)(L0.3683)r+u-l=l+0-l=0F2(z)=k q+v-1-1+0-1-0 Fl(z)=l(z)=zr (l-biz

9、-1)F2(z) =kz1 i=l1r, K=1e(Z)=l=7-Z-7.(z)Be=1Z-18、最小拍有紋波控制器出現(xiàn)紋波的原因？數(shù)字控制器輸出u(k)在若干拍后，不為0或常值，是震蕩收斂的。9、最小拍有紋波控制器出現(xiàn)紋波后對(duì)系統(tǒng)有什么影響？消除紋波辦 法？輸出在采樣點(diǎn)之間有偏差；增加了執(zhí)行元件的功率損耗和機(jī)械元件的磨損。最小拍無(wú)紋波控制器能夠消除輸出紋波。10、有紋波和無(wú)紋波設(shè)計(jì)唯一區(qū)別是什么？有紋波和無(wú)紋波設(shè)計(jì)唯一區(qū)別在于：有紋波設(shè)計(jì)時(shí)，( z) 包含G(z)單位圓上和單位圓外的零點(diǎn)；無(wú)波紋設(shè)計(jì)時(shí)，(z) 包含 G(z)單位圓內(nèi)、單位圓上、單位圓外的所有零點(diǎn)。第五章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬

10、化設(shè)計(jì)1 模擬控制器的離散化方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？1、沖激不變法2、加零階保持器的Z 變換法(常用)3、差分變換法4、雙線性變換法5、頻率預(yù)畸變雙線性變換法6、零極點(diǎn)匹配法沖激不變法的特點(diǎn)： D(z)與D(s)的脈沖響應(yīng)相同。若 D(s)穩(wěn)定，則D(z)也穩(wěn)定。D(z)不能保持D(s)的頻率響應(yīng)。(缺點(diǎn))D(z)將s的整數(shù)倍頻率變換到Z 平面上的同一個(gè)點(diǎn)的頻率，因而出現(xiàn)了混疊現(xiàn)象。(缺點(diǎn))加零階保持器Z 變換法的特點(diǎn)：若 D(s)穩(wěn)定，則D(z)也穩(wěn)定。 D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。(缺點(diǎn))后向差分變換法的特點(diǎn)：穩(wěn)定的D(s)變換成穩(wěn)定的D(z)。D(z)不能保持D(s)

11、的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。(缺點(diǎn))前向差分變換法的特點(diǎn)：穩(wěn)定的D(s)不能保證變換成穩(wěn)定的D(z)，且不能保證有相同的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。雙線性變換的特點(diǎn)：將整個(gè)S 平面的左半面變換到Z 平面的單位圓內(nèi)，因而沒(méi)有混疊效應(yīng)。穩(wěn)定的D(s)變換成穩(wěn)定的D(z)。D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。(缺點(diǎn))2什么叫模擬PID 調(diào)節(jié)器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)？它對(duì)采樣周期有什么要求？理由何在？?3位置式PID 算法和增量式PID 算法是什么？各有什么樣的優(yōu)缺點(diǎn)？ TOC o 1-5 h z 1 位置式kT k e(k) e(k 1) u(k)KPe(k)e(j) TDTI j 0Tk=KPe(k) KIe(j

12、) KD e(k)-e(k-1)j0uP(k) uI(k) uD(k)2、增量式當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不需要控制量的全值，而是其增量，由位置式可以導(dǎo)出增量PID 控制算法。 TOC o 1-5 h z TkTu(k) KPe(k) T e(j) TDe(k) e(k 1)TI j 0Tu(k 1) KPe(k 1) T k 1e(j) TDe(k 1) e(k 2)TI j 0 Tu(k) KPe(k) e(k 1) T e(k) TDe(k) 2e(k 1) e(k 2)TIT利用增量型PID 控制算法，可得到位置型PID 控制算法的遞推形式，即 u(k) u(k 1) u(k)兩者本質(zhì)相同，只是后者需

13、要使用有附加積分作用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動(dòng)作影響??；(2)在k 時(shí)刻的增量輸出u(k)， 只需用到此時(shí)刻的偏差e(k)、 以及前一時(shí)刻的偏差e(k-1)、前兩時(shí)刻的偏差e(k-2)，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間；(3)在進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)，控制量沖擊小，能夠較平滑地過(guò)渡；4試描述PID 調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的變化對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的影響(分別對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能影響) 。1、比例控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響Kp 加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快；但當(dāng)Kp 太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；當(dāng)Kp 太小

14、時(shí)，使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢。對(duì)穩(wěn)態(tài)性能影響加大比例控制Kp ，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。2、積分控制Ti 對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響積分控制Ti 通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。當(dāng)Ti 太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定；當(dāng)Ti 小時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的性能影響減少。當(dāng)Ti 合適時(shí)，過(guò)渡特性比較理想。對(duì)穩(wěn)態(tài)性能影響Ti 能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但Ti 太大時(shí)，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。3、微分控制Td 對(duì)系統(tǒng)性能的影響對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響微分可以改善動(dòng)態(tài)特性，如減少超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間縮短等。對(duì)穩(wěn)態(tài)性能影響微分控制中允許加大比例控制，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制

15、精度。但Td 太大時(shí)，超調(diào)量較大、調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。Td 偏小時(shí)，超調(diào)量也較大、調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有合適時(shí)，可以得到比較滿意的過(guò)渡過(guò)程。PID 參數(shù)整定有些什么樣的方法？它們各自的特點(diǎn)和適應(yīng)范圍如何？ 試湊法(常用)擴(kuò)充臨界比例度法歸一參數(shù)整定法擴(kuò)充響應(yīng)曲線法優(yōu)選法變參數(shù)的PID 控制(常用)各自特點(diǎn)和適應(yīng)范圍：略第六章 離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析法1、線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間表達(dá)式的表示形式？狀態(tài)方程輸出方程2、由差分方程導(dǎo)出離散狀態(tài)空間表達(dá)式：u(kT)T ) y(kT ).y(kT2T)0.2y(kTT)0.5y(kT)2.y(kT3T)0.5y(kT2T)0.2y(kTu(kTT)1.2

16、u(kT)第十二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1 簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容？1 研究被控對(duì)象、確定控制任務(wù)2確定系統(tǒng)整體方案(1)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)(2)確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案(3)控制系統(tǒng)總體“黑箱”設(shè)計(jì) (4)控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分 3建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法4硬件的設(shè)計(jì) (1)確定過(guò)程的輸入、輸出通道及其處理方式 (2)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選擇 (3)過(guò)程通道及接口設(shè)計(jì) (4)控制臺(tái)設(shè)計(jì) (5)可靠性設(shè)計(jì) (6)硬件調(diào)試 5軟件的設(shè)計(jì)( 1)選擇編程語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言 混合語(yǔ)言( 2)軟件設(shè)計(jì)步驟問(wèn)題定義細(xì)化設(shè)計(jì)編制源程序 形成可執(zhí)行代碼調(diào)試6系統(tǒng)仿真與調(diào)試實(shí)驗(yàn)室硬件聯(lián)調(diào)

17、實(shí)驗(yàn)室軟件聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)仿真7現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試簡(jiǎn)述過(guò)程輸入輸出通道的分類，組成及功能。一、過(guò)程輸入輸出通道的組成與功能根據(jù)過(guò)程信息的性質(zhì)及傳送方向，過(guò)程通道包括：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的控制通道也有兩種: 即模擬量輸出通道及數(shù)字量輸出通道。功能？簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要抗干擾措施。1 接地技術(shù)2屏蔽技術(shù)3隔離技術(shù)4串模干擾的抑制5共模干擾的抑制6電源噪聲的抑制7提高軟件可靠性課堂練習(xí):求尸與的;變換尸幻。尸($)二所亦罰解：尸缶尸湍J(磊一)&)=溢(號(hào)-百)_ K ?)一 (b-a) (z-e-aT)(z-e-bT)課堂練習(xí)：求函數(shù)減變

18、換。F=?隘)4解：0.6z-7+.84z-2+0.936q3+Z2-l. 4z+0.4 師0.6“).84+0.24z1U.84-0.24 = 10841176石1+0.336醛20936不。336片0.936短1.31C20.374130.9740.374F(z)=O. 6z0.84z2+0.93643+ /*=。曲(tT)+0.86 (t-2T)+0.93(r) (/-37)+-課堂練習(xí)：y(k-2)-3y(k-l)+2y(k)=u(k) u(k)=l(k)解；對(duì)差分方程求座換得2y 一 3z-1K(z) + z-2Y(z) = U(z)=丫二z-12-3Z-1 +z2 z-1z-3J_

19、3 二+ 4(Z ITZ 1一歹（左）二左3（1/+43左課堂練習(xí)：分別求串聯(lián)環(huán)節(jié)兩種情況的脈沖傳遞函數(shù)C&AGi（s尸 s（；+3）2（s）=+T 設(shè)： 一7=7解：（1）串聯(lián)環(huán)節(jié)間無(wú)采樣開關(guān)G（s）=Gt（s）G2（s）= s（s+j（s+3）=畢-備+籌G (八一2 - +z/32z/3+z/3(z-1)（2）串聯(lián)環(huán)節(jié)間有采樣開關(guān)- 1/3. 1/3g （八一這-0Gi一 了 THG/J-/GO2z2z.z-e-注意特殊情況:GfiAz）13、閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)求法：1)2)解：系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)：(有問(wèn)題)14、用Z 傳遞函數(shù)分析離散系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性：設(shè)輸入為單位階躍信號(hào)：R(z)=r 0.368z+0.264 z 0.368z2+0.264zY(z)= z2-z+0.632TT = z3-2z2+L 632z-0.632=0368H+1.4c3+1.4L +ij47z5+0.895v6+0.87+ -y(t)0.368 6(t-T)+16 (t-2T)+1.4d (t-3T)+L4S(t-4T)+LI47 3 (t-5T)+0.895 3 (/-6T)+ -(b)系統(tǒng)的榆出脈沖