計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)題答案PAGEPAGE1《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》課程復(fù)習(xí)題答案知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本概念。具體為了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與生產(chǎn)自動(dòng)化的關(guān)系；掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特性；理解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類和發(fā)展趨勢(shì)?；卮痤}：畫出典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖；答：典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖如下：簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般控制過程；答：(1)數(shù)據(jù)采集及處理，即對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；(2)實(shí)時(shí)控制，即按已設(shè)計(jì)的控制規(guī)律計(jì)算出控制量，實(shí)時(shí)向執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)。答：為了實(shí)施隔離技術(shù)，隔離電源可以為被隔離的各個(gè)部分提供獨(dú)立的或相互隔離的電源供電，以切斷各個(gè)部分間的電路聯(lián)系。什么是采樣或采樣過程？答：采樣或采樣過程，就是抽取連續(xù)信號(hào)在離散時(shí)間瞬時(shí)值的序列過程，有時(shí)也稱為離散化過程。簡(jiǎn)述典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所包含的信號(hào)形式。答：(1)連續(xù)信號(hào)。(2)模擬信號(hào)。(3)離散信號(hào)。(4)采樣信號(hào)。(5)數(shù)字信號(hào)。根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為哪幾種類型？答：根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類型。(1)周期采樣。指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，也稱為普通采樣。(2)同步采樣。如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同且同時(shí)進(jìn)行采樣。(3)非同步采樣。如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時(shí)開閉。(4)多速采樣。如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，每個(gè)采樣開關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同。(5)隨機(jī)采樣。若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等。什么是信號(hào)重構(gòu)？答：把離散信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)信號(hào)的過程，稱為信號(hào)重構(gòu)，它是采樣的逆過程。寫出零階保持器的傳遞函數(shù)。答：零階保持器的傳遞函數(shù)為。引入零階保持器對(duì)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)有何影響？答：零階保持器的引入并不影響開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)。簡(jiǎn)述采樣定理的基本內(nèi)容。答：采樣定理:如果連續(xù)信號(hào)具有有限頻譜，其最高頻率為,則對(duì)進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率時(shí)，連續(xù)信號(hào)可以由采樣信號(hào)唯一確定，亦即可以從無失真地恢復(fù)。簡(jiǎn)述連續(xù)信號(hào)的定義。答：連續(xù)信號(hào)是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號(hào)，它的幅值可以是連續(xù)的,也可以是斷續(xù)的。簡(jiǎn)述離散信號(hào)的定義。答：模擬信號(hào)是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號(hào)，它的幅值在某一時(shí)間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)的一個(gè)子集，在大多數(shù)場(chǎng)合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來，均指模擬信號(hào)。簡(jiǎn)述采樣信號(hào)的定義。答：采樣信號(hào)是離散信號(hào)的子集，在時(shí)間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場(chǎng)合中，我們提及離散信號(hào)就是指采樣信號(hào)。簡(jiǎn)述數(shù)字信號(hào)的定義。答：數(shù)字信號(hào)是幅值整量化的離散信號(hào)，它在時(shí)間上和幅值上均是離散的。知識(shí)點(diǎn)：數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法。具體為介紹數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)方法，掌握模擬控制器與數(shù)字控制器的轉(zhuǎn)換方法，掌握數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)方法及存在的問題、改進(jìn)的辦法?；卮痤}：簡(jiǎn)述比例調(diào)節(jié)作用。答：比例調(diào)節(jié)器對(duì)偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。比例調(diào)節(jié)器雖然簡(jiǎn)單快速，但對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對(duì)象存在靜差。加大比例系數(shù)KP可以減小靜差，但是KP過大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。簡(jiǎn)述積分調(diào)節(jié)的作用答：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。積分時(shí)間常數(shù)TI大，則積分作用弱，反之強(qiáng)。增大TI將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分調(diào)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。簡(jiǎn)述微分調(diào)節(jié)的作用答：為加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。為什么會(huì)出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象？答：當(dāng)給定值發(fā)生很大躍變時(shí)，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大(由于積分項(xiàng)的系數(shù)一般小得多，所以積分部分的增量相對(duì)比較小)。如果該計(jì)算值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想，其中計(jì)算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。如何消除比例和微分飽和現(xiàn)象？答：抑制比例和微分飽和的辦法之一是用“積分補(bǔ)償法”。其中心思想是將那些因飽和而未能執(zhí)行的增量信息積累起來，一旦有可能再補(bǔ)充執(zhí)行。增量型PID控制算式具有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：(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)作影響小。(2)在i時(shí)刻的輸出ui，只需用到此時(shí)刻的偏差，以及前一時(shí)刻、前兩時(shí)刻的偏差ei-1、ei-2和前一次的輸出值ui-1，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，能夠較平滑地過渡。如何利用試湊法調(diào)整PID算法的參數(shù)？答：(1)先整定比例部分：將比例系數(shù)KP由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢(shì)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。(3)如果即使有比例積分控制器消除了偏差，但動(dòng)態(tài)過程仍不令人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間系數(shù)TD為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時(shí)間系數(shù)TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)KP和積分時(shí)間系數(shù)TI，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。何為積分飽和現(xiàn)象？答：在標(biāo)準(zhǔn)PID位置算法中，控制系統(tǒng)在啟動(dòng)、停止或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時(shí)間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項(xiàng)累積后，可能會(huì)使控制量u(k)很大，甚至超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限umax。另外，當(dāng)負(fù)誤差的絕對(duì)值較大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)u<umin的另一種極端情況。顯然，當(dāng)控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限時(shí)，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想，從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時(shí)容易發(fā)生，而且在起動(dòng)時(shí)特別明顯，故也稱“起動(dòng)效應(yīng)”。如何消除積分飽和現(xiàn)象？答：減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過大。因此當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，刪除積分作用，PID控制器相當(dāng)于一個(gè)PD調(diào)節(jié)器，既可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)又可以消除積分飽和現(xiàn)象，不致使系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)和振蕩。只有當(dāng)誤差e在門限之內(nèi)時(shí)，加入積分控制，相當(dāng)于PID控制器，則可消除靜差，提高控制精度。等效離散化設(shè)計(jì)方法存在哪些缺陷？答：等效離散化設(shè)計(jì)方法存在以下缺陷：(1)必須以采樣周期足夠小為前提。在許多實(shí)際系統(tǒng)中難以滿足這一要求。(2)沒有反映采樣點(diǎn)之間的性能。特別是當(dāng)采樣周期過大，除有可能造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定外，還使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于“開環(huán)”、失控狀態(tài)。因此，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞。(3)等效離散化設(shè)計(jì)所構(gòu)造的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其性能指標(biāo)只能接近于原連續(xù)系統(tǒng)(只有當(dāng)采樣周期T=0時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)才能完全等同于連續(xù)系統(tǒng))，而不可能超過它。因此，這種方法也被稱為近似設(shè)計(jì)。計(jì)算題：1.用后向差分法求下列模擬控制器的等效數(shù)字控制器，設(shè)采樣周期T=1s。解：2.用雙線性變換法求下列模擬控制器的等效數(shù)字控制器，設(shè)采樣周期T=0.5s。解：3．某連續(xù)控制系統(tǒng)的校正裝置的傳遞函數(shù)為試分別用前向差分法和后向差分法求該裝置的遞推輸出序列（設(shè)輸入為e(t)，輸出為u(t)）。解：前向差分后向差分4.已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為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)D(z)，其中T=1s。解：應(yīng)用雙線性變換5.已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為寫出等效的遞推型數(shù)字PID控制器的差分形式。解：應(yīng)用后向差分法6.已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為現(xiàn)用數(shù)字PID算法實(shí)現(xiàn)它，試寫出其相應(yīng)的增量型PID算法輸出表達(dá)式。設(shè)采樣周期T=1s。解：應(yīng)用后向差分法等效離散化知識(shí)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的直接設(shè)計(jì)方法。具體為掌握數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法，包括最少拍無差有波紋、無波紋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，大林方法。了解根軌跡設(shè)計(jì)法及頻域設(shè)計(jì)法?；卮痤}：給出常規(guī)的直接設(shè)計(jì)法或離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟。答：直接設(shè)計(jì)法或稱離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟如下：(1)根據(jù)已知的被控對(duì)象，針對(duì)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求及其它約束條件，確定理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。(2)確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；根據(jù)D(z)編制控制算法程序。什么是最少拍設(shè)計(jì)？答：最少拍設(shè)計(jì)，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(hào)(如階躍信號(hào)，速度信號(hào)，加速度信號(hào)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。最少拍設(shè)計(jì)有什么不足之處？答：最少拍控制器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于不同的輸入，要求使用不同的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。所以這樣設(shè)計(jì)出的控制器對(duì)各種典型輸入信號(hào)的適應(yīng)能力較差。若運(yùn)行時(shí)的輸入信號(hào)與設(shè)計(jì)時(shí)的輸入信號(hào)形式不一致，將得不到期望的最佳性能。最少拍無紋波控制器實(shí)現(xiàn)的必要條件是什么？答：最少拍無紋波控制能夠?qū)崿F(xiàn)的必要條件是被控對(duì)象中含有與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的積分環(huán)節(jié)數(shù)。大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是什么？答：大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)都是使閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)相當(dāng)于一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，其中純滯后環(huán)節(jié)的滯后時(shí)間τ與被控對(duì)象的純滯后時(shí)間完全相同。所謂振鈴現(xiàn)象是什么？答：所謂振鈴(Ringing)現(xiàn)象，是指數(shù)字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。振鈴幅度如何定義？答：振鈴幅度RA用來衡量振鈴強(qiáng)烈的程度。常用單位階躍作用下數(shù)字控制器第0次輸出量與第1次輸出量的差值來衡量振鈴現(xiàn)象強(qiáng)烈的程度。如何消除振鈴現(xiàn)象？答：有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象。第一種方法是先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=-1附近的極點(diǎn))，然后令其中的z=1，根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。第二種方法是從保證閉環(huán)系統(tǒng)的特性出發(fā)，選擇合適的采樣周期T及系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)Tc，使得數(shù)字控制器的輸出避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的振鈴現(xiàn)象。計(jì)算題：已知廣義被控對(duì)象:,給定T=1s。針對(duì)單位斜坡輸入設(shè)計(jì)最小拍有紋波控制系統(tǒng)。解：由已知條件，被控對(duì)象含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，有能力產(chǎn)生單位斜坡響應(yīng)。求廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為可以看出，G(z)的零點(diǎn)為-0.718(單位圓內(nèi))、極點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)包含在Φe(z)的零點(diǎn)中，由于系統(tǒng)針對(duì)等速輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，故p=2。為滿足準(zhǔn)確性條件另有Φe(z)=(1－z1)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)脈沖傳遞函數(shù)為則設(shè)不穩(wěn)定對(duì)象，試對(duì)單位階躍輸入設(shè)計(jì)最少拍有紋波控制器。解：由知，給定對(duì)象，試對(duì)單位階躍輸入設(shè)計(jì)最少拍有紋波數(shù)字控制器。解：由題知，已知廣義被控對(duì)象:,給定T=1s。針對(duì)單位階躍輸入設(shè)計(jì)最小拍無紋波控制系統(tǒng)。解：廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為可以看出，G(z)的零點(diǎn)為-0.718(單位圓內(nèi))、極點(diǎn)為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi))，故w=0,v=0(單位圓上除外),m=1。針對(duì)階躍輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，故p=1。于是可設(shè)解得。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則設(shè)對(duì)象的傳遞函數(shù)，采樣周期T＝1s，試對(duì)單位階躍輸入設(shè)計(jì)最少拍無紋波數(shù)字控制器。解：對(duì)所給對(duì)象