计算机控制系统试卷二答案

计算机控制系统试卷二答案

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一、 简答题（每小题4分，共40分）

1. 连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？ 答：与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点： (1) 计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

(2) 在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。

(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

(4) 计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。 (5) 一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。

(6) 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。

2. 简述计算机控制系统的一般控制过程。

答：(1) 数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。

(2) 实时控制，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。

3. 简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。

答：(1) 连续信号

连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的,也可以是断续的。

(2) 模拟信号

模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。

(3) 离散信号

离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。 (4) 采样信号

采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连

续的。在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。

(5) 数字信号

数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。

4. 线性定常离散系统的稳态误差是否只与系统本身的结构和参数有关？

答：线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。除此之外，离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关。

5. 增量型PID控制算式具有哪些优点？

答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小。

(2)在i时刻的输出ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻、前两时刻的偏差ei-1、ei-2和前一次的输出值ui-1，这大大节约了内存和计算时间。

(3)在进行手动—自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。

6. 如何利用试凑法调整PID算法的参数？

答：(1)先整定比例部分：将比例系数KP由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那只需用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。

(2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则需加入积分环节。整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI,同时将第一步整定得到的比例系数KP缩小一些(比如取原来的80%)，然后减小积分时间系数，使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数KP和积分时间系数TI,从而实现满意的控制过程和整定参数。

(3)如果即使有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不令人满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，

同时相应地改变比例系数KP和积分时间系数TI，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。

7. 简述对偶原理的基本内容。

答：对偶原理：设S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互为对偶的两个系统，则S1的能控性等价于S2的能观测性；S1的能观测性等价于S2的能控性。或者说，若S1是状态完全能控的(完全能测观的)，则S2是状态完全能观测的(完全能控的)。

8. 与应用了传统的通用计算机的数字产品相比，嵌入式系统有哪些特点？

答：系统内核小；系统精简；高实时性和高可靠性；智能化和网络化；专用性强；需要有专用的开发工具和环境。

9. 尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能随机脉冲，如何防治尖峰脉冲干扰？

答：尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能随机脉冲，其幅度可达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微秒，出现的位置也无规律，因此采用常规的抑制办法是无效的，而必须采取综合治理的办法：

(1)“远离”干扰源。

(2) 用硬件设备抑制尖峰干扰的影响。

较常用的抑制方法有三种：在交流电源的输入端并联压敏电阻；采用铁磁共振原理，如采用超级隔离变压器；在交流电源输入端串入均衡器。

(3) 在大功率用电设备上采取措施抑制尖峰干扰的产生。

(4)采用“看门狗”(Watchdog)技术。 10. 什么是硬件故障冗余系统？

答：硬件故障冗余系统的定义是：如果一个系统在出现一定的运行性故障时，依靠系统冗余硬件的内驻能力，仍能保持系统连续正确地执行其程序和输入、输出功能，则称这一系统为硬件故障冗余系统。 二、已知系统框图如下所示： T=1s (15分)

r(t) T -

1?e?Ts sK s(s?1)y(t) 试确定闭环系统稳定时K的取值范围。

解：广义对象传递函数

1?e?TsK G(s)?ss(s?1)对应的脉冲传递函数为

?1?e?TsK?G(z)?Z?G(s)??Z???ss(s?1)???1?z?111?1? ?K(1?z)Z?2?K(1?z)?????12?1?1?1?1?ez??s(s?1)??(1?z)1?z0.368Kz?1(1?0.718z?1)0.368z?0.264 ??K(1?z?1)(1?0.368z?1)z2?1.368z?0.368?1此时系统的特征方程为

1?G(z)?1?K(0.368z?0.624)

z2?1.368z?0.368采用双线性变换z?1?(T/2)w1?0.5w ?1?(T/2)w1?0.5w可得等效的特征方程为

(1?0.0381K)w2?(0.924?0.386K)w?0.924K?0

此时，劳斯表为

w2 （1-0.0381K） 0.924K → K< 26.2

w1 0.924－0.386K → K< 2.39 w0 0.924K → K> 0

故K的变化范围为 0< K < 2.39。

三、已知某连续控制器的传递函数为 （10分）

2?nD(s)?2 2s?2?n?s??n试用双线性变换法求出相应的数字控制器的脉冲传递函数D(z)，并给出控制器的差分形式。其中T?1s。

2z?121?z?11?z?1解：令 s? ??2?1Tz?1T1?z?11?z2?nU(z)D(z)??2E(z)s2?2?n?s??n2?n(z?2?2z?1?1)?222(?n?4?n??4)z?2?(2?n?8)z?1??n?4?n??4s?21?z?11?z?1控制器的差分形式为

2222?n?8?n?4?n??4?nu(k)?2u(k?1)?2u(k?2)?2(e(k)?2e(k?1)?e(k?2))?n?4?n??4?n?4?n??4?n?4?n??4

四、已知离散控制系统的结构如下所示，采样周期T?0.2s，输入信号

1r(t)?1?t?t2，求该系统的稳态误差。 （10分）

2

r(t) 1?e?sTs 10(0.5s?1) 2sy(t)

解：系统开环脉冲传递函数为

?1?e?Ts10(0.5s?1)?G(z)?Z?G(s)??Z??2ss??z?10.4z?1(1?z?1)??5s?10??1? ?(1?z)Z??(1?z)???3?12?13?2(1?z)??s??(1?z)?1z?1(0.8?1.2z?1) ?(1?z?1)2则误差脉冲传递函数为

E(z)1(1?z?1)2Φe(z)??? ?1?2R(z)1?G(z)1?1.2z?0.2z10.2z?10.04z?1(1?z?1)1.02?1.78z?1?0.8z?2R(z)???? ?1?12?13?131?z(1?z)2(1?z)(1?z)稳态误差为

e(?)?lim(1?z?1)E(z)?Φe(z)R(z)?0.1

z?1五、已知广义被控对象为 （15分）

1?e?Ts1?2sG(s)?e

ss?1其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用史密斯预估器方法确定数字控制器。

解：不含纯滞后的广义对象脉冲传递函数为

?1?e?Ts1?G0(z)?Z?G0(s)??Z???ss?1??1?0.632z ?(1?z?1)Z????1?s(s?1)?1?0.368z?1

广义对象脉冲传递函数为

G(z)?G0(z)z?40.632z?5 ??11?0.368z不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为

?1?e?Ts1?0.865z?11，进而Φ0(z)?Z?Φ0(s)???1?0.135z?1 s0.5s?10.5s?1??Φ0(z)1?0.368z?1?1.369求得D0(z)? ?1[1?Φ0(z)]G0(z)1?z于是得史密斯预估器如下

D0(z)1?0.368z?1D(z)??1.369 ?N?1?51?(1?z)D0(z)G0(z)1?0.135z?0.865z六、采用逐点比较法插补圆弧OP，起点坐标O(0，5)，终点坐标P(5，0)，圆心在原点。要求以表格形式给出插补计算过程，并画出插补运动轨迹。（10分）

解：

步数 初始化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 误差判别 F=0 F<0 F<0 F<0 F=0 F<0 F=0 F<0 F>0 F>0 坐标进给 -y +x +x +x -y +x -y +x -y -y 下一步误差计算 F＝0 F=F-2y+1= -9 F=F+2x+1= -8 F=F+2x+1= -5 F=F+2x+1=0 F=F-2y+1= -7 F=F+2x+1=0 F=F-2y+1= -5 F=F+2x+1=4 F=F-2y+1=1 F=F-2y+1=0 进给后动点坐标 x=0, y=5 x=0，y=y-1=4 x=x+1=1, y=4 x=x+1=2, y=4 x=x+1=3, y=4 x=3，y=y-1=3 x=x+1=4, y=3 x=4，y=y-1=2 x=x+1=5, y=2 x=5，y=y-1=1 x=5，y=y-1=0 终点判别 ∑=10 ∑=∑-1=9 ∑=∑-1=8 ∑=∑-1=7 ∑=∑-1=6 ∑=∑-1=5 ∑=∑-1=4 ∑=∑-1=3 ∑=∑-1=2 ∑=∑-1=1 ∑=∑-1=0End （图略）

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