計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試題答案.doc

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1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷一答案班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)：一、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共50分）1. 畫(huà)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： 2. 根據(jù)采樣過(guò)程的特點(diǎn)，可以將采樣分為哪幾種類(lèi)型？答：根據(jù)采樣過(guò)程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類(lèi)型。(1) 周期采樣 指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，也稱(chēng)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(kāi)關(guān)，它們的采樣周期相同且同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱(chēng)為同步采樣。(3) 非同步采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開(kāi)關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時(shí)開(kāi)閉，則稱(chēng)為非同步采樣。(4) 多速采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開(kāi)關(guān)，每個(gè)采樣開(kāi)關(guān)都是周期采樣

2、的，但它們的采樣周期不相同，則稱(chēng)多速采樣。(5) 隨機(jī)采樣若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等，則稱(chēng)為隨機(jī)采樣。3. 簡(jiǎn)述比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的作用。答：(1)比例調(diào)節(jié)器：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(guò)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。(2)積分調(diào)節(jié)器：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

3、不為零，它將通過(guò)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(guò)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。(3)微分調(diào)節(jié)器：為加快控制過(guò)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。4. 采樣保持器LF398工作原理圖如下圖，試分析其工作原理。答：LF398的電路原理：放大器A2作為比較器來(lái)控制開(kāi)關(guān)S的通斷，若IN+的電壓高于IN-的電壓，則S閉合，由A1、A3組成跟隨器，并向CH端外

4、接的保持電容充電；IN+的電壓低于IN-的電壓時(shí)，則S斷開(kāi)，外接電容保持S斷開(kāi)時(shí)刻的電壓，并經(jīng)A3組成的跟隨器輸出至。5. 線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？答：線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是： 閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模zi1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于z平面的單位圓內(nèi)。6. 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(guò)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(méi)有執(zhí)行就遺失

5、了，從而影響控制效果。7. 什么是振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？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。有兩種方法可用來(lái)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。8. 什么是嵌入式系統(tǒng)？如何理解嵌入式系統(tǒng)的定義？答：目前國(guó)內(nèi)普遍被認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)

6、功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常，從以下幾個(gè)方面來(lái)理解嵌入式系統(tǒng)的定義：(1)以應(yīng)用為中心是指嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。(2)嵌入式系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要對(duì)軟、硬件進(jìn)行剪裁以適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求。說(shuō)明嵌入式系統(tǒng)存在著一個(gè)較為通用的軟、硬件內(nèi)核。這個(gè)內(nèi)核往往

7、是幾kB到幾十kB之間的微內(nèi)核，正是由于微內(nèi)核的存在，才使得嵌入式系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的需要在軟、硬件方面得以順利地裁剪或擴(kuò)充。9. 簡(jiǎn)述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。答：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常具備下述特點(diǎn)：(1) 非定常性。數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)刻不再是定常和有規(guī)則的, 更不能再用簡(jiǎn)單的采樣時(shí)間來(lái)刻畫(huà)。(2) 非完整性。由于數(shù)據(jù)在傳輸中可能發(fā)生丟失和出錯(cuò)，數(shù)據(jù)不再是完整的，當(dāng)然數(shù)字控制中也可能有類(lèi)似的現(xiàn)象，但在網(wǎng)絡(luò)控制中發(fā)生的可能性要大得多。(3) 非有序性。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間的不確定，先產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能遲于后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)到達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。因此, 數(shù)據(jù)到達(dá)的次序可能不再遵守原有的時(shí)間順序。(4) 非確定性。由于數(shù)據(jù)到達(dá)

8、的隨機(jī)性，整個(gè)控制過(guò)程已不再是一個(gè)確定性的系統(tǒng),而是一個(gè)隨機(jī)系統(tǒng)。10. 簡(jiǎn)述故障診斷技術(shù)所包含的內(nèi)容。答：故障診斷主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。(1) 故障的特征提取通過(guò)測(cè)量用定量和定性的信息處理技術(shù)獲取反映系統(tǒng)故障的特征描述。(2) 故障的分離與估計(jì)根據(jù)獲得的故障特征確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及故障的程度。(3) 故障的評(píng)價(jià)和決策根據(jù)故障分離與估計(jì)的結(jié)論對(duì)故障的危害及嚴(yán)重程度做出評(píng)價(jià)，近而決策出是否停止任務(wù)的進(jìn)程以及是否需要維修更換故障元部件。二、已知系統(tǒng)的差分方程為 （10分）輸入信號(hào)是初始條件為，試寫(xiě)出輸出脈沖序列。解：三、設(shè)被控對(duì)象傳遞函數(shù)為，在對(duì)象前接有零階保持器，試求廣義對(duì)象的脈沖傳遞

9、函數(shù)。 （10分）解：廣義對(duì)象傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為四、已知被控對(duì)象傳遞函數(shù)為 試用“二階工程最佳”設(shè)計(jì)法確定模擬控制器Gc(s)，并用后向差分法給出等效的數(shù)字控制器形式。（10分）解：經(jīng)動(dòng)態(tài)校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為應(yīng)選擇Gc(s)為PI控制器，其基本形式為為使PI控制器能抵消被控對(duì)象中較大的時(shí)間常數(shù)，可選擇則有 根據(jù)二階工程最佳設(shè)計(jì)法則，應(yīng)有解之得于是得到模擬控制器的傳遞函數(shù)為對(duì)以上的模擬PI控制器，根據(jù)后向差分近似的等效變換方法，得等效的數(shù)字控制器：五、已知廣義被控對(duì)象:, 給定T=1s (20分) 針對(duì)單位斜坡輸入設(shè)計(jì)最小拍有紋波控制系統(tǒng), 并畫(huà)出系統(tǒng)的輸出波形圖。解：由已知條件

10、，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e(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e(z)=(1z1)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 （圖略）。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷二答案班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)：一、 簡(jiǎn)答題（每小題4分，共40分）1. 連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有哪些特

11、點(diǎn)？答：與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。(2) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的（數(shù)字控制器），修改一個(gè)控制規(guī)律，只需修改程序，因此具有很大的靈活性和適應(yīng)性。(3) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。(4) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。(5) 一個(gè)數(shù)字控制器經(jīng)常可以采用分時(shí)控制的方式，同時(shí)控制多個(gè)回路。(6) 采用計(jì)算機(jī)控制，如分級(jí)計(jì)算機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。2. 簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般控制過(guò)程。答：

12、(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)。3. 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)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。(2) 模擬信號(hào)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(lái)，均指模擬信號(hào)。(3) 離散信號(hào)離散信號(hào)是僅在各個(gè)離散時(shí)間瞬時(shí)上有定義的信號(hào)。(4) 采樣信號(hào)采樣信號(hào)是離散信號(hào)的子集，在時(shí)間上是

13、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)。(5) 數(shù)字信號(hào)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。4. 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是否只與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)？答：線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，不但與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而且與輸入序列的形式及幅值有關(guān)。除此之外，離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與采樣周期的選取也有關(guān)。5. 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，

14、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。6. 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。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi)，同時(shí)響應(yīng)曲線已較令人滿意，那只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。(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)。整定時(shí)一般先置一個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù)TI,同時(shí)將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小一些(比如取原來(lái)的80%)，然后減小積分時(shí)間系數(shù)，使在保持系統(tǒng)較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，

15、系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過(guò)程中，可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)反復(fù)地改變比例系數(shù)KP和積分時(shí)間系數(shù)TI,從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。(3)如果即使有比例積分控制器消除了偏差，但動(dòng)態(tài)過(guò)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)。7. 簡(jiǎn)述對(duì)偶原理的基本內(nèi)容。答：對(duì)偶原理：設(shè)S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互為對(duì)偶的兩個(gè)系統(tǒng)，則S1的能控性等價(jià)于S2的能觀測(cè)性；S1的能觀測(cè)性等價(jià)于S2的能控性?；?/p>

16、者說(shuō)，若S1是狀態(tài)完全能控的(完全能測(cè)觀的)，則S2是狀態(tài)完全能觀測(cè)的(完全能控的)。8. 與應(yīng)用了傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)的數(shù)字產(chǎn)品相比，嵌入式系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？答：系統(tǒng)內(nèi)核?。幌到y(tǒng)精簡(jiǎn)；高實(shí)時(shí)性和高可靠性；智能化和網(wǎng)絡(luò)化；專(zhuān)用性強(qiáng)；需要有專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。9. 尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，如何防治尖峰脈沖干擾？答：尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，其幅度可達(dá)幾千伏，寬度只有幾個(gè)毫微秒或幾個(gè)微秒，出現(xiàn)的位置也無(wú)規(guī)律，因此采用常規(guī)的抑制辦法是無(wú)效的，而必須采取綜合治理的辦法：(1)“遠(yuǎn)離”干擾源。(2) 用硬件設(shè)備抑制尖峰干擾的影響。較常用的抑制

17、方法有三種：在交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻；采用鐵磁共振原理，如采用超級(jí)隔離變壓器；在交流電源輸入端串入均衡器。 (3) 在大功率用電設(shè)備上采取措施抑制尖峰干擾的產(chǎn)生。(4)采用“看門(mén)狗”(Watchdog)技術(shù)。10. 什么是硬件故障冗余系統(tǒng)？答：硬件故障冗余系統(tǒng)的定義是：如果一個(gè)系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運(yùn)行性故障時(shí)，依靠系統(tǒng)冗余硬件的內(nèi)駐能力，仍能保持系統(tǒng)連續(xù)正確地執(zhí)行其程序和輸入、輸出功能，則稱(chēng)這一系統(tǒng)為硬件故障冗余系統(tǒng)。二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 試確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K的取值范圍。解：廣義對(duì)象傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為此時(shí)系統(tǒng)的特征方程為采用雙線性變

18、換可得等效的特征方程為此時(shí)，勞斯表為 w2 （1-0.0381K） 0.924K K 26.2 w1 0.9240.386K K 0故K的變化范圍為 0 K 2.39。三、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為 （10分）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)，并給出控制器的差分形式。其中。解：令 控制器的差分形式為四、已知離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下所示，采樣周期，輸入信號(hào)，求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 （10分）r(t)y(t)解：系統(tǒng)開(kāi)環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則誤差脈沖傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差為五、已知廣義被控對(duì)象為 （15分）其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)取為T(mén)c=0.5s,應(yīng)用史密斯預(yù)估器

19、方法確定數(shù)字控制器。解：不含純滯后的廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為不考慮純滯后，閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為，進(jìn)而求得于是得史密斯預(yù)估器如下六、采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)圓弧OP，起點(diǎn)坐標(biāo)O(0，5)，終點(diǎn)坐標(biāo)P(5，0)，圓心在原點(diǎn)。要求以表格形式給出插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程，并畫(huà)出插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。（10分）解：步數(shù)誤差判別坐標(biāo)進(jìn)給下一步誤差計(jì)算進(jìn)給后動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)終點(diǎn)判別初始化F0 x=0, y=5=101F=0-yF=F-2y+1= -9x=0，y=y-1=4=-1=92F0+xF=F+2x+1= -8x=x+1=1, y=4=-1=83F0+xF=F+2x+1= -5x=x+1=2, y=4=-1=7

20、4F0+xF=F+2x+1=0 x=x+1=3, y=4=-1=65F=0-yF=F-2y+1= -7x=3，y=y-1=3=-1=56F0+xF=F+2x+1=0 x=x+1=4, y=3=-1=47F=0-yF=F-2y+1= -5x=4，y=y-1=2=-1=38F0-yF=F-2y+1=1x=5，y=y-1=1=-1=110F0-yF=F-2y+1=0 x=5，y=y-1=0=-1=0End（圖略）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷三答案班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)：一、 簡(jiǎn)答題 （每小題4分，共40分）1. 簡(jiǎn)述開(kāi)關(guān)量光電耦合輸入電路中，光電耦合器的作用。答：開(kāi)關(guān)量光電耦合輸入電路，它們除了實(shí)現(xiàn)電氣

21、隔離之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。2. 回答下述電路中克服共模干擾的工作原理。答：平時(shí)，開(kāi)關(guān)S1i(i=1,2,.,n)處于閉合狀態(tài)，Ci的電壓跟蹤Vi的輸入值，開(kāi)關(guān)S2i(i=1,2,.,n)處于斷開(kāi)狀態(tài)。需檢測(cè)Vi時(shí)，則令S1i斷開(kāi),S2i閉合，放大器A的輸出經(jīng)采樣保持器送至A/D轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量，然后開(kāi)關(guān)再恢復(fù)平時(shí)的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過(guò)程中，放大器A不與任何模擬量信號(hào)輸入共地，電容Ci的電壓均為差模電壓，這樣就克服了共模電壓的影響。3. 什么是采樣或采樣過(guò)程？答：采樣或采樣過(guò)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(guò)程，有時(shí)也稱(chēng)為離散化過(guò)程。4. 線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)的定義是什么？答

22、：線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)定義為零初始條件下，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出采樣函數(shù)z變換和輸入采樣函數(shù)z變換之比。5. 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(guò)積分項(xiàng)累積后，可能會(huì)使控制量u(k)很大，甚至超過(guò)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)uumin的另一種極端情況。顯然，當(dāng)控制量超過(guò)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(lèi)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(chēng)“起動(dòng)效應(yīng)”。6. 等效離散化設(shè)計(jì)方法存在

23、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(méi)有反映采樣點(diǎn)之間的性能。特別是當(dāng)采樣周期過(guò)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(kāi)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(guò)它。因此，這種方法也被稱(chēng)為近似設(shè)計(jì)。7. 何為最少拍設(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(guò)最少拍(有限拍)，使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)

24、誤差為零。8. 給出單輸入單輸出線性定常離散系統(tǒng)的能控性和能觀性與其脈沖傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。答：?jiǎn)屋斎雴屋敵鼍€性定常離散系統(tǒng)完全能控和完全能觀的充分必要條件是脈沖傳遞函數(shù)不存在零、極點(diǎn)相消。如果存在著零、極點(diǎn)相消，系統(tǒng)或者是不完全能控，或者是不完全能觀，或者既不完全能控又不完全能觀。9. 嵌入式處理器可分為哪幾種類(lèi)型？答：嵌入式處理器又可以分為以下四類(lèi)：(1) 嵌入式微控制器MCU（MicroController Unit）(2) 嵌入式微處理器MPU（MicroProcessor Unit）(3) 數(shù)字信號(hào)處理器DSP（Digital Signal Processor）(4) 嵌入式片上系統(tǒng)

25、（System on Chip，SoC）10. 針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通常從哪幾個(gè)方面對(duì)故障進(jìn)行分類(lèi)？答：實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障是多種多樣的，可以從下面幾個(gè)方面對(duì)故障進(jìn)行分類(lèi)：(1) 從故障發(fā)生的部位看，分為傳感器故障、執(zhí)行器故障和受控對(duì)象故障。(2) 根據(jù)故障性質(zhì)，分為突變故障和緩變故障。(3) 從建模角度出發(fā)，可分為乘性故障和加性故障。(4) 從故障間的相互關(guān)系，分為單故障和多故障、獨(dú)立故障和局部故障。y*(t)二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)Tr(t)y(t)試寫(xiě)出離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程。解：所給系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為令進(jìn)而則取于是得如下?tīng)顟B(tài)方程寫(xiě)成矩陣形式為三、已知廣義

26、被控對(duì)象為 （15分）其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)取為T(mén)c=0.5s,應(yīng)用大林算法確定數(shù)字控制器。解：廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為得大林控制器如下四、已知被控對(duì)象 （15分）設(shè)計(jì)一個(gè)特征值為的全維狀態(tài)觀測(cè)器，并畫(huà)出相應(yīng)的狀態(tài)變量結(jié)構(gòu)圖。解：能觀性矩陣滿秩，故系統(tǒng)能觀測(cè)，可設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測(cè)器。令輸出誤差反饋矩陣觀測(cè)器期望特征方程為觀測(cè)器特征方程為比較上面兩式，可得(狀態(tài)變量圖略)。五、已知某系統(tǒng)連續(xù)控制器的傳遞函數(shù) （15分）試分別用階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)不變法求的等效數(shù)字控制器，并寫(xiě)出相應(yīng)的差分方程表達(dá)式。其中采樣周期。解：1. 階躍響應(yīng)不變法由可推得數(shù)字控制

27、器的差分方程形式如下2. 脈沖響應(yīng)不變法由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷四答案班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)：一、 簡(jiǎn)答題 （每小題3分，共30分）1. 使用光電隔離器件時(shí)，如何做到器件兩側(cè)的電氣被徹底隔離？答：光電隔離器件兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。2. 給出多通道復(fù)用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的原理示意圖。答：3. 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(guò)程，稱(chēng)為信號(hào)重構(gòu)，它是采樣的逆過(guò)程。4. 寫(xiě)出零階保持器的傳遞函數(shù)，引入零階保持器對(duì)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)有何影響？答：零階保持器的傳遞函數(shù)為。零階保持器的引入并不影響開(kāi)環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)。5. 階躍響應(yīng)不變法的基本

28、思想是什么？答：階躍響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列與模擬控制器的階躍響應(yīng)的采樣值一致。6. 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(guò)大。因此當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門(mén)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(guò)大的超調(diào)和振蕩。只有當(dāng)誤差e在門(mén)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。7. 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(chēng)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

29、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。8. 采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的充分必要條件是什么？答：采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的充分必要條件是系統(tǒng)狀態(tài)完全能控。9. 說(shuō)出實(shí)施信號(hào)隔離的主要方法。答：信號(hào)隔離方法主要有變壓器隔離和光電隔離，變壓器隔離適用于模擬信號(hào)隔離，光電隔離則特別適合數(shù)字信號(hào)的隔離。10. 故障診斷中的狀態(tài)估計(jì)方法的基本思想是什么？答：故障診斷中的狀態(tài)估計(jì)方法的基本思想是：首先重構(gòu)被控過(guò)程的狀態(tài)，通過(guò)與可測(cè)變量比較構(gòu)成殘差序列，再構(gòu)造適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒂媒y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，從殘差序列中把故障診斷出來(lái)。因此，

30、這就要求系統(tǒng)可觀測(cè)或部分可觀測(cè)，通常用各種狀態(tài)觀測(cè)器或?yàn)V波器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 試求閉環(huán)離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，并判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為由z域直接判據(jù) W(0)=0.6320 W(-1)=1+1+0.6320知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。三、已知某被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 (15分)要求設(shè)計(jì)成單位反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如下圖所示。采樣周期為T(mén)1s。要求閉環(huán)特征根為0.4和0.6。試求數(shù)字控制器。解：廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為根據(jù)要求設(shè)定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為四、已知控制系統(tǒng)的被控對(duì)象的

31、傳遞函數(shù)為，采樣周期T=1s，若選閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，試用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。若出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，修正數(shù)字控制器，消除振鈴現(xiàn)象。（20分）解：采樣周期T=1s，期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為進(jìn)而被控裝置廣義脈沖傳遞函數(shù)則由振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原理知，用常規(guī)大林算法設(shè)計(jì)的被控對(duì)象為二階的系統(tǒng)必產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。在D(z)中的靠近z-1的兩個(gè)因子中令z1來(lái)消除振鈴現(xiàn)象，即五、求出雙積分系統(tǒng)控制對(duì)象的離散狀態(tài)方程，假設(shè)系統(tǒng)所有的狀態(tài)皆不可直接測(cè)量，設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋，并把閉環(huán)兩個(gè)極點(diǎn)都配置在0.1，觀測(cè)器特征方程的兩個(gè)根配置在原點(diǎn)。（T=1s） （20分）解：系統(tǒng)的廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為可寫(xiě)其能控標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)

32、現(xiàn)為對(duì)應(yīng)的能觀性矩陣為滿秩，故系統(tǒng)能觀，可設(shè)計(jì)觀測(cè)器。先求狀態(tài)觀測(cè)器增益矩陣狀態(tài)觀測(cè)器特征多項(xiàng)式為觀測(cè)器期望特征多項(xiàng)式為比較上面兩式z各次冪項(xiàng)系數(shù)得再求狀態(tài)反饋增益矩陣期望閉環(huán)特征方程為則引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為比較上面二方程z各次冪項(xiàng)系數(shù)，得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷五答案班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 成績(jī)：一、 簡(jiǎn)答題（每小題4分，共40分）1. 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(wú)失真地恢復(fù)。2. 線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？答：線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：

33、閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模zi1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于z平面的單位圓內(nèi)。3. 脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是什么？答：脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的脈沖響應(yīng)gD(kT)是模擬控制器的脈沖響應(yīng)采樣值g(kT)的T倍。4. 寫(xiě)出增量型PID的差分控制算式。答：增量型PID控制算式可以寫(xiě)為5. 如何消除比例和微分飽和現(xiàn)象？答：“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(lái)，一旦有可能再補(bǔ)充執(zhí)行。這樣，動(dòng)態(tài)過(guò)程也得到了加速。即，一旦超限，則多余的未執(zhí)行的控制增量將存儲(chǔ)在累加器中；當(dāng)控制量脫離了飽和區(qū)，則累加器中的量將全部或部分地加到計(jì)算出的控制增量上

34、，以補(bǔ)充由于限制而未能執(zhí)行的控制。6. 給出線性定常離散系統(tǒng)的能控性定義。答：對(duì)于n階線性定常離散系統(tǒng)；，若存在有限個(gè)輸入向量序列能將某個(gè)初始狀態(tài)在第l步控制到零狀態(tài)，即，則稱(chēng)此狀態(tài)是能控的。若系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是能控的，則稱(chēng)此系統(tǒng)是狀態(tài)完全能控的，或簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)是能控的。7. 給出線性定常離散系統(tǒng)的能觀性定義。答：若系統(tǒng) 若已知輸入序列和有限個(gè)采樣瞬間測(cè)量到的輸出序列，即，可以唯一地確定出系統(tǒng)的任意初始狀態(tài)，則稱(chēng)系統(tǒng)是狀態(tài)能觀測(cè)的，或簡(jiǎn)稱(chēng)能觀測(cè)。8. 簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能及特點(diǎn)。答：(1)數(shù)據(jù)信息的快速傳輸和處理，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控。(2) 可共享計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。(3) 提高了計(jì)算機(jī)的可靠性

35、。(4) 能均衡負(fù)載、互相協(xié)作。(5) 能進(jìn)行分布處理。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)具體要求選擇網(wǎng)內(nèi)最合適的資源來(lái)處理。(6) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的智能化，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能和綜合的多功能服務(wù)，并能更加合理地進(jìn)行應(yīng)用，以提高綜合信息服務(wù)的水平。9. 基于Internet網(wǎng)絡(luò)的控制在控制領(lǐng)域的應(yīng)用中有著怎樣的優(yōu)勢(shì)？答：基于Internet網(wǎng)絡(luò)的控制在控制領(lǐng)域的應(yīng)用中有著如下優(yōu)勢(shì)：(1) 能夠遠(yuǎn)程遙監(jiān)測(cè)、控制被控對(duì)象的特性和行為、(2) 能使世界各地的專(zhuān)家足不出戶、協(xié)同作業(yè)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。(3) 從商業(yè)角度來(lái)說(shuō)，由于員工的地理可分散性，大大提高了企業(yè)或公司的經(jīng)營(yíng)效率，從而降低了企業(yè)或公司的經(jīng)營(yíng)成本。10. 為

36、提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，通常采取的措施有哪些？答：為提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，通常采取以下幾種措施：(1) 提高元器件和設(shè)備的可靠性。(2) 采取抗干擾措施，提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。(3) 采用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。(4) 采用故障診斷技術(shù)。二、已知 ，求。 （10分）解：三、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (10分)Ty(t)r(t)- 判別系統(tǒng)穩(wěn)定性。解：系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)閉環(huán)特征方程采用雙線性變換得w平面特征方程為建立勞斯表 w2 2.104 0.632 w1 1.264 w0 0.632由勞斯判據(jù)可知系統(tǒng)穩(wěn)定。四、用后向差分法求下列模擬濾波器D(s)的等效數(shù)字濾波器，并給出差分

37、遞推算式，設(shè)T=1s, (10分) 解：使用后項(xiàng)差分離散化方法，令，則可得其差分遞推算式為五、已知廣義被控對(duì)象:, 給定T=1s (20分) 針對(duì)單位階躍輸入設(shè)計(jì)最小拍無(wú)紋波控制系統(tǒng), 并畫(huà)出系統(tǒng)的輸出波形圖。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 （圖略）六、采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)直線OP，起點(diǎn)坐標(biāo)O(0，0)，終點(diǎn)坐標(biāo)P(5，-4)，要求以表格形式給出插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程，并畫(huà)出插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。（10分）解：插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程如下步數(shù)誤差判別坐標(biāo)進(jìn)給誤差計(jì)算終點(diǎn)判別初始化F=0=5+4=91F=0+xF=F-yp= -4=-1=82F0+xF=F-yp= -3=-1=64F0+xF=F-yp= -2=-1=46F0+xF=F-yp= -1=-1=28F0+xF=F-yp=0=-1=0 End（圖略）