計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷

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1、計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷一答案 班級： 姓名： 學(xué)號： 成績： 一、簡答題（每小題5分，共50分） 1. 畫出典型計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖。 答：典型計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖如下： 2. 根據(jù)采樣過程的特點，可以將采樣分為哪幾種類型？ 答：根據(jù)采樣過程的特點，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間間隔相等，也稱為普通采樣。 (2) 同步采樣 如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同且同時進(jìn)行采樣，則稱為同步采樣。 (3) 非同步采樣 如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時開閉，則稱為非同

2、步采樣。 (4) 多速采樣 如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，每個采樣開關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。 (5) 隨機(jī)采樣 若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機(jī)采樣。 3. 簡述比例調(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)器對偏差是即時反應(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)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)KP可以減小靜差，但是KP過大時，會使系統(tǒng)的動態(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

3、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)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。 (3)微分調(diào)節(jié)器：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。 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

4、理：放大器A2作為比較器來控制開關(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端外接的保持電容充電；IN+的電壓低于IN-的電壓時，則S斷開，外接電容保持S斷開時刻的電壓，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｜zi｜<1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點均位于z平面的單位圓內(nèi)。 6. 為什么會出現(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，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大(由于積分項的系數(shù)一般小得多，所以積

5、分部分的增量相對比較小)。如果該計算值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么，控制作用必然不如應(yīng)有的計算值理想，其中計算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，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)，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。

6、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)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。通常，從以下幾個方面來理解嵌入式系統(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)以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是計算機(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)用對象相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

7、 嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)實際系統(tǒng)的需要對軟、硬件進(jìn)行剪裁以適應(yīng)實際系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求。說明嵌入式系統(tǒng)存在著一個較為通用的軟、硬件內(nèi)核。這個內(nèi)核往往是幾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. 簡述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點。 答：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常具備下述特點： (1) 非定常性。數(shù)據(jù)到達(dá)的時刻不再是定常和有規(guī)則的, 更不能再用簡單的采樣時間來刻畫。 (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，數(shù)據(jù)不再是完整的，當(dāng)然數(shù)字控制中也可能有類似的現(xiàn)象，但在網(wǎng)絡(luò)控制中發(fā)生的可

8、能性要大得多。 (3) 非有序性。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時間的不確定，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間順序。 (4) 非確定性。由于數(shù)據(jù)到達(dá)的隨機(jī)性，整個控制過程已不再是一個確定性的系統(tǒng),而是一個隨機(jī)系統(tǒng)。 10. 簡述故障診斷技術(shù)所包含的內(nèi)容。 答：故障診斷主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。 (1) 故障的特征提取 通過測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 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) 故障的評價和決策 根據(jù)故障分離與估計的結(jié)論對故障的危害及嚴(yán)重

9、程度做出評價，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） 輸入信號是 初始條件為，試寫出輸出脈沖序列。 解： … 三、設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為，在對象前接有零階保持器，試求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)。 （10分） 解：廣義對象傳遞函數(shù) 對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為 四、已知被控對象傳遞函數(shù)為 試用“二階工程最佳”設(shè)計法確定模擬控制器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)動態(tài)校正后系統(tǒng)的開環(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

10、PI控制器能抵消被控對象中較大的時間常數(shù)，可選擇 則有 根據(jù)二階工程最佳設(shè)計法則，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、已知廣義被控對象:, 給定T=1s (20分) 針對單位斜坡輸入設(shè)計最小拍有紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的輸出波形圖。 解：由已知條件，被控對象含有一個積分環(huán)節(jié)，有能力產(chǎn)生單位斜坡響應(yīng)。 求廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 可以看出，G(z)的零點為-0.718(單位圓內(nèi))、極點為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi))，故u=0,v

11、=0(單位圓上除外),m=1。根據(jù)穩(wěn)定性要求，G(z)中z=1的極點應(yīng)包含在Φe(z)的零點中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進(jìn)行設(shè)計，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 （圖略）。 計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷二答案 一、 簡答題（每小題4分，共40分） 1. 連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機(jī)控制系統(tǒng)具有哪些特點？ 答：與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點： (1) 計算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。 (2) 在計算機(jī)控制

12、系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由計算機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn)的（數(shù)字控制器），修改一個控制規(guī)律，只需修改程序，因此具有很大的靈活性和適應(yīng)性。 (3) 計算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。 (4) 計算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。 (5) 一個數(shù)字控制器經(jīng)常可以采用分時控制的方式，同時控制多個回路。 (6) 采用計算機(jī)控制，如分級計算機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步提高。 2. 簡述計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般控制過程。 答：(1) 數(shù)據(jù)采集及處理，即對被控對象的被控參數(shù)進(jìn)行實時檢測，并輸給計算機(jī)進(jìn)行處理。

13、 (2) 實時控制，即按已設(shè)計的控制規(guī)律計算出控制量，實時向執(zhí)行器發(fā)出控制信號。 3. 簡述典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)中所包含的信號形式。 答：(1) 連續(xù)信號 連續(xù)信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續(xù)的,也可以是斷續(xù)的。 (2) 模擬信號 模擬信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個子集，在大多數(shù)場合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來，均指模擬信號。 (3) 離散信號 離散信號是僅在各個離散時間瞬時上有定義的信號。 (4) 采樣信號 采樣信號是離散信號的子集，在時間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們

14、提及離散信號就是指采樣信號。 (5) 數(shù)字信號 數(shù)字信號是幅值整量化的離散信號，它在時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？ 答：(1)計算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動作影響小。 (2)在i時刻的輸出ui，只需用到此時刻的偏差，以及前一時刻、前兩時刻的偏差ei-1、ei-2和前一次的輸出值ui-1，這大大節(jié)約了內(nèi)存

15、和計算時間。 (3)在進(jìn)行手動—自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。 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，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi)，同時響應(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)計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時一般先置一個較大的積分時間系數(shù)TI,同時將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小一些(比如取原來的80%)，然后減小積分時間系數(shù)，使在保持系統(tǒng)較好的動態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上

16、，系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過程中，可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢反復(fù)地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(shù)TI,從而實現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(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，可先置微分時間系數(shù)TD為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時間系數(shù)TD，同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)KP和積分時間系數(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. 簡述對偶原理的基本內(nèi)容。 答：對偶原理：設(shè)S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互為對偶的兩個系統(tǒng)，則S1的能控性等價于S2的能觀測性；S1的能觀測性等價于S

17、2的能控性?；蛘哒f，若S1是狀態(tài)完全能控的(完全能測觀的)，則S2是狀態(tài)完全能觀測的(完全能控的)。 8. 與應(yīng)用了傳統(tǒng)的通用計算機(jī)的數(shù)字產(chǎn)品相比，嵌入式系統(tǒng)有哪些特點？ 答：系統(tǒng)內(nèi)核??；系統(tǒng)精簡；高實時性和高可靠性；智能化和網(wǎng)絡(luò)化；專用性強(qiáng)；需要有專用的開發(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，寬度只有幾個毫微秒或幾個微秒，出現(xiàn)的位置也無規(guī)律，因此采用常規(guī)的抑制辦法是無效的，而必須采取綜合治理的辦法： (1)“遠(yuǎn)離”干擾源。 (2) 用硬

18、件設(shè)備抑制尖峰干擾的影響。 較常用的抑制方法有三種：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：如果一個系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運行性故障時，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) T r(t)

19、 -— 試確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時K的取值范圍。 解：廣義對象傳遞函數(shù) 對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為 此時系統(tǒng)的特征方程為 采用雙線性變換 可得等效的特征方程為 此時，勞斯表為 w2 （1-0.0381K） 0.924K → K< 26.2 w1 0.924－0.386K → K< 2.39 w0 0.924K → K> 0 故K的變化范圍為 0< K < 2.39。 三、已

20、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，求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 （10分） r(t) y(t) 解：系統(tǒng)開環(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、已知廣義被控對象為 （15分） 其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用

21、史密斯預(yù)估器方法確定數(shù)字控制器。 解：不含純滯后的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 廣義對象脈沖傳遞函數(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、采用逐點比較法插補(bǔ)圓弧OP，起點坐標(biāo)O(0，5)，終點坐標(biāo)P(5，0)，圓心在原點。要求以表格形式給出插補(bǔ)計算過程，并畫出插補(bǔ)運動軌跡。（10分） 解： 步數(shù) 誤差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 下一步誤差計算 進(jìn)給后動點坐標(biāo) 終點判別 初始化 F＝0 x=0, y=5 ∑=10 1 F=0 -y F=F-2y+1= -9 x=0，y=y-1=4 ∑=∑-1=

22、9 2 F<0 +x F=F+2x+1= -8 x=x+1=1, y=4 ∑=∑-1=8 3 F<0 +x F=F+2x+1= -5 x=x+1=2, y=4 ∑=∑-1=7 4 F<0 +x F=F+2x+1=0 x=x+1=3, y=4 ∑=∑-1=6 5 F=0 -y F=F-2y+1= -7 x=3，y=y-1=3 ∑=∑-1=5 6 F<0 +x F=F+2x+1=0 x=x+1=4, y=3 ∑=∑-1=4 7 F=0 -y F=F-2y+1= -5 x=4，y=y-1=2 ∑=∑-1=3 8 F<0 +

23、x F=F+2x+1=4 x=x+1=5, y=2 ∑=∑-1=2 9 F>0 -y F=F-2y+1=1 x=5，y=y-1=1 ∑=∑-1=1 10 F>0 -y F=F-2y+1=0 x=5，y=y-1=0 ∑=∑-1=0End （圖略） 計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷三答案 一、 簡答題 （每小題4分，共40分） 1. 簡述開關(guān)量光電耦合輸入電路中，光電耦合器的作用。 答：開關(guān)量光電耦合輸入電路，它們除了實現(xiàn)電氣隔離之外，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，開關(guān)S1i(i=1,2,...,n)處于閉合狀態(tài)，C

24、i的電壓跟蹤Vi的輸入值，開關(guān)S2i(i=1,2,...,n)處于斷開狀態(tài)。需檢測Vi時，則令S1i斷開,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，然后開關(guān)再恢復(fù)平時的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過程中，放大器A不與任何模擬量信號輸入共地，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程？ 答：采樣或采樣過程，就是抽取連續(xù)信號在離散時間瞬時值的序列過程，有時也稱為離散化過程。 4. 線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)的定義是什么？ 答：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.

25、 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、停止或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項累積后，可能會使控制量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)誤差的絕對值較大時，也會出現(xiàn)u

26、際系統(tǒng)中難以滿足這一要求。 (2) 沒有反映采樣點之間的性能。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)長時間處于“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)計所構(gòu)造的計算機(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，計算機(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。 7. 何為最少拍設(shè)計？ 答：最少拍設(shè)計，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(如階躍信號，速度信號，加速度信號等)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。 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

27、 其脈沖傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。 答：單輸入—單輸出線性定常離散系統(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、極點相消。如果存在著零、極點相消，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型？ 答：嵌入式處理器又可以分為以下四類： (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)字信號處理器DSP（Digital Signal Processor） (4) 嵌入式片上系統(tǒng)（System on Chip，S

28、oC） 10. 針對實際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通常從哪幾個方面對故障進(jìn) 行分類？ 答：實際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障是多種多樣的，可以從下面幾個方面對故障進(jìn)行分類： (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) T r(t) y(t) 試寫出離散系統(tǒng)的動態(tài)方程。 解：所給系統(tǒng)的脈

29、沖傳遞函數(shù)為 令進(jìn)而 則 取于是得如下狀態(tài)方程 寫成矩陣形式為 三、已知廣義被控對象為 （15分） 其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用大林算法確定數(shù)字控制器。 解：廣義對象脈沖傳遞函數(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、已知被控對象 （15分） 設(shè)計一個特征值為的全維狀態(tài)觀測器，并畫出相應(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，可設(shè)計狀態(tài)觀測器。令輸出誤差反饋矩陣 觀測器期望

30、特征方程為 觀測器特征方程為 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 計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷四答案 一、 簡答題 （每小題3分，共30分） 1. 使用光電隔離器件時，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

31、一個D/A轉(zhuǎn)換器的原理示意圖。 答： 3. 什么是信號重構(gòu)？ 答：把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，稱為信號重構(gòu)，它是采樣的逆過程。 4. 寫出零階保持器的傳遞函數(shù)，引入零階保持器對系統(tǒng)開環(huán)傳 遞函數(shù)的極點有何影響？ 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環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的極點。 5. 階躍響應(yīng)不變法的基本思想是什么？ 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累積過大。因此當(dāng)偏差大于某個規(guī)定的門限值時，刪除積分作用，PID控

32、制器相當(dāng)于一個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，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)計法或離散化設(shè)計法的具體設(shè)計步驟。 答：直接設(shè)計法或稱離散化設(shè)計法的具體設(shè)計步驟如下： (1)根據(jù)已知的被控對象，針對控制系統(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。 8. 采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點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)極點的充分必要

33、條件是系統(tǒng)狀態(tài)完全能控。 9. 說出實施信號隔離的主要方法。 答：信號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隔離，光電隔離則特別適合數(shù)字信號的隔離。 10. 故障診斷中的狀態(tài)估計方法的基本思想是什么？ 答：故障診斷中的狀態(tài)估計方法的基本思想是：首先重構(gòu)被控過程的狀態(tài)，通過與可測變量比較構(gòu)成殘差序列，再構(gòu)造適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒂媒y(tǒng)計檢驗法，從殘差序列中把故障診斷出來。因此，這就要求系統(tǒng)可觀測或部分可觀測，通常用各種狀態(tài)觀測器或濾波器進(jìn)行狀態(tài)估計。 二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分) y(t) T r(t) -—

34、 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) ① ｜W(0)｜=0.632<1 ② W(1)=1-1+0.632>0 ③ W(-1)=1+1+0.632>0 知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。 三、已知某被控對象的傳遞函數(shù)為 (15分) 要求設(shè)計成單位反饋計算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如下圖所示。采樣周期為T＝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

35、制系統(tǒng)的被控對象的傳遞函數(shù)為，采樣周期T=1s，若選閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)，試用大林算法設(shè)計數(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)計的被控對象為二階的系統(tǒng)必產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。在D(z)中的靠近z＝-1的兩個因子中令z＝1來消除振鈴現(xiàn)象，即 五、求出雙積分系統(tǒng)控制對象的離散狀態(tài)方程，假設(shè)系統(tǒng)所有的狀態(tài)皆不可直接測量，設(shè)計全維狀態(tài)觀測器實現(xiàn)狀態(tài)反饋，并把閉環(huán)兩個極點都配置在0.1，觀測器特征方程的兩個根配置在原點。（T=1

36、s） （20分） 解：系統(tǒng)的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 可寫其能控標(biāo)準(zhǔn)型實現(xiàn)為 對應(yīng)的能觀性矩陣為 滿秩，故系統(tǒng)能觀，可設(shè)計觀測器。 先求狀態(tài)觀測器增益矩陣 狀態(tài)觀測器特征多項式為 觀測器期望特征多項式為 比較上面兩式z各次冪項系數(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各次冪項系數(shù)，得 計算機(jī)控制系統(tǒng)試卷五答案 一、 簡答題（每小題4分，共40分） 1. 簡述采樣定理的基本內(nèi)容。 答：采樣定理: 如果連續(xù)信號具有有限頻譜，其最高頻率為,則對進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率時，連續(xù)信號可

37、以由采樣信號唯一確定，亦即可以從無失真地恢復(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： 閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模｜zi｜<1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點均位于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. 寫出增量型PID的差分控制算式。 答：增量型PID控制算式可以寫為 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，一旦有

38、可能再補(bǔ)充執(zhí)行。這樣，動態(tài)過程也得到了加速。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算出的控制增量上，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：對于n階線性定常離散系統(tǒng)；，若存在有限個輸入向量序列能將某個初始狀態(tài)在第l步控制到零狀態(tài)，即，則稱此狀態(tài)是能控的。若系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是能控的，則稱此系統(tǒng)是狀態(tài)完全能控的，或簡稱系統(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采樣瞬間測量到的輸出序列，即，可以唯一地確定出系統(tǒng)的任意初始狀態(tài)，

39、則稱系統(tǒng)是狀態(tài)能觀測的，或簡稱能觀測。 8. 簡述計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能及特點。 答：(1)數(shù)據(jù)信息的快速傳輸和處理，以實現(xiàn)實時管理和實時監(jiān)控。 (2) 可共享計算機(jī)系統(tǒng)資源。 (3) 提高了計算機(jī)的可靠性。 (4) 能均衡負(fù)載、互相協(xié)作。 (5) 能進(jìn)行分布處理。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)具體要求選擇網(wǎng)內(nèi)最合適的資源來處理。 (6) 計算機(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？ 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： (1

40、) 能夠遠(yuǎn)程遙監(jiān)測、控制被控對象的特性和行為、 (2) 能使世界各地的專家足不出戶、協(xié)同作業(yè)對被控對象進(jìn)行控制。 (3) 從商業(yè)角度來說，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)營效率，從而降低了企業(yè)或公司的經(jīng)營成本。 10. 為提高計算機(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)對環(huán)境的適應(yīng)能力。 (3) 采用可靠性設(shè)計技術(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

41、=1s (10分) T y(t) r(t) -— 判別系統(tǒng)穩(wěn)定性。 解：系統(tǒng)開環(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，并給出差分遞推算式，設(shè)T=1s, (10分)

42、 解：使用后項差分離散化方法，令，則 可得其差分遞推算式為 五、已知廣義被控對象:, 給定T=1s (20分) 針對單位階躍輸入設(shè)計最小拍無紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的輸出波形圖。 解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 可以看出，G(z)的零點為-0.718(單位圓內(nèi))、極點為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。針對階躍輸入進(jìn)行設(shè)計，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、采用逐點比較法插補(bǔ)直線OP，起點坐標(biāo)O(0，0)

43、，終點坐標(biāo)P(5，-4)，要求以表格形式給出插補(bǔ)計算過程，并畫出插補(bǔ)運動軌跡。（10分） 課后題 開關(guān)輸入量作用： 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了獲取系統(tǒng)的運行狀態(tài)或設(shè)定信息，經(jīng)常需要進(jìn)行開關(guān)量信號的輸入。 模擬輸入量作用：把從控制對象檢測到的模擬信號，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)I/O接口送入計算機(jī)。 開關(guān)輸出量：在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開/關(guān)（如對電磁閥的控制）或啟/停（如各種交、直流電機(jī)的控制），某些控制算法（如脈寬調(diào)制方法，最優(yōu)控制中的乒乓控制算法等）也需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定時間T內(nèi)全負(fù)荷工作一段時間t(0≤t≤T)，這些控制可通過計算機(jī)開關(guān)量輸出通道來實現(xiàn)。

44、模擬輸出量：把計算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量 光電耦合器的作用：從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量的信號電平往往高于計算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入開關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以保障計算機(jī)系統(tǒng)的安全。常用的隔離措施是采用光電耦合器件實現(xiàn)的。 5.16 設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為(T=1s) (1) 試用“二階工程最佳”設(shè)計法確定模擬控制器Gc(s)。 (2) 將Gc(s)用雙線性變換法離散化為數(shù)字控制器D(z)，并將其 轉(zhuǎn)換為差分方程。 (3) 畫出實現(xiàn)D(z)的程序框圖。 6.1解：最少拍控制系統(tǒng)是指

45、系統(tǒng)在典型輸入信號作用下，經(jīng)過最少拍使系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差為零。不足之處：只針對某種典型輸入進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)輸入形式改變時，系統(tǒng)性能變壞，輸出響應(yīng)不一定理想。 6.9 大林算法的設(shè)計目標(biāo)是什么？所謂振鈴現(xiàn)象是什么？振 鈴幅度如何定義？如何消除振鈴現(xiàn)象？ 6.9 解：不論是對一階慣性對象還是對二階慣性對象，大林算法的設(shè)計目標(biāo)都是使閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)相當(dāng)于一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，其中純滯后環(huán)節(jié)的滯后時間τ與被控對象的純滯后時間完全相同。這樣就能保證使系統(tǒng)不產(chǎn)生超調(diào)，同時保證其穩(wěn)定性。 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RA用來衡量振鈴強(qiáng)烈的程度。為描述振鈴強(qiáng)烈的程度，應(yīng)找出數(shù)字控制器輸出量的最大值umax。由于這一最大值與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系難于用解析的式子描述出來，所以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。 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)，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。