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1、计算机控制系统试卷二答案 班级：姓名：学号：成绩：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
2、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、。(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
4、)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 T
5、I,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
6、：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
7、，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=1
8、s (15 分)1(ssK r(t)y(t)-T 1 eTss 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()(1)TsKG sss s 对应的脉冲传递函数为 11121 2111111121 e()()(1)111 (1)(1)(1)(1)11 e0.368(10.718)0.3680.264 (1)(1 0.368)1.3680.368TsKG zG sss szKzKzsszzzKzzzKzzzzZZZ 此时系统的特征方程为 2(0.3680.624)1()11.3680.368KzG zzz 采用双线性变换wwwTwTz5.015.01)2/(1)2/(1 可得
9、等效的特征方程为 0924.0)386.0924.0()0381.01(2KwKwK 此时，劳斯表为 w2 （1-0.0381K）0.924K K 26.2 w1 0.9240.386K 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）2n22nn()2D sss 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)(zD，并给出控制器的差分形式。其中1sT。解：令 1111112112112zzzzTzzTs 112221nn22222121nnnnnnn21(21)()()()2(44)(28)44zszzzU zD zE zsszz 控制器的
10、差分形式为 222nnnn222nnnnnn2844()(1)(2)()2(1)(2)444444u ku ku ke ke ke k 四、已知离散控制系统的结构如下所示，采样周期sT2.0，输入信号21()12r ttt ，求该系统的稳态误差。（10 分）解：系统开环脉冲传递函数为 21111131 21 3111 21 e10(0.51)()()5100.4(1)(1)(1)(1)2(1)(0.8 1.2)(1)TssG zG sssszzzzzszzzzzZZZ 则误差脉冲传递函数为 1 2e12()1(1)()()1()1 1.20.2E zz zR zG zzz 1111211 21
11、 31 310.20.04(1)1.021.780.8()1(1)2(1)(1)zzzzzR zzzzz 稳态误差为 y(t)r(t)1 esTs 2)15.0(10ss 1e1()lim(1)()()()0.1zezE z z R z 五、已知广义被控对象为 （15 分）21 e1()e1TssG sss 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 001111 e1()()110.632 (1)(1)1 0.368TsG zG ssszzs szZZZ 广义对象脉冲传递函数为 54010
12、.632()()10.368zG zGz zz 不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为 01()0.51 ss，进而1011 e10.865()0.511 0.135Tsz zsszZ 求得100100()1 0.368()1.3691()()1 zzD z z G zz 于是得史密斯预估器如下 101500()10.368()1.3691(1)()()10.1350.865ND zzD zzD z G zzz 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 误差判别 坐标进
13、给 下一步误差计算 进给后动点坐标 终点判别 初始化 F0 x=0,y=5=10 1 F=0-y F=F-2y+1=-9 x=0，y=y-1=4=-1=9 2 F0+x F=F+2x+1=-8 x=x+1=1,y=4=-1=8 3 F0+x F=F+2x+1=-5 x=x+1=2,y=4=-1=7 4 F0+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 F0+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 F0-y F=F-2y+1=1 x=5，y=y-1=1=-1=1 10 F0-y F=F-2y+1=0 x=5，y=y-1=0=-1=0End（图略）