1、计算机控制系统试卷一答案班级： 姓名： 学号： 成绩：一、简答题（每小题 5 分，共 50 分）1. 画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2. 根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。(1) 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。(2) 同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。(3) 非同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。(4) 多速采样如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是
2、周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。(5) 随机采样若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。3. 简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。答：(1) 比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数KP 可以减小静差，但是 KP 过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累
3、积成分，只要偏差 e不为零，它将通过累积作用影响控制量 u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数 TI 大，则积分作用弱，反之强。增大 TI 将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。4. 采样保持器 LF398 工作原理图如下图，试分析其工作原理。答：LF398 的电路原理：放大器 A2 作为比较器来控制开关 S 的通断，若 IN+的电压高于 IN-的电压
4、，则 S 闭合，由 A1、A 3 组成跟随器，并向 CH 端外接的保持电容充电；IN +的电压低于 IN-的电压时，则 S 断开，外接电容保持 S 断开时刻的电压，并经 A3 组成的跟随器输出至 。outA5. 线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？答：线性离散控制系统稳定的充要条件是： 闭环系统特征方程的所有根的模z i1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于 z 平面的单位圆内。6. 为什么会出现比例和微分饱和现象？答：当给定值发生很大跃变时，在 PID 增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小) 。如果该计算值超过了
5、执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，其中计算值的多余信息没有执行就遗失了，从而影响控制效果。7. 什么是振铃现象？如何消除振铃现象？答：所谓振铃(Ringing) 现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。有两种方法可用来消除振铃现象。第一种方法是先找出 D(z)中引起振铃现象的因子 (z=-1 附近的极点)，然后令其中的 z=1，根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期 T 及系统闭环时间常数 Tc，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。8. 什么是嵌入式系统？如何理解嵌入式系
6、统的定义？答：目前国内普遍被认同的嵌入式系统定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，从以下几个方面来理解嵌入式系统的定义：(1)以应用为中心是指嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。(2)嵌入式系统以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和Internet网络技术与具体应用对象相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统可以根据实际系统的需要对软、硬件进行剪裁以适
7、应实际系统在功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求。说明嵌入式系统存在着一个较为通用的软、硬件内核。这个内核往往是几 kB 到几十 kB 之间的微内核，正是由于微内核的存在，才使得嵌入式系统能够根据实际应用系统的需要在软、硬件方面得以顺利地裁剪或扩充。9. 简述网络控制系统的特点。答：网络控制系统通常具备下述特点：(1) 非定常性。数据到达的时刻不再是定常和有规则的, 更不能再用简单的采样时间来刻画。(2) 非完整性。由于数据在传输中可能发生丢失和出错，数据不再是完整的，当然数字控制中也可能有类似的现象，但在网络控制中发生的可能性要大得多。(3) 非有序性。由于网络传输时间的不确定，先产生
8、的数据可能迟于后产生的数据到达远程控制系统。因此, 数据到达的次序可能不再遵守原有的时间顺序。(4) 非确定性。由于数据到达的随机性，整个控制过程已不再是一个确定性的系统,而是一个随机系统。10. 简述故障诊断技术所包含的内容。答：故障诊断主要包括以下几个方面的内容。(1) 故障的特征提取通过测量用定量和定性的信息处理技术获取反映系统故障的特征描述。(2) 故障的分离与估计根据获得的故障特征确定系统是否出现故障以及故障的程度。(3) 故障的评价和决策根据故障分离与估计的结论对故障的危害及严重程度做出评价，近而决策出是否停止任务的进程以及是否需要维修更换故障元部件。二、已知系统的差分方程为 （1
9、0 分） )2()1()kryk输入信号是 0)(kr初始条件为 ，试写出输出脉冲序列 。1)0(y ()y解： )()(yry2102)()3(yry341)()5(yry三、设被控对象传递函数为 ，在对象前接有零阶保持)1()psKG器，试求广义对象的脉冲传递函数。 （10 分）解：广义对象传递函数 )1(e)(sKsGT对应的脉冲传递函数为 11 12 211111e()()() ()ee(e) ()Ts TTTGzs zKzKs zzzzZ四、已知被控对象传递函数为 )1.0)(82)(ssG试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器 Gc(s)，并用后向差分法给出等效的数字控制器形式。
10、 （10 分）解：经动态校正后系统的开环传递函数为 )1.0)(82()()cc0 ssGs应选择 Gc(s)为 PI 控制器，其基本形式为 sTIc1)(为使 PI 控制器能抵消被控对象中较大的时间常数，可选择 8则有0c II81201()()().(0.)ssGTTss根据二阶工程最佳设计法则，应有 2I1.0T解之得 4I于是得到模拟控制器的传递函数为 )81(2)1(8)(IPc ssKsG对以上的模拟 PI 控制器，根据后向差分近似的等效变换方法，得等效的数字控制器： 1)8(2)(1czTsGzDTz五、已知广义被控对象: , 给定 T=1s (20 分)(e)(s针对单位斜坡输
11、入设计最小拍有纹波控制系统, 并画出系统的输出波形图。解：由已知条件，被控对象含有一个积分环节，有能力产生单位斜坡响应。求广义对象脉冲传递函数为 11 12 21111e()()() ()()e0.368.7 ()TsGzszzzzz Z可以看出，G(z)的零点为-0.718(单位圆内) 、极点为 1(单位圆上)、0.368(单位圆内) ，故 u=0,v=0(单位圆上除外), m=1。根据稳定性要求，G(z)中 z=1 的极点应包含在 e(z)的零点中，由于系统针对等速输入进行设计，故 p=2。为满足准确性条件另有 e(z)=(1z 1)2F1(z),显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可
12、设 110()zcz1()2解得 。1,20c闭环脉冲传递函数为 112e()2)(zzz则 11e()5.430.).368)()(7DzGzzz112342()()()YzR（图略） 。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
13、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
14、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
15、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、e i-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
16、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
17、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)、S 2=(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；S 1 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
18、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)
