计算机控制技术练习题附答案Word文件下载.docx
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4．试表述采样定理，并说明若一高频信号采样时不满足采样定理，采样后将会变成何种信号。
四、（10分）已知单位负反馈系统开环传递函数为
G（s）=ωn2/s（s+2ζωn）
实测求得单位阶跃响应的σ%=4.3%，ts秒，试写出闭环传递函数并求ωn，ζ为多少。
五、（10分）现已知某炉温变化范围为0~1000℃，测试时，采用9位的A/D变换器（带符号位），试问此时系统对炉温变化的分辩率为多少。
若测试时，通过变送器将测试起点迁移到500℃，保持同样的系统对炉温变化的分辩率，试问此时可采用几位的A/D变换器就可以了。
六、（10分）已知系统方块图如图2所示
图2
1）试写出系统闭环传递函数
2）若K=2,试求使系统稳定的T取值范围。
（已知Z[1/s2]=Tz/（z-1）2）
七、（20分）已知调节器传递函数为
，T=0.5秒
1）试用一阶向后差分变换法，将其离散，求Gc（z）=？
2）将Gc（z）用第二种直接程序法编排实现，试求u（k）表达式，并画出结构图；
3）将该算法分成算法I与算法II，并画出编程的流程图。
计算机控制技术试题（3）
评分标准（参考）
1．测量偏差、纠正偏差；
2．相同；
3．按指数规律变化；
4．越高；
5．相角与180度之差；
6．采样周期；
7．-ωT/2；
8．≥10ωn；
9．串模干扰；
10．调理电路。
二、选择题（每空2分，共10分）
1．A；
2．A；
3．B；
4．B；
5B。
1．由于出水干扰QO使水位下降时，浮子下降，进水口打开，水位逐渐增高，浮子逐渐上浮，当达到给定高度时，浮子将进水口堵死，从而保持设定高度。
2．1）零型系统；
2）0.1=1/（1+K）K=9
3．通常，在系统正向通道加入积分环节或增大开环放大系数，将会减少稳态误差，但将会降低系统的稳定程度。
4．若连续信号所含频率分量的最高频率为
，为使其采样信号不失真，采样频率
；
若不满足采样定理，一个高频信号将会变成低频信号。
四、（10分）
1）
（3分）
2）
，
（4分）
，
评分：
由于
计算有误，使ωn计算有误，可给1分。
五、（10分）
1）
，故Δ°
（5分）
2）
，故
（5分）
于Δ计算有误导致第2问有误，但计算方法正确，可给3分。
六、（10分）
2）
，
要求
，T<
2
，T>
1）每小问各为5分
2）若因
有错，导致T有错，但求T方法正确，可得3分；
3）求
方法正确，但计算有误，可得3分。
七、（20分）
1）S=（1-z-1）/TGCz-1z-1）
3）I：
II：
u1=0.9u（k）-0.91e（k）
1）第1小题10分，其余两小题各5分；
2）由于第1小题计算有误，使第2、3小题有误，但方法正确，可给5分；
3）在第2小题中，若采用减小延迟方法绘结构图时亦算正确。
计算机控制系统试卷一答案
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？
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。
（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。
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，则S闭合，由A1、A3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
。
5.线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？
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｜zi｜<
1，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？
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？
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？
如何理解嵌入式系统的定义？
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。
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。
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（10分）
输入信号是
初始条件为
，试写出输出脉冲序列
解：
…
三、设被控对象传递函数为
，在对象前接有零阶保持器，试求广义对象的脉冲传递函数。
（10分）
广义对象传递函数
对应的脉冲传递函数为
四、已知被控对象传递函数为
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分）
经动态校正后系统的开环传递函数为
应选择Gc（s）为PI控制器，其基本形式为
为使PI控制器能抵消被控对象中较大的时间常数，可选择
则有
根据二阶工程最佳设计法则，应有
解之得
于是得到模拟控制器的传递函数为
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：
五、已知广义被控对象:
给定T=1s（20分）
针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统,并画出系统的输出波形图。
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
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Φe（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Φe（z）=（1－z
1）2F1（z）,显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设
解得
。
闭环脉冲传递函数为
则
（图略）。
1.工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两个组成部分。
可编程序控制器、工控机、单片机、DSP、智能调节器等。
3.在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。
8位逐次逼近式A/D转换器。
5.模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。
一点接地方式，而不采用多点接地方式。
7.按极点配置设计的控制器通常有两部分组成，一部分是状态观测器，另一部分是控制规律。
8.模块化程序设计一般包括自顶向下和自底向上两种设计方法。
9.线性表、数组、堆栈和队列的共同特点是要求连续的存储单元来顺序存放数据元素。
0~10mADC或4~20mADC。
二、名词解释（合计30分，每题5分）
1.采样过程按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程。
2.地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。
”
3.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制
4.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合。
5.积分饱和如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作
三、选择题（合计15分，每题3分）
1.下列不属于数字控制方式的是（C）
A、点位控制B、直线控制C、网格控制D、轮廓控制
2.8位的A/D转换器分辨率为（C）
A、0.01587B、0.007874
3.专家控制系统大致可以分为（D）
①专家自整定控制②专家自适应控制③专家监督控制④混合型专家控制⑤仿人智能控制
A、①②③⑤B、②④⑤C、②③④⑤D、①③④⑤
4.µ
m，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为（B）
A、5HzB、50HzC、100HzD、500Hz
5.某热处理炉温度变化范围为0~1350℃，经温度变送器变换为1~5V的电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0~5V，当t=KT时，ADC0809的转换结果为6A，此时炉温为（C）
℃℃℃℃
四、简答题（合计20分，每题5分）
1.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。
就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。
外部干扰和内部干扰。
硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。
2.逐点比较法插补原理。
所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。
3.简述数字滤波技术，其算法有哪些?
答：
所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。
故实质上它是一种程序滤波。
算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法。
4.数字控制器算法的工程实现分为哪六部分？
包括给定值处理、被控量处理、偏差处理、控制算法的实现、控制量处理、自动手动处理。
5.数字控制器的连续化设计步骤？
设计假想的连续控制器、选择采样周期T、将DS离散化为Dz、设计由计算机实现的控制算法、校验五个步骤。
一、填空题（共20分，每题2分）
和两大部分组成。
计算机、生产过程
2.集散控制系统（DCS）的结构模式为：
.操作站—控制站—现场仪表
或的统一信号。
0~10mA、4~20mA
的构成方式。
输出保持器
5.数控系统一般由数控装置、、和检测装置等。
驱动装置、可编程控制器
1.
，y（t）以最少的N拍跟踪参考输入r（t），必须满足条件y（N）=Cx（N）=
7.常用的状态观测器有3种：
、、预报观测器、现时观测器、降阶观测器
8.“若A则B，否则C”，用模糊关系表示为
指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确轨道。
NOP
减少电磁感应
二、选择题（共15分，每题3分）
2.如果模拟信号频谱的最高频率为
，只要按照采样频率（A）进行采样，那么采样信号就能唯一的复观。
A.
B.
C.
D.
3.一个10位的A/D转换器（量化精度0.1%），孔径时间10μs，如果要求转换误差在转换精度类，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为（B）
A.15HzB.16Hz
4.设加工第一象限直线OA，起点为O（0,0），终点为A（6,3），进行插补计算所需的坐标进给的总步数Nxy为（C）
A.7B.8C.9
5.（A）数字滤波方法适用于周期性干扰。
A.平均值滤波法
5.已知偏差e（k）,积分分离阈值β，以下正确的是（B）
A.当
时，采用PI控制
时，采用PD控制
时，采用PI控制
三、名词解释（共30分，每题6分）
1.接口过程通道量化自动校准HMI
四、简答题（共20分，每题5分）
1.什么是计算机控制系统？
它的工作原理是怎样的？
2.什么是共模干扰？
如何抑制？
3.直线插补计算过程有哪几个步骤？
4.程序设计通常分为哪五个步骤？
5.如何消除积分饱和？
填空题
—控制站—现场仪表
6.驱动装置、可编程控制器6.y（N）=Cx（N）=
7.预报观测器、现时观测器、降阶观测器8.
名词解释
2.接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁。
3.过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。
4.所谓量化，就是采用一组数据来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。
5.自动校准是指在系统开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。
6.HMI就是使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口。
简答题
计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。
从本质上看，计算机控制系统的工作原理可纳为以下三个步骤：
实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出
共模干扰时指A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压。
其抑制方法：
变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。
偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断
问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计
对计算出的控制量u（k）限幅，同时，把积分作用切除掉。
一、填空题（合计20分，每空1分）
1、实时的概念不能脱离具体的过程，一个在线的系统不一定是一个实时系统
，但一个、实时系统必定是在线系统。
2、典型的工业生产过程可分为：
连续过程、离散过程、批量过程
3、计算机控制系统的典型型式：
操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、综合自动化控制系统。
4、计算机控制系统的发展趋势：
控制系统的网络化、智能化、扁平化、综合化。
5、数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。
6、在计算机控制系统中，模拟量输入通道的任务是把系统中检测到的模拟信号，变成、二进制数字信号，经接口送往计算机。
7、计算机控制系统的CPU抗干扰措施常采用看门狗、电源监控（掉电检测及保护）、复位等方法。
8、对于任意的极点配置，L具有唯一解的充分必要条件是被控对象完全能控。
（反馈控制规律L满足方程：
|zI-F+GL|=β（z））
9、香农采样定理：
如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为fmax，只要按照采样频率f≥2fmax进行采样，那么采样信号y*（t）就能唯一地复观y（t）.
10、程序设计通常分为5个步骤，即问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计。
二、选择题（合计15分，每题3分）
1、如图1所示，Vout为8位D/A转换器的双极性输出端，若输入数字量D=11100000（B），基准参考电VREF=5V，则Vout为：
（C）
A、4.375VB、-4.375V
2、对于电动组合仪表DDZ-Ⅲ型采用的标准电动信号是：
（B）
A、DC0~10mA、DC0~20V
B、DC4~20mA、DC1~5V
C、DC0~10mA、DC1~5V
D、DC4~20mA、DC0~20V
3、某一个输入电路，其共模干扰电压Ucm=100，Ucm转换成串模干扰压为Un=10，则该电路的CMRR（常用共模抑制比）为：
（A）
A、20B、10C、200D、100
4、q=20mV时，量化误差为±
范围内的采样值，其量化结果都是：
（D）
A、2B、1C、100D、50
5、软件抗干扰技术包括：
（D）
①数字滤波技术、②开关量的软件抗干扰技术、③指令冗余技术、④软件陷阱
A、①②③B、②③④C、①②④D、①②③④
三、名词解释（合计30分，每题6分）
信号调理有源I/V变换积分分离模糊集合软件陷阱
为了将外部开关量信号输入到计算机、必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。
主要是利用有源器件运算放大器、电阻来实现将变送器输出的标准电流信号变换成标电压信号。
在PID控制中，为了提高控制性能，当偏差e（k）较大时，取消积分作用（采用PD控制）；
当偏差e（k）较小时才将积分作用投入（采用PID控制）。
在人类思维中，有许多模糊的概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延的集合。
就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。
1、什么叫共模干扰，其抑制方法有哪些？
共模干扰也称共态干扰，是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。
抑制方法有：
变压器隔离、光电隔离、浮地隔离、采用仪表放大器提高共模抑制比。
2、在计算机控制系统中，一般有哪几种地线？
模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地五种。
3、简述逐点比较法插补
刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。
如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走……如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。
4、设加工第二象限直线OA，起点为O（0，0），终点坐标为A（-4，6），试用直线插补法在图
（2）上做出走步轨迹图（标明方向）。
设计题：
1、数据存放方式可以采用环形队列结构来实现。
设环形队列地址为40H~4FH共16个单元，用R0作队尾指示，其程序流程图如图所示。
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