计算机控制基础复习题简答题汇总DOCWord格式.docx

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=2fmax进行采样,那么采样信号就能惟一地复现.

5.什么是量化误差？

量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低的小数归整过程,由于量化过程是一个小数归整过程,因而存在量化误差,量化误差为（+_1/2）q.

6.什么是积分饱和现象？

积分分离算法的工作原理是什么？

所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致u（k）达到极限位置。

此后若控制器输出继续增大，u（k）也不会再增大，即系统输出超出正常运行范围而进入了饱和区。

一旦出现反向偏差，u（k）逐渐从饱和区退出。

进入饱和区愈深则退饱和时间愈长。

此段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随着偏差反向立即做出相应的改变，这时系统就像失去控制一样，造成控制性能恶化。

这种现象称为积分饱和现象或积分失控现象

积分分离算法的工作原理是:

当偏差较大时,取消职分作用,当偏差较小时,才将积分作用投入.

|e（k）|>

B时,采用PD控制,当|e（k）|<

=B,采用PID控制（B为积分分离阈值）

7.最少拍控制算法本质上是什么算法，为什么？

最少拍控制算法本质上是时间最优控制算法,因为最少拍控制算法是以系统的快速性为主要性能指标.

8.最少拍控制算法的局限性是什么？

最少拍控制器对典型输入信号的适应性较差

9.微型计算机控制系统的特点是什么？

微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：

a.控制规律灵活多样，改动方便

b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制

c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高

d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度

10.操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何？

它们之间有何区别和联系？

（1）操作指导控制系统：

在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。

计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作指导的作用。

（2）直接数字控制系统（DDC系统）：

DDC（DirectDigitalControl）系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。

（3）计算机监督控制系统（SCC系统）：

SCC（SupervisoryComputerControl）系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。

11、计算机控制系统的典型形式有哪些？

各有什么优缺点？

答：

（1）操作指导控制系统

优点：

结构简单，控制灵活，安全。

缺点：

由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。

（2）直接数字控制系统（DDS）

实时性好，可靠性高，适应性强。

（3）监督控制系统（SCC）

生产过程始终处于最优工况。

（4）分散控制系统（DCS）

分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。

（5）现场总线控制系统（FCS）

与DCS相比，降低了成本，提高了可靠性。

国际标准统一后，可实现真正的开放式互联系统结构。

12.采样保持器有什么作用？

保持模拟量信号不变，以便完成A/D转换；

同时采样几个模拟信号，以便进行数据处理和测量；

减少D/A转换器的输出“毛刺”；

把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出电压的稳定性。

13.在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？

为什么？

不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；

或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。

14.数字控制器的模拟化设计步骤是什么？

模拟化设计步骤：

（1）设计假想的模拟控制器D（S）

（2）正确地选择采样周期T

（3）将D（S）离散化为D（Z）

（4）求出与D（S）对应的差分方程

（5）根据差分方程编制相应程序。

15.在PID调节器中系数

、

各有什么作用？

对调节品质有什么影响？

（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稳态误差。

加大比例系数KP可以减小差稳态误差，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稳态误差，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。

16.什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？

试比较它们的优缺点。

为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似（T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近）：

于是有：

u（k）是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置（如控制阀门的开度）一一对应，所以称之为位置型PID算法。

在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u（k）不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u（k）产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。

所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。

当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。

与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：

（1）位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；

而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。

（2）为实现手动——自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。

（3）采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。

17.有哪几种改进的数字PID控制器？

有四种：

（1）积分分离PID控制算法

（2）不完全微分PID控制算法

（3）带死区的PID控制算法

（4）消除积分不灵敏区的PID控制

18.采样周期的选择需要考虑那些因素？

（1）从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。

通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次～15次即可。

（2）从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。

（3）从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；

当被控对象的纯滞后时间τ较大时，常选T=（1/4~1/8）τ。

（4）从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。

另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。

8.简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。

扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：

（1）选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。

（2）逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。

由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数Kp，将其记作临界振荡增益Ks。

此时的比例度为临界比例度，记作

。

（3）选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。

（4）根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。

（5）按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。

扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：

（1）断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。

将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。

（2）用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。

（3）在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ、被控对象的时间常数Tc，以及它们的比值Tc/τ。

（4）由τ、Tc、Tc/τ值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。

9.数字控制器直接设计步骤是什么？

由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D（z）。

数字控制器的直接设计步骤如下：

（1）根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数Φ（z）。

（2）求广义对象的脉冲传递函数G（z）。

（3）求取数字控制器的脉冲传递函数D（z）。

（4）根据D（z）求取控制算法的递推计算公式。

12.何为振铃现象？

如何消除振铃现象？

所谓振铃现象是指数字控制器的输出u（k）以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动。

它对系统的输出几乎是没有影响的，但会使执行机构因磨损而造成损坏。

消除振铃现象的方法：

（1）参数选择法

对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数T0和采样周期T，使RA≤0，就没有振铃现象。

即使不能使RA≤0，也可以把RA减到最小，最大程度地抑制振铃。

（2）消除振铃因子法

找出数字控制器D（z）中引起振铃现象的因子（即z=-1附近的极点），然后人为地令其中的z=1，就消除了这个极点。

根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。

13.前馈控制完全补偿的条件是什么？

前馈和反馈相结合有什么好处？

前馈控制完全补偿的条件是

如果能将扰动因素测量出来，预先将其变化量送到系统中进行调整，这样在被调量改变之前就能克服这些扰动的影响。

这种扰动的预先调整作用就称为前馈。

若参数选择得合适，前馈控制可取得良好的控制效果。

但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而且一个实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制还是不可少的。

主要扰动引起的误差，由前馈控制进行补偿；

次要扰动引起的误差，由反馈控制予以抑制，这样在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和减小系统稳态误差的要求。

2、什么是信号的采样、量化和编码

时间上连续的模拟信号变成一连串时间上不连续的脉冲信号的过程称为采样

采样信号不能直接输入计算机，将其整量化后成为数字信号的过程（把经过抽样得到的瞬时值，将其幅度离散化，即用一组规定的电平把瞬时抽样值用最接近的电平值表示）称为量化

把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码

1、数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？

数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有以下几个优点：

（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好；

（2）数字滤波可以对频率很低（如0.01Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷；

（3）数字滤波器可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

5、PID数字控制器参数整定的含义是什么？

PID数字控制器参数整定是指确定PID数字控制器的参数KI,KD,KP，以使系统输出达到满意的效果。

6、简述积分分离法克服位置式PID积分饱和作用的原理。

开始时不进行积分，直至偏差达到一定阈值后才进行积分累积，这样，一方面防止了一开始有过大的控制量，另一方面即使进入饱和后，因积分累积小，也能较快推出，减少了超调

9、什么是积分饱和？

克服积分饱和有哪几种常用方法？

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，这就称为积分饱和。

（2）积分饱和的抑制

a.积分分离法b.遇限制削弱积分法

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。

10、连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？

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。

3、什么是带有不灵敏区的PID控制，有何工程意义？

带有不灵敏区的PID控制，即人为设置控制不灵敏区e0，当偏差│e（k）│＜│e0│时，△u（k）取0，控制器输出保持不变。

当偏差│e（k）│≥│e0│时，△u（k）以PID规律参与控制。

在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的系统振荡和设备磨损。

在一些精度要求不太高的场合，可以采用带有不灵敏区的PID控制。

6.给出线性定常离散系统的可控性定义。

对于n阶线性定常离散系统

；

，若存在有限个输入向量序列

能将某个初始状态

在第l步控制到零状态，即

，则称此状态是能控的。

若系统的所有状态都是可控的，则称此系统

是状态完全能控的，或简称系统是能控的。

7.给出线性定常离散系统的可测性定义。

若系统

若已知输入序列

和有限个采样瞬间测量到的输出序列

，即

，可以唯一地确定出系统的任意初始状态

，则称系统是状态可观测的，或简称可观测。