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计算机控制理论答案
第一讲
1、什么是计算机数字控制系统？
一般由哪几部分组成？
请
用框图形式给出实例，并简单说明其工作原理。
计算机控制系统就是利用计算机（通常称为工业控制机）来实现生产过
程自动控制的系统；一般由计算机和生产过程两部分组成；
计算机控制系统由工业控制计算机主体（包括硬件、软件与网格结构）
和生产过程两大部分组长。
其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、
检测与执行机构组成；
三个步骤原理：
①实时数据采集：
对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输
入。
②实时控制决策：
对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制
规律，决定将要采取的控制行为。
③实时控制输出：
根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完
成控制任务。
2、实时、在线方式、离线方式的含义是什么？
实时：
指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范围内完成，亦即计
算机对输入信息，以足够快的速度进行控制，超出了这个时间，就失去了
控制的时机，控制也就失去了意义。
在线方式：
在线方式亦称为联机方式，是指生产过程和计算机直接连接，
并受计算机控制的方式称为。
离线方式：
离线方式亦称为脱机方式，是指生产过程不和计算机相连，且
不受计算机控制，而是靠人进行联系并做相应操作的方式。
3、简述计算机数字控制系统的发展趋势。
计算机数值控制系统的发展趋势有控制系统的网络化、扁平化、只能化、
综合化。
第二讲
1、简述计算机控制系统中过程通道的基本类型及其作用。
数字量输入通道：
接受外部装置或产生过程的状态信号，同时将状态信号
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；
数字量输出通道：
把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行
控制的数字驱动信号；
模拟量输入通道：
把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位重量
等模拟信号转换成计算机可以接收的数字量信号；
模拟量输出通道：
把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流
信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的。
2、简述计算机控制系统抗干扰技术的基本措施。
克服干扰的措施主要有：
硬件措施、软件措施和软硬结合的措施。
其中硬件抗干扰措施包含：
①过程通道抗干扰技术；②CPU 抗干扰技术；
③系统供电与接地技术。
针对不同的干扰采用不用的抗干扰技术：
①过程通道抗干扰技术：
针对串模干扰，采用滤波器、双积分式 A/D 转换
器、双绞线作信号引线等方法来抑制；针对共模干扰，采用变压器隔离、光电
隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比等方式；针对长线传输干扰
可采用双绞线与同轴电缆进行传输；
②CPU 抗干扰技术：
使用 Watchdog（俗称看门狗）、电源监控（掉电检测及保
护）、复位等；
③系统供电与接地技术：
对于系统供电添加电源异常保护措施；对于接地
技术有单点接地、低频接地技术、通道馈线接地技术、主机外壳接地但机芯浮
空、多机系统的接地等。
3、什么是采样过程、量化误差、孔径时间？
采样过程:
按一定的时间间隔 T,把时间上连续和幅值上连续的模拟信号,转
变成在时刻 0、Ｔ、２Ｔ…、ｋＴ的一连串脉冲输出信号的过程叫做采样过程。
量化误差：
当离散信号采样值的电平落在两个相邻量化电平之间时，就要
舍入到相近的一个量化点评上，该量化电平与实际电平之间的差值称为量化误
差。
孔径时间：
在模拟量输入通道中，A/D 转换器将模拟信号转换成数字量总
需要一定的时间，完成一次 A/D 转换所需的时间称之为孔径时间。
4、采样保持器的作用是什么？
是否所有的模拟量输入通道
中都需要采样保持器？
为什么？
采样保持器的作用：
采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取
出被处理信号的值。
采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时
间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替
原来的值。
模拟输入通道中不一定非得采用采样保持器，如被采样的模拟信号的变化
频率相对于 A/D 转换的转换速度较低的话，可以不加采样保持器。
5、什么是串模干扰和共模干扰？
如何抑制？
串模干扰：
指叠加在被测信号上的干扰噪声，也称为常态干扰。
抑制方法：
①如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波
器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通
滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则
应用带通滤波器。
一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻
容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。
当被测信号变化较快时，应相
应改变网络参数，以适当减小时间常数。
②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式 A/D 转换器可以削弱
串模干扰的影响。
因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测
量信号的瞬时值。
若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期
的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。
③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进
行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成
模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。
④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。
⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感
应电势互相呈反向抵消。
选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良
好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。
共模干扰：
指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压，也成共态干扰。
抑制方法：
①变压器隔离；
②光电隔离；
③浮地屏蔽；
④采用仪表放大器提高共模抑制比。
第三讲（计算机数字控制系统理论基础部分）
1、指出采样保持器和零阶保持器在数字离散控制系统的功
能与作用。
采样保持器的作用：
采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取
出被处理信号的值。
采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时
间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替
原来的值。
零阶保持器的作用：
将输入信号的幅值保持一个采样周期 T，即在一个采
样周期内将开始时输入的信号幅值保持不变，直到采样周期结束。
2、简述传递函数和脉冲传递函数的概念。
传递函数是在零初始条件下，系统输出量 c（t） 的拉氏变换 C（s） 与输入量
r（t） 的拉氏变换 R（s） 之比，即
G（s） =
C（s）
R（s） 。
脉冲传递函数是在零初始条件下，系统输出量 c（kT ） 的 Z 变换 C（z） 和系统
输入量 r（kT ） 的 Z 变换 R（z） 之比，即
G（z） =
C（z）
R（z） 。
3、已知：
r（t）=1（t）, x（0）=0, x
（1）=1, 用 Z 变换原理和方法，
求解差分方程 r（k）=x（k+2）-6x（k+1）+8x（k）。
因为 r（t）=1（t），即 R（z） =
z
z -1
；
根据 Z 变换左移定理，其差分方程的 Z 变换式为：
z
z -1
= z2 X （z） - z2 x（0） - zx
（1） - 6zX （z） + 6zx（0） + 8X （z）
因为 x（0）=0, x
（1）=1，故有：
z
z -1
= z2 X （z） - z - 6zX （z） + 8X （z）
X （z） =
z2
（z - 4）（z - 2）（z -1）
x（kT ） = lim（z -1）
z→1
z 2
（z -1）（z - 2）（z - 4）
z k-1 + lim（z - 2）
z→2
z 2
（z -1）（z - 2）（z - 4）
z k-1
+ lim（z - 4）
z→4
z 2
（z -1）（z - 2）（z - 4）
z k-1
=- 2k +⨯ 4k
1 2
33
4、求下图所示系统的脉冲传递函数 D（z）=C（z）/R（z）.
r（t）+
T c（t）
-
s（s + 1）
s
D（z） =
C（z）
R（z）
=
G1G2 （z）
1 + G1G2 （z）
G1G2 （z） = Z[
1
s（s + 1）
⋅
1 - e-Ts
s
1 1
s s
1
s + 1
）] = （1 - z -1 ）[
Tz
（z - 1）
2
-
z
z - 1
+
z
z - e-T
]
D（z） =
C（z）
R（z）
=
Tz
2
Tz
（z - 1）
-
2
z
z - 1
z
z - 1
z
z - e-T
z
z - e-T
]
第四、五讲作业
1、某系统的连续控制器设计为 D（s） =
U （s）
E（s）
=
1 + T1s
1 + T2 s
试用双线性
变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器 D（z）。
双线性变换法：
s=
前向差分法：
T z+1
1+ T1
1+ T2
2 z -1
2 z -1
T z +1
后向差分法：
T
z -1
T
T
T + T1（z -1）
T + T2 （z -1）
s=
Tz
1+ T1
1+ T2
z -1
z -1
Tz
2、什么是数字 PID 的位置型控 c 制算法、增量型控制算法？
如何得到的？
比较它们的优缺点。
PID 算法的数字化，其实质就是将连续形式的 PID 微分方程转化成为离散
形式的 PID 差分方程。
其中，将 PID 算法中的模拟式中积分项用求和式，微分
项用增量式来表示后得到：
P（n） = K p{e（n） +
T
TI
n
j=0
将上式称为 PID 位置式控制算式
对其进行变换后得：
（n） = P（n） - P（n -1） = K p[e（n） - e（n -1）] + KI e（n） + KD[e（n） - 2e（n -1） + e（n - 2）]
将上式称为 PID 增量式控制算式
PID 位置式控制算式计算时，只需进行四则算术运算便可求出当前输出值，
极方便用计算机来实现。
不过现在计算时，不仅需要知道本次及上次偏差信号
和，而且在积分项中还要对历次的偏差信号进行相加求和，因此，在运用计算
机实现控制输出时，既繁琐又占用大量内存。
PID 增量式控制算式计算时，只需知道 e（n），e（n-1）和 e（n-2）即可，比 PID
位置式控制算式的计算简单。
很适合于某些以步进电机或多圈电位器作为执行
机构的控制系统的要求，另外它还具有输出增量不大、系统受操作切换冲击影
响较小、不产生积分失控输出较平稳易于获得较好调节效果等优点。
3、什么是积分饱和？
是怎样引起的？
如何消除？
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，这就叫积分饱和。
因长时间出现偏差或偏差较大，计算出的控制量有可能溢出或小于零，就
会出现积分饱和的现象。
消除积分饱和的方法：
积分分离法,变速积分 PID 控制算法，超限削弱积分
法，有效偏差法，抗积分饱和机制。
4、试比较数字 PID 算法中处理积分项的三种方法—抑制积
分饱和、消除积分量化误差、变速积分的优缺点。
抑制积分饱和对积分项采取“开关”的控制方式，比较容易实现，程序设
计也较为简单，但关键在于要选取一个合适的阀值，而且适应性比较
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