计算机控制技术期末复习试题附答案.docx

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计算机控制技术期末复习试题附答案

第一章计算机控制系统概述

1、计算机控制系统的概念是什么？

计算机控制系统是以计算机技术、控制理论及自动化技术相结合并应用于工业生产过程的结果，是以自动控制理论为基础，以计算机为手段的控制系统。

2、计算机系统由哪些部分组成？

并画出方框图。

计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。

3、计算机控制系统的主要性能指标有哪些？

稳定性/动态指标/稳态指标/能控性与能观性

4、计算机控制系统的主要特点有哪些？

各项连续控制系统计算机控制系统

信号形式都是模拟信号模拟信号、数字信号皆有

控制规律实现由模拟电路实现由计算机通过程序实现

控制形式整个过程始终连续控制整个过程始终离散控制

控制器作用一个控制器控制一个回路一个控制器分时控制多个回路

功能强度简单控制具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能

自动化程度自动化程度低便于实现控制与管理的一体化

5、计算机控制系统是怎样分类的？

按功能和控制规律可分为几类？

一、按控制系统的功能及结构特点分类

①操作指导控制系统

②直接数字控制系统DDC

③监督控制系统SCC

④计算机分级控制

⑤集散控制系统DCS

⑥现场总线控制系统FCS

2、按控制规律分类

①程序和顺序控制

②PID控制

③最少拍控制

④复杂规律的控制

⑤智能控制

第二章离散控制系统及Z变换分析法

1、计算机控制系统的信号形式有哪些？

连续模拟信号:

时间与幅值上均连续，如r（t）、y（t）、u（t）

离散模拟信号:

时间是离散的，幅值上连续，如y*（t）、u*（t）

离散数字信号:

时间离散的，幅值为数字量，如y（kT）、u（kT）

2、香农（Shannon）采样定理是如何描述的？

一个连续时间信号f（t），设其频带宽度是有限的，其最高频率为ωmax（或fmax），如果在等间隔点上对该信号f（t）进行连续采样，为了使采样后的离散信号f*（t）能包含原信号f（t）的全部信息量。

则采样角频率只有满足下面的关系：

ωs≥2ωmax

采样后的离散信号f*（t）才能够无失真地复现f（t）。

否则不能从f*（t）中恢复f（t）。

其中，ωmax是最高角频率，ωs是采样角频率。

它与采样频率fs、采样周期T的关系为：

3、简述信号的恢复过程。

零阶保持器的作用是什么？

其传递函数形式是什么？

零阶保持器作用：

将前一个采样时刻的采样值f（kT）恒定地保持到下一个采样时刻（k+1）T。

也就是说在区间[kT，（k+1）T]内零价保持器的输出为常数。

零阶保持器的传递函数

设零阶保持器在?

（t）作用下的脉冲响应h（t），而h（t）又可以看成单位阶跃函数1（t）与1（t-T）的迭加即：

h（t）=1（t）-1（t-T）。

取拉氏变换，得零阶保持器的传递函数:

4、掌握常用信号的Z变换

6、Z变换的滞后定理和超前定理是如何描述的？

9、脉冲传递函数定义是什么？

零初始条件下，离散输出信号的Z变换与离散输入信号的Z变换之比。

10、开环Z传递函数的求法：

15、采样系统稳定的条件是什么？

采样系统稳定的条件：

闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面上以原点为圆心的单位圆内。

即|zi|<1

16、

17、求该系统在三种典型信号的作用下的稳态误差。

18、掌握计算机控制系统的稳定性分析：

劳斯判据。

19、已知一采样控制系统，试求：

（1）系统的闭环脉冲传递函数。

（2）判定系统的稳定性。

（3）系统对阶跃输入和斜坡输入的稳态误差。

？

？

？

第三、四章计算机控制系统的离散化设计

1、D（z）的设计方法常见有哪两种？

（1）离散化设计方法－－直接设计方法（重点）

思想：

已知被控对象的Z传递函数G（Z），根据所要求的性能指标，设计数字控制器。

（2）连续化设计方法－－间接设计方法

思想：

先设计控制器的传递函数D（s），然后采用某种离散化方法，将它变成计算机算法。

2、最少拍系统概念？

最少拍控制中主要研究哪三种类型的设计方法？

最少拍设计：

就是系统在典型输入下，设计数字控制器D（z）使闭环系统输出在最少个采样周期内能准确跟踪输入（或系统输出稳态误差为0）。

（1）最少拍控制器的设计：

系统无误差，简单，但是本身缺陷多。

（2）最少拍有纹波控制器的设计：

系统无误差，考虑了系统稳定性，但输出有纹波。

（3）最少拍无纹波控制器的设计：

系统无误差，考虑了系统稳定性，输出无纹波。

3、简述数字控制器的离散化设计步骤。

（1）求广义对象的脉冲传递函数G（z）;

（2）根据控制系统的性能指标要求和其它约束条件，确定所需要的闭环脉冲传递函数Ф（z）和闭环误差脉冲传递函数Фe（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，就可编写控制算法程序。

4、不同输入时，最少拍控制器设计综合：

5、最少拍控制器的局限性体现在哪几个方面？

最少拍控制器的设计只是使系统对某一典型输入的响应为最少拍，但对其他典型输入不一定为最少拍，甚至引起静差和超调：

当针对某一典型的输入函数R（z）设计的D（z），用于次数较高的R（z），系统将不能完全跟踪，产生稳态误差。

当针对某一典型的输入函数R（z）设计的D（z），用于次数较低的R（z），系统将出现超调；

显然，一种典型的最少拍控制器只适应一种特定的输入，而不能适用于各种输入。

6、最少拍有纹波控制器的设计

7、实例：

设计最少拍有纹波控制系统。

8、最小拍有纹波控制器出现纹波的原因？

数字控制器输出u（k）在若干拍后，不为0或常值，是震荡收敛的。

9、最小拍有纹波控制器出现纹波后对系统有什么影响？

消除纹波办法？

输出在采样点之间有偏差；增加了执行元件的功率损耗和机械元件的磨损。

最小拍无纹波控制器能够消除输出纹波。

10、有纹波和无纹波设计唯一区别是什么？

有纹波和无纹波设计唯一区别在于：

有纹波设计时，包含G（z）单位圆上和单位圆外的零点；

无波纹设计时，包含G（z）单位圆内、单位圆上、单位圆外的所有零点。

第5章计算机控制系统的模拟化设计

1．模拟控制器的离散化方法有哪些？

各有什么特点？

1、冲激不变法

2、加零阶保持器的Z变换法（常用）

3、差分变换法

4、双线性变换法

5、频率预畸变双线性变换法

6、零极点匹配法

冲激不变法的特点：

①D（z）与D（s）的脉冲响应相同。

②若D（s）稳定，则D（z）也稳定。

③D（z）不能保持D（s）的频率响应。

（缺点）

④D（z）将ωs的整数倍频率变换到Z平面上的同一个点的频率，因而出现了混叠现象。

（缺点）

加零阶保持器Z变换法的特点：

①若D（s）稳定，则D（z）也稳定。

②D（z）不能保持D（s）的脉冲响应和频率响应。

（缺点）

后向差分变换法的特点：

①稳定的D（s）变换成稳定的D（z）。

②D（z）不能保持D（s）的脉冲响应和频率响应。

（缺点）

前向差分变换法的特点：

稳定的D（s）不能保证变换成稳定的D（z），且不能保证有相同的脉冲响应和频率响应。

双线性变换的特点：

①将整个S平面的左半面变换到Z平面的单位圆内，因而没有混叠效应。

②稳定的D（s）变换成稳定的D（z）。

③D（z）不能保持D（s）的脉冲响应和频率响应。

（缺点）

2．什么叫模拟PID调节器的数字实现？

它对采样周期有什么要求？

理由何在？

?

3．位置式PID算法和增量式PID算法是什么？

各有什么样的优缺点？

1．

位置式

2、增量式

当执行机构不需要控制量的全值，而是其增量，由位置式可以导出增量PID控制算法。

利用增量型PID控制算法，可得到位置型PID控制算法的递推形式，即

两者本质相同，只是后者需要使用有附加积分作用的执行机构。

但有如下优点：

（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k时刻的增量输出△u（k），只需用到此时刻的偏差e（k）、以及前一时刻的偏差e（k-1）、前两时刻的偏差e（k-2），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；

4．试描述PID调节器中比例系数，积分时间常数和微分时间常数的变化对闭环系统控制性能的影响（分别对动态响应性能和稳态响应性能影响）。

1、比例控制对系统性能的影响

对动态性能影响

Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快；但当Kp太大时，系统会趋于不稳定；当Kp太小时，使系统动作缓慢。

对稳态性能影响

加大比例控制Kp，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。

2、积分控制Ti对系统性能的影响

对动态性能影响

积分控制Ti通常使系统的稳定性下降。

当Ti太大时，系统会趋于不稳定；当Ti小时，对系统的性能影响减少。

当Ti合适时，过渡特性比较理想。

对稳态性能影响

Ti能消除系统的稳态误差，提高控制精度，但Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。

3、微分控制Td对系统性能的影响

对动态性能影响

微分可以改善动态特性，如减少超调量、调节时间缩短等。

对稳态性能影响

微分控制中允许加大比例控制，使系统的稳态误差减小，提高控制精度。

但Td太大时，超调量较大、调节时间较长。

Td偏小时，超调量也较大、调节时间也较长。

只有合适时，可以得到比较满意的过渡过程。

5．PID参数整定有些什么样的方法？

它们各自的特点和适应范围如何？

试凑法（常用）

扩充临界比例度法

归一参数整定法

扩充响应曲线法

优选法

变参数的PID控制（常用）

各自特点和适应范围：

略

第6章离散系统的离散状态空间分析法

1、线性离散系统的离散状态空间表达式的表示形式？

状态方程

输出方程

2、由差分方程导出离散状态空间表达式：

第12章计算机控制系统设计与实现

1．简述计算机控制系统的总体方案设计的主要内容？

1．研究被控对象、确定控制任务

2．确定系统整体方案

（1）确定系统的性质和结构

（2）确定执行机构方案

（3）控制系统总体“黑箱”设计

（4）控制系统层次以及硬件、软件功能划分

3．建立数学模型，确定控制算法

4．硬件的设计

（1）确定过程的输入、输出通道及其处理方式

（2）计算机系统选择

（3）过程通道及接口设计

（4）控制台设计

（5）可靠性设计

（6）硬件调试

5．软件的设计

（1）选择编程语言

①汇编语言

②高级语言

③混合语言

（2）软件设计步骤

①问题定义

②细化设计

③编制源程序

④形成可执行代码

⑤调试

6．系统仿真与调试

（1）实验室硬件联调

（2）实验室软件联调

（3）实验室系统仿真

7．现场安装调试

2．简述过程输入输出通道的分类，组成及功能。

一、过程输入输出通道的组成与功能

根据过程信息的性质及传送方向，过程通道包括：

模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道。

计算机控制生产现场的控制通道也有两种:

即模拟量输出通道及数字量输出通道。

功能？

3．简述计算机控制系统的主要抗干扰措施。

1．接地技术

2．屏蔽技术3．隔离技术4．串模干扰的抑制

5．共模干扰的抑制

6．电源噪声的抑制

7．提高软件可靠性

13、闭环脉冲传递函数求法：

（1）

（2）

解：

系统的开环脉冲传递函数：

（有问题）

14、用Z传递函数分析离散系统的过渡过程特性：