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《计算机控制系统》课程复习题答案
一、 知识点：计算机控制系统的基本概念。具体为
了解计算机控制系统与生产自动化的关系；掌握计算机控制系统的组成和计算机控制系统的主要特性；理解计算机控制系统的分类和发展趋势。
回答题：
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. 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. 简述计算机控制系统的组成；
答：计算机控制系统由计算机系统和被控对象组成，计算机系统又由硬件和软件组成。
4. 简述计算机控制系统的特点；
答：计算机控制系统与连续控制系统相比，具有以下特点：
⑴计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。
⑵计算机控制系统修改控制规律，只需修改程序，一般不对硬件电路进行改动，因此具有很大的灵活性和适应性。
⑶能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。
⑷计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。
⑸ 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。
⑹ 采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化。
5. 简述计算机控制系统的类型。
答：（1）操作指导控制系统；
（2）直接数字控制系统；
（3）监督计算机控制系统
（4）分级计算机控制系统
二、 知识点：计算机控制系统的硬件基础。具体为
了解计算机控制系统的过程通道与接口；掌握采样和保持电路的原理和典型芯片的应用，掌握输入/输出接口电路：并行接口、串行接口、A/D和D/A的使用方法，能根据控制系统的要求选择控制用计算机系统。
回答题：
1. 给出多通道复用一个A/D转换器的原理示意图。

2. 给出多通道复用一个D/A转换器的原理示意图。

3. 例举三种以上典型的三端输出电压固定式集成稳压器。
答：W78系列,如W7805、7812、7824等；W79系列，如W7805、7812、7824等
4. 使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧的电气被彻底隔离？
答：光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。
5. 说明隔离电源的基本作用。
答：为了实施隔离技术，隔离电源可以为被隔离的各个部分提供独立的或相互隔离的电源供电，以切断各个部分间的电路联系。
6. 什么是采样或采样过程？
答：采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。
7. 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。
(2) 模拟信号。
(3) 离散信号。
(4) 采样信号。
(5) 数字信号。
8. 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。
(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。
(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。
(5) 随机采样。若相邻两次采样的时间间隔不相等。
9. 什么是信号重构？
答：把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆过程。
10. 写出零阶保持器的传递函数。
答：零阶保持器的传递函数为。
11. 引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？
答：零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递函数的极点。
12. 简述采样定理的基本内容。
答：采样定理: 如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为,则对进行周期采样且采样角频率时，连续信号可以由采样信号唯一确定，亦即可以从无失真地恢复。
13. 简述连续信号的定义。
答：连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的,也可以是断续的。
14. 简述离散信号的定义。
答：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。
15. 简述采样信号的定义。
答：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。
16. 简述数字信号的定义。
答：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。

三、 知识点：数字控制器的模拟化设计方法。具体为
介绍数字控制器的模拟化设计方法，掌握模拟控制器与数字控制器的转换方法，掌握数字PID控制器的设计方法及存在的问题、改进的办法。
回答题：
1. 简述比例调节作用。
答：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. 简述积分调节的作用
答：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. 简述微分调节的作用
答：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. 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。
5. 如何消除比例和微分饱和现象？
答：抑制比例和微分饱和的办法之一是用“积分补偿法”。其中心思想是将那些因饱和而未能执行的增量信息积累起来，一旦有可能再补充执行。
6. 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、ei-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。
7. 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、超调小的响应曲线。
(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。
(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。
8. 何为积分饱和现象？
答：在标准PID位置算法中，控制系统在启动、停止或者大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，可能会使控制量u(k)很大，甚至超过执行机构的极限umax。另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现u<umin的另一种极端情况。显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。
9. 如何消除积分饱和现象？
答：减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。因此当偏差大于某个规定的门限值时，删除积分作用，PID控制器相当于一个PD调节器，既可以加快系统的响应又可以消除积分饱和现象，不致使系统产生过大的超调和振荡。只有当误差e在门限之内时，加入积分控制，相当于PID控制器，则可消除静差，提高控制精度。
10. 等效离散化设计方法存在哪些缺陷？
答：等效离散化设计方法存在以下缺陷：
(1) 必须以采样周期足够小为前提。在许多实际系统中难以满足这一要求。
(2) 没有反映采样点之间的性能。特别是当采样周期过大，除有可能造成控制系统不稳定外，还使系统长时间处于“开环”、失控状态。因此，系统的调节品质变坏。
(3) 等效离散化设计所构造的计算机控制系统，其性能指标只能接近于原连续系统(只有当采样周期T=0时，计算机控制系统才能完全等同于连续系统)，而不可能超过它。因此，这种方法也被称为近似设计。
计算题：
1. 用后向差分法求下列模拟控制器的等效数字控制器，设采样周期T=1s。

解：

2. 用双线性变换法求下列模拟控制器的等效数字控制器，设采样周期T=0.5s。

解：

3．某连续控制系统的校正装置的传递函数为

试分别用前向差分法和后向差分法求该装置的递推输出序列（设输入为e(t)，输出为u(t) ）。
解：前向差分

后向差分

4. 已知某连续控制器的传递函数为

试用双线性变换法求出相应的数字控制器的脉冲传递函数D(z)，其中T=1s。
解：应用双线性变换

5. 已知某连续控制器的传递函数为

写出等效的递推型数字PID控制器的差分形式。
解：应用后向差分法

6. 已知某连续控制器的传递函数为

现用数字PID算法实现它，试写出其相应的增量型PID算法输出表达式。设采样周期 T=1s。
解：应用后向差分法等效离散化

四、 知识点：计算机控制系统的直接设计方法。具体为
掌握数字控制器的直接设计方法，包括最少拍无差有波纹、无波纹系统设计方法，大林方法。了解根轨迹设计法及频域设计法。
回答题：
1. 给出常规的直接设计法或离散化设计法的具体设计步骤。
答：直接设计法或称离散化设计法的具体设计步骤如下：
(1)根据已知的被控对象，针对控制系统的性能指标要求及其它约束条件，确定理想的闭环脉冲传递函数。
(2)确定数字控制器的脉冲传递函数D(z)；根据D(z)编制控制算法程序。
2. 什么是最少拍设计？
答：最少拍设计，是指系统在典型输入信号(如阶跃信号，速度信号，加速度信号等)作用下，经过最少拍(有限拍)，使系统输出的稳态误差为零。
3. 最少拍设计有什么不足之处？
答：最少拍控制器设计时，对于不同的输入，要求使用不同的闭环脉冲传递函数。所以这样设计出的控制器对各种典型输入信号的适应能力较差。若运行时的输入信号与设计时的输入信号形式不一致，将得不到期望的最佳性能。
4. 最少拍无纹波控制器实现的必要条件是什么？
答：最少拍无纹波控制能够实现的必要条件是被控对象中含有与输入信号相对应的积分环节数。
5. 大林算法的设计目标是什么？
答：大林算法的设计目标都是使闭环传递函数Φ(s)相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联，其中纯滞后环节的滞后时间τ与被控对象的纯滞后时间完全相同。
6. 所谓振铃现象是什么？
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。
7. 振铃幅度如何定义？
答：振铃幅度RA用来衡量振铃强烈的程度。常用单位阶跃作用下数字控制器第0次输出量与第1次输出量的差值来衡量振铃现象强烈的程度。
8. 如何消除振铃现象？
答：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。
计算题：
1. 已知广义被控对象:, 给定T=1s。针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统。
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

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－z1)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
2. 设不稳定对象，试对单位阶跃输入设计最少拍有纹波控制器。
解：由知，

3. 给定对象，试对单位阶跃输入设计最少拍有纹波数字控制器。
解：由题知，

4. 已知广义被控对象:, 给定T=1s。针对单位阶跃输入设计最小拍无纹波控制系统。
解：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w=0,v=0(单位圆上除外), m=1。针对阶跃输入进行设计，故p=1。于是可设

解得 。
闭环脉冲传递函数为

则
5. 设对象的传递函数 ，采样周期T＝1s，试对单位阶跃输入设计最少拍无纹波数字控制器。
解：对所给对象求z变换，可得

6. 已知广义被控对象为。其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用史密斯预估器方法确定数字控制器。
解：不含纯滞后的广义对象脉冲传递函数为

广义对象脉冲传递函数为

不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为
，进而
求得
于是得史密斯预估器如下

7. 某电阻炉，其传递函数可近似为带纯滞后的一阶惯性环节

用飞行曲线法测得电阻炉的有关参数为。若采用零阶保持器，取采样周期T＝6s，要求闭环系统的时间常数为。用大林算法求取对电阻炉实现温度控制的数字控制器的算式。
解：根据大林算法

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