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计算机控制系统练习题
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一、简答题
1. 画出典型计算机控制系统基本框图。
答：典型计算机控制系统基本框图如下：

2. 依照采样过程特点，可以将采样分为哪几种类型？
答：依照采样过程特点，可以将采样分为如下几种类型。
(1) 周期采样
指相邻两次采样时间间隔相等，也称为普通采样。
(2) 同步采样
如果一种系统中有各种采样开关，它们采样周期相似且同步进行采样，则称为同步采样。
(3) 非同步采样
如果一种系统中有各种采样开关，它们采样周期相似但不同步开闭，则称为非同步采样。
(4) 多速采样
如果一种系统中有各种采样开关，每个采样开关都是周期采样，但它们采样周期不相似，则称多速采样。

(5) 随机采样
若相邻两次采样时间间隔不相等，则称为随机采样。

3. 简述比例调节、积分调节和微分调节作用。
答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反映，偏差一旦浮现，调节器及时产生控制作用，使输出量朝着减小偏差方向变化，控制作用强弱取决于比例系数KP。比例调节器虽然简朴迅速，但对于系统响应为有限值控制对象存在静差。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残存静差，可在比例调节基本上加入积分调节。积分调节具备累积成分，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将减慢消除静差过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节代价是减少系统迅速性。
(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差浮现或变化瞬间，按偏差变化趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节原理。微分作用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。

答：LF398电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关S通断，若IN+电压高于IN-电压，则S闭合，由A1、A3构成跟随器，并向CH端外接保持电容充电；IN+电压低于IN-电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻电压，并经A3构成跟随器输出至。
5. 线性离散控制系统稳定充要条件是什么？
答：线性离散控制系统稳定充要条件是： 闭环系统特性方程所有根模｜zi｜<1，即闭环脉冲传递函数极点均位于z平面单位圆内。
6. 为什么会浮现比例和微分饱和现象？
答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中比例某些和微分某些计算出控制增量也许比较大(由于积分项系数普通小得多，因此积分某些增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所容许最大限度，那么，控制作用必然不如应有计算值抱负，其中计算值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？
答：所谓振铃(Ringing)现象，是指数字控制器输出以一半采样频率大幅度衰减振荡。有两种办法可用来消除振铃现象。第一种办法是先找出D(z)中引起振铃现象因子(z=-1附近极点)，然后令其中z=1，依照终值定理，这样解决不影响输出量稳态值。第二种办法是从保证闭环系统特性出发，选取适当采样周期T及系统闭环时间常数Tc，使得数字控制器输出避免产生强烈振铃现象。
8. 与持续控制系统相比，计算机控制系统具备哪些特点？
答：与持续控制系统相比，计算机控制系统具备如下特点：
(1) 计算机控制系统是模仿和数字混合系统。
(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（数字控制器），修改一种控制规律，只需修改程序，因而具备很大灵活性和适应性。
(3) 计算机控制系统可以实现模仿电路不能实现复杂控制规律。
(4) 计算机控制系统并不是持续控制，而是离散控制。
(5) 一种数字控制器经常可以采用分时控制方式，同步控制各种回路。
(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，使工业公司自动化限度进一步提高。
9. 简述计算机控制系统普通控制过程。
答：(1) 数据采集及解决，即对被控对象被控参数进行实时检测，并输给计算机进行解决。
(2) 实时控制，即按已设计控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。
10. 简述典型计算机控制系统中所包括信号形式。
答：(1) 持续信号
持续信号是在整个时间范畴均有定义信号，它幅值可以是持续、也可以是断续。
(2) 模仿信号
模仿信号是在整个时间范畴均有定义信号，它幅值在某一时间范畴内是持续。模仿信号是持续信号一种子集，在大多数场合与诸多文献中，将两者等同起来，均指模仿信号。
(3) 离散信号
离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义信号。
(4) 采样信号
采样信号是离散信号子集，在时间上是离散、而幅值上是持续。在诸多场合中，咱们提及离散信号就是指采样信号。
(5) 数字信号
数字信号是幅值整量化离散信号，它在时间上和幅值上均是离散。
11. 线性定常离散系统稳态误差与否只与系统自身构造和
参数关于？
答：线性定常离散系统稳态误差，不但与系统自身构造和参数关于，并且与输入序列形式及幅值关于。除此之外，离散系统稳态误差与采样周期选用也关于。
12. 增量型PID控制算式具备哪些长处？
答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置变化某些，因而误动作影响小；
(2)在i时刻输出ui，只需用到此时刻偏差，以及前一时刻，前两时刻偏差ei-1，ei-2和前一次输出值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，可以较平滑地过渡。
13. 如何运用试凑法调节PID算法参数？
答：(1)先整定比例某些：将比例系数KP由小调大，并观测相应系统响应趋势，直到得到反映快、超调小响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到容许范畴之内，同步响应曲线已较令人满意，那只须用比例调节器即可，最优比例系数也由此拟定。
(2)如果在比例调节基本上系统静差不能满足设计规定，则须加入积分环节。整定期普通先置一种较大积分时间系数TI,同步将第一步整定得到比例系数KP缩小某些(例如取本来80%)，然后减小积分时间系数使在保持系统较好动态性能指标基本上，系统静差得到消除。在此过程中，可以依照响应曲线变化趋势重复地变化比例系数KP和积分时间系数TI,从而实现满意控制过程和整定参数。
(3)如果虽然有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。在整定期，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定基本上，增大微分时间系数TD，同步相应地变化比例系数KP和积分时间系数TI，逐渐试凑，以获得满意调节效果和控制参数。
14. 简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器作用。
答：开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具备电平转换功能。
15. 什么是采样或采样过程？
答：采样或采样过程，就是抽取持续信号在离散时间瞬时值序列过程，有时也称为离散化过程。
16. 线性离散系统脉冲传递函数定义是什么？
答：线性离散系统脉冲传递函数定义为零初始条件下，系统或环节输出采样函数z变换和输入采样函数z变换之比。
17. 何为积分饱和现象？
答：在原则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状况下，系统输出会浮现较大偏差，这种较大偏差，不也许在短时间内消除，通过积分项累积后，也许会使控制量u(k)很大，甚至超过执行机构极限umax。此外，当负误差绝对值较大时，也会浮现u<umin另一种极端状况。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计算值抱负，从而影响控制效果。此类现象在给定值突变时容易发生，并且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。
18. 等效离散化设计办法存在哪些缺陷？
答：等效离散化设计办法存在如下缺陷：
(1) 必要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规定。
(2) 没有反映采样点之间性能。特别是当采样周期过大，除有也许导致控制系统不稳定外，还使系统长时间处在“开环”、失控状态。因而，系统调节品质变坏。
(3) 等效离散化设计所构造计算机控制系统，其性能指标只能接近于原持续系统(只有当采样周期T=0时，计算机控制系统才干完全等同于持续系统)，而不也许超过它。因而，这种办法也被称为近似设计。
19. 何为至少拍设计？
答：至少拍设计，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，通过至少拍(有限拍)，使系统输出稳态误差为零。
20. 使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧电气被彻底隔离？
答：光电隔离器件两侧供电电源必要完全隔离。

21. 给出多通道复用一种D/A转换器原理示意图。
答：

22. 什么是信号重构？
答：把离散信号变为持续信号过程，称为信号重构，它是采样逆过程。
23. 写出零阶保持器传递函数，引入零阶保持器对系统开环传递函
数极点有何影响？
答：零阶保持器传递函数为。零阶保持器引入并不影响开环系统脉冲传递函数极点。
24. 阶跃响应不变法基本思想是什么？
答：阶跃响应不变法基本思想是：离散近似后数字控制器阶跃响应序列与模仿控制器阶跃响应采样值一致。
25. 如何消除积分饱和现象？
26. 给出常规直接设计法或离散化设计法详细设计环节。
27. 简述采样定理基本内容。
28. 脉冲响应不变法基本思想是什么？
29. 写出增量型PID差分控制算式。
30. 如何消除比例和微分饱和现象？
二、已知系统差分方程为

输入信号是

初始条件为，试写出输出脉冲序列。
三、已知 ，求。
四、设被控对象传递函数为，在对象前接有零阶保持器，
试求广义对象脉冲传递函数。
五、已知被控对象传递函数为

试用“二阶工程最佳”设计法拟定模仿控制器，并用后向差 分法给出等效数字控制器形式。
六、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。
七、已知系统框图如下所示： T=1s

y(t)
T
r(t)

-—

试拟定闭环系统稳定期K取值范畴。
八、已知某持续控制器传递函数为

试用双线性变换法求出相应数字控制器脉冲传递函数，并给出控制器差分形式。其中。
九、已知离散控制系统构造如下所示，采样周期，输入信号，求该系统稳态误差。

r(t)
y(t)

十、已知广义被控对象为

其中，T=1s。盼望闭环脉冲传递函数中时间常数取为Tc=0.5s,应用大林算法拟定数字控制器。
十一、已知系统框图如下所示： T=1s
T

y(t)
r(t)

-—

试求闭环离散系统闭环脉冲传递函数，并鉴别系统稳定性。
十二、用后向差分法求下列模仿滤波器D(s)等效数字滤波器，并给出差分递推算式，设T=1s，