计算机控制技术期末复习试题附答案.doc
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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。 外部设备 操作台 输入通道 检测装置 输出通道 执行机构 计 算 机 被 控 对 象 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 二、 按控制规律分类 ①程序和顺序控制 ② PID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d(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。 Y(z) R(z) G(z)= 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。 第五章 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。 ② D(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 第六章 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: 第十二章 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: (注:专业文档是经验性极强的领域,无法思考和涵盖全面,素材和资料部分来自网络,供参考。可复制、编制,期待你的好评与关注)- 配套讲稿:
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