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《计算机控制系统》课程复习题答案
一、 知识点：计算机控制系统基础概念。具体为
了解计算机控制系统和生产自动化关系；掌握计算机控制系统组成和计算机控制系统关键特征；了解计算机控制系统分类和发展趋势。
回复题：
1. 画出经典计算机控制系统基础框图；
答：经典计算机控制系统基础框图以下：

2. 简述计算机控制系统通常控制过程；
答：(1) 数据采集及处理，即对被控对象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，即按已设计控制规律计算出控制量，实时向实施器发出控制信号。
3. 简述计算机控制系统组成；
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特点；
答：计算机控制系统和连续控制系统相比，含有以下特点：
⑴计算机控制系统是模拟和数字混合系统。
⑵计算机控制系统修改控制规律，只需修改程序，通常不对硬件电路进行改动，所以含有很大灵活性和适应性。
⑶能够实现模拟电路不能实现复杂控制规律。
⑷计算机控制系统并不是连续控制，而是离散控制。
⑸ 一个数字控制器常常能够采取分时控制方法，同时控制多个回路。
⑹ 采取计算机控制，便于实现控制和管理一体化。
5. 简述计算机控制系统类型。
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：计算机控制系统硬件基础。具体为
了解计算机控制系统过程通道和接口；掌握采样和保持电路原理和经典芯片应用，掌握输入/输出接口电路：并行接口、串行接口、A/D和D/A使用方法，能依据控制系统要求选择控制用计算机系统。
回复题：
1. 给出多通道复用一个A/D转换器原理示意图。

2. 给出多通道复用一个D/A转换器原理示意图。

3. 例举三种以上经典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，怎样做到器件两侧电气被根本隔离？
答：光电隔离器件两侧供电电源必需完全隔离。
5. 说明隔离电源基础作用。
答：为了实施隔离技术，隔离电源能够为被隔离各个部分提供独立或相互隔离电源供电，以切断各个部分间电路联络。
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序列过程，有时也称为离散化过程。
7. 简述经典计算机控制系统中所包含信号形式。
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. 依据采样过程特点，能够将采样分为哪多个类型？
答：依据采样过程特点，能够将采样分为以下多个类型。
(1) 周期采样 。指相邻两次采样时间间隔相等，也称为一般采样。
(2) 同时采样。假如一个系统中有多个采样开关，它们采样周期相同且同时进行采样。
(3) 非同时采样。假如一个系统中有多个采样开关，它们采样周期相同但不一样时开闭。
(4) 多速采样。假如一个系统中有多个采样开关，每个采样开关全部是周期采样，但它们采样周期不相同。
(5) 随机采样。若相邻两次采样时间间隔不相等。
9. 什么是信号重构？
答：把离散信号变为连续信号过程，称为信号重构，它是采样逆过程。
10. 写出零阶保持器传输函数。
答：零阶保持器传输函数为。
11. 引入零阶保持器对系统开环传输函数极点有何影响？
答：零阶保持器引入并不影响开环系统脉冲传输函数极点。
12. 简述采样定理基础内容。
答：采样定理: 假如连续信号含有有限频谱，其最高频率为,则对进行周期采样且采样角频率时，连续信号能够由采样信号唯一确定，亦即能够从无失真地恢复。
13. 简述连续信号定义。
答：连续信号是在整个时间范围全部有定义信号，它幅值能够是连续,也能够是断续。
14. 简述离散信号定义。
答：模拟信号是在整个时间范围全部有定义信号，它幅值在某一时间范围内是连续。模拟信号是连续信号一个子集，在大多数场所和很多文件中，将二者等同起来，均指模拟信号。
15. 简述采样信号定义。
答：采样信号是离散信号子集，在时间上是离散、而幅值上是连续。在很多场所中，我们提及离散信号就是指采样信号。
16. 简述数字信号定义。
答：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。

三、 知识点：数字控制器模拟化设计方法。具体为
介绍数字控制器模拟化设计方法，掌握模拟控制器和数字控制器转换方法，掌握数字PID控制器设计方法及存在问题、改善措施。
回复题：
1. 简述百分比调整作用。
答：百分比调整器对偏差是即时反应，偏差一旦出现，调整器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差方向改变，控制作用强弱取决于百分比系数KP。百分比调整器即使简单快速，但对于系统响应为有限值控制对象存在静差。加大百分比系数KP能够减小静差，不过KP过大时，会使系统动态质量变坏，引发输出量振荡，甚至造成闭环系统不稳定。
2. 简述积分调整作用
答：为了消除在百分比调整中残余静差，可在百分比调整基础上加入积分调整。积分调整含有累积成份，只要偏差e不为零，它将经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，提升稳定性。引入积分调整代价是降低系统快速性。
3. 简述微分调整作用
答：为加紧控制过程，有必需在偏差出现或改变瞬间，按偏差改变趋向进行控制，使偏差消亡在萌芽状态，这就是微分调整原理。微分作用加入将有利于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。
4. 为何会出现百分比和微分饱和现象？
答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中百分比部分和微分部分计算出控制增量可能比较大(因为积分项系数通常小得多，所以积分部分增量相对比较小)。假如该计算值超出了实施元件所许可最大程度，那么，控制作用肯定不如应有计算值理想，其中计算值多出信息没有实施就遗失了，从而影响控制效果。
5. 怎样消除百分比和微分饱和现象？
答：抑制百分比和微分饱和措施之一是用“积分赔偿法”。其中心思想是将那些因饱和而未能实施增量信息积累起来，一旦有可能再补充实施。
6. 增量型PID控制算式含有哪些优点？
答：(1)计算机只输出控制增量，即实施机构位置改变部分，所以误动作影响小。
(2)在i时刻输出ui，只需用到此时刻偏差，和前一时刻、前两时刻偏差ei-1、ei-2和前一次输出值ui-1，这大大节省了内存和计算时间。
(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. 怎样利用试凑法调整PID算法参数？
答：(1)先整定百分比部分：将百分比系数KP由小调大，并观察对应系统响应趋势，直到得到反应快、超调小响应曲线。
(2)假如在百分比调整基础上系统静差不能满足设计要求，则需加入积分步骤。
(3)假如即使有百分比积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不令人满意，则能够加入微分步骤，组成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定基础上，增大微分时间系数TD，同时对应地改变百分比系数KP和积分时间系数TI，逐步试凑，以取得满意调整效果和控制参数。
8. 何为积分饱和现象？
答：在标准PID位置算法中，控制系统在开启、停止或大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大偏差，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，甚至超出实施机构极限umax。另外，当负误差绝对值较大时，也会出现u<umin另一个极端情况。显然，当控制量超出实施机构极限时，控制作用肯定不如应有计算值理想，从而影响控制效果。这类现象在给定值突变时轻易发生，而且在起动时尤其显著，故也称“起动效应”。
9. 怎样消除积分饱和现象？
答：减小积分饱和关键在于不能使积分项累积过大。所以当偏差大于某个要求门限值时，删除积分作用，PID控制器相当于一个PD调整器，既能够加紧系统响应又能够消除积分饱和现象，不致使系统产生过大超调和振荡。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，提升控制精度。
10. 等效离散化设计方法存在哪些缺点？
答：等效离散化设计方法存在以下缺点：
(1) 必需以采样周期足够小为前提。在很多实际系统中难以满足这一要求。
(2) 没有反应采样点之间性能。尤其是当采样周期过大，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。所以，系统调整品质变坏。
(3) 等效离散化设计所结构计算机控制系统，其性能指标只能靠近于原连续系统(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)，而不可能超出它。所以，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等效数字控制器，设采样周期T=0.5s。

解：

3．某连续控制系统校正装置传输函数为

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

后向差分

4. 已知某连续控制器传输函数为

试用双线性变换法求出对应数字控制器脉冲传输函数D(z)，其中T=1s。
解：应用双线性变换

5. 已知某连续控制器传输函数为

写出等效递推型数字PID控制器差分形式。
解：应用后向差分法

6. 已知某连续控制器传输函数为

现用数字PID算法实现它，试写出其对应增量型PID算法输出表示式。设采样周期 T=1s。
解：应用后向差分法等效离散化

四、 知识点：计算机控制系统直接设计方法。具体为
掌握数字控制器直接设计方法，包含最少拍无差有波纹、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。
回复题：
1. 给出常规直接设计法或离散化设计法具体设计步骤。
答：直接设计法或称离散化设计法具体设计步骤以下：
(1)依据已知被控对象，针对控制系统性能指标要求及其它约束条件，确定理想闭环脉冲传输函数。
(2)确定数字控制器脉冲传输函数D(z)；依据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，是指系统在经典输入信号(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，对于不一样输入，要求使用不一样闭环脉冲传输函数。所以这么设计出控制器对多种经典输入信号适应能力较差。若运行时输入信号和设计时输入信号形式不一致，将得不到期望最好性能。
4. 最少拍无纹波控制器实现必需条件是什么？
答：最少拍无纹波控制能够实现必需条件是被控对象中含有和输入信号相对应积分步骤数。
5. 大林算法设计目标是什么？
答：大林算法设计目标全部是使闭环传输函数Φ(s)相当于一个纯滞后步骤和一个惯性步骤串联，其中纯滞后步骤滞后时间τ和被控对象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，是指数字控制器输出以二分之一采样频率大幅度衰减振荡。
7. 振铃幅度怎样定义？
答：振铃幅度RA用来衡量振铃强烈程度。常见单位阶跃作用下数字控制器第0次输出量和第1次输出量差值来衡量振铃现象强烈程度。
8. 怎样消除振铃现象？
答：有两种方法可用来消除振铃现象。
第一个方法是先找出D(z)中引发振铃现象因子(z=-1周围极点)，然后令其中z=1，依据终值定理，这么处理不影响输出量稳态值。
第二种方法是从确保闭环系统特征出发，选择适宜采样周期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。
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步骤，有能力产生单位斜坡响应。
求广义对象脉冲传输函数为

能够看出，G(z)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。依据稳定性要求，G(z)中z=1极点应包含在Φe(z)零点中，因为系统针对等速输入进行设计，故p=2。为满足正确性条件另有Φe(z)=(1－z1)2F1(z),显然正确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设

解得 。
闭环脉冲传输函数为

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：广义对象脉冲传输函数为

能够看出，G(z)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 。
闭环脉冲传输函数为

则
5. 设对象传输函数 ，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。期望闭环脉冲传输函数中时间常数取为Tc=0.5s,应用史密斯预估器方法确定数字控制器。
解：不含纯滞后广义对象脉冲传输函数为

广义对象脉冲传输函数为

不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传输函数为
，进而
求得
于是得史密斯预估器以下

7. 某电阻炉，其传输函数可近似为带纯滞后一阶惯性步骤

用飞行曲线法测得电阻炉相关参数为。若采取零阶保持器，取采样周期T＝6s，要求闭环系统时间常数为。用大林算法求取对电阻炉实现温度控制数字控制器算式。
解：依据大林算法