计算机控制系统答案

1. 简述采样定理的基本内容。

答：如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为max,则对f(t)进行周期采样且采样角频率

s2max时，连续信号f(t)可以由采样信号f*(t)唯一确定，亦即可以从f*(t)无失真地恢复f(t)

2. 线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？

答：闭环系统特征方程的所有根的模｜zi｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。

3. 写出增量型PID的差分控制算式。

答：

uiui1KP[eiei1TTeiD(ei2ei1ei2)]TIT

4. 如何消除比例和微分饱和现象？

答：“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。这样，动态过程也得到了加速。即，一旦u超限，则多余的未执行的控制增量将存储在累加器中；当控制量脱离了饱和区，则累加器中的量将全部或部分地加到计算出的控制增量上，以补充由于限制而未能执行的控制。

5. 何为最少拍设计？

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。

6. 简述计算机网络的功能及特点。

答：(1)数据信息的快速传输和处理，以实现实时管理和实时监控。

(2) 可共享计算机系统资源。

(3) 提高了计算机的可靠性。

(4) 能均衡负载、互相协作。

(5) 能进行分布处理。

(6) 计算机网络的智能化，提高了网络的性能和综合的多功能服务，并能更加合理地进行应用，以提高综合信息服务的水平。

7. 干扰的作用途径是什么？

答：1) 传导耦合 2) 静电耦合 3) 电磁耦合 4) 公共阻抗耦合

8. 简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。

答：实现电气隔离，电平转换功能。

9. 什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？

答：公模干扰：A/D转换器输入端上公有的干扰电压。变压器隔离、光电隔离、浮地隔离、高共模抑制比放大器。

串模干扰： 叠加在被测信号上的干扰噪声。模拟滤波、双积分A/D转换、信号线屏蔽、电流传送

10. 计算机控制系统中主机有那些？

答:可编程控制器，单片机，嵌入式控制系统，数字信号处理器，ARM处理器

11. 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

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。

(2) 模拟信号

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。

(3) 离散信号

离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。

(4) 采样信号

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。

(5) 数字信号

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。

12.简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。

答：(1)比例调节器：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。

(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差。

(3)微分调节器：为加快控制过程，减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。

13．连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？

(1) 计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

(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的（数字控制器），修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。

(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

(4) 计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。

(5) 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。

(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，使工业企业的自动化程度进一步提高。

14. 为提高计算机控制系统的可靠性，通常采取的措施有哪些？

答： (1) 提高元器件和设备的可靠性。 (2) 采取抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力。 (3) 采用可靠性设计技术。 (4) 采用故障诊断技术。

16．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：

17．在计算机控制系统中，一般有哪几种地线？

答：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。

18.什么是采样或采样过程？

答：抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程。

19. 什么是信号重构？

答：把离散信号变为连续信号的过程。

20. 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：零阶保持器的传递函数为

H0(s)1esTs。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。

21. 数字控制器的连续化设计步骤？

1、求出模拟调节器的传递函数D(S)

2、选择合适的采样周期T

3、把D(S)离散化，求出数字控制器的脉冲传递函数D(z)

4、检验系统的闭环特性是否满足设计要求

5、把D(z)变换成差分方程的形式，并编程实现

6、现场调试

22. 简述数字滤波技术，其算法有哪些?

答：通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法。

23. 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：(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Φ(z)。

(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。

24. 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。

25．逐点比较法插补原理。

每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，判断偏差的瞬时坐标与规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。

1ss2等效的数字控制器，设采样周期T=0.5s。

26.用双线性变换法求模拟控制器

D(s)D(z)D(s)21z1sT1z1121z121z11T1zT1z10.04171z11z110.3333z12

227.设被测温度变化范围为0oC~1200oC,如果要求误差不超过0.4oC,应选用分辨为多少位的A/D转换器？

1200nlog1120.42解：

1s(s5)，求F(z)。

28、已知

F(s)解：

1111F(z)ZF(s)Z11e5Tz1s(s5)51z0.2(1-e5T)z-1 =(1z1)(1e5Tz1)

Gc(s)10.15s0.05s，写出等效的增量型数字PID控制器的差分形式。

29.已知

120T33zU(z)1D(z)Gc(s)s1z11zE(z)Tuui1(20T3)ei3ei1解：i

被控对象的传递函数为

Gcs1s2

30、已知某连续控制器的传递函数为

2nD(s)22s2nsn

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)，并给出控制器的差分形式。其中T1s。

2z121z11z1s21Tz1T1z1z1 解：令

2nU(z)D(z)22E(z)s2nsns21z11z12n(z22z11)222(n4n4)z2(2n8)z1n4n4

控制器的差分形式为

2n28n24n4n2u(k)2u(k1)2u(k2)2(e(k)2e(k1)e(k2))n4n4n4n4n4n4

31 .某连续控制器设计为

后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。

试用双线形变换法、前向差分法、

32.某炉温度变化范围为0～2000℃，要求分辨率为2℃，温度变送器的输出范围为0～5V。若A/D转换器的输入范围也是0～5V，则A/D转换器的字长应为多少位？若A/D转换器的字长不变，现通过变送器零点迁移将信号零点迁移到400℃，此时系统对炉温变化的分辨率为多少？

解：Xmax = 2000, Xmin = 0, λ = 2, 由于A/D转换器的输入电压范围与温度变送器的输出电压范围都为0-5V，所以A/D转换器的字长应为：

n = log2 (1 + (Xmax - Xmin)/ λ) = log2 1001 ≈ 10

若A/D转换器字长不变，改变零点偏移，此时Xmax = 2000, Xmin = 400,n = 10，系统对炉温的分辨率为：

λ = （2000 – 400）/（210 – 1）≈ 1.564℃

33．采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。

答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关K的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则K闭合，由A1、A3组成跟随器，并向CH端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则K断开，外接电容保持K断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至Aout。

34微型计算机控制系统（如下图所示）的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

由四部分组成：

(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。

(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。

(4)检测与执行机构

a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。

b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。