《計算機控制技術》(機械工業出版社范立南、李雪飛)

習題參考答案

第1章1.填空題(1)閉環控制系統,開環控制系統(2)實時數據采集,實時決策控制,實時控制輸出(3)計算機，生產過程(4)模擬量輸入通道,數字量輸入通道,模擬量輸出通道,數字量輸出通道(5)系統軟件,應用軟件2.選擇題(1)A(2)B(3)C(4)A(5)B3.簡答題(1)什么是計算機系統,組成部分:將閉環自動控制系統中的模擬控制器和和比較環節用計算機來代替,再加上A/D轉換器、D/A轉換器等器件,就構成了計算機控制系統,其基本框圖如圖所示。!計算機計算機控制系統由計算機(通常稱為工業控制機)和生產過程兩大部分組成。工業控制機是指按生產過程控制的特點和要求而設計的計算機,它包括硬件和軟件兩部分。生產過程包括被控對象、測量變送、執行機構、電氣開關等裝置。(2)計算機控制系統分類:操作指導控制系統、直接數字控制系統、監督計算機控制系統、集散控制系統、計算機集成制造系統、現場總線控制系統具有實現全數字化、開放性、智能化、互操作性、風險分散性、適應性強等優點。嵌入式控制系統:(3)操作臺是ー個實時的人機對話的聯系紐帶。通過它人們可以向計算機輸入程序,修改內存的數據,顯示被測參數以及發出各種操作命令等。它主要包括以下4個部分:作用開關、ー組功能鍵、屏幕或顯示器、ー組數字鍵。(4)エ業控制機的特點：可靠性高和可維修性好、控制的實時性好、環境適應性強、輸入和輸出通道配套好、系統的擴充性好、控制軟件包功能強、系統通信功能強.填空題⑴w5>2wmax(2)信號調理電路,多路開關,前置放大器,采樣保持器,A/D轉換器(3)用來切換模擬電壓信號的關鍵元件(4)脈沖啟動,電平控制(5)中斷,查詢,延時(6)查詢，延時,中斷(7)雙緩沖,單緩沖,直通,單極性,雙極性.選擇題1)A(2)C(3)B(4)D(5)A(6)C(7)B(8)D.簡答題(1)常用信號類型:模擬信號、離散模擬信號、數字信號。(2)采樣定理:如果連續信號Xa)具有有限頻譜,其最高頻率為3M,則對X⑴進行周期采樣且采樣角頻率再ン232時,連續信號R)可以由采樣信號x*(り惟ー確定,亦即可以從X*(リ不失真地恢復加)。(3)在數據采集系統中是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器?不是。如果輸入信號變化很慢(如溫度信號)或者A/D轉換時間較快,使得在A/D轉換期間輸入信號變化很小,在允許的A/D轉換精度內,不必再選用采樣/保持器。(4)簡述模擬量輸入通道各組成部分及作用：信號調理電路：把傳感器輸出的信號或變送器輸出的信號中,較小的電壓信號經過模擬量輸入通道中的放大器放大后,變換成標準電壓信號(如0~5V,P5V,0~10V,-5~+5V等),再經濾波后才能送入A/D轉換器。而對于電流信號應該通過I/V(電流/電壓)變換電路,將電流信號轉換成標準電壓信號,再經濾波后送入A/D轉換器。用來信號濾波、電平轉換、過電壓保護、電流電壓轉換器。多路模擬開關：當有多個輸入信號需要檢測時,利用多路開關可將各個輸入信號依次地或隨機地連接到公用放大器或A/D轉換器上,實現對各個輸入通道的分時控制。多路開關是用來切換模擬電壓信號的關鍵元件。前置放大器:任務是將模擬小信號放大到A/D轉換器的量程范圍內(如〇~5V)。采樣保持器：A/D轉換器需要一定的時間才能完成一次A/D轉換,因此在進行A/D轉換時間內,希望輸入信號不再變化,以免造成轉換誤差。這樣,就需要在A/D轉換器之前加入采樣/保持器S/HoA/D轉換器：作用就是把模擬量轉換為數字量,以便于計算機進行處理。(5)模擬量輸入通道的結構形式：模擬量輸入通道,數字量輸入通道,模擬量輸出通道，數字量輸出通道。(6)A/D轉換器結束信號有什么作用?幾種控制方式?當轉換結束時,A/D轉換器芯片內部的轉換結束觸發器置位,并輸出轉換結束標志電平,以通知主機讀取轉換結果的數字量。根據該信號在I/O控制中的連接方式,A/D轉換器有查詢、延時和中斷控制方式。采用查詢方式時,轉換結束引腳通常連接到數據線或I/O口線上。這種方法程序設計比較簡單,且可靠性高,但實時性差。但由于大多數控制系統對于這點時間都是允許的,所以,這種方法用得最多。采用延時方式時,轉換結束引腳懸空。在這種方式中,為了確保轉換完成,必須把時間適當延長,因此,其速度比查詢方式還慢,故應用較少。采用中斷方式時,轉換結束信號通常與計算機的外部中斷引腳連接(如80c51的面;或麗)。在中斷方式中,CPU與A/D轉換器是并行工作的，因此,其エ作效率高。在多回路數據采集系統中一般采用中斷方式。(7)數字量輸入通道中常用的信號調理電路有:在小功率輸入調理電路如采用RC濾波電路消除開關抖動的方法。采用RS觸發器消除開關兩次反跳的方法。大功率調理電路如高壓與低壓之間,用光電耦合器進行隔離。交流輸入信號檢測電路如電感、壓敏電阻和光耦合器配合使用的電路。(8)在數字量輸出通道中的驅動電路:對于低電壓情況下開關量控制輸出,可采用晶體管、OC門或運放等方式輸出。在驅動大型設備時,往往利用繼電器作為控制系統輸出到輸出驅動級之間的第一級執行機構,通過第一級繼電器輸出,可以完成從低壓直流到高壓交流的過渡。固態繼電器是計算機測控系統中作為輸出通道的控制元件的新型的電子繼電器。.填空題1(2)中間值(3)軟件報警,直接報警(4)掃描法,線反轉法(5)編程掃描，定時掃描,中斷掃描(6)靜態顯示,動態顯示(7)靜態，時分割.選擇題1)B(2)B(3)C(4)C(5)B(6)B(7)D(8)D(9)B.簡答題(1)數字濾波方法:程序判斷濾波、算術平均值濾波、加權平均值濾波、中值濾波、去極值平均濾波、滑動平均濾波、低通數字濾波。程序判斷濾波適合于對隨機干擾進行濾波,算術平均值濾波、加權平均值濾波、去極值平均濾波、滑動平均濾波主要適合于對壓カ、流量等周期脈動的干擾進行濾波,中值濾波對應去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩當而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效，低通數字濾波適用于對高頻和低頻的干擾信號進行濾波。(2)在程序判斷濾波方法中，△ド通常根據經驗數據得到，必要時,可由實驗得出。其值不是越大越好。(3)傳感器或變送器檢測的參數都需要換成A/D轉換器所能接收的〇?5V統?電壓信號,又由A/D轉換成〇〇?FFH(8位)的數字量。為進ー步顯示、記錄、打印以及報警等,必須把這些數字量轉換成不同的單位,以便操作人員對生產過程進行監視和管理，必須進行標度變換。(4)什么叫數字濾波:在計算機中用某種計算方法對輸入信號進行數學處理,以便減少干擾在有用信號中的比重,提高信號真實度。5.計算題(1)思路:梯度爐溫度變化與溫度變送器輸出呈線性關系,故可以線性參數標度變換。但由于O℃對應的不是OOH,所以應選擇No,即OC(IV)所對應的數子里。IV電壓所對應的數字量為竽=51,其變為十六進制數為33H,所以No=33H9BH=155DAx=AAx=Ao+(Amーん))『あ=1600x155-51255-51=815.69℃(2)ん=400,Am=1200,Nq=0,Nm=FFH=255,ABH=171A*=4。+（ん”ーへ）Nx-NqN—No=400+(1200-400)x—=936℃255.填空題(1)單位圓內,圓上或圓外,不穩定(2)單位圓圓周,單位圓內,單位圓外(3)虛軸,左半平面,右半平面(4)采樣周期,差.選擇題(DC(2)B (3)B.簡答題(1)線性離散系統未定的充要條件:閉環脈沖傳遞函數的全部極點(特征方程的根)必須在Z平面中的單位圓內,即同<1(i=l,2,…，N)(2)計算機控制系統的穩態誤差與那些因素有關。與控制系統本身特性有關,又與參考輸入形式有關.計算題(DG⑶二版…“)2)G(z)=KTz

a(z-l)Kz(i-e-aT)

a2(z-i)(z-e-aT2)G(z)=KTz

a(z-l)Kz(i-e-aT)

a2(z-i)(z-e-aT)Q\r -7KT"ハ2Kz(y~e~"T)3)G(z)-(l-z)[——(z-l)ー?J-——一~a a(z-l)(z-e)G(z)=Z[G,(5)G2(5)]=GlG2(z)…2 G|(z)G式z)''R(Z)l+G1G2⑵"(z)G(z)=aKz(z-e-a)-(Kz-K)(\-e-a)グ-1)①(z)={aK-K+Ke^a)z-aKe'a+K-Ke'aa2z2+(aK-a2-a2e-a-Ke-a)z+ -aKea+K-Ke-a1)2)系統不穩定，不穩定極點個數為:2系統不穩定,不穩定極點個數為:13)系統穩定4)系統穩定5)系統不穩定,不穩定極點個數為:2.設計題1)系統穩定2)0<AT<25.7T=ls時0<K<4.33;T=0.5s時〇<K<8.18當減小采樣周期T,為使系統工作盡可能接近于相應的連續系統,則增益K的取值范圍加大了。K>0(4)系統不穩定,Kc=2.4〇＜ム＜4C(z)==0.368z-i+z-2C(z)==0.368z-i+z-2=1.4z-3+1.4尸+從上述數據可以看出,系統在單位階躍函數作用下的過渡過程具有衰減震蕩的形式,故系統是穩定的。(7)輸入為單位階躍時,e(oo)=0單位速度函數輸入時,e(oo)=0單位加速度輸入時，e(oo)=〇〇01(10)本題T=ls1)系統穩定-0.01<7；<0.84K,=oo,Kv=31.選擇題(1)C(2)A(3)D(4)A(5)A2.簡答題(1)在PID調節器中,比例、積分、微分對調節品質有什么影響?比例控制能提高系統的動態響應速度,迅速反應誤差,從而減小誤差,但比例控制不能消除穩態誤差,ふ的加大，會引起系統的不穩定;積分捽制的作用是消除穩態誤差，因為只要系統存在誤差,積分作用就不斷地積累,輸出控制量以消除誤差,直到偏差為零,積分作用才停止,但積分作用太強會使系統超調量加大,甚至使系統出現振蕩;微分控制與偏差的變化率有關,它可以減小超調量,克服振蕩,使系統的穩定性提高,同時加快系統的動態響應速度,減小調整時間,從而改善系統的動態性能。(2)采樣周期T選擇考慮的因素:被控對象的特性、擾動信號周期、控制的回路數、執行機構的響應速度、控制算法的類型、給定值的變化頻率、A/D、D/A轉換器的性能。(3)采樣周期T的大小對系統有何影響:從香農采樣定理可知,只有當采樣頻率ん時,才能使采樣信號不失真地復現原來的信號。從理論上講,采樣頻率越高,失真越小。但從控制器本身而言,大都依靠偏差信號￡(ム)進行調節計算。當采樣周期ア太小時,偏差信號ダ(制也會過小,此時計算機將會失去調節作用。采樣周期ア過長又會引起誤差。因此,選擇采樣周期ブ時,必須綜合考慮。(4)比較普通PID、積分分離、變速積分三種算法有何區別:普通PID算法是在整個控制期間,比例、積分和微分系數為恒定不變的;積分分離PID算法是設置一個積分分離閾值B,當卜(女)|引向時,采用PID控制,以便于消除靜差,提高控制精度;當|e⑹|〉同時,采用PD控制,以使超調量大幅度降低;變速積分PID是設法改變積分項的累加速度，使其與偏差的大小相對應。偏差越大,積分速度越慢；反之,偏差越小時,積分速度越快。3.計算題(1)解:=專+?丄+儲アD丁一o(s)=1+0.175へ! o(s)= =2+ 0.0855 0.0855解得:Kp=2, = =11.765,KpTd=0卩Tx0.085 卩D又因為T=0.2s,所以空ア=—」一メ0.2=2.353厶0.085所以位置型PID算法輸出表達式為:“0l)=Kp卜⑹+丄Ze⑴+—[e伙)-e伏-1)]}=2e(A)+2.353工e(i)ゝ,Ii=O1 i=O增量型PID算法輸出表達式為:△〃(￡)=ズ卩?伏)—6(女ー1)+^-e(k)+ [e(上)—2e(k—1)4-e(k—2)]}=2[e(k)-e(k-1)]+2.353e⑹=4.353e(k)-2e(k-1)(2)O(s)1+0.1550.055=3(2)O(s)1+0.1550.055=3+丄丄Kp=3,——= =20,K「アD=〇卩7] 0.05 「D々="7:？。,小=竿=。.填空題(1)廣義脈沖傳遞函數單位圓內的非零零點(2)直接數字控制,純滯后,調節時間,超調量l+0.9z-1.選擇題(1)D (2)A(3)D (4)D (5)B.簡答題(1)不允許。離散系統穩定的充分必要條件是閉環脈沖傳遞函數的全部極點在Z平面的單位圓內。(2)直接根據離散系統理論來設計數字控制器的方法稱為系統的直接數字化設計。不是。(3)設計ー個數字調節器,使系統到達穩定時所需要的采樣周期最少,而且系統在采樣點的輸出值能準確地跟蹤輸入信號,不存在靜差。在各種使系統在有限拍內到達穩態的設計中,系統準確跟蹤輸入信號所需的采樣周期數最少。數字控制器必須在物理上可實現。閉環系統必須是穩定的。1)考慮不同類型輸入,選擇滿足最少拍的"的形式;2)考慮D(z)可實現性,①(z)應包含z,因子和G(z)中IzilDl(不包括z=l點)的零點;w(z)3)考慮系統穩定性,e應把G(z)中的不穩定極點丨P,I21(不包括z=1點)作為自己的零點。局限性:1)系統的適應性差。改進方法:引入加權因子。2)在采樣點之間存在紋波，增加了功率損耗和機械磨損。改進方法:無紋波設 計。(4)無單位圓上或單位圓外零極點,無純滯后環節’的多次方(即幕次總2)〇(5)若廣義對象°⑵中有極點存在,則應用?⑵或w(z)的相同零點來抵消。但用D⑺來抵消G⑸的零點是不可靠的,因為D⑸中的參數由于計算上碑落差或漂移會造成抵消不完全的情況，這將有可能引起系統的不穩定,所以,的不穩定極點通常由，來抵消。給。增加零點的后果是延遲了系統消除偏差的時間。G⑵中出現的單位圓上(或圓外)的零點,則既不能用W⑵中的極點來抵消，W(z) 71 D(z)因為e已選定為’的多項式,沒有極點,也不能用增加 中的極點來抵消,因為?⑸不允許有不穩定極點,這樣會導致數字控制器?⑸的不穩定。(6)第一步:根據被控對象的數學模型求出廣義對象的脈沖傳遞函數G(z)；第二步:根據輸入信號類型,查表67確定誤差脈沖傳遞函數Wc(z)；第三步:將G(z)、W0(z)帶入ハ⑵=Iー叱")「進行z變換運算,即可求出G⑵憶⑵數字控制器的脈沖傳遞函數D(z)；第四步：用U(z)判斷所設計的D(z)是否是最小拍無波數字控制系統;第五步:根據結果,求出輸出序列及其響應曲線等。(7)純滯后慣性系統,因允許它存在適當的超調量,當系統參數設置不適合或不匹配時,可能使數字控制器輸出接近1/2采樣頻率的大幅度上下擺動的序列，這種現象稱為振鈴現象。振鈴現象產生的根源在于Q(z)中z=-!附近有極點所致。由書中表6-2可以看出,極點z=T時最嚴重，在單位圓中離z=T越遠，振鈴現象就越弱。在單位圓內右半平面有極點時,則會減輕振鈴現象,而在單位圓內右半平面有零點時,會加劇振鈴現象。(8)大林提出ー種消除振鈴現象的方法,即先找出造成振鈴現象的極點的因子,令其z=l,這樣便消除了這個極點。mヽ (1一e-T,T°)(l-e-T'T'z-)(1_e々へT)("ーK(1—e-M)(1—e-T,T^[\-e-T,TaZ-'-(\-e^)^^1](9)直接程序設計法的優點是,除了i=0時涉及e(kT)的一項外,其余各項都可在采用e(")前全部計算出來,因而可大大減少計算機延時,提高系統的動態性能。串行法和并行法在高階數字控制器設計時,可以簡化程序設計,只要審計出ー階或二階的。(z)子程序,通過反復調用子程序即可實現O(z)。這樣設計的程序占用內存量少,容易讀,且調試方便。在串行和并行法程序設計中,需要將高階函數分解成一階或二階的環節,這樣的分解并不是在任何情況下都可以進行的。此時若采用直接程序設計法則優越性更大.計算題(1)膜kT)=e(kT-T)-4U(kT-T)-4U(kT-2T)u(k)=3ut(k)+0.6%(女-1)一0.5m(A:-1)u(k)=0Ae(k)+1.805%(たー1)-1.62旳伏-1).設計題小ハ,ゝ①⑶ 4(1-0.5z-')2G(z)W,(z)(l-z-yC(0)=0, C(T)=0, C(2T)=2, C(3T)=3....由上述討論可見,按某種典型輸入設計的最少拍系統,當輸入形式改變時,系統性能變壞,輸出響應不ー定理想。說明最少拍系統對輸入信號的變化適應性較差。5.435(1-0.5z~I)(1.OJbSz-1)

(l-z-1)(l+0.718z-1)C(z)=①(z)R(z)=2z-2+3z-3+4Z-4+..…

c(0)=0,c(T)=0,c(2T)=2,c(3T)=3,c(4T)=4 經過2拍后,輸出波形圖C(kT)如下圖所示。c(KT)單位速度喻入時的響應曲線メヽ ①⑶ 2.45(l-0.6065z-')'エノ￡>(z)= = ： G(z)叱(z) 1+0.459J-'(5)答案見書中【例6.8】。若本題改為單位速度輸入,