計算機(jī)控制復(fù)習(xí)

1、2.1 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了獲取系統(tǒng)的運行狀態(tài)或設(shè)定信息，經(jīng)常需要進(jìn)行開關(guān)量信號的輸入。2.2 把從控制對象檢測到的模擬信號，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)I/O接口送入計算機(jī)。2.3 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開/關(guān)或啟/停，某些控制算法也需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定時間T內(nèi)全負(fù)荷工作一段時間t(0tT)，這些控制可通過計算機(jī)開關(guān)量輸出通道來實現(xiàn)。 2.4 把計算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。2.5 光電耦合器的作用：從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量的信號電平往往高于計算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入開關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以保障計算機(jī)系

2、統(tǒng)的安全。常用的隔離措施是采用光電耦合器件實現(xiàn)的。 光電耦合器的用法：下圖為原理圖。當(dāng)輸入側(cè)(即發(fā)光二極管)流過一定的電流IF時，發(fā)光二極管開始發(fā)光，它觸發(fā)光敏三極管使其導(dǎo)通；當(dāng)撤去該電流時，發(fā)光二極管熄滅、三極管截止。這樣，就實現(xiàn)了以光路來傳遞信號，保證了兩側(cè)電路沒有電氣聯(lián)系，從而達(dá)到了隔離的目的。2.5 光電耦合器的注意事項： 輸入側(cè)導(dǎo)通電流 要使光電隔離器件導(dǎo)通，必須在其輸入側(cè)提供足夠大的導(dǎo)通電流，以使發(fā)光二極管發(fā)光。不同的光電隔離器件的導(dǎo)通電流也不同，典型的導(dǎo)通電流IF=10mA。 頻率特性 受發(fā)光二極管和光敏元件響應(yīng)時間的影響，光電隔離器件只能通過一定頻率以下的脈沖信號。因此，在傳送

3、高頻信號時，應(yīng)該考慮光電隔離器件的頻率特性，選擇通過頻率較高的光電隔離器。 輸出端工作電流 光電隔離器輸出端的灌電流不能超過額定值，否則就會使元件發(fā)生損壞。一般輸出端額定電流在mA量級，不能直接驅(qū)動大功率外部設(shè)備，因此通常從光電隔離器至外設(shè)之間還需設(shè)置驅(qū)動電路。 輸出端暗電流 這是指光電隔離器處于截止?fàn)顟B(tài)時，流經(jīng)輸出端元件的電流，此值越小越好。在設(shè)計接口電路時，應(yīng)考慮由于輸出端暗電流而可能引起的誤觸發(fā)，并予以處理。 隔離電壓 它是光電隔離器的一個重要參數(shù)，表示了其電壓隔離的能力。 電源隔離 光電隔離器件兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。無論是輸入隔離還是輸出隔離，只要采取光電隔離措施，就必須保證被隔

4、離部分之間電氣完全隔離，否則就起不到隔離作用了。2.9 完成采樣操作的裝置稱為采樣開關(guān)。 根據(jù)采樣過程的特點，可以將采樣分為以下幾種類型。 (1) 周期采樣 (2) 同步采樣 (3) 非同步采樣 (4) 多速采樣 (5) 隨機(jī)采樣10. 為提高計算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，通常采取的措施有哪些？(1) 提高元器件和設(shè)備的可靠性。(2) 采取抗干擾措施，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。(3) 采用可靠性設(shè)計技術(shù)。(4) 采用故障診斷技術(shù)。10.1 說明計算機(jī)控制系統(tǒng)中干擾的來源。從系統(tǒng)電源和電源引線（包括地線）引入的干擾從系統(tǒng)的信號輸入/輸出傳輸通道引入的干擾空間電磁干擾 靜電噪聲其它環(huán)境因素的影

5、響10.2 列舉三種電源抗擾措施。     遠(yuǎn)離干擾源     安裝電源低通濾波器     采取變壓器屏蔽和分路供電措施     采取措施拓寬對電網(wǎng)波動的適應(yīng)能力     使用壓敏電阻和均衡器     直流側(cè)去耦措施穩(wěn)定性條件：     供電系統(tǒng)應(yīng)合理配線和布線     電柜接地

6、和公共接地的處理4.11解： 尖峰脈沖干擾的綜合防治 6.1解：最少拍控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)在典型輸入信號作用下，經(jīng)過最少拍使系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差為零。不足之處：只針對某種典型輸入進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)輸入形式改變時，系統(tǒng)性能變壞，輸出響應(yīng)不一定理想。1. 畫出典型計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖。答：典型計算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖如下： 2. 根據(jù)采樣過程的特點，可以將采樣分為哪幾種類型？答：根據(jù)采樣過程的特點，可以將采樣分為以下幾種類型。(1) 周期采樣 指相鄰兩次采樣的時間間隔相等，也稱為普通采樣。(2) 同步采樣如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同且同時進(jìn)行采樣，則稱為同步采樣。(3) 非同步采樣如果一

7、個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時開閉，則稱為非同步采樣。(4) 多速采樣如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，每個采樣開關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。(5) 隨機(jī)采樣若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機(jī)采樣。3. 簡述比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的作用。答：(1)比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差是即時反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)KP可以減小靜差，但是KP過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振

8、蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分調(diào)節(jié)器：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。積分時間常數(shù)TI大，則積分作用弱，反之強(qiáng)。增大TI將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分調(diào)節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。(3)微分調(diào)節(jié)器：為加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。7. 什么是振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？答：所謂振鈴(Ring

9、ing)現(xiàn)象，是指數(shù)字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象。第一種方法是先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=-1附近的極點)，然后令其中的z=1，根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。第二種方法是從保證閉環(huán)系統(tǒng)的特性出發(fā)，選擇合適的采樣周期T及系統(tǒng)閉環(huán)時間常數(shù)Tc，使得數(shù)字控制器的輸出避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的振鈴現(xiàn)象。1. 連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機(jī)控制系統(tǒng)具有哪些特點？答：與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點：(1) 計算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。(2) 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由計算機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn)的（數(shù)字控制器），修改一個控制規(guī)

10、律，只需修改程序，因此具有很大的靈活性和適應(yīng)性。(3) 計算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。(4) 計算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。(5) 一個數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r控制的方式，同時控制多個回路。(6) 采用計算機(jī)控制，如分級計算機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進(jìn)一步提高。2. 簡述計算機(jī)控制系統(tǒng)的一般控制過程。答：(1) 數(shù)據(jù)采集及處理，即對被控對象的被控參數(shù)進(jìn)行實時檢測，并輸給計算機(jī)進(jìn)行處理。 (2) 實時控制，即按已設(shè)計的控制規(guī)律計算出控制量，實時向執(zhí)行器發(fā)出控制信號。3. 簡述典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)

11、中所包含的信號形式。答：(1) 連續(xù)信號連續(xù)信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續(xù)的,也可以是斷續(xù)的。(2) 模擬信號模擬信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個子集，在大多數(shù)場合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來，均指模擬信號。(3) 離散信號離散信號是僅在各個離散時間瞬時上有定義的信號。(4) 采樣信號采樣信號是離散信號的子集，在時間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們提及離散信號就是指采樣信號。(5) 數(shù)字信號數(shù)字信號是幅值整量化的離散信號，它在時間上和幅值上均是離散的。7. 簡述對偶原理的基本內(nèi)容。答：對偶原理

12、：設(shè)S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互為對偶的兩個系統(tǒng)，則S1的能控性等價于S2的能觀測性；S1的能觀測性等價于S2的能控性?；蛘哒f，若S1是狀態(tài)完全能控的(完全能測觀的)，則S2是狀態(tài)完全能觀測的(完全能控的)。3. 何為最少拍設(shè)計？答：最少拍設(shè)計，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(如階躍信號，速度信號，加速度信號等)作用下，經(jīng)過最少拍(有限拍)，使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。1. 簡述開關(guān)量光電耦合輸入電路中，光電耦合器的作用。答：開關(guān)量光電耦合輸入電路，它們除了實現(xiàn)電氣隔離之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。3. 什么是信號重構(gòu)？答：把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，稱為信號重構(gòu)，它是采樣的逆

13、過程。4. 寫出零階保持器的傳遞函數(shù)，引入零階保持器對系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的極點有何影響？答：零階保持器的傳遞函數(shù)為。零階保持器的引入并不影響開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的極點。5. 階躍響應(yīng)不變法的基本思想是什么？答：階躍響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列與模擬控制器的階躍響應(yīng)的采樣值一致。1. 簡述采樣定理的基本內(nèi)容。答：采樣定理: 如果連續(xù)信號具有有限頻譜，其最高頻率為,則對進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率時，連續(xù)信號可以由采樣信號唯一確定，亦即可以從無失真地恢復(fù)。2. 線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？答：線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是： 閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模zi&

14、lt;1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點均位于z平面的單位圓內(nèi)。3. 脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是什么？答：脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的脈沖響應(yīng)gD(kT)是模擬控制器的脈沖響應(yīng)采樣值g(kT)的T倍。5. 如何消除比例和微分飽和現(xiàn)象？答：“積分補(bǔ)償法”。其中心思想是將那些因飽和而未能執(zhí)行的增量信息積累起來，一旦有可能再補(bǔ)充執(zhí)行。這樣，動態(tài)過程也得到了加速。即，一旦超限，則多余的未執(zhí)行的控制增量將存儲在累加器中；當(dāng)控制量脫離了飽和區(qū)，則累加器中的量將全部或部分地加到計算出的控制增量上，以補(bǔ)充由于限制而未能執(zhí)行的控制.三、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為 （10分）試用雙線性變換法求

15、出相應(yīng)的數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，并給出控制器的差分形式。其中。解：令 控制器的差分形式為五、已知廣義被控對象為 （15分）其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用史密斯預(yù)估器方法確定數(shù)字控制器。解：不含純滯后的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為不考慮純滯后，閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為，進(jìn)而求得于是得史密斯預(yù)估器如下四、已知被控對象傳遞函數(shù)為 試用“二階工程最佳”設(shè)計法確定模擬控制器Gc(s)，并用后向差分法給出等效的數(shù)字控制器形式。（10分）解：經(jīng)動態(tài)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為應(yīng)選擇Gc(s)為PI控制器，其基本形式為為使PI控制器能抵消被控對象中

16、較大的時間常數(shù)，可選擇則有 根據(jù)二階工程最佳設(shè)計法則，應(yīng)有解之得于是得到模擬控制器的傳遞函數(shù)為對以上的模擬PI控制器，根據(jù)后向差分近似的等效變換方法，得等效的數(shù)字控制器：五、已知廣義被控對象:, 給定T=1s (20分) 針對單位斜坡輸入設(shè)計最小拍有紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的輸出波形圖。解：由已知條件，被控對象含有一個積分環(huán)節(jié)，有能力產(chǎn)生單位斜坡響應(yīng)。求廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為可以看出，G(z)的零點為-0.718(單位圓內(nèi))、極點為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi))，故u=0,v=0(單位圓上除外),m=1。根據(jù)穩(wěn)定性要求，G(z)中z=1的極點應(yīng)包含在e(z)的零點中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進(jìn)行設(shè)計，故p=2。為滿足準(zhǔn)確性條件另有e(z)=(1z1)2F1(z),顯然準(zhǔn)確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設(shè) 解得 。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 則 二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分)y(t)Tr(t)- 試確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時K的取值范圍。解：廣義對象傳遞函數(shù)對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為此時系統(tǒng)的特征方程為采用雙線性變換可得等效的特