計算機控制系統(tǒng)試題答案

1、計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 試 卷一答案 班級：姓名：學號：成績：一、簡答題(每小題5分，共50分)1. 畫出典型計算機控制系統(tǒng)的基本框圖。答：典型計算機控制系統(tǒng)的基本框圖如下:2. 根據采樣過程的特點，可以將采樣分為哪幾種類型？答：根據采樣過程的特點，可以將采樣分為以下幾種類型。(1) 周期米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，它們的采樣周期相同且同時進行采樣，則稱為同步采樣。(3) 非同步采樣如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關，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，每個采樣開關都

2、是周期采樣的，但它們的米樣周期不相同，則稱多速米樣。(5) 隨機采樣若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機采樣。3. 簡述比例調節(jié)、積分調節(jié)和微分調節(jié)的作用。答：(1)比例調節(jié)器：比例調節(jié)器對偏差是即時反應的，偏差一 旦出現(xiàn)，調節(jié)器立即產生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變 化，控制作用的強弱取決于比例系數 Kp。比例調節(jié)器雖然簡單快速， 但對于系統(tǒng)響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數Kp可以減小靜差，但是Kp過大時，會使系統(tǒng)的動態(tài)質量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定(2) 積分調節(jié)器：為了消除在比例調節(jié)中的殘余靜差，可在比例調節(jié)的基礎上加入積分調節(jié)。積分調節(jié)具有累

3、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T大，則積分作用弱，反之強。增大 Ti將減慢消 除靜差的過程，但可減小超調，提高穩(wěn)定性。引入積分調節(jié)的代價是 降低系統(tǒng)的快速性。(3) 微分調節(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行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是 微分調節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使 系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。4. 采樣保持器LF398工作原理圖如下圖，試分析其工作原理。3 VJMM3答：LF398的電路原理：放大器 A作為比較器來控制開關S的通 斷，若IN+的電壓高于IN-的

4、電壓，貝S S閉合，由A、A組成跟隨器， 并向CH端外接的保持電容充電；IN+的電壓低于IN-的電壓時，貝S S斷 開，外接電容保持S斷開時刻的電壓，并經 A組成的跟隨器輸出至out °5. 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 的所有根的模丨Zi | <1,即閉環(huán)脈沖傳遞函數的極點均位于 z平面的 單位圓內。6. 為什么會出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象？答：當給定值發(fā)生很大躍變時，在PID增量控制算法中的比例部 分和微分部分計算出的控制增量可能比較大(由于積分項的系數一般 小得多，所以積分部分的增量相對比較小)。如果該計算值超

5、過了執(zhí) 行元件所允許的最大限度，那么，控制作用必然不如應有的計算值理想，其中計算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。7. 什么是振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？答：所謂振鈴 (Ringing) 現(xiàn)象，是指數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Tc，使得數字控制器的輸出避免產生強烈的振鈴現(xiàn) 象。8. 什么是嵌入

6、式系統(tǒng)？如何理解嵌入式系統(tǒng)的定義？答：目前國內普遍被認同的嵌入式系統(tǒng)定義是：以應用為中心、 以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠 性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。通常，從以下 幾個方面來理解嵌入式系統(tǒng)的定義：(1) 以應用為中心是指嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向 應用的。(2) 嵌入式系統(tǒng)以計算機技術為基礎， 是計算機技術、 通信技術、 半導體技術、 微電子技術、 語音圖像數據傳輸技術， 甚至傳感器等先 進技術和 Internet 網絡技術與具體應用對象相結合后的產物。 這一點 就決定了它必然是一個技術密集、 資金密集、 高度分散、不斷創(chuàng)新的 知識

7、集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)可以根據實際系統(tǒng)的需要對軟、 硬件進行剪裁以適應 實際系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求。說明嵌 入式系統(tǒng)存在著一個較為通用的軟、硬件內核。這個內核往往是幾 kB到幾十kB之間的微內核，正是由于微內核的存在，才使得嵌入式 系統(tǒng)能夠根據實際應用系統(tǒng)的需要在軟、 硬件方面得以順利地裁剪或 擴充。9. 簡述網絡控制系統(tǒng)的特點。答：網絡控制系統(tǒng)通常具備下述特點：(1) 非定常性。數據到達的時刻不再是定常和有規(guī)則的 , 更不能 再用簡單的采樣時間來刻畫。(2) 非完整性。 由于數據在傳輸中可能發(fā)生丟失和出錯， 數據不 再是完整的， 當然數字控制中也可能有類似的現(xiàn)象， 但

8、在網絡控制中 發(fā)生的可能性要大得多。(3) 非有序性。 由于網絡傳輸時間的不確定， 先產生的數據可能 遲于后產生的數據到達遠程控制系統(tǒng)。 因此 , 數據到達的次序可能不 再遵守原有的時間順序。(4) 非確定性。 由于數據到達的隨機性， 整個控制過程已不再是 一個確定性的系統(tǒng) , 而是一個隨機系統(tǒng)。10. 簡述故障診斷技術所包含的內容。答：故障診斷主要包括以下幾個方面的內容。(1) 故障的特征提取 通過測量用定量和定性的信息處理技術獲取反映系統(tǒng)故障的特 征描述。(2) 故障的分離與估計 根據獲得的故障特征確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及故障的程度。(3) 故障的評價和決策 根據故障分離與估計的結論對故障

9、的危害及嚴重程度做出評價， 近而決策出是否停止任務的進程以及是否需要維修更換故障元部件。二、已知系統(tǒng)的差分方程為 (10 分) y(k) y(k 1) r(k 2) 輸入信號是r(k)初始條件為 y(0) 1，試寫出輸出脈沖序列 y(k)解： y(0) 1y(1) r( 1) y(0) 1 y(2) r(0) y(1) 2y(3) r(1) y(2) 1y(4) r(2) y(3) 2y(5) r(3) y(4) 1三、設被控對象傳遞函數為Gp(s)右，在對象前接有零階保持器,試求廣義對象的脈沖傳遞函數。(10 分)解：廣義對象傳遞函數G(s)Tse Ks(s 1)對應的脈沖傳遞函數為G(z)

10、 Z G(s) Z 1 e1s s(s 1)1 1K(1 z1)Z 亍 K(1s (s 1)K(eT T Dz1 1 Te： Tz e T 1(1 z1)(1 eTz1)z1)Tz1K2(1 z )1 11 z11 eTz1四、已知被控對象傳遞函數為20G(s) (8s 1)(0.1s 1)試用“二階工程最佳”設計法確定模擬控制器G(s)，并用后向差分法給出等效的數字控制器形式。(10分)20解：經動態(tài)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 0(s) Gc(s)G(s)Gc(s)(8s 1)(0.1s 1)應選擇Gc(s)為PI控制器，其基本形式為Gc(s)s 1Tis為使PI控制器能抵消被控對象中較大的

11、時間常數，可選擇8則有8s 120%(s) Gc(s)G(s)Tis (8s 1)(0.1s 1)ics(0.1s 1)根據二階工程最佳設計法則，應有Ti200.1.2T22質解之得Ti于是得到模擬控制器的傳遞函數為8s 111心(1)2(1)4sKI s8s.根據后向差分近似的等效變換方法，得等Gc(s)對以上的模擬PI控制器, 效的數字控制器：Gc(s)2Wz 14 Ts五、已知廣義被控對象：G(s)號S(s 1)給定T=1s(20分)針對單位斜坡輸入設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),有能力產生單位斜坡響應。求廣義對象脈沖傳遞函數為

12、G(z) Z G(s) Z(1 z1)ZTs1 e 1 s s(sJ (1s2(s 1)10.718z ) 11)z1)Z 11(1 z1)21 z 110.368z (1(1 z 1)(1 0.368z ')可以看出，G(z)的零點為-0.718(單位圓內)、0.368(單位圓內)，故u=0,v=0(單位圓上除外),m=1。根據穩(wěn)定性要求， G(Z)中z=1的極點應包含在 e(Z)的零點中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進 行設計，故p=2。為滿足準確性條件另有 e(z)=(1 z 1)2F1(z),顯然準 確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設1 1(z) z (C0 c,z )極點為1(單

13、位圓上)、Co g 1'c 2c,0解得 c02, d 1閉環(huán)脈沖傳遞函數為(z)z 1(2 Z1) 2z 1 z2e(Z)1(1 Z1)25.435(1 0.5z 1)(1 0.368Z1)(1 z 1)(1 0.718Z1)1Y(z) R(z)占(2Z j)2z2 八4 L（圖略）計算機控制系統(tǒng)試卷二答案班級：姓名：學號：成績：一、簡答題(每小題4分，共40分)1. 連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機控制系統(tǒng)具有哪些特點？ 答：與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計算機控制系統(tǒng)具有以下特點：(1) 計算機控制系統(tǒng)是模擬和數字的混合系統(tǒng)。(2) 在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由計算機通過程序實現(xiàn)的 (數字控制

14、器)，修改一個控制規(guī)律，只需修改程序，因此具有很大的靈活性和適應性。(3) 計算機控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復雜控制規(guī) 律。(4) 計算機控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。(5) 一個數字控制器經?？梢圆捎梅謺r控制的方式，同時控制多 個回路。(6) 采用計算機控制，如分級計算機控制、集散控制系統(tǒng)、計算 機網絡等，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 一步提咼。2. 簡述計算機控制系統(tǒng)的一般控制過程。答：(1)數據采集及處理，即對被控對象的被控參數進行實時檢 測，并輸給計算機進行處理。(2) 實時控制，即按已設計的控制規(guī)律計算出控制量， 實時向執(zhí) 行器發(fā)出控制信號。

15、3. 簡述典型的計算機控制系統(tǒng)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 間范圍內是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個子集，在大多數場合 與很多文獻中，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) 數字信號數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。4

16、. 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是否只與系統(tǒng)本身的結構和參數有關？答：線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，不但與系統(tǒng)本身的結構和參 數有關，而且與輸入序列的形式及幅值有關。除此之外，離散系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)誤差與采樣周期的選取也有關。5. 增量型PID控制算式具有哪些優(yōu)點？答：(1)計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構位置的變化部分， 因而誤動作影響小。(2) 在i時刻的輸出Ui，只需用到此時刻的偏差，以及前一時刻、 前兩時刻的偏差e-i、ei-2和前一次的輸出值Ui-i，這大大節(jié)約了內存 和計算時間。(3) 在進行手動一自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。6. 如何利用試湊法調整PID算法的參數？答：(1

17、)先整定比例部分：將比例系數 Kp由小調大，并觀察相應 的系統(tǒng)響應趨勢，直到得到反應快、超調小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒 有靜差或靜差已小到允許范圍之內，同時響應曲線已較令人滿意，那 只需用比例調節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數也由此確定。(2) 如果在比例調節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時一般先置一個較大的積分時間系數Ti,同時將第一步整定得到的比例系數 心縮小一些(比如取原來的80%),然后 減小積分時間系數，使在保持系統(tǒng)較好的動態(tài)性能指標的基礎上，系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過程中，可以根據響應曲線的變化趨勢反復 地改變比例系數Kp和積分時間系數Ti,從而實現(xiàn)滿意的控制過程和

18、整 定參數。(3) 如果即使有比例積分控制器消除了偏差，但動態(tài)過程仍不令 人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構成 PID控制器。在整定時，可先置 微分時間系數Td為零，在第二步整定的基礎上，增大微分時間系數Td,同時相應地改變比例系數 Kp和積分時間系數T,逐步試湊，以獲 得滿意的調節(jié)效果和控制參數。7. 簡述對偶原理的基本內容。答：對偶原理：設 S=(ABC)、S2=(AT CT BT)是互為對偶的 兩個系統(tǒng)，則S的能控性等價于S2的能觀測性；S的能觀測性等價于 S2的能控性?；蛘哒f，若 S是狀態(tài)完全能控的(完全能測觀的)，則 S是狀態(tài)完全能觀測的(完全能控的)。8. 與應用了傳統(tǒng)的通用計算機的數

19、字產品相比，嵌入式系統(tǒng)有 哪些特點？答：系統(tǒng)內核??；系統(tǒng)精簡；高實時性和高可靠性；智能化和網 絡化；專用性強；需要有專用的開發(fā)工具和環(huán)境。9. 尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網正弦波上的高能隨機脈沖，如何防治尖峰脈沖干擾？答：尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網正弦波上的高能隨機 脈沖，其幅度可達幾千伏，寬度只有幾個毫微秒或幾個微秒，出現(xiàn)的 位置也無規(guī)律，因此采用常規(guī)的抑制辦法是無效的， 而必須采取綜合 治理的辦法：(1) “遠離”干擾源。(2) 用硬件設備抑制尖峰干擾的影響。較常用的抑制方法有三種：在交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻； 米用鐵磁共振原理，如米用超級隔離變壓器；在交流電源輸入端串入

20、 均衡器。(3)在大功率用電設備上采取措施抑制尖峰干擾的產生。 采用“看門狗”(Watchdog)技術。10. 什么是硬件故障冗余系統(tǒng)?答：硬件故障冗余系統(tǒng)的定義是：如果一個系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運 行性故障時，依靠系統(tǒng)冗余硬件的內駐能力，仍能保持系統(tǒng)連續(xù)正確 地執(zhí)行其程序和輸入、輸出功能，則稱這一系統(tǒng)為硬件故障冗余系統(tǒng)。 二、已知系統(tǒng)框圖如下所示：T=1s (15 分)r(tJ1 e TsKss(s 1)y(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G(s)1 eTs Ks s(s 1)對應的脈沖傳遞函數為G(z) Z G(s) Z1 eTsKs s(s 1)K(1 z 1)Z1s2(

21、s 1)K(11)z 11_(1 z1)21 z 111 10.368Kz (1 0.718z )(1 z 1)(1 0.368z 1)0.368z 0.264z21.368z 0.368此時系統(tǒng)的特征方程為1 G(z) 1K(0.368z 0.624)z2 1.368z 0.368采用雙線性變換z晉/2w1 0.5w1 0.5w可得等效的特征方程為(10.0381K)wns22 n s試用雙線性變換法求出相應的數字控制器的脈沖傳遞函數D(z),并給出控制器的差分形式。其中T 1s。(0.924 0.386K)w 0.924 K 0此時，勞斯表為f K< 26.2t K< 2.39

22、w2( 1-0.0381K)0.924Kw10.924- 0.386Kw00.924K故K的變化范圍為0< K < 2.39三、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數為(10 分)D(s)解：令2 1 z 1I121 z 1D(z) U)E(z)2ns22 n sJ zs2rr2z 1 1) n 8)z122 c 1n(Z-"2 2n4 n 4)z2(2控制器的差分形式為u(k)(kn r n r1)n24n 4 n 44u(k 2)4（e（k）2e(k 1) e(k 2)四、已知離散控制系統(tǒng)的結構如下所示，采樣周期T 0.2s，輸入信號r（t） 1 t *t2，求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

23、（10分）r(t) LO- J1 e sT10(0.5s 1)y(ts2 s)"解：系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數為G(z) Z G(s)1 e Ts 10(0.5 s 1)2ss1(1 z )Z5s 103s(11)z1(1 z1)20.4z 1(1 z 1)2(1 z1)3z 1(0.81.2z 1)1 2(1 z )則誤差脈沖傳遞函數為R(z)E(z)R(z)11 G(z)(1z1)20.2z 10.04z1(1 z1)1.02 1.78z 10.8z 21x2(1 z )2(1z1)31x3(1 z )11.2z 10.2z 211 z 1穩(wěn)態(tài)誤差為(15 分)e( ) lzmi(1

24、z1)E(z)e(z)R(z) 0.1五、已知廣義被控對象為G(s)心-e2ss s 1其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數中的時間常數取為Tc=0.5$應用史密斯預估器方法確定數字控制器。解：不含純滯后的廣義對象脈沖傳遞函數為1G°(z) Z G°(s)Z -Tse 1s s 1110.632z 1(1 z 1)Z彳s(s 1)1 0.368z 1廣義對象脈沖傳遞函數為G(z) G°(z)z540.632z10.368z 1不考慮純滯后，閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數為 o(S)1 ，進而0(z) Z 10.5s 1eTs 10.865z 1s 0.5s 11 0.

25、135z 1求得 D0(z)T1 0.368z 11.36911 z 1于是得史密斯預估器如下D(z)1 (1 zN)D o( z)Go(z)D。六、采用逐點比較法插補圓弧 0P,起點坐標0(0, 5),終點坐標P(5, 0),圓心在原點。要求以表格形式給出插補計算過程，并畫出插補運動軌跡。(10 分)解：步數誤差判別坐標進給下一步誤差計算進給后動點坐 標終點判別初始化F= 0x=0, y=5刀=101F=0-yF=F-2 y+1= -9x=0， y=y-1=4刀=E-1=92F<0+xF=F+2x+1= -8x=x+1=1, y=4刀=E-1=83F<0+xF=F+2x+1= -

26、5x=x+1=2, y=4刀=E-1=74F<0+xF=F+2x+1=0x=x+1=3, y=4刀=E-1=65F=0-yF=F-2 y+1= -7x=3, y=y-1=3刀=E-1=56F<0+xF=F+2x+1=0x=x+1=4, y=3刀=E-1=47F=0-yF=F-2 y+1= -5x=4, y=y-1=2刀=E-1=38F<0+xF=F+2x+1=4x=x+1=5, y=2刀=E-1=29F>0-yF=F-2 y+仁1x=5, y=y-1=1刀=E-1=110F>0-yF=F-2 y+仁0x=5, y=y-1=0刀=E-1=0E nd（圖略）計算機控制

27、系統(tǒng)試卷三答案班級：姓名：學號：成績：一、簡答題(每小題4分，共40分)1. 簡述開關量光電耦合輸入電路中，光電耦合器的作用。答：開關量光電耦合輸入電路，它們除了實現(xiàn)電氣隔離之外，還 具有電平轉換功能。2. 回答下述電路中克服共模干擾的工作原理。答：平時，開關Si(i=1,2,，n)處于閉合狀態(tài)，C的電壓跟蹤 V的輸入值，開關S(i=1,2,，n)處于斷開狀態(tài)。需檢測 V時，則令Si斷開,Sa閉合，放大器A的輸出經采樣保持器送至 A/D轉換器化 為數字量，然后開關再恢復平時的狀態(tài)。在采樣、轉換過程中，放大 器A不與任何模擬量信號輸入共地，電容C的電壓均為差模電壓，這 樣就克服了共模電壓的影響。

28、3什么是采樣或采樣過程？答：采樣或采樣過程，就是抽取連續(xù)信號在離散時間瞬時值的序 列過程，有時也稱為離散化過程。4. 線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數的定義是什么？答：線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數定義為零初始條件下，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出采樣函數z變換和輸入采樣函數z變換之比。5. 何為積分飽和現(xiàn)象？答：在標準PID位置算法中，控制系統(tǒng)在啟動、停止或者大幅度 提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差， 不可能在短時間內消除，經過積分項累積后，可能會使控制量u( k)很大，甚至超過執(zhí)行機構的極限 Umax。另外，當負誤差的絕對值較大 時，也會出現(xiàn) u<umin 的另一種極端情況。顯然，

29、當控制量超過執(zhí)行機 構極限時，控制作用必然不如應有的計算值理想， 從而影響控制效果。 這類現(xiàn)象在給定值突變時容易發(fā)生， 而且在起動時特別明顯， 故也稱 “起動效應”。6. 等效離散化設計方法存在哪些缺陷？ 答：等效離散化設計方法存在以下缺陷：(1) 必須以采樣周期足夠小為前提。在許多實際系統(tǒng)中難以滿足 這一要求。(2) 沒有反映采樣點之間的性能。特別是當采樣周期過大，除有 可能造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定外，還使系統(tǒng)長時間處于“開環(huán)” 、失控狀 態(tài)。因此，系統(tǒng)的調節(jié)品質變壞。(3) 等效離散化設計所構造的計算機控制系統(tǒng)， 其性能指標只能 接近于原連續(xù)系統(tǒng) (只有當采樣周期 T=0 時，計算機控制系統(tǒng)才能

30、完 全等同于連續(xù)系統(tǒng) ) ，而不可能超過它。因此，這種方法也被稱為近 似設計。7. 何為最少拍設計？ 答：最少拍設計，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，經過最少拍 ( 有限拍) ，使系統(tǒng)輸出的 穩(wěn)態(tài)誤差為零。8. 給出單輸入單輸出線性定常離散系統(tǒng)的能控性和能觀性與其脈沖傳遞函數之間的關系。答：單輸入單輸出線性定常離散系統(tǒng)完全能控和完全能觀的充 分必要條件是脈沖傳遞函數不存在零、極點相消。如果存在著零、極 點相消，系統(tǒng)或者是不完全能控，或者是不完全能觀，或者既不完全 能控又不完全能觀。9. 嵌入式處理器可分為哪幾種類型？ 答：嵌入式處理器又可以分為以下四

31、類：(1) 嵌入式微控制器 MCU ( MicroController Unit )(2) 嵌入式微處理器 MPU( MicroProcessor Unit)(3) 數字信號處理器 DSP(Digital Signal Processor)(4) 嵌入式片上系統(tǒng)( System on Chip ， SoC)10. 針對實際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通常從哪幾個方面對故障行分類?答：實際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障是多種多樣的，可以從下面幾個方 面對故障進行分類：(1) 從故障發(fā)生的部位看，分為傳感器故障、執(zhí)行器故障和受控 對象故障。(2) 根據故障性質，分為突變故障和緩變故障。(3) 從建模角度出發(fā)，可分為乘

32、性故障和加性故障。(4) 從故障間的相互關系，分為單故障和多故障、獨立故障和局 部故障。已知系統(tǒng)框圖如下所示:T=1s(15分)y*(tG(z) RiZ G(s)1(1 z )Z1s2(s 1)z1(1 Z1) (1 z1)20.368zt1 0.718Z1)(1 z 1)(1 0.368z 1)0.368 z0.264z1 1.368z0.368z試寫出離散系統(tǒng)的動態(tài)方程。解：所給系統(tǒng)的脈沖傳遞函數為Ts1 e 1 Zs s(s 1)1 1.368z()0.368z2進而X門68(z)。遜妝U則 Y(z) (0.368z 10.264z 2)X(z)取爲z2X(z)z1X(z)z&于

33、是得如下狀態(tài)方程xdk1)X2(k)X2(k1)0.368x1(k)1.368x2(k) u(k)y(k)0.264x1(k)0.368x2(k)寫成矩陣形式為xi(k 1)01xi(k)X2(k 1)0.368 1.368 X2(k)u(k)y(k) 0.264 0.368 X1(k)(15 分)X2(k)三、已知廣義被控對象為G(s)1 e Ts 1 2s e s (s 1)其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數中的時間常數取為Tc=0.5$應用大林算法確定數字控制器。解：廣義對象脈沖傳遞函數為G(z) Z G(s) Ze Ts 1 4Ts-e 1(1 z* 1)z4Z1s(s 1)0.6

34、32Z 51 0.368Z 1閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數為1 eTs4Tses 0.5s 150.865Z1 0.135Z 1得大林控制器如下D(z) 1 (z)G(z)1.3691 0.368z 0.135z0.865z(15 分)四、已知被控對象x(k1)0.510.25 0 X(k)22 u(k)y(k) 1 0 x(k)設計一個特征值為乙,20.5j0.25的全維狀態(tài)觀測器，并畫出相應的狀態(tài)變量結構圖解：能觀性矩陣Qo CA °；0滿秩故系統(tǒng)能觀測可設計狀態(tài)觀測器。令輸出誤差反饋矩陣H h1觀測器期望特征方程為2(z z1)(z z2)(z 0.5 j0.25)(z 0.5 j

35、0.25) zz 0.31250觀測器特征方程為zI (A HC)z2 (h1 0.5)z h2 0.25 0比較上面兩式，可得h10.5, h20.0625(狀態(tài)變量圖略)。五、已知某系統(tǒng)連續(xù)控制器的傳遞函數2 2)(15 分)D(s) (s 1)(s試分別用階躍響應和脈沖響應不變法求D(s)的等效數字控制器，并寫出相應的差分方程表達式。其中采樣周期1s。u(k) 1.503u(k 1) 0.553u(k2)0.05u(k3)0.399e(k1)0.148e(k2)2.脈沖響應不變法D(z) TZD(s) Z(s 1)(s 2)1 0.233z =1 0.503z 10.05z 211 e

36、1z 111 e 2z 1解：1.階躍響應不變法D(z) ZD(s)(1 z123 1.503z0.553z0.05z由D(z)鵲可推得數字控制器的差分方程形式如下)Z 11)(s 1)(s 2)0.399z 10.148z2由D(z)EZ可推得數字控制器的差分方程形式如下u(k) 0.503u(k1) 0.05u(k2)0.233e(k1)計算機控制系統(tǒng)試卷四答案班級：姓名：學號：成績:一、簡答題(每小題3分，共30分)1.使用光電隔離器件時，如何做到器件兩側的電氣被徹底隔離？答：光電隔離器件兩側的供電電源必須完全隔離。2.給出多通道復用一個D/A轉換器的原理示意圖答：把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號

37、的過程，稱為信號重構，它是采樣 的逆過程。4. 寫出零階保持器的傳遞函數，引入零階保持器對系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數的極點有何影響？Ts答：零階保持器的傳遞函數為 H°(s) ° 。零階保持器的引入s并不影響開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數的極點。5. 階躍響應不變法的基本思想是什么？答：階躍響應不變法的基本思想是：離散近似后的數字控制器的 階躍響應序列與模擬控制器的階躍響應的采樣值一致。6. 如何消除積分飽和現(xiàn)象？答：減小積分飽和的關鍵在于不能使積分項累積過大。 因此當偏 差大于某個規(guī)定的門限值時，刪除積分作用， PID控制器相當于一個 PD調節(jié)器，既可以加快系統(tǒng)的響應又可以消除積分飽和現(xiàn)象，

38、不致使系統(tǒng)產生過大的超調和振蕩。只有當誤差e在門限 之內時，加入積分控制，相當于PID控制器，則可消除靜差，提高控制精度。7. 給出常規(guī)的直接設計法或離散化設計法的具體設計步驟。答：直接設計法或稱離散化設計法的具體設計步驟如下：(1)根據已知的被控對象，針對控制系統(tǒng)的性能指標要求及其它約束條件，確定理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數 (z)。確定數字控制器的脈沖傳遞函數 D(z);根據D(z)編制控制算法 程序。8. 采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點的充分必要條件是什 么？答：采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點的充分必要條件是系統(tǒng) 狀態(tài)完全能控。9. 說出實施信號隔離的主要方法。答：信號隔離方法主要有變壓器

39、隔離和光電隔離，變壓器隔離適用于模擬信號隔離，光電隔離則特別適合數字信號的隔離。10. 故障診斷中的狀態(tài)估計方法的基本思想是什么？T=1s（15分）To答：故障診斷中的狀態(tài)估計方法的基本思想是： 首先重構被控過 程的狀態(tài)，通過與可測變量比較構成殘差序列， 再構造適當的模型并 用統(tǒng)計檢驗法，從殘差序列中把故障診斷出來。因此，這就要求系統(tǒng) 可觀測或部分可觀測，通常用各種狀態(tài)觀測器或濾波器進行狀態(tài)估 計。r（t二、已知系統(tǒng)框圖如下所示:試求閉環(huán)離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數，并判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：廣義對象脈沖傳遞函數為G(z) Z G(s) ZTs1 e 11(1 z )Z1 (1 s (s 1)0.

40、718z 1) rr0.368z 1(11 , (1 z )(1 0.368z )系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數為z1)(11z1 2" z )111 e 1z 121 G(z) 1 z 10.632z 2G(z) 0.368z 10.632則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為W(z) z2 z 0.6320由z域直接判據 | W(0) | =0.632<1 W(1)=1-1+0.632>0 W(-1)=1 + 1+0.632>0知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。三、已知某被控對象的傳遞函數為(15Gp(s)s(s 1)要求設計成單位反饋計算機控制系統(tǒng)，結構如下圖所示。采樣周期為 T= 1s。要求閉環(huán)特征根

41、為0.4和0.6。試求數字控制器。s s(s 1)解：廣義對象脈沖傳遞函數為TsG(z) Z G(s) Zs s(s 1)1(1 z )Z1s2(s 1)(1 z1)z11 2(1 z )0.368z 1(1 0.718Z1)11 (1 z )(1 0.368z )根據要求設定閉環(huán)脈沖傳遞函數為(z)1(z 0.4)( z 0.6)2z(1 0.4z 1)(1 0.6z 1)D(z)2.718zt1 z )(10.368z )(1 z 10.76z 2)(10.718z 1)s四、已知控制系統(tǒng)的被控對象的傳遞函數為G(s)e(2 s 1)( s 1)采樣周期T=1s,若選閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數T

42、0.5s，試用大林算法設計數字控制器D（z）若出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，修正數字控制器，消除振鈴現(xiàn)象。（20分）解：采樣周期T=1s，期望閉環(huán)脈沖傳遞函數為2es（s）e0.5s 1進而(z) Zs s1 e 2es s 20.865z被控裝置廣義脈沖傳遞函數G(z)Tss1 eeZ s (2 s 1)(s 1)0.154z2(1 0.610Z1)(1 0.368z 1)(1 0.607z 1)D(z)1(z)G(z) 1 (z)1 15.617(10.368z )(10.607z )(1 0.610z 0.368z)(1 0.368z 10.865z 2)5.617(1 0.368z (1 0.607z

43、 )(1 0.610z 1)(10.763z 1)(1 1.131z 1)由振鈴現(xiàn)象產生的原理知，用常規(guī)大林算法設計的被控對象為二階的系統(tǒng)必產生振鈴現(xiàn)象。在 D(z)中的靠近z = -1的兩個因子中令z= 1來消除振鈴現(xiàn)象，即1(z)5.617(1 0.368z 1)(1 0.607Z1) G(Z) 1 (z)(1 0.610)(1 0.763)(1 1.131Z1)1.979(1 0.368z)(1 0.607Z1)1 1.131z1五、求出雙積分系統(tǒng)控制對象的離散狀態(tài)方程， 假設系統(tǒng)所有的狀態(tài) 皆不可直接測量，設計全維狀態(tài)觀測器實現(xiàn)狀態(tài)反饋，并把閉環(huán)兩個極點都配置在0.1，觀測器特征方程的

44、兩個根配置在原點。(T=1s) (20 分)解：系統(tǒng)的廣義對象脈沖傳遞函數為G(z) (1 z1)zGT20.5 0.5z2 (z 1)22z 1可寫其能控標準型實現(xiàn)為%(k 1)X2(k 1)01 X1 (k)12 x2 (k)01U(k)y(k)0.5 0.5xdk)X2(k)對應的能觀性矩陣為Q0 CA蔦0：滿秩，故系統(tǒng)能觀，可設計觀測器先求狀態(tài)觀測器增益矩陣H狀態(tài)觀測器特征多項式為z 0.5h|0.5h| 1zI (A HC)1 0.5h2 z 0.5h2 22z (0.5 n 0.5h22)z ( 1.5h10.5h2 1)觀測器期望特征多項式為(Z o)(z 0)z2比較上面兩式Z

45、各次幕項系數得Hhi h2T1.5 2.5t再求狀態(tài)反饋增益矩陣Kkik2期望閉環(huán)特征方程為(z 0.1)(z 0.1)z20.2z 0.01 0則引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為z1zI A BKk11 z k222z (k22)z (k11)00.99 1.8比較上面二方程z各次幕項系數，得K K k2計算機控制系統(tǒng)試卷五答案班級:姓名:學號:成績:、簡答題(每小題4分，共40分)1. 簡述采樣定理的基本內容。答：米樣定理：如果連續(xù)信號f(t)具有有限頻譜，其最咼頻率為 max,則對f(t)進行周期采樣且采樣角頻率s 2 max時，連續(xù)信號f(t) 可以由采樣信號f*(t)唯一確定，亦即可

46、以從f*(t)無失真地恢復f(t)。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丨Zi | <1,即閉環(huán)脈沖傳遞函數的極點均位于 z平面的 單位圓內。3. 脈沖響應不變法的基本思想是什么？答：脈沖響應不變法的基本思想是：離散近似后的數字控制器的 脈沖響應gD( kT)是模擬控制器的脈沖響應采樣值 g( kT)的T倍。4. 寫出增量型PID的差分控制算式。答：增量型PID控制算式可以寫為UiUi 1Kpq ei 1TD(e 2e 1e 2)5. 如何消除比例和微分飽和現(xiàn)象？答：“積分補償法”。其中心思想是將那些因飽和而未能執(zhí)

47、行的增 量信息積累起來，一旦有可能再補充執(zhí)行。這樣，動態(tài)過程也得到了 加速。即，一旦u超限，則多余的未執(zhí)行的控制增量將存儲在累加 器中；當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，以補充由于限制而未能執(zhí)行的控制。6. 給出線性定常離散系統(tǒng)的能控性定義。答：對于n階線性定常離散系統(tǒng)x(k 1) Ax(k) Bu(k) ； x(0) x0 , 若存在有限個輸入向量序列 u(0),u(1),L ,u(l 1) l n能將某個初始狀 態(tài)x(0) X。在第I步控制到零狀態(tài)，即x(l) 0,則稱此狀態(tài)是能控的。 若系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是能控的，則稱此系統(tǒng)(A, B)是狀態(tài)完全能控的， 或簡稱系統(tǒng)是能控的。7. 給出線性定常離散系統(tǒng)的能觀性定義。答 ： 若 系 統(tǒng) x(k 1) Ax(k) Bu(k) 若 已 知 輸 入 序 列y(k) Cx(k) Du(k)u(0),u(1),L ,u(n 1) 和有限個采樣瞬間測量到的輸出序列y(k) ，即y(0), y(1),L ,y(n 1) ，可以唯一地確定出系統(tǒng)的任意初始狀態(tài) x(0) x0， 則稱系統(tǒng)是狀態(tài)能觀測的，或簡稱能觀測。8. 簡述計算機網絡的功能及特點。答： (1) 數據信息的快速傳輸和處理，以實現(xiàn)實時管理和實時監(jiān)控。(2) 可共享計算