(完整版)微型計算機控制技術第6章習題答案

6-1數(shù)字控制器與模擬調(diào)節(jié)器相比較有什么優(yōu)點？答：1、一機多用。由于計算機運行速度快，而被控對象變化一般都比較緩慢，因此，可以用一臺計算機控制幾個到十幾個，甚至幾十個回路，從而可大大節(jié)省設備造價。2、控制算法靈活，便于在線修改控制方案。使用計算機控制不僅能實現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，而且還可以采用直接數(shù)字控制，如大林算法，以及最優(yōu)控制等。即使采用常用的PID控制，也可以根據(jù)系統(tǒng)的需要進行算法的改進，增強控制的效果。3、可靠性高。由于計算機控制算法是用軟件編寫的一段程序，因此比用硬件組成的控制算法電路具有更高的可靠性，且系統(tǒng)維護簡單。4、可改變調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。由于計算機運行速度快，且計算機控制是嚴格按照某一特定規(guī)律進行的，不會由于人為的因素造成失調(diào)，因而使調(diào)節(jié)品質(zhì)和產(chǎn)量都大為提高，從而提高了經(jīng)濟效益。5、便于實現(xiàn)控制與管理及通信相結合，使工業(yè)企業(yè)的自動化程度進一步提高。6、生產(chǎn)安全，改善工人勞動條件。6-2在PID調(diào)節(jié)器中，比例、積分、微分項各有什么作用？KP，TI，TD對系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能有什么影響？答：1、比例作用即時成比例的對偏差e作出響應，即偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生成比例的控制作用，以減小偏差；積分調(diào)節(jié)的目的主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分作用在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間對偏差量的變化速率作出反應，即按偏差變化的趨勢進行控制，使偏差消滅于萌芽狀態(tài)，加快響應速度。簡要概括如下：比例作用是保證調(diào)節(jié)過程的“穩(wěn)”，積分作用是保證調(diào)節(jié)過程的“準”，微分作用是促進調(diào)節(jié)過程的“快”。2、比例作用的強弱取決于比例系數(shù)Kp的大小，增大Kp可以增強比例作用，減小靜差，但Kp值過大，會引起調(diào)節(jié)過程振蕩，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強；微分作用的強弱取決于微分時間常數(shù)TD，TD越大，微分作用越強，反之則越弱。6-3增量式PID算法與位置式PID算法有何區(qū)別？它們各有什么優(yōu)缺點？1、位置式PID算法是全量輸出，每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，算式中含有所有過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的積累誤差。而增量式PID算法只需計算增量，計算誤差對控制量的影響較小。2、增量式PID控制，由于計算機只輸出控制增量Δu(k)，對應執(zhí)行機構位置的變化部分，因此，當計算機誤動作時，對系統(tǒng)的影響小。3、位置式控制算法中，由手動到自動切換時，必須首先使計算機的輸出值等于閥門的原始開度，即u(k-1)，才能保證手動/自動無擾動切換，這將給程序設計帶來困難。而增量設計只與本次的偏差值有關，與閥門原來的位置無關，因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動無擾動切換。6-4在數(shù)字PID中，采樣周期是如何確定的？它與哪些因素有關？采樣周期的大小對調(diào)節(jié)品質(zhì)有何影響？答：根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理，采樣周期必須滿足，其中為被采樣的連續(xù)信號的最高頻率。因此香農(nóng)（Shannon）采樣定理給出了選擇采樣周期的上限。采樣周期的選擇方法有兩種：計算法和經(jīng)驗法。影響采樣周期T的因素有：1、加至被控對象的擾動頻率：擾動頻率愈高，采樣頻率也應相應提高，即采樣周期縮短。2、對象的動態(tài)特性：主要是與被控對象的純滯后時間及時間常數(shù)有關。當純滯后比較顯著時，采樣周期T與純滯后時間基本相等。3、數(shù)字控制器D（Z）所使用的算式及執(zhí)行機構的類型：如采用大林算法及應用氣動執(zhí)行機構時，其采樣周期比較長，而最快無波紋系統(tǒng)及使用步進電機等時采樣周期就比較短。4、控制的回路數(shù)：控制的回路越多，則T越大，否則T越小。5、對象要求的控制質(zhì)量：一般來說，控制精度要求越高，采樣周期越短，以減小系統(tǒng)的純滯后。從理論上講，采樣周期越小，失真越小。但是從控制器本身而言，大都是依靠偏差信號e（k）進行調(diào)節(jié)計算的。當采樣周期T太小時，偏差信號e（k）也會過小，此時計算機將會失去調(diào)節(jié)作用，采樣周期T過長又會引起誤差。6-5試述試湊法確定PID參數(shù)的方法與步驟。答：湊試法是通過模擬實驗或系統(tǒng)閉環(huán)運行（允許的條件下）記錄觀察系統(tǒng)對典型輸入信號的響應曲線，如階躍響應曲線。然后根據(jù)控制效果及各參數(shù)對系統(tǒng)的控制影響，反復湊試參數(shù)，以達到滿意的系統(tǒng)響應，從而確定PID控制參數(shù)。在使用湊試法確定PID參數(shù)時，可參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對各參數(shù)按先比例，后積分，再微分的步驟進行整定。1、首先整定比例部分。即只采用比例控制，將比例系數(shù)Kp由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應曲線，直到得到反應快，超調(diào)小的響應曲線。如果系統(tǒng)不存在靜差，或靜差在允許范圍之內(nèi)，并且響應曲線亦理想，那么系統(tǒng)只須采用比例控制。2、其次整定積分部分。若系統(tǒng)存在靜差，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時，先將積分時間常數(shù)TI置為一個較大值，并將經(jīng)第一步整定好的比例系數(shù)略為縮?。ㄈ缈s小到原值的80%），然后減小積分時間常數(shù)，在保持系統(tǒng)良好動態(tài)性能的情況下，使靜差得到消除。在減小積分時間常數(shù)的過程中，由于積分控制對比例控制有補償作用，所以應根據(jù)響應曲線情況，適當修改比例系數(shù)，以獲得滿意的控制效果。3、最后整定微分部分。若使用PI控制，動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)精度經(jīng)反復湊試PI參數(shù)仍不能兼顧，則可加入微分控制。在第二步整定的基礎上，將微分時間常數(shù)TD從零逐漸增大，分析系統(tǒng)的控制性能，再相應的調(diào)整PID參數(shù)，逐步湊試，以獲得滿意的控制效果和相應的控制