計算機控制系統(tǒng)試題及答案

計算機控制系統(tǒng)試卷一答案一、簡答題（每小題5分，共50分)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：根據(jù)采樣過程的特點,可以將采樣分為哪幾種類型？答(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，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)隨機采樣若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機采樣。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，引起輸出量振蕩，甚至導致閉環(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。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。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｜<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).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(shù)一般小得多，所以積分部分的增量相對比較?。Ｈ绻撚嬎阒党^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。二、已知系統(tǒng)的差分方程為（10分）輸入信號是初始條件為,試寫出輸出脈沖序列。解：…三、設被控對象傳遞函數(shù)為，在對象前接有零階保持器,試求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù).（10分）解：廣義對象傳遞函數(shù)對應的脈沖傳遞函數(shù)為四、已知被控對象傳遞函數(shù)為試用“二階工程最佳"設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較大的時間常數(shù)，可選擇則有根據(jù)二階工程最佳設計法則，應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。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的極點應包含在Φe(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Φe（z）=（1-z-1)2F1（z）,顯然準確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設解得。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則（圖略）。計算機控制系統(tǒng)試卷三答案班級：姓名：學號：成績:簡答題（每小題4分,共40分)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(zhuǎn)換功能。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。線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)的定義是什么？答:線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)定義為零初始條件下，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出采樣函數(shù)z變換和輸入采樣函數(shù)z變換之比。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(nèi)消除,經(jīng)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，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”。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(diào)節(jié)品質(zhì)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,這種方法也被稱之為近似設計。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(jīng)過最少拍（有限拍）,使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。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(shù)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(shù)不存在著零、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。y*(t)y*(t)r(t)Tr(t)Ty(y(t)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(shù)為令進而則取于是得如下狀態(tài)方程寫成矩陣形式為三、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，應用大林算法確定數(shù)字控制器。解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為得大林控制器如下四、已知被控對象（15分）設計一個特征值為的全維狀態(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觀測器期望特征方程為觀測器特征方程為比較上面兩式，可得五、已知某系統(tǒng)連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)（15分）試分別用階躍響應和脈沖響應不變法求的等效數(shù)字控制器,并寫出相應的差分方程表達式。其中采樣周期。解：1、階躍響應不變法由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下2、脈沖響應不變法由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下計算機控制系統(tǒng)試卷四答案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。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(shù)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。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(diào)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，不致使系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)和振蕩.只有當誤差e在門限之內(nèi)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.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：根據(jù)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(shù)；確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；根據(jù)D(z）編制控制算法程序.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。二、已知系統(tǒng)框圖如下所示:T=1s（15分)y(t)Ty(t)Tr(t)-—-—試求閉環(huán)離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，并判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為由z域直接判據(jù)=1\＊GB3①｜W（0)|=0。632<1=2\*GB3②W(1）=1—1+0。632〉0=3\＊GB3③W（-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(shù)為(15分）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)特征根為0.4和0.6。試求數(shù)字控制器.yy(t)r(t)SHAPE\＊MERGEFORMATr(t)－－解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為根據(jù)要求設定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為計算機控制系統(tǒng)試卷五答案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。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｜〈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(shù)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)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);,若存在有限個輸入向量序列能將某個初始狀態(tài)在第l步控制到零狀態(tài)，即，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)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)若已知輸入序列和有限個采樣瞬間測量到的輸出序列，即，可以唯一地確定出系統(tǒng)的任意初始狀態(tài)，則稱系統(tǒng)是狀態(tài)能觀測的,或簡稱能觀測.二、已知,求.（10分）解:三、已知系統(tǒng)框圖如下所示：T=1s(10分)Ty(Ty(t)r(t)-—-—判別系統(tǒng)穩(wěn)定性.解：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)閉環(huán)特征方程采用雙線性變換得w平面特征方程為建立勞斯表w22。1040.632w11。264w00.632由勞斯判據(jù)可知系統(tǒng)穩(wěn)定。四、用后向差分法求下列模擬濾波器D(s)的等效數(shù)字濾波器，并給出差分遞推算式,設T=