《計算機(jī)控制技術(shù)》習(xí)題參考答案

《計算機(jī)控制技術(shù)》(機(jī)械工業(yè)出版社范立南、李雪飛)

習(xí)題參考答案

第1章1.填空題(1)閉環(huán)控制系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng)(2)實時數(shù)據(jù)采集,實時決策控制,實時控制輸出(3)計算機(jī)，生產(chǎn)過程(4)模擬量輸入通道,數(shù)字量輸入通道,模擬量輸出通道,數(shù)字量輸出通道(5)系統(tǒng)軟件,應(yīng)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(jī)系統(tǒng),組成部分:將閉環(huán)自動控制系統(tǒng)中的模擬控制器和和比較環(huán)節(jié)用計算機(jī)來代替,再加上A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等器件,就構(gòu)成了計算機(jī)控制系統(tǒng),其基本框圖如圖所示。!計算機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)由計算機(jī)(通常稱為工業(yè)控制機(jī))和生產(chǎn)過程兩大部分組成。工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)過程控制的特點和要求而設(shè)計的計算機(jī),它包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過程包括被控對象、測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)等裝置。(2)計算機(jī)控制系統(tǒng)分類:操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有實現(xiàn)全數(shù)字化、開放性、智能化、互操作性、風(fēng)險分散性、適應(yīng)性強等優(yōu)點。嵌入式控制系統(tǒng):(3)操作臺是ー個實時的人機(jī)對話的聯(lián)系紐帶。通過它人們可以向計算機(jī)輸入程序,修改內(nèi)存的數(shù)據(jù),顯示被測參數(shù)以及發(fā)出各種操作命令等。它主要包括以下4個部分:作用開關(guān)、ー組功能鍵、屏幕或顯示器、ー組數(shù)字鍵。(4)エ業(yè)控制機(jī)的特點：可靠性高和可維修性好、控制的實時性好、環(huán)境適應(yīng)性強、輸入和輸出通道配套好、系統(tǒng)的擴(kuò)充性好、控制軟件包功能強、系統(tǒng)通信功能強.填空題⑴w5>2wmax(2)信號調(diào)理電路,多路開關(guān),前置放大器,采樣保持器,A/D轉(zhuǎn)換器(3)用來切換模擬電壓信號的關(guān)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(shù)字信號。(2)采樣定理:如果連續(xù)信號Xa)具有有限頻譜,其最高頻率為3M,則對X⑴進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率再ン232時,連續(xù)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(fù)加)。(3)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(zhuǎn)換時間較快,使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小,在允許的A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi),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(diào)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(jīng)過模擬量輸入通道中的放大器放大后,變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(如0~5V,P5V,0~10V,-5~+5V等),再經(jīng)濾波后才能送入A/D轉(zhuǎn)換器。而對于電流信號應(yīng)該通過I/V(電流/電壓)變換電路,將電流信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號,再經(jīng)濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器。用來信號濾波、電平轉(zhuǎn)換、過電壓保護(hù)、電流電壓轉(zhuǎn)換器。多路模擬開關(guān)：當(dāng)有多個輸入信號需要檢測時,利用多路開關(guān)可將各個輸入信號依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上,實現(xiàn)對各個輸入通道的分時控制。多路開關(guān)是用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。前置放大器:任務(wù)是將模擬小信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)(如〇~5V)。采樣保持器：A/D轉(zhuǎn)換器需要一定的時間才能完成一次A/D轉(zhuǎn)換,因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時間內(nèi),希望輸入信號不再變化,以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣,就需要在A/D轉(zhuǎn)換器之前加入采樣/保持器S/HoA/D轉(zhuǎn)換器：作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,以便于計算機(jī)進(jìn)行處理。(5)模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式：模擬量輸入通道,數(shù)字量輸入通道,模擬量輸出通道，數(shù)字量輸出通道。(6)A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束信號有什么作用?幾種控制方式?當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時,A/D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部的轉(zhuǎn)換結(jié)束觸發(fā)器置位,并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志電平,以通知主機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量。根據(jù)該信號在I/O控制中的連接方式,A/D轉(zhuǎn)換器有查詢、延時和中斷控制方式。采用查詢方式時,轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳通常連接到數(shù)據(jù)線或I/O口線上。這種方法程序設(shè)計比較簡單,且可靠性高,但實時性差。但由于大多數(shù)控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換結(jié)束引腳懸空。在這種方式中,為了確保轉(zhuǎn)換完成,必須把時間適當(dāng)延長,因此,其速度比查詢方式還慢,故應(yīng)用較少。采用中斷方式時,轉(zhuǎn)換結(jié)束信號通常與計算機(jī)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(zhuǎn)換器是并行工作的，因此,其エ作效率高。在多回路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中一般采用中斷方式。(7)數(shù)字量輸入通道中常用的信號調(diào)理電路有:在小功率輸入調(diào)理電路如采用RC濾波電路消除開關(guān)抖動的方法。采用RS觸發(fā)器消除開關(guān)兩次反跳的方法。大功率調(diào)理電路如高壓與低壓之間,用光電耦合器進(jìn)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(shù)字量輸出通道中的驅(qū)動電路:對于低電壓情況下開關(guān)量控制輸出,可采用晶體管、OC門或運放等方式輸出。在驅(qū)動大型設(shè)備時,往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動級之間的第一級執(zhí)行機(jī)構(gòu),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(tài)繼電器是計算機(jī)測控系統(tǒng)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(zhuǎn)法(5)編程掃描，定時掃描,中斷掃描(6)靜態(tài)顯示,動態(tài)顯示(7)靜態(tài)，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(shù)字濾波方法:程序判斷濾波、算術(shù)平均值濾波、加權(quán)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(shù)字濾波。程序判斷濾波適合于對隨機(jī)干擾進(jìn)行濾波,算術(shù)平均值濾波、加權(quán)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(jìn)行濾波,中值濾波對應(yīng)去掉由于偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)當(dāng)而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效，低通數(shù)字濾波適用于對高頻和低頻的干擾信號進(jìn)行濾波。(2)在程序判斷濾波方法中，△ド通常根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(shù)都需要換成A/D轉(zhuǎn)換器所能接收的〇?5V統(tǒng)?電壓信號,又由A/D轉(zhuǎn)換成〇〇?FFH(8位)的數(shù)字量。為進(jìn)ー步顯示、記錄、打印以及報警等,必須把這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換成不同的單位,以便操作人員對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和管理，必須進(jìn)行標(biāo)度變換。(4)什么叫數(shù)字濾波:在計算機(jī)中用某種計算方法對輸入信號進(jìn)行數(shù)學(xué)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(guān)系,故可以線性參數(shù)標(biāo)度變換。但由于O℃對應(yīng)的不是OOH,所以應(yīng)選擇No,即OC(IV)所對應(yīng)的數(shù)子里。IV電壓所對應(yīng)的數(shù)字量為竽=51,其變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)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(nèi),圓上或圓外,不穩(wěn)定(2)單位圓圓周,單位圓內(nèi),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(tǒng)未定的充要條件:閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的全部極點(特征方程的根)必須在Z平面中的單位圓內(nèi),即同<1(i=l,2,…，N)(2)計算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與那些因素有關(guān)。與控制系統(tǒng)本身特性有關(guān),又與參考輸入形式有關(guān).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(tǒng)不穩(wěn)定，不穩(wěn)定極點個數(shù)為:2系統(tǒng)不穩(wěn)定,不穩(wěn)定極點個數(shù)為:13)系統(tǒng)穩(wěn)定4)系統(tǒng)穩(wěn)定5)系統(tǒng)不穩(wěn)定,不穩(wěn)定極點個數(shù)為:2.設(shè)計題1)系統(tǒng)穩(wěn)定2)0<AT<25.7T=ls時0<K<4.33;T=0.5s時〇<K<8.18當(dāng)減小采樣周期T,為使系統(tǒng)工作盡可能接近于相應(yīng)的連續(xù)系統(tǒng),則增益K的取值范圍加大了。K>0(4)系統(tǒng)不穩(wěn)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(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)在單位階躍函數(shù)作用下的過渡過程具有衰減震蕩的形式,故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。(7)輸入為單位階躍時,e(oo)=0單位速度函數(shù)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(tǒng)穩(wěn)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(diào)節(jié)器中,比例、積分、微分對調(diào)節(jié)品質(zhì)有什么影響?比例控制能提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度,迅速反應(yīng)誤差,從而減小誤差,但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差,ふ的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定;積分捽制的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，因為只要系統(tǒng)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(tǒng)超調(diào)量加大,甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩;微分控制與偏差的變化率有關(guān),它可以減小超調(diào)量,克服振蕩,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高,同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度,減小調(diào)整時間,從而改善系統(tǒng)的動態(tài)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(shù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度、控制算法的類型、給定值的變化頻率、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的性能。(3)采樣周期T的大小對系統(tǒng)有何影響:從香農(nóng)采樣定理可知,只有當(dāng)采樣頻率ん時,才能使采樣信號不失真地復(fù)現(xiàn)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(jìn)行調(diào)節(jié)計算。當(dāng)采樣周期ア太小時,偏差信號ダ(制也會過小,此時計算機(jī)將會失去調(diào)節(jié)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(qū)別:普通PID算法是在整個控制期間,比例、積分和微分系數(shù)為恒定不變的;積分分離PID算法是設(shè)置一個積分分離閾值B,當(dāng)卜(女)|引向時,采用PID控制,以便于消除靜差,提高控制精度;當(dāng)|e⑹|〉同時,采用PD控制,以使超調(diào)量大幅度降低;變速積分PID是設(shè)法改變積分項的累加速度，使其與偏差的大小相對應(yīng)。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(dá)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(dá)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(shù)單位圓內(nèi)的非零零點(2)直接數(shù)字控制,純滯后,調(diào)節(jié)時間,超調(diào)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(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的全部極點在Z平面的單位圓內(nèi)。(2)直接根據(jù)離散系統(tǒng)理論來設(shè)計數(shù)字控制器的方法稱為系統(tǒng)的直接數(shù)字化設(shè)計。不是。(3)設(shè)計ー個數(shù)字調(diào)節(jié)器,使系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定時所需要的采樣周期最少,而且系統(tǒng)在采樣點的輸出值能準(zhǔn)確地跟蹤輸入信號,不存在靜差。在各種使系統(tǒng)在有限拍內(nèi)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的設(shè)計中,系統(tǒng)準(zhǔn)確跟蹤輸入信號所需的采樣周期數(shù)最少。數(shù)字控制器必須在物理上可實現(xiàn)。閉環(huán)系統(tǒng)必須是穩(wěn)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(xiàn)性,①(z)應(yīng)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(tǒng)穩(wěn)定性,e應(yīng)把G(z)中的不穩(wěn)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(tǒng)的適應(yīng)性差。改進(jìn)方法:引入加權(quán)因子。2)在采樣點之間存在紋波，增加了功率損耗和機(jī)械磨損。改進(jìn)方法:無紋波設(shè) 計。(4)無單位圓上或單位圓外零極點,無純滯后環(huán)節(jié)’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(yīng)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(shù)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(tǒng)的不穩(wěn)定,所以,的不穩(wěn)定極點通常由，來抵消。給。增加零點的后果是延遲了系統(tǒng)消除偏差的時間。G⑵中出現(xiàn)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(wěn)定極點,這樣會導(dǎo)致數(shù)字控制器?⑸的不穩(wěn)定。(6)第一步:根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型求出廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)；第二步:根據(jù)輸入信號類型,查表67確定誤差脈沖傳遞函數(shù)Wc(z)；第三步:將G(z)、W0(z)帶入ハ⑵=Iー叱")「進(jìn)行z變換運算,即可求出G⑵憶⑵數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；第四步：用U(z)判斷所設(shè)計的D(z)是否是最小拍無波數(shù)字控制系統(tǒng);第五步:根據(jù)結(jié)果,求出輸出序列及其響應(yīng)曲線等。(7)純滯后慣性系統(tǒng),因允許它存在適當(dāng)?shù)某{(diào)量,當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不適合或不匹配時,可能使數(shù)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(xiàn)象稱為振鈴現(xiàn)象。振鈴現(xiàn)象產(chǎn)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(yán)重，在單位圓中離z=T越遠(yuǎn)，振鈴現(xiàn)象就越弱。在單位圓內(nèi)右半平面有極點時,則會減輕振鈴現(xiàn)象,而在單位圓內(nèi)右半平面有零點時,會加劇振鈴現(xiàn)象。(8)大林提出ー種消除振鈴現(xiàn)象的方法,即先找出造成振鈴現(xiàn)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(shè)計法的優(yōu)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(jī)延時,提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。串行法和并行法在高階數(shù)字控制器設(shè)計時,可以簡化程序設(shè)計,只要審計出ー階或二階的。(z)子程序,通過反復(fù)調(diào)用子程序即可實現(xiàn)O(z)。這樣設(shè)計的程序占用內(nèi)存量少,容易讀,且調(diào)試方便。在串行和并行法程序設(shè)計中,需要將高階函數(shù)分解成一階或二階的環(huán)節(jié),這樣的分解并不是在任何情況下都可以進(jìn)行的。此時若采用直接程序設(shè)計法則優(yōu)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(shè)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(shè)計的最少拍系統(tǒng),當(dāng)輸入形式改變時,系統(tǒng)性能變壞,輸出響應(yīng)不ー定理想。說明最少拍系統(tǒng)對輸入信號的變化適應(yīng)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(jīng)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(yīng)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,