《计算机控制技术》课后习题答案(于海生)

计算机控制技术习题详解第一章计算机控制系统概述习题参考答案】计算机控制系统的控制过程是怎样的？计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1) 实时数据采集：对被控戢的瞬时值进行检测，并输入给计第机.(2) 实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。(3) 实时控制：根据决策，适时地对执行机构发岀控制信号，完成控制任务。2实时、在线方式和离找方式的含义是什么？(1) 实时：所谓实时“，圧指信号的输入、计算和输出郁於在一定时间范用内完成的.即计篦机对输入信息以足够快的速度 进行处理.并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了总义。(2) “在线“方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机“ 方式或在线”方式。(3) “离线”方式：若生产过程设备不*(接与计算机相连接，坯工作不直後受计算机的拎制.而肚通过中间记录介质.靠人进 行联系并作相应操作的方式.则叫做“脱机“方式或离线“方式。S微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？山四部分组成.外 乂主机/ *入鑰岀通迥j生产kllVIW图11微机控制系统组成框图(1) 主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它町以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数 进行实时检测及处理主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算 等)和操作，根据运算结果作出控制决策：对生产过程进行监骨，使之处于晟优工作状态：对那故进行预测和报警：编制生 产技术报皆，打印制表等等。(2) 输入输出通道：这是微机和生产对象Z间进彳亍信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对彖的被控参数转换成微机 可以接收的数宁代码.过程输出通逍把做机输出的控制命令和数抓，转换成可以对生产对级进行控制的信号。过程输入输出 通道包拾模拟虽输入输出通道和数字虽输入输出通道。（3）外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动 器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器（磁盘）其中操作台应具涪显示功能，即根拯操作人员的要求，能立即显示所要 求的内容：还应冇按钮.完成系统的启、停等功能：操作台还耍保证即使操作借误也不会造成恶劣后果，即应冇保护功能.（4）检测与执行机构a. 测虽变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测命各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能足将被检测参 数的非电戢转换成电屋.例如热电偶把温度转换成mV信号：压力变送器可以把压力转换变为电信号.这些信号经变送器转 换成统一的计算机标准电平信号（05V或420mA）后.再送入微机。b. 执行机构：箜控制生产过程，必须仃执行机构它兄微机控制系统中的重要部件，其功能足根据微机输岀的控制店弓，改 变输出的角位移或直线位移，井通过调节机构改变被调介质的流呈或能戢，使生产过程符A预定的要求。例如，任温度控制 系统中.微机根据温度的误星计算出郴应的控制磧，输出给执行机构（调节阀）来控制进入加热炉的煤气（或油）试以实现预期 的温度值.常用的执行机构冇电动、液动和气动等控制形式，也冇的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制.4. 微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用.软件足指能够完成乞种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都足在软件的指挥下协调进行的，因此说软件址 微机系统的中枢神经.就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库.（1）系统软件：它足山计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说.系统软件只足作为开发应用软 件的工具，卅不需要自己设计的。系统软件包括：a操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等：b. 诊断系统：指的圧调节程序及故障诊断程序：c. 开发系统：包括各种程序设计语汗、语討处理程序（编译程序）、服务程序（装配程序和编辑程序）、模拟主系统（系统模拟、仿贞、移植软件）、数据骨理系统等：d. 信息处理：指文字翻译、企业管理等.（2）应用软件:它出面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问題而编写的各种程序。应用软件包拆：a. 过程监视程序：指巡回檢测程序、数据处理程序、卜.下限检資及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序. 判断程序、过程分析程序等：b. 过程控制计見程序：指的是控制算法程序、故处理程序和信息辔理程序，英中信息竹理程序包括信息生成调度、文件怯 理及输出、打印、显示程序等：c. 公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。（3）数据库：数据阵及数据肃管理系统主要用于资料管理、存档和检索，郴应软件设计指如何建立数摇库以及如何査询、显 示、调用和修改数据等。5. 微型计算机控制系统的特点是什么？微机控制系统与常规的自动控制系统相比,具有如下特点：a. 控制规律灵活多样，改动方便b. 控制梢度高，抑制扰动能力强，能实现城优控制c. 能够实现数则统计和工况显示.控制效率高d. 拧制与耸理一体化，进一步提高H动化程度6. 操作捋导、DDC和SCC系统工作原理如何？它们之间有何区别和联系？(1) 操作指导控制系统：在操作制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象.属丁开环控制纟訂d计乳机根抑妝 学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出冷控制啟应冇的较介适或最优的数值，供操作员参考，这时计 算机就起到了操作指导的作用.其原理框图如图1.2所示。3图1.2操作指导控制系统廉理框图(2) 直接数 汕 制系统(DDC系统” DDC(DirectDigitalContro 1)系统就是通过检测元件对个或多个被控參数进行巡回检测， 经输入通逍送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较.再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被 控参数达到预宦的要求。DDC系统足闭环系统，足微机在工业生产过程中啟普遍的-种应用形式。其原理框图如图1.3所 示.帳I8Q或开)入給逊 #图1 3DDC系统原理框图(3) 计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(Supenisory Computer Control)系统比DDC系统更接近工产变化的实际惜况，因为 在DDC系统中计算机只足代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最建状态.而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并 TL还可以进行顾序控制、最优控制以及门适应控制等-SCC系统的原理框图如图1.4所示。或开开关tn金入通is或DDC绒從机拢仃机构图1.4 SCC系统原理框图SCC足操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。7. 计算机控制系统的发展趙势是什么？大规模及超大规榄集成电路的发展，捉高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为 更好地适应生产力的发展，扩大生产规模.以满足对计算机拧制系统提出的越来越高的要求，冃前计算机控制系统的发展趋 势有以下几个方而。a. 普及应用可编程序控制器b. 采用集散控制系统c. 研宛和发展智能控制系统本章作业简述几类常见的计算机控制系统的特点及其应用领域。第二章输入输出过程通道习题参考答案1什么是过程通道？过程通道有哪些分类？过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。按信息传递的方向來分，过程通逍叮分为输入过程通道和输出过程通逍：按所传递和交换的信息來分，过程通道又可分为数 字最过程通道和模拟駅过程通道.2数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？数字虽过程通逍包括数字就输入通道和数字戢输出通道。数字邑输入通逍主要III输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、井行接口电路和定时计数电路等组成。数字虽输出 通道主耍山输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。其中：输入调理电路将來11控制装垃或生产过程的各 种开关鼠.进行电平转换，将梵通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行濾波、保护、消除触点抖动， 以及进行信号隔离等问题3.简述两种硬件消抖电路的工作原理.采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出，其次利用施密特触发器整形.采用RS触发器的硬件消抖电路，主要足利用RS触发器的保持功能实现消抖。4 简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用.光电耦合器山封装在一个竹壳内的发光二极仔和光敏三极仔组成，如图2.1所示。输入电流流过二极悖时使其发光，照射到 光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离.图2.1光电耦合器电络图3模拟量输入通道由哪兰部分组成？各部分的作用是什么？模拟虽:输入通逍-般山I/V变换、多路转换器、采样保持器、AD转换器、接口及控制逻辑电路组成。(1) LV变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便.(2) 多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。(3) 采样保持器：AD转换器完成一次AQ转换总需要-定的时间。在进行AD转换时间内，冷望输入信匕不再变化，以免 造成转换误差.这样，就需要在AQ转换器之前加入采样保持器.(4JA/D转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟呈转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称尢上I J数转换器 (Analog Digital Com erter.简称 A D 转换器或 ADC) 6. 对理想多路开关的要求越什么？理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希果切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠.7. 采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响.采样保持器的作用：AD转换器完成一次AD转换总需要一定的时间.在进行AD转换时间内，希望输入信号不再变化， 以免造成转换谋垫.这样，就需要在AQ转换器之曲加入采样保持器.保持电容对数据采集系统采样保持的楮度有很大彤响.保持电容侑小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快， 输出对输入倡号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能基：反Z，保持电容值 大，保持性能好，但跟随特性差.58在数据采样系统中.是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？不是.对丁输入信号变化很慢，如温度信号：或者A，D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的AQ转换楮度内.就不必再选用采样保持器.9/D转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D转换有几种控制方式？它们在接口电路和 程序设计上有什么特点？AD转换器的结束信号的作用足用以判断本次AD转换址否完成。常见的AD转换冇以下几种控制方式，各门特点如下 延时第待i/EOC可不和I/O 口连接.程序设计时.延时大于ADC转换时间后.取数据 保持】;待沢EOC与READY相连.EOC无效时f |动插入等待状态。/至EOC有效时，取数据。查询法:EOC可以和任意I/O 口连接，程序设计时，反复判断EOC是否有效,直至EOC有效时,収数据。中断响应法:EOC与外部中断相连，AD转换结束后，发中断申请，在中斯服务程序中収数据.10设被测温度变化范围为rc1200c如果要求误差不超过（M log 1 +吐0.4丿设计出8路模拟采集系统。请画出接口电路原理图，并编写相应的8路模拟量数据采集程序.本例给出用8031、DAC0S09设计的数据采集系统实例。把采样转换所得的数字虽按序存丁片内RAM的30H-37H机元中.采咔完一遍后停止采集其数据采集的初J始化程序和中 断服务程序如下：初始化程序：MO- R0, #30HR2 #08HSETBITOSETBEAMO-DPTR SFEF8HLOOP：MOXX DPTR ASJMP HEREHERE：中断服务程序：MOVX A. DPTRMOV R0 AINC DPTR:设芷数据存储区指针:设置8路采样计数值:设置外部中断0为边沿触发方式:CPU开放中断SETB EXO:送入口地址并指向IN0:启动AD转换，A的值无意义:等待小断:允许外部中断0中断INTO：INC RODJNZR2 INTOCLRCLREXORETIDPTR. AMO-X读取转换后的数字虽 存入片内RAM单元 拆向下一模拟通道 指向下一个数据存储单元 8路未转换完，则继续 已转换完，则关中斷 禁止外部中断0中断中断返回再次启动A/D转换中断返回RETI12模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？模拟虽输出通道-般山接口电路、D A转换器、功率放大和71变换等信1；调理电路组成。D/A转换益：模拟戢输出通道的核心圧数/模转换(Digital Analog Comerter.简称DA转换器或DAC).它足指将数字磧 转换成模拟虽的元件或装贸。(2)V/I变换：一般情况下，D/A转换电路的输出足电压信号。在计算机控制系统中.当计算机远离现场.为了便丁倍号的远 距离传输.减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号.许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是 釆用010mA或420mA的电流信号驱动的。肉此，需耍将模拟电圧信号通过电压/电流(V/I)变换技术，转化为电流信号。13采用DACI832和PE总线工业控制机接口.请画出接口电路原理图，并编写产生三角波、梯形波和锯齿波的程序.本章作业设计一八路数据采集及其回放系统.要求八路数据巡回检测，存储10组数据，输数据为电压信号(45V),检测精度vl% CPU、AD、DA 可任选.7第三章微机数控系统习题参考答案31什么是数控程序控制？数字程序控制有哪几种方式？所谓数控程序控制是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序、 运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。数字程序控制方式：点位控制、直线切削控制和轮廓的切削控制。32什么是逐点比较插补法？直线插补计算过程和圆弧插补计算过程各有哪几个步骤？逐点比较法插补运算，就是在某个坐标方向上每走一步(即输出一个进给脉冲)，就作一次计算，将实际 进给位置的坐标与给定的轨迹进行比较，判断其偏差情况，根据偏差，再决定下一步的走向(沿X轴进给, 还是沿Y轴进给)。逐点比较法插补的实质是以阶梯折线来逼近给定直线或圆弧曲线，最人逼近误差不超 过数控系统的一个脉冲当量(每走一步的距离，即步长)。直线插补计算过程的步骤如下：(1) 偏差判别：即判别上一次进给后的偏差值Fm是最人于等于零，还是小于零：(2) 坐标进给：即根据偏差判断的结果决定进给方向，并在该方向上进给一步：(3) 偏差计算：即计算进给后的新偏差值Fm+1,作为下一步偏差判别的依据：(4) 终点判别：即若己到达终点，则停止插补；若未到达终点，则毛复上述步骤。圆弧插补计算过程的步骤如下：(1) 偏差判别(2) 坐标进给偏差计算(4) 坐标计算(5) 终点判别5.若加工第一象限直线OA,起点O (0, 0),终点A (11, 7)。要求：(1按逐点比较法插补进行列表计算：(2卅出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。解：由题意可知Xe=ll,y.=7, Fo=O,我们设置一个总的计数器Nxy,其初值应为Nxy=|7-0|+|ll-0|=18,则插补 计算过程如农3-1所示。根据插补计算过程表所作出的直线插补走步轨迹图如下图所示。表31步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别起点Fo=ONy=181Fo=0+xFi=Fo-y=-7Ny=172Fi0+xF3=F2-yt=-3Nxy=154F3VO+YF4=F3+Xe=8Nxy=145F40+xF5=F4-ye=lNxy=136FsX)+xF6=F5-ye6Nxy=127F0+xF8=F7-y=-2Ny=109Fs0+xFio=F9-ye=2Nxy=811FioX)+xFn=Fio-ye=-5Nxy=712Fn0+YFi2=Fii+x0+XF13=F12-ye=-lNxy=514Fb0+XFi5=Fi4-y=3Nxy=316F150+xFi6=Fi5-yt=-4Nxy=217F16O+xF18=F16-ye=ONO3.S设加工第一象限的圆弧AB,起点A (6, 0),终点B (0, 6)。要求：(1)按逐点比较法插补进行列表计算；(2作出走步轨迹图，并标明进给方向和步数解：插补计算过程如表32所示。终点判别仍采用第二种方法，设一个总的计数器Nq每走一步便减1 操作，当Nxy=O时，加工到终点，插补运算结束。下图为插补过程中的走步轨迹。y表32步数偏差判别坐标进给偏差计算坐标计算终点判别起点Fo=0xo=6,yo=O時121F0=OXFi=0-12+l11xi=5,yi=0Nxy=ll2Fi0+YF?二 11+0+1 二 10X2=5,y2=lNxy=103F20+YF 尸-10+2+1 二 7x 尸 5 $3=2Nxy=94F?0+YFT+4+l=-2X4=5,y4=3Nxy=85F40-XF6=5-10+l 二 4X6=4,y6=4Nxy=67f60-XF8=5-8+l2xs=3,ys=5Nxy=49F80-XFio=9-6+1=4xio=2yio=6Nxy=211FioOXFn=4-4+l=lxii=l,yn=6Nxy=l12Fn0-XFi2=l-2+l=0xi2=O，yi2=6Nxy=o36三相步进电机有哪几种工作方式？分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图. 解：有三种工作方式：（1）三相单三拍工作方式各相的通电顺序为AtBtC,各相通电的电压波形如图3.1所示。步进时钟 _n_L_n_n_n_rLAfllBHICAI I图3单三拍工作的电压波形图（2）三相双三拍工作方式双三拍工作方式各相的通电顺序为ABtECtCA。各相通电的电压波形如图3.2所示。吨恂 ruuLrLfuuuui_n_njLri_n_n_U U U U L_ULJUUcwuU uU-图3.2双三拍工作的电斥波形图（3）三相六拍工作方式在反应式步进电机控制中，把单三拍和双三拍工作方式结合起来，就产生了六拍工作方式，其通电顺 序为AtABtBtBCtCtCA。各相通电的电压波形如图3.3所示。ruuuuwLruuuuuuuLI I I I LXX v/- J I I I I图3.3三相六拍工作的电乐波形图3.7.采用8255A作为*轴步进电机和y轴步进电机的控制接口，要求（1）画出接口电路原理图；（2）分别列出工轴和y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出字表。电路原理图如图所示三相单三拍控制方式输出字表”轴步进电机输出字表丿轴步进电机输出字表11ADX100000001=01HADY100000001=01HADX2OOOOOO1O=O2HADY20000001=02HADX300000100=04HADY300000100=04H三相双三拍控制方式输出字表乂轴步进电机输出字表丿轴步进电机输出字表存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字ADX100000011=O3HADY10000001l=03HADX200000110=06HADY200000110=06HADX300000101=05HADY300000101=05H存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字三相六拍控制方式输出字表”轴步进电机输出字表7轴步进电机输出字表存储地址标号低八位输出字存储地址标号高八位输出字ADXl00000001=01HADYl00000001=01HADX200000011=O3HADY200000011=03HADX300000010=02HADY30000001&=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H13第四章微型计算机控制系统的控制算法习题参考答案41数字控制器的模拟化设计步骤是什么？模拟化设计步骤：(1) 设计假想的模拟控制器D(S)(2) 正确地选择采样周期T(3) 将D(S)离散化为D(Z)(4) 求出与D(S)对应的差分方程(5) 根据差分方程编制相应程序。2. 某系统的连续控制器设计为冬2 = 口($)1 + 石试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。7-1解：双线形变换法：把$=一代入，则T N+1 2 z-处5= 士孚卉冗化笃 专帀V+2 石)z+7-2 石-T Z+1前向差分法：把Z=y代入，则旳虫叭厂黑K + 7仝孚+八石T后向差分法：把代入则处叫.霁+心57Tz43什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。为了实现微机控制生产过程变最，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周 期T远小于信号变化周期时，作如卜近似(T足够小时，如卜逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近):胡/)尸0de-1)dtT15于是有:#u(k)是全最值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置 型PID算法。在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输岀的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还 与过去历次采样偏差育关，使得u(k)产生人幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中 当执行机构需要的不足控制量的绝对值，而足其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行 器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位冒的功能的这类装置时，一般均釆用增量型PID 控制算法。“(幻=心久幻-1) + -+与位置算法相比，增屋型PID算法有如下优点：(1) 位宜型算式每次输出与整个过去状态冇关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计 算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差 对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。(2) 为实现手动一自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度14若采用堀最型 算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现恥项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切 换。(3) 采用增量型算法时所用的执行器本身都其右寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原 位，不会对生产造成恶劣彫响。4.4 .已知模拟调节器的传递函数为以$)= 1 + 0.17$s 7 1 + 0.085$试写出相应数字控制器的位置型和増量型控制算式，设采样周期TM).2s.则乙($)+ 0.0855Z/($)=刀$)+ 0.173ZV)/. /(/)+ 0.085= /)+ 017心)+ 0.085 心)-少T)= &幻 + 0,)_尹_1)把T=0.2S代入得1.425/U) 0.425,/(/-1) = 4.5&力一 3.5-1)位置型/)= 3.1579&斤)一 2.4561彳一1)+0.2982/(斤-1)増最型(斤)=加斤)一皿斤一 1)= 3.1579)-2.4561-1)一 0.7018/(-1)(补充题己知模拟调节器的传递函数为0.085J试写出相应数字控制器的位置型PID算法和増量型PID控制算式，设采样周期T=0.2so解：因为如=1 + 017$ = 2（! +_）=心 1 + J- + 3 0.085J0.17J 卩 邛 八所以Kp=L 7； = 0.17,刀=0。故位置型PID控制器伙）=心心）+ ） +石必）一警T）=2 附）+0.2047A=0=2 心）+0,40J77=0故增量型PID控制器（幻=伙一 1） + （）=伙一 1） +- &一 1）+ KSZ 心&幻-2久彳一 1）+ 久/一 2）=伙一 1） + 2仏（斤）-氏k-1）+氏心XZ 丄，* 伙一 1） +4.35貞幻一 2久斤一 1）4.5.什么叫积分饱和？它是怎么引起的？如何消除？解：（1）如果执行机构己经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于枳分作用，尽管PID差分方 程式所得的运算结果继续增人或减小，但执行机构己无相应的动作，这就叫枳分饱和。（2）1,肖偏差产生跃变时，位置型PID算式的输出将急剧增大或减小，有可能超过执行机构的 上（下限，而此时执行机构只能工作在上限。2、系统输出需要很长时间才达到给定值，在这段时间内算式的积分项将产生一个很大的积累值。3、当系统输出超过给定值后，偏差反向，但由于人的积分枳累值，控制量需要相当一段时间脱离 饱和区。囚此引起系统产生人幅度超调，系统不稳定。（3）常用的改进方法：枳分分离法和抗枳分饱和46采样周期的选择需要考虑那些因素？（1）从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统 的过渡过程时间内，采样6次15次即可。（2）从快速性和抗扰性方面考虑，希望釆样周期尽最短，这样给定值的改变町以迅速地通过釆样得到反映， 而不致产生过大的延时。（3）从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够 的计算时间：当被控对象的纯滞后时间I较大时，常选T= （1/41/8） T。（4）从计算楕度方面考龙，釆样周期T不应过短，当主机字长铁小时，若T过短，将使前后两次采样值差别 小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量己输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将亳无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。4.7.简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：(1) 选择一个足够短的采样周期T,例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时 调节器只作纯比例控制，给定值1作阶跃输入。逐渐加人比例系数Kp,使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts,并记卜此时的比例系数Kp,将其记作临界振荡增益Ksc此时的比例度为临界比例度，记作6=丄。(3) 选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。(4) 根据控制度，査表求出T、Kp、Ti和Td值。(5) 按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。 扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：(1) 断开数字调节器，让系统处F于动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定 值，即给对象输入一个阶跃信号。(2) 用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。(3) 在曲线最人斜率处作切线，求得滞后时间T、彼控对象的时间常数Tc,以及它们的比值Tc/t。(4) 由t、Tc、Tc/t值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。4.8.数字控制器的离散化设计步骤是什么？计算机控制系统框图如图41所示。图4-1计算机控制系统框图由广义对象的脉冲传递函数町得闭坏脉冲传递*1数，可求得控制器的脉冲传递两数D(z)。 数字控制器的直接设计步骤如下：(1) 根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数(z)(2) 求广义对象的脉冲传递函数G(z)。(3) 求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。(4) 根据D求取控制算法的递推计算公式。4$己知被控对象的传递函数为q（$）=10S（0.15+ 1）采样周期THU,采用寒阶保持器。要求（1）针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的以习，并计算输出响应（/）、控制信号伙）和误差久幻序列，画出它们对时间变化的波形（2）针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统的Q（z）,并计算输出响应（幻、控制信号伙）g = Z（10$（01$+1）和误差久Q序列，画出它们对时间变化的波形。 解：广义脉冲传递函数为丁（$+10）lOTz11 , 1 ）（1 M1-z1 （l-ezY0.368z_1（l + 0.717z_1）（1一 2s ）（1 0.3682s）最少拍无纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N （分母多项式的幕次）M （分子多项式的幕次）d=N-M延时w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）V在Z平面的单位圆上或圆外极点的个数J在Z平面的单位圆上极点的个数q舗入类型）己知 N=2, M=2所以d=0、v=l（即分子多项式中的（1 + 0.717Z-1）v=l, j=l：q=2（单位速度输入）2）确定Fl（z）和F2的農次m和!/= ir+ d=v- y + max（7；q）坷=1 + /刃+人2尹+ + /“ 点=+力2尹+人”Z0/Z）= l-O（Z）4）确定=尹口（1 一冶）点m- ir+ = 1=7+ max（7，q） = 2 所以：坷=1+店也=n（i-）（1-刊5）坷/=1 =（1-）2（1 +厶十）= l + （/1-l）z-1-Z1z-2+Z1z-3（Z）二厂fia-Az1）点.7=1-= （1 + 0.717屮心十+厶八）=f2Xz-x +（力2 +0.717闪 宀 0.717/才5）根据关系N）= l-（z）使等式两边同幕次的 系数相等，解出和刀中的系数。Zi _2 = -fix 1一2兀=-(厶+0.717无) 力厂一 0.717231.84 o所以：O/z) = (1-z1)2(1-0.59z1)6）求控制SD（z）= (1+0.717z_ )(1.4 lz1 - 0.83z_ )(l_zT)(l 0.368才1)0368才1(1 + 0.717才】)v (1 + 0.717)(1.4lz1 -0.83z2)(1-z_1)2(1-0.59z_1)(1 0368zT)(141 083才1)0.368(1- )(1-0.59Z1)23#最少拍无纹波设计步骤：1）根据广义对象的传递函数确定参数N （分母多项式的扇次）M （分子多项式的農次）d=N-M延时w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点） V在Z平面的单位圆上或圆外极点的个数j在Z平面的单位圆上极点的个数q入类型） 2)确定Fl(z)和F2的皋次m和n zzz = w+ d/= v-y + max(y,q)召=i+/刃+人2尹+已知 N=2, M=2所以d=0v=l（即分子多项式中的（1 + 0.717Z-1）v=l, j=l：q=l（单位阶跃输入） fn = r+ d - 1=r-y+ max(y,q) = 1 所以：幷=1+力才#F=+ 乙2尹 + + V”3)确定e(z)也= 1-0（2）八）曲心G百=仃(1E) (1-十严人/=1 =(1-)2(1 +人十)= l + (A1-l)z-1-Zlz-2#4)确定e(z)O(z) = z如T)爲(z)一沖均= (l + 0.717z-1)/1z-15)根据关系O#(z) = l-O(z)使等式两边同幕次的= /1 + 0.717/1z-确定Fl(z)和F2的幕次m和n/= + d=v- y+max(y,q)珂=1 +力才+仏尹+ . +心厂耳=+厶Z- +人” z” 确定Oe(z)e,z)= I-0(z)= U(1 一忖(l-z-1)力2Q坷(z)系数相等，解出川和刀中的系数。= 解得:= 0,42 4 0.717厶 4 0.58 所以：e(z)rn（Z）= 1-（Z）=I*】）（1-尹）右才+公2 襄=n(i-z)(1-十严曲珂 /=1 =(1-)2(1 +厶十)= 1 + (/1-20 4-(1-2兀)尹 + 店29#4）确定=尹口（1一如为爲一少）点=(1 +刃)(厶+力2尹)#5）根据关系/z） = l-O（z）使等式两边同幕次的 系数相等，解出/!和皿中的系数。Xi_2 = _Zi5 1 - 2X1 = -(工2 +厶) Ui=-z2力1 = 3/4 解得：711 =5/4也=-3/4所以：#6）求控制器D（z）A) =1 6?)1-(z)D= (1 0)2(1 + 3/40)(z) = (1 + z_1 )(5 / 4z_1 - 3 / 4z2)(1 + z7)(5/4z7-3/4z)x (1)2(1 + 3/40)_ 10-6z_1一 4 + 3z#U.被控对象的传递函数为如冷采样周期T=ls,要求：（1）采用Smith补偿控制，求取控制器的输出；（2凍用大林算法设计数字控制器刀（Z）,并求取M）的递推形式。 采用Smith补偿控制 广义对象的传递函数为#召G($)=禺($)g($)=$+1l-eJs(s+l)#2(z)=Z($) =其中4=0% =矿】，力=1一 w-】，Z = * = l,7*=l$ 则24学-单Ez) 1-0.3679Z*1 “习一0.3697才匕*(习=0.6321(一 z2 皿) 遞)=0.6321心一 1)- 0.632 以斤一 2)+ 0.3679讹一 1)(2)采用人林算法设计数字控制器取T=is,r = 1 ,K=l,Ti=l,L=r/Z=l,i5期望闭环传递函数的惯性时间常数To=O.5S 则期望的闭环系统的脉冲传递函数为尹(1)1尹严=-S爲$+1广义被控对象的脉冲传递皈数为6(z)=Z-ze召G(z)=ZS 1+G_1_ s 1 + $冋1-G)1-Z-沪31#(z)以=巳3 =z L沪张-厂怙- (1-尸片打(1-0.3679 八)0 0 1353)如(玮-询HG-e_ (1M).3679)ZO. 1353/-(1- O.1353)z-2_1.3680 0.50332s l-0.1353z_1-0.8647z2比)则巩习 一 0.1353刃“力一0.8647严/(习=1.3680&习一 0.5033“&习上式反变换到时域，则可得到/(&)= 13680如0- 0.5033心一 1)+ 0.1353讹一 1)+ 0.8647讹一 2)12何为振铃现象？如何消除振铃现象？所谓振铃现象是指数字控制器的输出u(k)以接近二分之一的采样频率人幅度上下摆动。它对系统的输出几 乎是没有影响的，但会使执行机构因磨损而造成损坏。消除振铃现象的方法：(1)参数选择法对于一阶滞后对象，如果合理选择期型闭环传递函数的惯性时间常数TO利采样周期T,使RAS0,就 没刈振铃现象。即使不能使RAS0,也可以把RA减到敲小，瑕人程度地抑制振铃。（2）消除振铃因子法找出数字控制器D（z）中引起振铃现彖的因子（GP z=-l附近的极点），然后人为地令其中的z=l,就消除 了这个极点。根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影 响闭环系统的动态响应。13. 前馈控制完全补偿的条件是什么？前馈和反馈相结合有什么好处？前馈控制完全补偿的条件是Gn（s）+ Do（s）G（S）=0。如果能将扰动I月素测呈出来，预先将其变化量送到系统中进疔调整，这样在被调呈改变之前就能克服这些 扰动的影响。这种扰动的预先调整作用就称为前馈。若参数选择得合适，前馈控制可取得良好的控制效果. 但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而J1 一个实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制 还足不可少的。主要扰动引起的误差，由前馈控制进行补偿；次要扰动引起的误差，由反馈控制了以抑制. 这样在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而冇利丁同时兼顾提高系统稳定 性和减小系统稳态误差的要求。14. 与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制的优点：（1）模糊控制可以应用于具有非线性动力学待征的复杂系统。（2）模糊控制不用建立对象精确的数学模型。（3）模糊控制系统的鲁棒性好。（4）模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作 为控制算法。15. 多变量控制系统解耦条件是什么？多变吊控制系统解耦条件是系统的闭环传递函数矩阵（$）为对角线矩阵.33