計算機控制技術課后習題答案

1、第一章1. 計算機系統(tǒng)由哪些部分組成？并畫出方框圖。解：若將自動控制系統(tǒng)中控制器的功能用計算機或數(shù)字控制裝置來實現(xiàn)，就構成了計算機控 制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-1所示。因此，簡單說來，計算機控制系統(tǒng)就是由各種各樣的計 算機參與控制的一類系統(tǒng)。被控戢圖1-1計算機控制系統(tǒng)基木原理圖在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件實現(xiàn)的，計算機執(zhí)行預定的控制程序就能實現(xiàn) 對被控參數(shù)的控制?？刂破髋c執(zhí)行機構之間是DA轉換器，負責將數(shù)字信號轉換成模擬信號; AD轉換器則相反將傳感器采集的模擬信號，轉換成數(shù)字信號送給控制器。2. 計算機控制系統(tǒng)是怎樣分類的？按功能和控制規(guī)律可分為幾類？ 解：計算機控制系統(tǒng)與其所控制

2、的對彖、采取的控制方法密切相關。因此，計算機控制系統(tǒng) 的分類方法很多，可以按照系統(tǒng)的功能、控制規(guī)律或控制方式等進行分類。按功能及結構分類：操作指導控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散 控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網控制系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)。按照控制規(guī)律分類：程序和順序控制、比例積分微分控制（簡稱PID控制）、最少拍控制、 復雜規(guī)律的控制、智能控制。3. 計算機控制系統(tǒng)的主要特點有哪些？解：主要有以下特點：1. 數(shù)字模擬混合的系統(tǒng)。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處的信號是連續(xù)模擬信號。而在計算 機控制系統(tǒng)中，除仍有連續(xù)模擬信號外，還有離散信號、數(shù)字信號等多種信號。因此，計算 機控制系統(tǒng)是

3、模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。2. 靈活方便、適應性強。一般的模擬控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由硬件電路實現(xiàn)的，控 制規(guī)律越復雜，所需要的模擬電路往往越多，如果要改變控制規(guī)律，一般就必須更改硬件電 路。而在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實現(xiàn)的，計算機執(zhí)行預定的控制程序就能實 現(xiàn)對被控參數(shù)的控制，需要改變控制規(guī)律時，一般不對硬件電路作改動，只要改變控制程序 就可以了。3. 可實現(xiàn)復雜控制規(guī)律。計算機具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能，能夠實 現(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復雜控制規(guī)律。4. 離散控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進行的，控制器對產 生的偏差也是連續(xù)調節(jié)的。而在計算機控制系統(tǒng)中，計

4、算機每隔一定時間間隔，向A/D轉 換器發(fā)出啟動轉換信號，并對連續(xù)信號進行采樣獲得離散時間信號，經過計算機處理后，產 生的控制時間信號通過D/A將離散信號轉換成連續(xù)時間信號輸出，作用于被控對象。因此, 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. 可以采用分時控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個控制器控制一個回路。而在計 算機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的計算處理能力，一個數(shù)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. 易于實現(xiàn)管控一體化。采用計算機控制系統(tǒng)可實現(xiàn)控制信息的全數(shù)字化，易于建立 集成企業(yè)經營管理、生產管理和過程控制于一體的管控一體化系統(tǒng)。即建立集成了生產過程

5、 控制系統(tǒng)PCS、生產執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的綜合自動化系統(tǒng)。4. 計算機控制系統(tǒng)的主要性能指標有哪些？ 解.1. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最重要的要求之一。一個控制系統(tǒng)只有穩(wěn)定，才有可能工作，也才 能談得上控制性能的好壞與優(yōu)劣。因此，對于計算機控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性分析同樣是一個 重要的方面。通常采用控制理論中的離散系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法（如變換域的勞斯判據）來分 析計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用穩(wěn)定裕量（即相角裕屋和幅值裕量）來衡量計算機控制系統(tǒng)的 穩(wěn)定程度。2. 能控性與能觀性能控性和能觀性是現(xiàn)代控制理論中兩個非常重要的概念，它們從控制系統(tǒng)狀態(tài)的控制能 力和狀態(tài)的觀測能力兩個方面揭

6、示了控制系統(tǒng)的兩個基本問題。3. 動態(tài)指標動態(tài)指標能夠比較直觀地反映控制系統(tǒng)的動態(tài)過渡過程特性。在經典控制理論的時域分 析中用時域指標來衡量控制系統(tǒng)動態(tài)性能的好壞，常用指標有：延遲時間、上升時間f,.、 峰值時間.、調節(jié)時間J、超調量b%在實際應用中，常用的動態(tài)性能指標為上升時間、 調節(jié)時間和超調量。通常用tr和tp評價系統(tǒng)的初始響應速度，用ts評價系統(tǒng)的總體響應速 度和平穩(wěn)程度，用b%評價系統(tǒng)的平穩(wěn)性。當利用頻率特性進行控制系統(tǒng)的分析和設計時，常用頻域指標來衡量控制系統(tǒng)動態(tài)性能 的優(yōu)劣。在用開環(huán)對數(shù)頻率特性設計控制系統(tǒng)時，常用靜態(tài)速度誤差系數(shù)K、.、相角裕量/、 幅值裕量/和開壞截止頻率等指

7、標；而用閉壞頻率特性設計控制系統(tǒng)時，常采用靜態(tài)速 度誤差系數(shù)K、閉環(huán)諧振峰值M,.、閉環(huán)諧振頻率血和閉壞頻帶寬度，等指標。4. 穩(wěn)態(tài)指標穩(wěn)態(tài)指標是控制系統(tǒng)控制精度或抗干擾能力的一種度量，常用穩(wěn)態(tài)誤差乞來表征。通 常在階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)或加速度函數(shù)作用下進行測定或計算，耳,表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出量 與期塑值兒之間的差值，是系統(tǒng)對于跟蹤給定信號準確性的定量描述。希望乞$越小越 好。5. 積分型指標在現(xiàn)代控制理論中，經常使用綜合性指標來衡量控制系統(tǒng)的性能。積分型指標是主要的 綜合性指標之一，它主要以誤差級f）對時間的不同積分來表征，有誤差平方的枳分、時間乘 誤差（或乘誤差絕對值）平方的積分、時間平方乘誤

8、差（或乘誤差絕對值）平方的積分、誤差絕 對值的積分以及加權二次型性能指標等。5. 控制對象對控制性能有何影響？解：假設控制對彖的特性歸結為對象放人系數(shù)K,”和擾動放人系數(shù)、慣性時間常數(shù)7；和 丁八 純滯后時間常數(shù)r和幾，而控制系統(tǒng)的性能采用超調量b%、調節(jié)時間/八 和穩(wěn)態(tài)誤 差匕等來表征。根據控制理論知識可以得出如下結論：1. 放人系數(shù)對控制性能的影響擾動通道的放大系數(shù)K”越小，穩(wěn)態(tài)誤差乞,也越小，控制精度就越高，故希望K”盡可 能小；而由于K”,完全可以由數(shù)字調節(jié)器的比例系數(shù)Kp來補償，所以K”,對系統(tǒng)的性能沒 有影響。2. 慣性時間常數(shù)對控制性能的影響當7；加犬或慣性環(huán)節(jié)的階次增加時，可以

9、減少超調量b%；而7；越小，系統(tǒng)的反應就 越靈敏，控制也就越及時，控制性能就越好。3. 純滯后時間對控制性能的影響擾動通道的純滯后時間幾對控制系統(tǒng)的性能沒有影響，只是使輸出量兒(/)沿時間軸平 移了幾；而控制通道的純滯后時間r使控制系統(tǒng)的超調量b%增人，調節(jié)時間J延長，純 滯后時間r越人，控制性能就越差。6. 綜合自動化系統(tǒng)的體系結構？解：綜合自動化系統(tǒng)是以經濟指標為目標，以生產過程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理為核心技 術，實現(xiàn)在線成本的預測、控制和反饋校正，以形成生產成本控制中心，保證生產過程的優(yōu) 化運行；實施生產全過程的優(yōu)化調度、統(tǒng)一指揮，以形成生產指揮中心，保證生產過程的優(yōu) 化控制；實現(xiàn)

10、生產過程的質量跟蹤、安全監(jiān)控，以形成質量管理體系和設備保證體系，保證 生產過程的優(yōu)化管理。因此，綜合自動化系統(tǒng)一般來說是一個多層次遞階的集成控制系統(tǒng), 通常分為如圖1-2所示的ERP/MES/PCS/三層模型結構，即劃分為考慮生產過程問題的生產過 程控制系統(tǒng)PCS (Process Control System)：考慮企業(yè)層面經營管理問題的企業(yè)資源計劃ERP (Enterprise Resource Planning)系統(tǒng)以及同時考慮生產與管理結合問題的中間層 生產執(zhí) 行系統(tǒng)MES (Manufacturing Execution System,又稱制造執(zhí)行系統(tǒng))三個層次。企業(yè)資源計劃ERP(

11、Enterprise Resource Planning)生產執(zhí)行系統(tǒng)MES、(Manufacturing Execution System)過程控制系統(tǒng)PCS(Process Control System)圖1-2綜合自動化系統(tǒng)分層模型7. 計算機控制技術所涉及的整個知識結構框架?系統(tǒng)知識層知識領域：系統(tǒng)與工程控制知識層控制與智能傳感與檢測模型與仿真執(zhí)行與驅動計算與處理通借與網絡知識單元：多變量系統(tǒng)、非線性系統(tǒng).分布參數(shù)系統(tǒng).離散事件 系統(tǒng)、大系統(tǒng)、復雜系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、繼承自動化系統(tǒng).管 理信息系統(tǒng).系統(tǒng)工程、運籌學.最優(yōu)化.智能系統(tǒng)、機器人系 統(tǒng)、多智能體等等知識領域，數(shù)理與機電基礎基

12、礎知識層知識單元：數(shù)學.力學、物理、化學.現(xiàn)代生物學.生命科學. 腦科學.思維科學、系統(tǒng)科學、管理科學.電工電子基礎.機械 基礎.計算機原理、計算機語言.微機原理等等圖13計算機控制技術所涉及的整個知識結構框架8信息網絡對控制網絡的推動作用？9 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展動向主要表現(xiàn)在哪幾個方面？1. 結構網絡化以網絡為依托，采取縱向分層、橫向分散的策略，將控制區(qū)域內的各種設備連接在一起， 使各組成部分協(xié)調工作，共同完成控制、管理和決策功能。2. 控制分散化將控制功能下放到現(xiàn)場設備，現(xiàn)場進行數(shù)據的處理和管理，大大提高了系統(tǒng)的實時性和 可靠性。同時，通過網絡將各個現(xiàn)場設備連接成一個有機的整體，又保證了

13、上層決策系統(tǒng)可 以得到人量豐富的現(xiàn)場信息，便于進行適當而及時的決策，提高了系統(tǒng)的有效性和效率。3. 節(jié)點智能化控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行器等現(xiàn)場設備成為具有誤差補償、故障診斷、功能自治 等特征的網絡化智能節(jié)點，使控制系統(tǒng)具備遠程系統(tǒng)調試、在線設備管理、實時生產監(jiān)控、 故障自動修復等能力，以適應降低控制系統(tǒng)使用和維護成本、提高系統(tǒng)可靠性和易用性的要 求。4. 系統(tǒng)集成化每種現(xiàn)場總線往往有自己的技術特點與應用領域，2007年10月各國IEC委員會投票通過的現(xiàn)場總線國際標準IEC 61158第四版中納入了 18種總線類型，多種總線共存已經成為不爭的事實。從系統(tǒng)結構來看，實際應用中經常集成多種現(xiàn)場總

14、線、工業(yè)無線技術共同構建控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成來看，經常采用集成生產過程控制系統(tǒng)、生產制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)的多層次遞階控制系統(tǒng)。習題二1 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述分為幾類？解：計算機控制系統(tǒng)的描述方法可分為:一是將連續(xù)的被控對彖離散化一一等效的離散系統(tǒng) 數(shù)學模型，然后在離散系統(tǒng)的范疇內分析整個閉環(huán)系統(tǒng)：二是將數(shù)字控制器等效為一個連續(xù) 環(huán)節(jié)，然后采用連續(xù)系統(tǒng)的方法來分析與設計整個控制系統(tǒng)。一般來說，前一種方法使用較 為普遍。本章即根據前一種方法，介紹計算機控制系統(tǒng)數(shù)學描述的建立過程。至于后一種方 法可參考連續(xù)系統(tǒng)控制理論的建立過程。2.采樣信號的物理意義是什么？解：對連續(xù)時河信號采樣的物

15、理意義可以有兩種解釋。其一為連續(xù)時間信號被單位脈沖序列作了 離散時間調制；其二為單位脈沖序列被連續(xù)時間信號作了幅值加權。這兩種解釋是等價的, 如圖2 J所示。連續(xù)時間信號被尬位脈沖序列作了離散時間調制吃位脈沖序列被連續(xù)時間信號進行了幅值加權 圖采樣信號的物理總義3. 采樣定理與信號復現(xiàn)的關系是什么？ 解：采樣定理從理論上指明了從采樣信號xt)中恢復原連續(xù)時間信號x(t)的條件，可以注 意到，信號的復現(xiàn)需要通過一個理想的低通濾波器才可以實現(xiàn)。同時，對于頻譜豐富的時間 信號，頻譜成分的上限頻率是不存在的。而工程上采用的將采樣信號恢復為連續(xù)信號的裝置 稱為保持器。所以，保持器是可以起到近似低通濾波器

16、作用的工程器件。實現(xiàn)信號恢復與保 持所依據的是信號定值外推理論。4設采樣周期為T,試求以卜連續(xù)時間系統(tǒng)被控對彖的脈沖傳遞函數(shù)。(l)G(s)=Ks(s + a)(2)G(s)=K(s + 3)(s + b)(3)G(s)=1 一尹Ks (s + 曰)(s + b)(1 - e)zaz - 1) (z -小)解：1、ZG(s) = z人=s(s + a)5.己知G($) = _GO = 纟一，試分別求出他們中間沒有采樣開關隔開時，和中間有采 s s + a樣開關隔開時的脈沖傳遞函數(shù)。1 11o解：有采樣開關：G(Z) = /-/=s s + a無采樣開關：宓)片士= ()6.設有閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)

17、如圖2-27所示，試求出該系統(tǒng)閉脈沖傳遞函數(shù)。g =q q(z)解：=以刀以刀1 + q&7. 設釆樣控制系統(tǒng)的特征方程如下所示，試確定相應系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性。(1) z3 + 5才 + 3z + 2 = 0(2) 2 + 9z3 + 3z3 + 9z + 1 = 0(30 - 1. 5z2 - 2八 3 = 0(40 - 1. 55z3 + 0. 5才一 0. 5z + 1 = 0(50 - 2z3 + z2 - 2z + 1 = 0解： &設采樣控制系統(tǒng)的特征方程為z+股+1.5収-伙+ 1) = 0,試決定為保證系統(tǒng)穩(wěn)定k 的取值范圉。解:(1 + 2. 53 + (3 - 0. 5攵)訐 + (3 - 2. 5K)w 一 0. 5K = 0W3W21+2.5K3-0.5K3-2.5K-O.5K1 + 2. 5& 3 - 2.5k3 - 0. 5A 0.5k3 0. 5RWO -0.5k所以:-0.4K09. 討論系