計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試題答案.doc

1、文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷一答案班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：成績：一、簡答題（每小題5 分，共 50 分）1. 畫出典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖。答：典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖如下：2. 根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為哪幾種類型？答：根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類型。(1) 周期采樣指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，也稱為普通采樣。(2) 同步采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)， 它們的采樣周期相同且同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱為同步采樣。(3) 非同步采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)， 它們的采樣周期相同但不同時(shí)開閉，則稱為非同步采樣。(

2、4) 多速采樣如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，每個(gè)采樣開關(guān)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(jī)采樣若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等，則稱為隨機(jī)采樣。3. 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(shí)反應(yīng)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(qiáng)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(yīng)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(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)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)

3、節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)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(shí)間常數(shù) TI 大，則積分作用弱，反之強(qiáng)。增大 TI 將減慢消1文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.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(jià)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(jìn)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

4、超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。4. 采樣保持器 LF398 工作原理圖如下圖，試分析其工作原理。答： LF398 的電路原理：放大器 A2 作為比較器來控制開關(guān) S 的通斷，若 IN +的電壓高于 IN -的電壓，則 S 閉合，由 A1、A3 組成跟隨器，并向 CH 端外接的保持電容充電； IN+ 的電壓低于 IN -的電壓時(shí)，則 S 斷開，外接電容保持 S 斷開時(shí)刻的電壓，并經(jīng) A3 組成的跟隨器輸出至 A out 。5. 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(diǎn)均位于 z 平面的單

5、位圓內(nèi)。6. 為什么會(huì)出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象？答：當(dāng)給定值發(fā)生很大躍變時(shí)， 在 PID 增量控制算法中的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大 (由于積分項(xiàng)的系數(shù)一般小得多，所以積分部分的增量相對比較小 )。如果該計(jì)算值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度， 那么，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想，其中計(jì)算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。7. 什么是振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？答：所謂振鈴 (Ringing) 現(xiàn)象，是指數(shù)字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象。第一種方法是先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子 (z=- 1 附近的極點(diǎn) )，

6、然后令其中的 z=1，根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。第二種方法是從保證閉環(huán)系統(tǒng)的特性出發(fā)，選擇合適的采樣周期T 及系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)Tc，使得數(shù)字控制器的輸出避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的振鈴現(xiàn)象。8. 什么是嵌入式系統(tǒng)？如何理解嵌入式系統(tǒng)的定義？2文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.答：目前國內(nèi)普遍被認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常，從以下幾個(gè)方面來理解嵌入式系統(tǒng)的定義：(1)以應(yīng)

7、用為中心是指嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。(2)嵌入式系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、 微電子技術(shù)、 語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)， 甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和 Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要對軟、 硬件進(jìn)行剪裁以適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求。說明嵌入式系統(tǒng)存在著一個(gè)較為通用的軟、硬件內(nèi)核。這個(gè)內(nèi)核往往是幾kB 到幾十 kB 之間的微內(nèi)核，正是由于微內(nèi)核的存在， 才使得嵌入式系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的需

8、要在軟、 硬件方面得以順利地裁剪或擴(kuò)充。9. 簡述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。答：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常具備下述特點(diǎn)：(1) 非定常性。數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)刻不再是定常和有規(guī)則的 , 更不能再用簡單的采樣時(shí)間來刻畫。(2) 非完整性。由于數(shù)據(jù)在傳輸中可能發(fā)生丟失和出錯(cuò)，數(shù)據(jù)不再是完整的，當(dāng)然數(shù)字控制中也可能有類似的現(xiàn)象， 但在網(wǎng)絡(luò)控制中發(fā)生的可能性要大得多。(3) 非有序性。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間的不確定，先產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能遲于后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)到達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。因此 , 數(shù)據(jù)到達(dá)的次序可能不再遵守原有的時(shí)間順序。(4) 非確定性。由于數(shù)據(jù)到達(dá)的隨機(jī)性，整個(gè)控制過程已不再是一個(gè)確定性的系統(tǒng) ,而是一個(gè)隨機(jī)系統(tǒng)。10. 簡述故障診

9、斷技術(shù)所包含的內(nèi)容。答：故障診斷主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。(1) 故障的特征提取通過測量用定量和定性的信息處理技術(shù)獲取反映系統(tǒng)故障的特征描述。(2) 故障的分離與估計(jì)3文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.根據(jù)獲得的故障特征確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及故障的程度。(3) 故障的評(píng)價(jià)和決策根據(jù)故障分離與估計(jì)的結(jié)論對故障的危害及嚴(yán)重程度做出評(píng)價(jià)，近而決策出是否停止任務(wù)的進(jìn)程以及是否需要維修更換故障元部件。二、已知系統(tǒng)的差分方程為（10 分）輸入信號(hào)是初始條件為 y(0)1，試寫出輸出脈沖序列y(k )

10、。解： y(0)1三、設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為K，在對象前接有零階保持器，Gp (s)s( s1)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(yīng)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(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為應(yīng)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(shí)間常數(shù)，可選擇則有根據(jù)二階工程最佳設(shè)計(jì)法則，應(yīng)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、

11、已知廣義被控對象1 e Ts1,給定 T=1s(20 分): G( s)s(s 1)s針對單位斜坡輸入設(shè)計(jì)最小拍有紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的4文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.輸出波形圖。解：由已知條件，被控對象含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，有能力產(chǎn)生單位斜坡響應(yīng)。求廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為可以看出， G(z)的零點(diǎn)為 - 0.718(單位圓內(nèi) )、極點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)包含在 e(z)

12、的零點(diǎn)中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，故 p=2。為滿足準(zhǔn)確性條件另有 e(z)=(1z 1)2F1(z),顯然準(zhǔn)確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設(shè)解得c02 ,c11 。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為()5.435(10.5z1)(1 0.3681)則D( z) zze (z)G( z)(1z 1 )(10.718z 1 )（圖略）。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷二答案班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：成績：一、簡答題（每小題4 分，共 40 分）1. 連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有哪些特點(diǎn)？答：與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。(2) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控

13、制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn)的（數(shù)字控制器），修改一個(gè)控制規(guī)律，只需修改程序，因此具有很大的靈活性和適應(yīng)性。(3) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。(4) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。(5) 一個(gè)數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r(shí)控制的方式，同時(shí)控制多個(gè)回路。(6) 采用計(jì)算機(jī)控制，如分級(jí)計(jì)算機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等， 便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化， 使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)5文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.一步提高。2. 簡述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般控制

14、過程。答： (1) 數(shù)據(jù)采集及處理，即對被控對象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。(2) 實(shí)時(shí)控制，即按已設(shè)計(jì)的控制規(guī)律計(jì)算出控制量，實(shí)時(shí)向執(zhí)行器發(fā)出控制信號(hào)。3. 簡述典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所包含的信號(hào)形式。答： (1) 連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號(hào)， 它的幅值可以是連續(xù)的 , 也可以是斷續(xù)的。(2) 模擬信號(hào)模擬信號(hào)是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號(hào)， 它的幅值在某一時(shí)間范圍內(nèi)是連續(xù)的。 模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)的一個(gè)子集， 在大多數(shù)場合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來，均指模擬信號(hào)。(3) 離散信號(hào)離散信號(hào)是僅在各個(gè)離散時(shí)間瞬時(shí)上有定義的信號(hào)。(4) 采樣信號(hào)采樣信號(hào)是離

15、散信號(hào)的子集， 在時(shí)間上是離散的、 而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們提及離散信號(hào)就是指采樣信號(hào)。(5) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)是幅值整量化的離散信號(hào)，它在時(shí)間上和幅值上均是離散的。4. 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是否只與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)？答：線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差， 不但與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而且與輸入序列的形式及幅值有關(guān)。除此之外，離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與采樣周期的選取也有關(guān)。5. 增量型 PID 控制算式具有哪些優(yōu)點(diǎn)？答： (1)計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動(dòng)作影響小。(2)在 i 時(shí)刻的輸出 ui，只需用到此時(shí)刻的偏差，以及前一時(shí)刻、前兩時(shí)刻的偏差

16、ei -1、ei-2 和前一次的輸出值 ui-1，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。6文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.(3)在進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。6. 如何利用試湊法調(diào)整 PID 算法的參數(shù)？答： (1)先整定比例部分：將比例系數(shù)KP 由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi)，同時(shí)響應(yīng)曲線已較令人滿意，那只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。(2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)

17、計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)一般先置一個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù) TI ,同時(shí)將第一步整定得到的比例系數(shù) KP 縮小一些 (比如取原來的 80%)，然后減小積分時(shí)間系數(shù)， 使在保持系統(tǒng)較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上， 系統(tǒng)的靜差得到消除。 在此過程中，可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢反復(fù)地改變比例系數(shù) KP 和積分時(shí)間系數(shù) TI,從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。(3)如果即使有比例積分控制器消除了偏差， 但動(dòng)態(tài)過程仍不令人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成 PID 控制器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間系數(shù) TD 為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上， 增大微分時(shí)間系數(shù) TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù) KP 和積分時(shí)間系數(shù)

18、TI ，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。7. 簡述對偶原理的基本內(nèi)容。答：對偶原理：設(shè) S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互為對偶的兩個(gè)系統(tǒng)，則 S1 的能控性等價(jià)于 S2 的能觀測性； S1 的能觀測性等價(jià)于 S2 的能控性?；蛘哒f，若 S1 是狀態(tài)完全能控的 (完全能測觀的 )，則 S2 是狀態(tài)完全能觀測的 (完全能控的 )。8. 與應(yīng)用了傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)的數(shù)字產(chǎn)品相比，嵌入式系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？答：系統(tǒng)內(nèi)核??；系統(tǒng)精簡；高實(shí)時(shí)性和高可靠性；智能化和網(wǎng)絡(luò)化；專用性強(qiáng)；需要有專用的開發(fā)工具和環(huán)境。9. 尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，如何防

19、治尖峰脈沖干擾？答：尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，其幅度可達(dá)幾千伏， 寬度只有幾個(gè)毫微秒或幾個(gè)微秒，出現(xiàn)的7文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.位置也無規(guī)律， 因此采用常規(guī)的抑制辦法是無效的， 而必須采取綜合治理的辦法：(1)“遠(yuǎn)離”干擾源。(2) 用硬件設(shè)備抑制尖峰干擾的影響。較常用的抑制方法有三種：在交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻；采用鐵磁共振原理， 如采用超級(jí)隔離變壓器； 在交流電源輸入端串入均衡器。(3) 在大功率用電設(shè)備上采取措施抑制尖峰干擾的產(chǎn)生。(4)采用

20、“看門狗” (Watchdog)技術(shù)。10. 什么是硬件故障冗余系統(tǒng)？答：硬件故障冗余系統(tǒng)的定義是： 如果一個(gè)系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運(yùn)行性故障時(shí)，依靠系統(tǒng)冗余硬件的內(nèi)駐能力， 仍能保持系統(tǒng)連續(xù)正確地執(zhí)行其程序和輸入、 輸出功能，則稱這一系統(tǒng)為硬件故障冗余系統(tǒng)。二、已知系統(tǒng)框圖如下所示：T=1s(15 分)r( t)-Ty(t)試確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K 的取值范圍。解：廣義對象傳遞函數(shù)對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為此時(shí)系統(tǒng)的特征方程為1(T / 2)w10.5w采用雙線性變換 z(T / 2)w10.5w1可得等效的特征方程為此時(shí)，勞斯表為w2（ 1-0.0381K） 0.924KK< 26.2w10.92

21、4 0.386KK< 2.39w00.924KK> 0故 K 的變化范圍為0< K < 2.39。三、已知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為（10 分）試用雙線性變換法求出相應(yīng)的數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D (z) ，并給8文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.出控制器的差分形式。其中T1s 。解：令2 z 12 1zsT 1zT z 1111z21z11U ( z)22( z22z11)D( z)nnE( z)2n s2(24 n4)z2(228)z124 n4s 2n s 21z

22、1nnn1z 1控制器的差分形式為四、已知離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下所示，采樣周期T0.2s ，輸入信號(hào)r (t ) 1 t1t 2 ，求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。（10 分）2r(t)y(t)解：系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為則誤差脈沖傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差為五、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(shí)間常數(shù)取為Tc=0.5s, 應(yīng)用史密斯預(yù)估器方法確定數(shù)字控制器。解：不含純滯后的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為不考慮純滯后，閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為01，進(jìn)而 0 ( z)1 e Ts10.865z 1( s)Z0.5s 11 0.135z 10.5s1s求得 D0

23、 ( z)0 ( z)1.3691 0.368z 11 0 ( z)G0 ( z)1z 1于是得史密斯預(yù)估器如下六、采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)圓弧OP，起點(diǎn)坐標(biāo) O(0，5)，終點(diǎn)坐標(biāo) P(5，0)，圓心在原點(diǎn)。要求以表格形式給出插補(bǔ)計(jì)算過程，并畫出插補(bǔ)運(yùn)9文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.動(dòng)軌跡 。（10 分）解：步數(shù)誤差判別坐標(biāo)進(jìn)給下一步誤差計(jì)算進(jìn)給后動(dòng)點(diǎn)坐終點(diǎn)判別標(biāo)初始化F 0x=0, y=5 =101F=0- yF=F- 2y+1= - 9x=0， y=y- 1=4 = -1=92F<0

24、+xF=F+2x+1= - 8x=x+1=1, y=4 = -1=83F<0+xF=F+2x+1= - 5x=x+1=2, y=4 = -1=74F<0+xF=F+2x+1=0x=x+1=3, y=4 = -1=65F=0- yF=F- 2y+1= - 7x=3， y=y- 1=3 = -1=56F<0+xF=F+2x+1=0x=x+1=4, y=3 = -1=47F=0- yF=F- 2y+1= - 5x=4， y=y- 1=2 = -1=38F<0+xF=F+2x+1=4x=x+1=5, y=2 = -1=29F>0- yF=F - 2y+1=1x=5， y=

25、y- 1=1 = -1=110F>0- yF=F - 2y+1=0x=5， y=y- 1=0 = -1=0End（圖略）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷三答案班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：成績：一、簡答題（每小題 4 分，共 40 分）1. 簡述開關(guān)量光電耦合輸入電路中，光電耦合器的作用。答：開關(guān)量光電耦合輸入電路，它們除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。2. 回答下述電路中克服共模干擾的工作原理。答：平時(shí)，開關(guān) S1i(i=1,2,.,n)處于閉合狀態(tài)， Ci 的電壓跟蹤 Vi 的輸入值，開關(guān) S2i(i=1,2,.,n)處于斷開狀態(tài)。需檢測 Vi 時(shí)，則令 S1i 斷開 ,S2i 閉合，放大器 A 的輸

26、出經(jīng)采樣保持器送至 A/D 轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量，然后開關(guān)再恢復(fù)平時(shí)的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過程中，放大器 A 不與任何模擬量信號(hào)輸入共地，電容 Ci 的電壓均為差模電壓，這樣就克服了共模電壓的影響。3. 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(hào)在離散時(shí)間瞬時(shí)值的序列過程，有時(shí)也稱為離散化過程。4. 線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)的定義是什么？10文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.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

27、 變換之比。5. 何為積分飽和現(xiàn)象？答：在標(biāo)準(zhǔn) PID 位置算法中， 控制系統(tǒng)在啟動(dòng)、 停止或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時(shí)間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項(xiàng)累積后，可能會(huì)使控制量 u(k) 很大，甚至超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限 umax。另外，當(dāng)負(fù)誤差的絕對值較大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn) u<umin 的另一種極端情況。顯然，當(dāng)控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)極限時(shí)，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想， 從而影響控制效果。這類現(xiàn)象在給定值突變時(shí)容易發(fā)生， 而且在起動(dòng)時(shí)特別明顯， 故也稱“起動(dòng)效應(yīng)”。6. 等效離散化設(shè)計(jì)方法存在哪些缺陷？答：等效離散化設(shè)計(jì)方法存在以下缺陷：(1) 必須以

28、采樣周期足夠小為前提。在許多實(shí)際系統(tǒng)中難以滿足這一要求。(2) 沒有反映采樣點(diǎn)之間的性能。特別是當(dāng)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(shí)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(shè)計(jì)所構(gòu)造的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其性能指標(biāo)只能接近于原連續(xù)系統(tǒng) (只有當(dāng)采樣周期 T=0 時(shí)，計(jì)算機(jī)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，這種方法也被稱為近似設(shè)計(jì)。7. 何為最少拍設(shè)計(jì)？答：最少拍設(shè)計(jì)，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(hào) (如階躍信號(hào)，速度信號(hào)，加速度信號(hào)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。8. 給出單輸入單輸出線性定常離

29、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(guān)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)不存在零、極點(diǎn)相消。如果存在著零、極點(diǎn)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。9. 嵌入式處理器可分為哪幾種類型？11文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持 .文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.答：嵌入式處理器又可以分為以下四類：(1) 嵌入式微控制器 MCU （MicroController Unit ）(2) 嵌入式微處理器 MPU（MicroProcessor U

30、nit）(3) 數(shù)字信號(hào)處理器 DSP（Digital Signal Processor）(4) 嵌入式片上系統(tǒng)（ System on Chip，SoC）10.針對實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通常從哪幾個(gè)方面對故障進(jìn)行分類？答：實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障是多種多樣的， 可以從下面幾個(gè)方面對故障進(jìn)行分類：(1) 從故障發(fā)生的部位看，分為傳感器故障、執(zhí)行器故障和受控對象故障。(2) 根據(jù)故障性質(zhì)，分為突變故障和緩變故障。(3) 從建模角度出發(fā)，可分為乘性故障和加性故障。(4) 從故障間的相互關(guān)系，分為單故障和多故障、獨(dú)立故障和局部故障。二、已知系統(tǒng)框圖如下所示：T=1s(15 分)y* (t)Tr(t)y

31、(t)試 寫 出離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程。解：所給系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為令 X ( z)U (z)2 進(jìn)而 X (z)12X ( z) U ( z)1 1.368z11.368 zX (z) 0.368 z0.368z則 Y (z)(0.368 z 10.264z 2 ) X ( z)取X1 (z)z 2 X ( z)于是得如下狀態(tài)方程z 1 X ( z)X 2 (z)zX1 ( z)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(shí)間常數(shù)取為Tc=0.5s, 應(yīng)用大林算法確定數(shù)字控制器。12文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支

32、持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為閉環(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(shè)計(jì)一個(gè)特征值為 z1,20.5j0.25的全維狀態(tài)觀測器，并畫出相應(yīng)的狀態(tài)變量結(jié)構(gòu)圖。解：能觀性矩陣 QoC10 滿秩，故系統(tǒng)能觀測，可設(shè)計(jì)CA0.51狀態(tài)觀測器。令輸出誤差反饋矩陣 Hh1h2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 h10.5, h20.0625(狀態(tài)變量圖略 )。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(yīng)和脈沖響應(yīng)不變法求D( s) 的等效數(shù)字控制器， 并寫出相應(yīng)的差分方

33、程表達(dá)式。其中采樣周期T1s。解： 1.階躍響應(yīng)不變法D( z) Z 1e TsD (s)(1z 1 )Z12121ss ( s 1)( s 2)1 z 11 e 1 z 11 e 2 z 10.399z 10.148 z 2= 1 1.503z 1 0.553z 2 0.05z 3由 D ( z) U ( z) 可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下E( z)2. 脈沖響應(yīng)不變法13文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.由 D ( z)U ( z) 可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下E( z)計(jì)算

34、機(jī)控制系統(tǒng)試卷四答案班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：成績：一、簡答題（每小題 3 分，共 30 分）1. 使用光電隔離器件時(shí)，如何做到器件兩側(cè)的電氣被徹底隔離？答：光電隔離器件兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。2. 給出多通道復(fù)用一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器的原理示意圖。答：3. 什么是信號(hào)重構(gòu)？答：把離散信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)信號(hào)的過程，稱為信號(hào)重構(gòu)，它是采樣的逆過程。4. 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(diǎn)有何影響？答：零階保持器的傳遞函數(shù)為1eTsH 0 ( s)s。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(diǎn)。5. 階躍響應(yīng)不變法的基本思想是什么？答：階躍響應(yīng)不變法的基本思想是： 離散近

35、似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列與模擬控制器的階躍響應(yīng)的采樣值一致。6. 如何消除積分飽和現(xiàn)象？答：減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過大。因此當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，刪除積分作用，PID 控制器相當(dāng)于一個(gè)PD 調(diào)節(jié)器，既可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)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(dāng)誤差e 在門限之內(nèi)時(shí)，加入積分控制，相當(dāng)于PID 控制器，則可消除靜差，提高控制精度。7. 給出常規(guī)的直接設(shè)計(jì)法或離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟。14文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.答：直

36、接設(shè)計(jì)法或稱離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟如下：(1)根據(jù)已知的被控對象，針對控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求及其它約束條件，確定理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) (z) 。(2)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。8. 采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)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(diǎn)的充分必要條件是系統(tǒng)狀態(tài)完全能控。9. 說出實(shí)施信號(hào)隔離的主要方法。答：信號(hào)隔離方法主要有變壓器隔離和光電隔離， 變壓器隔離適用于模擬信號(hào)隔離，光電隔離則特別適合數(shù)字信號(hào)的隔離。10.故障診斷中的狀態(tài)估計(jì)方法的基本思想是什么？答：故障診斷中的狀態(tài)估計(jì)方法的基本思想是： 首先重

37、構(gòu)被控過程的狀態(tài)，通過與可測變量比較構(gòu)成殘差序列， 再構(gòu)造適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒂媒y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，從殘差序列中把故障診斷出來。因此，這就要求系統(tǒng)可觀測或部分可觀測，通常用各種狀態(tài)觀測器或?yàn)V波器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。二、已知系統(tǒng)框圖如下所示：T=1s(15 分)r( t)Ty(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) W(0)=0.632<1 W(1)=1- 1+0.632>0 W(- 1)=1+1+0.632>0知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。15文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡

38、迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.三、已知某被控對象的傳遞函數(shù)為(15 分)要求設(shè)計(jì)成單位反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)如下圖所示。 采樣周期為T1s。要求閉環(huán)特征根為 0.4 和 0.6。試求數(shù)字控制器。解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為根據(jù)要求設(shè)定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為四、已知控制系統(tǒng)的被控對象的傳遞函數(shù)為G ( s)e s，(2 s1)( s 1)采樣周期 T=1s，若選閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù) T0.5s，試用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D (z) 。若出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，修正數(shù)字控制器，消除振鈴現(xiàn)象。（20 分）解：采樣周期 T=1s，期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為進(jìn)而被控裝置廣

39、義脈沖傳遞函數(shù)則由振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原理知， 用常規(guī)大林算法設(shè)計(jì)的被控對象為二階的系統(tǒng)必產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。在D(z)中的靠近z- 1 的兩個(gè)因子中令z1來消除振鈴現(xiàn)象，即五、求出雙積分系統(tǒng)控制對象的離散狀態(tài)方程，假設(shè)系統(tǒng)所有的狀態(tài)皆不可直接測量， 設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋，并把閉環(huán)兩個(gè)極點(diǎn)都配置在 0.1，觀測器特征方程的兩個(gè)根配置在原點(diǎn)。（T=1s）（20分）解：系統(tǒng)的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為可寫其能控標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)為對應(yīng)的能觀性矩陣為Q0C0.50.5滿秩，故系統(tǒng)能觀，可設(shè)計(jì)觀測器。CA0.51.516文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整

40、理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.先求狀態(tài)觀測器增益矩陣Hh1h2狀態(tài)觀測器特征多項(xiàng)式為觀測器期望特征多項(xiàng)式為比較上面兩式 z 各次冪項(xiàng)系數(shù)得 H h1 h2 T1.5 2.5T再求狀態(tài)反饋增益矩陣Kk1k2期望閉環(huán)特征方程為則引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為比較上面二方程z 各次冪項(xiàng)系數(shù)，得Kk1k20.991.8計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷五答案班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：成績：一、簡答題（每小題4 分，共 40 分）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(hào)f (t) 具有有限頻譜，其最高頻率為max ,則對 f (t ) 進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率s2 max 時(shí)，連續(xù)信號(hào) f (

41、t)可以由采樣信號(hào)f * (t) 唯一確定，亦即可以從f * (t) 無失真地恢復(fù)f (t ) 。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(diǎn)均位于 z 平面的單位圓內(nèi)。3. 脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是什么？答：脈沖響應(yīng)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(yīng) gD(kT)是模擬控制器的脈沖響應(yīng)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？17文檔來源為 : 從網(wǎng)絡(luò)收集整理.w

42、ord 版本可編輯 .歡迎下載支持.文檔來源為 :從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word 版本可編輯 .歡迎下載支持.答：“積分補(bǔ)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(bǔ)充執(zhí)行。這樣，動(dòng)態(tài)過程也得到了加速。即，一旦 u 超限，則多余的未執(zhí)行的控制增量將存儲(chǔ)在累加器中；當(dāng)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(jì)算出的控制增量上，以補(bǔ)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) x(k1)Ax (k )Bu (k) ； x(0) x0 ，若存在有限個(gè)輸入向量序列u(0), u(1),L ,u(l1) ln

43、 能將某個(gè)初始狀態(tài) x(0) x0 在第 l 步控制到零狀態(tài)，即 x(l )0，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)( A, B) 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) x(k1) Ax(k ) Bu( k)若已知輸入序列y(k )Cx( k)Du(k)u(0), u(1),L , u(n 1) 和有限個(gè)采樣瞬間測量到的輸出序列y(k ) ，即y(0), y(1),L , y(n 1) ，可以唯一地確定出系統(tǒng)的任意初始狀態(tài)x(0) x0 ，則稱系統(tǒng)是狀態(tài)能觀測的，或簡稱能觀測。8. 簡述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能及特點(diǎn)。答： (1)數(shù)據(jù)信息的快速傳輸和處理，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控。(2) 可共享計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。(3) 提高了計(jì)算機(jī)的可靠性。(4) 能均衡負(fù)載、互相