計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課后習(xí)題答案

1、WORD格式1-1什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)？畫出一個(gè)實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理構(gòu)造圖，并說明一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由哪些局部組成及各局部的作用。利用計(jì)算機(jī)參與控制的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。1-2簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣實(shí)時(shí)計(jì)算控制量實(shí)時(shí)控制實(shí)時(shí)管理1-3實(shí)時(shí)、在線方式和離線方式的含義是什么？(1)實(shí)時(shí)：所謂“實(shí)時(shí) ，是指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都是在一定時(shí)間X圍內(nèi)完成的，超出了這個(gè)時(shí)間就會(huì)失去控制時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。(2)“在線方式：生產(chǎn)過程和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接連接，并承受計(jì)算機(jī)直接控制的方式稱為在線或聯(lián)機(jī)方式。(3)“離線方式：假設(shè)生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計(jì)算機(jī)相連接，其工作不直承受計(jì)算機(jī)

2、的控制的方式叫做“脫機(jī)方式或“離線方式。1-4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件由哪幾局部組成？各局部的作用是什么？主機(jī)：這是微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過接口它可以向系統(tǒng)的各個(gè)局部發(fā)出各種命令，同時(shí)對(duì)被控對(duì)象的被控參數(shù)進(jìn)展實(shí)時(shí)檢測(cè)及處理。輸入輸出通道：這是微機(jī)和生產(chǎn)對(duì)象之間進(jìn)展信息交換的橋梁和紐帶。專業(yè)資料整理WORD格式(3)外部設(shè)備：這是實(shí)現(xiàn)微機(jī)和外界進(jìn)展信息交換的設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)，包括人機(jī)聯(lián)系設(shè)備作臺(tái) )、輸入輸出設(shè)備(磁盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤、打印機(jī)、顯示終端等)和外存貯器 (磁盤 )。(操專業(yè)資料整理WORD格式(4)生產(chǎn)過程裝置a.測(cè)量變送單元：為了測(cè)量各種參數(shù)而采用的相應(yīng)檢測(cè)元件及變送器。b.執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3、：要控制生產(chǎn)過程，必須有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。外部設(shè)備主機(jī)輸入輸出通道生產(chǎn)過程裝置多測(cè)量變送人機(jī)路測(cè)量變送開生聯(lián)計(jì)接口A/D. . . . . . .關(guān)系設(shè)測(cè)量變送備產(chǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)算多路執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口D/A開關(guān). . . . . 對(duì)通執(zhí)行機(jī)構(gòu)用機(jī)外接口開關(guān)量象部設(shè)備接口開關(guān)量1.5計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件由哪幾局部組成？各局部的作用是什么？就功能來分，軟件可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件：它是由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者提供的專門用來使用和管理計(jì)算機(jī)的程序。系統(tǒng)軟件包括：a.操作系統(tǒng)：即為管理程序、磁盤操作系統(tǒng)程序、監(jiān)控程序等；b.診斷系統(tǒng)：指的是調(diào)節(jié)程序及故障診斷程序；c.開發(fā)系統(tǒng)：包括各種程序設(shè)計(jì)語言、語言處理程序

4、 (編譯程序 )、效勞程序 (裝配程序和編輯程序 )、模擬主系統(tǒng) (系統(tǒng)模擬、仿真、移植軟件 )、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等；d.信息處理：指文字翻譯、企業(yè)管理等。(2)應(yīng)用軟件 :它是面向用戶本身的程序，即指由用戶根據(jù)要解決的實(shí)際問題而編寫的各種程序。應(yīng)用軟件包括：專業(yè)資料整理WORD格式a.過程監(jiān)視程序：指巡回檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)處理程序、上下限檢查及報(bào)警程序、操作面板效勞程序、數(shù)字濾涉及標(biāo)度變換程序、判斷程序、過程分析程序等；b.過程控制計(jì)算程序：指的是控制算法程序、事故處理程序和信息管理程序，其*息管理程序包括信息生成調(diào)度、文件管理及輸出、打印、顯示程序等；c.公共效勞程序：包括根本運(yùn)算程序、函數(shù)運(yùn)算程

5、序、數(shù)碼轉(zhuǎn)換程序、格式編碼程序。1-6計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：a.控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)靈活、方便b.控制精度高c.控制效率高d.可集中操作顯示e.可實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制與整體優(yōu)化f.存在這著采樣延時(shí)1-7計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些類型？(1)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(2)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC系統(tǒng) )(3)監(jiān)視計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng) )(4)分布式控制系統(tǒng)DCS系統(tǒng)2-3什么是過程通道？過程通道分哪幾類？過程通道是在計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。信息傳遞的方向：輸入過程通道和輸出過程通道；傳遞和交換的信息：數(shù)字量過程通道和模擬量過程通道。2

6、-4數(shù)字量過程通道由哪幾局部組成？個(gè)局部的作用是什么？數(shù)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、 輸入調(diào)理電路、 輸入地址譯碼電路、 并行接口電路和定時(shí)計(jì)數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出口地址譯碼電路等組成。專業(yè)資料整理WORD格式2-6模擬量輸入通道由哪些局部組成？各局部的作用是什么？專業(yè)資料整理WORD格式模擬量輸入通道一般由信號(hào)調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口及控制專業(yè)資料整理WORD格式邏輯電路組成。(1)信號(hào)調(diào)理電路：小信號(hào)放大、信號(hào)濾波和信號(hào)變化和整形。(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號(hào)

7、的關(guān)鍵元件。(3)采樣保持器： A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時(shí)間。在進(jìn)展A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，希望輸入信號(hào)不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在A/D 轉(zhuǎn)換器之前參加采樣保持器。專業(yè)資料整理WORD格式(4)A/D 轉(zhuǎn)換器：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。2-7對(duì)理想多路開關(guān)的要求是什么？專業(yè)資料整理WORD格式開路電阻為無窮大，導(dǎo)通電阻為零，切換速度快、噪音小、壽命長(zhǎng)、工作可靠。2-9 在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，是不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？不是，只有在信號(hào)變化頻率較高而A/D 轉(zhuǎn)換速度又不高，以致孔徑誤差影響轉(zhuǎn)換精度時(shí)，或者要求同時(shí)進(jìn)展多路采樣的情況下，才需要設(shè)計(jì)采樣保

8、持電路。2-10 設(shè)被測(cè)溫度變化X圍為0 1200，如果要求誤差不超過0.4，應(yīng)該用分辨率為多少位的 A/D 轉(zhuǎn)換器？選擇依據(jù)： n log 112001220.42-11 A/D 轉(zhuǎn)換器的完畢信號(hào)有什么作用？根據(jù)該信號(hào)在I/O 控制中的連接方式， A/D 轉(zhuǎn)換有幾種控制方式？它們?cè)诮涌陔娐泛统绦蛟O(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？判斷本次 AD 轉(zhuǎn)換是否完成。常見的 A/D 轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式，各自特點(diǎn)如下延時(shí)等待法 :EOC可不和 I/O 口連接，程序設(shè)計(jì)時(shí)，延時(shí)大于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間后，取數(shù)據(jù)。保持等待法 :EOC與 READY相連 ,EOC低電平時(shí) ,自動(dòng)插入等待狀態(tài)。直至EOC高電平時(shí)，取數(shù)據(jù)。查詢法

9、 : EOC可以和任意 I/O 口連接， 程序設(shè)計(jì)時(shí)， 反復(fù)判斷 EOC是否有效， 直至 EOC高電平時(shí)，取數(shù)據(jù)。中斷響應(yīng)法 : EOC與外部中斷相連，AD 轉(zhuǎn)換完畢后 ,發(fā)中斷申請(qǐng) ,在中斷效勞程序中取數(shù)據(jù)。3-2簡(jiǎn)述數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)根本思想及設(shè)計(jì)步驟。思想：將計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)看作是一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，采用連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出模擬控制器，在滿足一定條件下，對(duì)其離散化處理，形成數(shù)字控制器。S1：設(shè)計(jì)模擬控制器D(s)S2：選擇適宜的采樣周期TS3：模擬控制器D(s)的離散化S4：仿真校驗(yàn)是否到達(dá)設(shè)計(jì)要求S5：數(shù)值控制器的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)3-4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣周期的選擇學(xué)要注意什么問題？1.從被

10、控對(duì)象的特性考慮：（ 1慢速的熱工對(duì)象： T=Tp/(24)（ 2快速系統(tǒng)， T1/10Tp；（ 3純滯后對(duì)象， T 1/101/4) ；大純滯后， T= 2.從控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和抗干擾性能方面考慮：T 選擇要小些經(jīng)歷：在閉環(huán)響應(yīng)的一個(gè)振蕩周期內(nèi)至少采樣68 次；或者，在閉環(huán)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間內(nèi)至少采樣24 次；3.從系統(tǒng)的控制品質(zhì)方面考慮：T 選擇的越小，控制品質(zhì)越高，在系統(tǒng)輸出到達(dá)95%的過渡過程時(shí)間內(nèi)，采樣615 次；4.從計(jì)算機(jī)的工作量和回路本錢方面考慮：T 選擇要大一些5.從計(jì)算機(jī)及AD、 DA 轉(zhuǎn)換器的特性方面考慮：T 選擇的過小，計(jì)算機(jī)的量化誤差會(huì)使調(diào)節(jié)作用減弱。6.從執(zhí)行機(jī)

11、構(gòu)的響應(yīng)速度方面考慮：專業(yè)資料整理WORD格式T 選擇的過小，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能及時(shí)響應(yīng)。3-11 試寫出數(shù)字PID 控制的位置適和增量式，比較他們的優(yōu)缺點(diǎn)。位置型算式：增量型算式：（ 1位置型算法容易產(chǎn)生大的累加誤差。增量型算法不需要做累加，對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。（ 2采用增量式算法時(shí)所用的執(zhí)行器本領(lǐng)都是具有保持功能，在計(jì)算機(jī)放生故障時(shí)，執(zhí)行器保持原位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。（ 3采用增量型算法，由于算式中不出現(xiàn)U0 項(xiàng)，那么易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換。3-12 試說明 PID 控制器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)的作用。專業(yè)資料整理WORD格式比例環(huán)節(jié)：能迅速放映偏差，從而減小偏差，但不能消除靜

12、差，Kp 的加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分環(huán)節(jié)：只要系統(tǒng)存在偏差，積分環(huán)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生控制作用減小偏差，直到最終消除偏差，但積分作回事系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至是系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩；微分環(huán)節(jié)：有助于系統(tǒng)減小超調(diào)，客服震蕩，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，但過大，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。Td專業(yè)資料整理WORD格式3-13 試描述 PID 控制器中比例系數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)和微分常數(shù)的變化對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的影響。Kp 增大，系統(tǒng)響應(yīng)加快，靜差減小，但系統(tǒng)振蕩增強(qiáng)，穩(wěn)定性下降；Ti 增大，系統(tǒng)超調(diào)減小，振蕩減弱，但系統(tǒng)靜差的消除也隨之減慢；Td 增大，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，快速性增強(qiáng)，系統(tǒng)振蕩減弱，穩(wěn)定性增強(qiáng)，但系統(tǒng)對(duì)

13、擾動(dòng)的抑制能力減弱。3-15 什么叫積分飽和？系統(tǒng)有較大的擾動(dòng)或給定值有較大變化時(shí)由于系統(tǒng)系統(tǒng)的慣性偏差e 將隨之增大，標(biāo)準(zhǔn) PID算法中的積分項(xiàng)將有較大的積累值，以致使位置式PID 的計(jì)算結(jié)果超出 Umin U Umax 所限定X圍。主要由 PID 位置算式中的積分項(xiàng)引起的。消除方法：對(duì) PID 控制算法計(jì)算出的控制量進(jìn)展約束，也就是對(duì)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)進(jìn)展改進(jìn)，形成各種改進(jìn)的數(shù)字PID 控制算法3-16 不完全微分?jǐn)?shù)字PID 算法解決了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字PID 控制算法中什么問題？試推導(dǎo)出不完全微分?jǐn)?shù)字 PID 的增量式。不易引起振蕩，改善控制效果，是控制器的抗干擾能力得到提高。3-18 對(duì) PID 控

14、制器參數(shù)整定的目的是什么？表達(dá)擴(kuò)大響應(yīng)曲線發(fā)整定PID 參數(shù)的步驟。它適用于什么類型的被控對(duì)象？在控制器的形式已經(jīng)確定的情況下，通過調(diào)正控制器參數(shù)，到達(dá)要求的控制目標(biāo)整定步驟如下：選擇一足夠小的采樣周期。假設(shè)系統(tǒng)存在純滯后，采樣周期應(yīng)小于純滯后的1 10。 投入純比例控制，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。記下臨界比例系數(shù)和臨界振蕩周期。選擇控制度；按擴(kuò)大臨界比例度法參數(shù)整定計(jì)算公式，求取T、 K p、Ti、Td。專業(yè)資料整理WORD格式按求得的參數(shù)運(yùn)行， 在運(yùn)行中觀察控制效果， 用試湊法適當(dāng)調(diào)整有關(guān)控制參數(shù)， 以便獲得滿意的控制效果。適用于具有自平衡性的被控對(duì)象，不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。4-1簡(jiǎn)述數(shù)

15、字控制器離散化設(shè)計(jì)方法的根本思想和設(shè)計(jì)步驟。思想：假設(shè)系統(tǒng)廣義脈沖傳遞函數(shù) G Z， 且可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，和控制系統(tǒng)性能指標(biāo)構(gòu)造出 ，就可以根據(jù) DZ = /G Z， 1- 直接求出數(shù)字控制器 D Z。步驟： S1：求系統(tǒng)廣義脈沖傳遞函數(shù)，即對(duì)帶有零階保持器的被控對(duì)象傳遞函數(shù)進(jìn)展變換。S2：根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求和其他約束條件，構(gòu)造系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。S3：求出數(shù)字控制器。S4：檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)性能。假設(shè)滿足指標(biāo)要求，進(jìn)展下一步；否那么，重新進(jìn)展設(shè)計(jì)。S5：將 D(z)變?yōu)椴罘址匠?，在?jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。4-2什么是最小拍系統(tǒng)？最小拍控制的性能指標(biāo)是什么？最小拍系統(tǒng)有什么缺乏之處所

16、謂最小拍控制， 就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于某種特定的輸入在最少個(gè)采樣周期內(nèi)到達(dá)無靜差的穩(wěn)態(tài)，使系統(tǒng)輸出值盡快地跟蹤期望值的變化。性能指標(biāo)：系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短或者盡可能最短缺乏之處： 當(dāng)輸入信號(hào)形式改變時(shí)， 系統(tǒng)的性能將變壞， 輸出響應(yīng)不一定理想，對(duì)輸入信號(hào)變化的適應(yīng)性差專業(yè)資料整理WORD格式4-6Dahlin 算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是什么？設(shè)計(jì)一個(gè)適合的數(shù)字控制器D Z，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)一階慣性純專業(yè)資料整理WORD格式滯后系統(tǒng)。專業(yè)資料整理WORD格式4-7什么是振鈴現(xiàn)象？振鈴是如何引起的？如何消除振鈴現(xiàn)象？振鈴現(xiàn)象：指數(shù)字控制器的輸出u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動(dòng)。起

17、因：數(shù)字控制器D Z在 Z 平面上 Z=-1 附近有極點(diǎn)消除振鈴現(xiàn)象的方法：1參數(shù)選擇法對(duì)于一階滯后對(duì)象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時(shí)間常數(shù)T0 和采樣周期T，使專業(yè)資料整理WORD格式RA 0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使RA 0，也可以把RA減到最小，最大程度地抑制振專業(yè)資料整理WORD格式鈴。2消除振鈴因子法找出數(shù)字控制器 D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子 (即 z=-1 附近的極點(diǎn) )，然后人為地令其中的 z=1，就消除了這個(gè)極點(diǎn)。 根據(jù)終值定理， 這樣做不影響輸出的穩(wěn)態(tài)值， 但卻改變了數(shù)字控制器的動(dòng)態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。5-5數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點(diǎn)？(1)

18、由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，很容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，多個(gè)輸入通道還可以共用一個(gè)濾波程序。(2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高,穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。(3)數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，抑制了模擬濾波器的缺陷。(4)通過改寫數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，它比改變模擬濾波器的硬件方便得多。專業(yè)資料整理WORD格式5-6常用的數(shù)字濾波方法有幾種？它們各自有什么特點(diǎn)？常用的數(shù)字濾波方法有7 種。1程序判斷濾波法：是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)歷，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)得最大偏差。（ 2中值濾波法：它對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾比較有效。（ 3算術(shù)平均值濾波法：它適用于一般的具有隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波。它特別適合于信號(hào)本身在某一數(shù)值X圍附近作上下波動(dòng)的情況。（ 4加權(quán)平均值濾波：可以提高濾波效果（ 5移動(dòng)平均值濾波法：采樣時(shí)間短，可以提高檢測(cè)速度（ 6一階慣性濾波法：適用于慢速隨機(jī)變量的濾波（ 7復(fù)合濾波：比單純的平均值濾波的效果要好5-7 算術(shù)平均值濾波、加權(quán)平均值濾波以及滑動(dòng)平均濾波三者有什么區(qū)別？算術(shù)平均值法適用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)信號(hào)的平滑， 這種信號(hào)的特點(diǎn)是往往在某一數(shù)值X圍附近作上、下波動(dòng)，有一個(gè)平均值。這種算法對(duì)信號(hào)的平滑程度取決于平均次數(shù)N，