計算機控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)題答案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上概念題：1計算機控制系統(tǒng)中含有五種信號形式變換，其中 采樣、量化、恢復(fù)(零階保持)三種信號變換最重要。2為了加強濾波效果，可以同時使用幾種濾波方法，構(gòu)成復(fù)合濾波算法。3若已知系統(tǒng)被控對象的主要極點的時間常數(shù)為Td，經(jīng)驗上，采樣周期T應(yīng)取T Td/10。4抑制共模干擾 的方法之一是采用差分放大器作為信號的前置放大器。5與連續(xù)系統(tǒng)不同，采樣系統(tǒng)由于采樣開關(guān)的位置不同，所得閉環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)不同。6若連續(xù)系統(tǒng)為，當(dāng)采樣周期T等于時，采樣系統(tǒng)是不可控和不可觀的。7為了避免量化非性引起控制器產(chǎn)生死區(qū)或極限環(huán)，設(shè)計時應(yīng)盡量使控制器的極點遠(yuǎn)離單位圓。8z平面上正實軸上極點對應(yīng)的脈

2、沖響應(yīng)是單調(diào)的，其他位置的極點對應(yīng)的脈沖響應(yīng)是振蕩的。9.零階保持器頻率特性將會引起 -wT/2的相位延遲。 10離散系統(tǒng)頻率特性的主要特點是它的幅相特性是采樣頻率的周期函數(shù)。 11當(dāng)系統(tǒng)的極點位于z平面的正實軸上 時，對應(yīng)的脈沖響應(yīng)是單調(diào)的，位于負(fù)實軸上的極點對應(yīng)的脈沖響應(yīng) 是交替振蕩的。12.從控制算法的等效離散化角度出發(fā)，希望采樣周期的取值 越小越好；從量化分析的角度出發(fā)，希望采樣周期的取值不要過小。13常值狀態(tài)反饋是否改變系統(tǒng)的可控性？ 否 ；是否改變系統(tǒng)的可觀性？ 可能 14. 離散環(huán)節(jié)產(chǎn)生變量量化產(chǎn)生極限環(huán)和死區(qū)的本質(zhì)是 變量量化的階梯非線段性。15. 若已知系統(tǒng)的閉環(huán)自然頻率wn

3、，經(jīng)驗上采樣周期應(yīng)選為 。簡答：1.試簡述零階保持器時域響應(yīng)的主要特點。 1）時域響應(yīng)為階梯形狀，階梯大小與采樣周期成正比；（2分）2）時域響應(yīng)與輸入信號相比，平均延遲T/2。（3分） 2.計算機控制系統(tǒng)在選擇AD轉(zhuǎn)換器時應(yīng)注意哪幾項指標(biāo)，這些性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)什么原則選取？ (1）精度：應(yīng)高于傳感器的精度一個數(shù)量級；(2分) （2）分辨率：即字長，應(yīng)根據(jù)測試信號的動態(tài)范圍確定；(2分) （3）轉(zhuǎn)換速率：根據(jù)系統(tǒng)的頻帶或信號的變化頻率。(1分) 3.試簡述在計算機系統(tǒng)中加入看門狗電路的作用?？撮T狗電路可以用于檢測由于干擾引起的系統(tǒng)出錯并自動恢復(fù)運行，提高控制系統(tǒng)的可靠性。4.若G(s)是最小相位系

4、統(tǒng)，Z變換后G(z) 也是最小相位系統(tǒng)嗎? 為什么?不一定，可能是也可能不。因為z變換后G(z) 的零點與采樣周期有關(guān)，當(dāng)采樣周期較小時，G(z) 的零點可趨于單位圓外。5、為了使系統(tǒng)輸出響應(yīng)比較光滑，通常應(yīng)怎樣選用采樣周期？當(dāng)響應(yīng)為非周期時，要求在階躍響應(yīng)升起時間Tr內(nèi)采樣點Nr= Tr/T³ (510) ； （2分） 當(dāng)響應(yīng)為振蕩時，要求在一個振蕩周期Td內(nèi)采樣點Nr= Tr/T³(1020) 。（3分） 6、已知x(t)=(0.5+5sin3t),采樣周期T=2p/3，試求采樣信號x(k) ，并討論。x(k)=0.5+5sin(3k2/3)=0.5（2分）。由于不滿足

5、采樣定理，采樣后變?yōu)橹绷餍盘?。?分）7、已知計算機控制系統(tǒng)的信號變換結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。ZOHBAT解碼CPU編碼量化器DCf (t) 試說明A、B、C、D各點信號特征。A時間斷續(xù)幅值連續(xù)模擬信號; B 時間斷續(xù)幅值斷續(xù)模擬信號; C 時間斷續(xù)的數(shù)字信號; D 時間連續(xù)幅值斷續(xù)模擬信號。8.連續(xù)信號幅頻|F(j)|如圖1所示，試畫出它的采樣信號的圖1幅頻譜 |F*(j)|,（不考慮相位）。圖中，1 = 6 rad/s, 2 = 8 rad/s, 采樣頻率 s = 10 rad/s 。解: 可得圖2所示圖29.試簡單說明連續(xù)傳遞函數(shù)G(s) 與對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)G(z) 的零點、極點對應(yīng)關(guān)系。（

6、極點按映射，零點無對應(yīng)映射關(guān)系。）10.試簡單說明串模干擾產(chǎn)生的原因以及抑制串模干擾的主要方法。(是通過電磁耦合和漏電等傳輸形式疊加到信號及引線的干擾；抑制主要方法是采用模擬濾波、進行電磁屏蔽和良好接地。)11.試說明何謂前置濾波器，計算機控制系統(tǒng)中為什么常常加入這種濾波器。(前置濾波器是加在A/D轉(zhuǎn)換之前的模擬低通濾波器，其作用是衰減高于的高頻信號，以防止混疊現(xiàn)象發(fā)生)；12.試簡要說明計算機控制系統(tǒng)中，采樣周期T的大小，對系統(tǒng)性能和經(jīng)濟性有哪些影響。(采樣周期過大減弱穩(wěn)定性；增大信號失真；輸出響應(yīng)不光滑，系統(tǒng)相位延遲增大，降低系統(tǒng)抑制噪聲干擾能力。采樣周期過小，會增大量化誤差，增大對計算機

7、硬件的要求，降低計算機工作負(fù)荷，增大成本)13.若已知f1(t)=sin(wt)，f2(t)= sin(w+nws)t,采樣頻率為ws，n為整數(shù)，試求上述兩個信號的采樣值，由此可得什么結(jié)論。(；表明當(dāng)兩個連續(xù)信號頻率相差nws時，其采樣信號值相等。)14.試簡單說明數(shù)字PID調(diào)節(jié)器中積分分離法抑制積分飽和的基本思想，并寫出積分分離PID位置算式。(積分分離法的基本控制思想是，當(dāng)偏差大于某個規(guī)定的門限值時，取消積分作用；只有當(dāng)誤差小于規(guī)定門限值時才引入積分作用，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分分離PID位置算式：當(dāng)值，；當(dāng)值，。為規(guī)定的門限值。)15、若數(shù)字計算機的輸入信號為，試根據(jù)采樣定理選擇合理的采樣周

8、期T。設(shè)信號中的最高頻率為定義為。解： ；所以有 由此可得依采樣定理得：rad/s16、對一信號進行采樣，信號頻譜如題圖A 2-9所示，其中感興趣的頻率范圍為(01 ) ，已知干擾信號頻率f =51，試討論采樣周期及前置濾波器的選擇。 題圖 A 2-9解：依采樣定理要求，為使采樣信號不失真，要求采樣頻率應(yīng)滿足；另外，對干擾頻率來說，為使其不進入感興趣的頻率范圍內(nèi)，要求，所以，要求。因此有2種情況： 1) 如果，那么干擾信號并不會與數(shù)據(jù)信號相混疊，干擾可通過數(shù)字濾波器濾掉； 2) 采用抗混疊前置濾波器進行濾除，則采樣頻率取。如要求干擾信號在信號頻率處衰減20 dB，那么一個n階濾波器的最大衰減率

9、為，所以為了到達在十倍頻程內(nèi)衰老20 dB，應(yīng)取。17以太網(wǎng)用于工業(yè)現(xiàn)場的關(guān)鍵技術(shù)是什么？工業(yè)以太網(wǎng)采用哪些機制來實現(xiàn)實時性？解：關(guān)鍵技術(shù)是：實時性，工業(yè)以太網(wǎng)質(zhì)量服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)生存性，網(wǎng)絡(luò)安全性， 總線供電與安全防爆，可互操作性。實現(xiàn)實時性采用的機制有：1、限制總線上站點數(shù)目、控制網(wǎng)絡(luò)流量，使總線保持在輕負(fù)荷工作條件。2、快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。3、在全雙工交換式以太網(wǎng)上，用交換機將網(wǎng)絡(luò)切分為多個網(wǎng)段，交換機之間通過主干網(wǎng)絡(luò)進行連接。分析計算題：三、1.(10分)連續(xù)傳遞函數(shù)，采用一階向前差分方法離散，試寫出D(z) 表達式，求使D(z) 穩(wěn)定的采樣周期T的極限值。 ；(5分)

10、 穩(wěn)定性要求 , 所以有 ，故；，故 T<2/5=0.4 (5分) 四、1.(10分) 已知控制器，采用第一種直接編排法實現(xiàn)，試畫出實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。若該控制器采用定點計算機實現(xiàn)，試為其配置比例尺，并畫出配置比例尺后的結(jié)構(gòu)圖。 解：u(k)=0.2e(k)+0.6e(k-1)-1.4u(k-1) 結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。(5分) 因為 ，所以僅對系數(shù)配置比例尺。 配置比例尺后的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。(5分) 2.（10分）已知某工業(yè)過程的開環(huán)傳遞函數(shù)為，閉環(huán)期望傳遞函數(shù)為，試按大林算法求取控制器，寫出控制器輸出序列。設(shè)采樣周期T=1s。解： （2分） （3分） （3分） （2分）3.（9分）已知計算機控

11、制系統(tǒng)被控過程傳遞函數(shù)為 (T=0.1s)，試進行變換，求。如通過設(shè)計已求得控制器，試進行反變換，求。依所得及，計算穩(wěn)態(tài)速度誤差系數(shù)KV 。(解： (3分) (3分) (3分) 4.（10分) 已知離散系統(tǒng)狀態(tài)方程試依阿克曼公式求全狀態(tài)反饋增益。期望特征方程為 解：阿克曼公式為 式中是系統(tǒng)可控矩陣，；（2分）是給定的期望特征多項式中變量z用F代替后所得的矩陣多項式，即 ；（3分） （5分）5.（12分）考慮圖3所示系統(tǒng)，采樣周期T0.2s。 求：（1）系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。 （2）為何值時系統(tǒng)穩(wěn)定？ （3）時系統(tǒng)的位置誤差，速度誤差。圖3解:(1) (2) 穩(wěn)定性判斷 時系統(tǒng)穩(wěn)定。 (3) k=2

12、,位置誤差: ， 速度誤差: 系統(tǒng)為零型系統(tǒng)(無積分環(huán)節(jié)),其速度誤差。 6.（17分）設(shè)計題： 已知某散離系統(tǒng)狀態(tài)方程為（1）判斷該離散系統(tǒng)是否可控，是否可觀；（2）取狀態(tài)反饋，若希望本系統(tǒng)的閉環(huán)極點具有阻尼比為，自然頻率達到，采樣周期，試?yán)脴O點配置法來確定系統(tǒng)的狀態(tài)反饋增益K。解：（1）判斷離散系統(tǒng)的可控可觀性。離散系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移陣，控制轉(zhuǎn)移陣對應(yīng)的可控陣 ，所以該離散系統(tǒng)可控?？捎^陣 ，所以該離散系統(tǒng)可觀。（2）取狀態(tài)反饋，若希望本系統(tǒng)的閉環(huán)極點具有阻尼比為，自然頻率達到，采樣周期，試?yán)脴O點配置法來確定系統(tǒng)的狀態(tài)反饋增益K。期望極點： s平面 z平面 期望特征方程： 利用系數(shù)匹配法，

13、有，反饋增益陣由于有 所以根據(jù)系數(shù)匹配法，有： 代入相應(yīng)系數(shù)，有 最后解上述方程組，得到：7.已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如題圖A3-6所示，其中，輸入，試用穩(wěn)態(tài)誤差系數(shù)法求穩(wěn)態(tài)誤差，并分析誤差系數(shù)與的關(guān)系。題圖A3-6 解：可見加入該信號，穩(wěn)態(tài)誤差為1，且與采樣周期無關(guān)。8.試確定題圖A3-9所示系統(tǒng)使系統(tǒng)穩(wěn)定的值范圍，令采樣周期趨于0，值又如何？若將該系統(tǒng)作為連續(xù)系統(tǒng)，結(jié)果又如何？對上述結(jié)果進行討論。題圖A3-9 習(xí)題離散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖解：1) 2) 當(dāng)T趨于0時，上式的極限值為 3) 若為連續(xù)系統(tǒng)，則特征方程為 為使系統(tǒng)穩(wěn)定要求 (k+2) >0；故 結(jié)論：1) 離散系統(tǒng)穩(wěn)定性比連續(xù)系統(tǒng)差，穩(wěn)定增

14、益范圍?。?2) T趨于0時，系統(tǒng)并不等于連續(xù)系統(tǒng)，按采樣系統(tǒng)計算k范圍較小。9.(10分) 計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示(采樣周期T=0.5s)(1)試確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍；（T=0.5s）(2)若將該系統(tǒng)改為連續(xù)系統(tǒng)（即取消采樣開關(guān)及ZOH）結(jié)果又如何？ (3)所得結(jié)果說明了什么問題？ 注：已知Za/s(s+a)=z(1-e-aT)/(z-1)(z- e-aT) （解：要求：， ， 取 （由于系統(tǒng)均為負(fù)反饋），所以 (6分)2）連續(xù)系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，均穩(wěn)定；(2分)3）表明連續(xù)系統(tǒng)變?yōu)椴蓸酉到y(tǒng)后臨界放大系數(shù)減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。(2分)10.(10分)已知離散系統(tǒng)狀態(tài)方程求：（1）系統(tǒng)是否可控？是否可觀？ （2）采用狀態(tài)反饋控制u(k)=-Kx(k)，求狀態(tài)反饋陣K，使閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間最短。 解：，所以可控可觀。(3分) ;所以， (7分) 11.（10分）已知離散系統(tǒng)狀態(tài)方程試設(shè)計一個全階狀態(tài)觀測器。觀測器的期望特征方程為 。解：檢測可觀性 ，其秩為2，系統(tǒng)可觀。(3分)已知觀測器特征方程為 若觀測器反增益可表示為 則觀測器特征方程可表示為 與期望方程相比較可得下述代數(shù)方程 由此可得 (7分) ）12.(19分) 已知調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 ， T=1s1）試用雙線性變換法，將其離散，求D(z)=？2）將D(z)用直