中南大學(xué)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)習(xí)題及答案

1、一、簡答題：1.什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)它由哪幾部分組成各有什么作用。2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)主要區(qū)別是什么計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪些優(yōu)點(diǎn)3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的保持器有何作用，簡述保持器的特點(diǎn) 4.簡述PID調(diào)節(jié)器的作用，有哪幾種改進(jìn)型數(shù)字PID算法5.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有哪四種形式的信號各有什么特點(diǎn) 6.簡要說明什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)模擬調(diào)節(jié)器與數(shù)字調(diào)節(jié)器有何區(qū)別二、分析和計(jì)算題：1.已知一系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為,其中輸入為單位階躍信號,求輸出y(KT)。2.已知一系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為當(dāng)輸入為單位階躍信號時(shí),求輸出y(KT)及y()。3.用長除法或Z反變換法或迭代法求閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。4

2、.已知低通數(shù)字濾波器,求D（z）的帶寬m;并求當(dāng)輸入E(z)為階躍信號時(shí)數(shù)字濾波器的控制算法。取采樣周期T=2ms。5.設(shè)系統(tǒng)如圖所示，試求:系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分別求系統(tǒng)對單位階躍輸入和單位斜坡輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差。6.設(shè)函數(shù)的La氏變換為，試求它的Z變換F(z)。7.數(shù)字控制系統(tǒng)如圖所示,求當(dāng)K=10,T=1s,a=1時(shí)，分別求當(dāng)輸入為單位階躍、單位斜單位拋物線函數(shù)時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差。8.已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 Gk(z)=K+/(z-1),問當(dāng)K為何值時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。9.已知系統(tǒng)單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為:問:K為何值時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定10.已知單位反饋系統(tǒng)的廣義對象的Z

3、傳遞函數(shù)為: ,試按最少拍無波紋設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)單位階躍輸入時(shí),計(jì)算機(jī)的調(diào)節(jié)模型D(z),并求其控制算法。11.已知連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)=(s+1)/s(s+2)試用沖擊不變法求其等效的Z傳遞函數(shù).12.已知離散系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù)：,試求離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程。13.已知離散系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù)：,試求離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程。14.已知離散系統(tǒng)的差分方程為 輸出為y(k)，試寫出它們的狀態(tài)方程和輸出方程.15.已知離散系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式，初始狀態(tài)X(0)=0試求系統(tǒng)的Z傳遞函數(shù):。16.已知,寫出與它相對應(yīng)的PID增量型數(shù)字控制算法。(T=1s)17.已知廣義對象的z傳遞函數(shù)： HG

4、(z)=(z+/,取采樣周期T=1s,試設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器D(z)=Kp+Ki/(1-z-1),使速度誤差ess=,取采樣周期T=1s。并求控制算法u(kT)D（z）=U(z)/E(z)。18.已知被控對象的傳遞函數(shù);G(s)=1/s(s+2),采用零階保持器,取采樣周期T=,試設(shè)計(jì)單位階躍作用下的最少拍調(diào)節(jié)器。19.已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)：G(s)=2/ (s+2),采用零階保持器,取采樣周期T=1s,試設(shè)計(jì)單位階躍作用下的最少拍調(diào)節(jié)器D(z),并求其調(diào)節(jié)時(shí)間ts,控制算法u(kT)。7參考答案一、簡答題：1.答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱數(shù)字控制系統(tǒng),是指計(jì)算機(jī)參與控制的自動(dòng)控制系統(tǒng),既

5、:用算機(jī)代替模擬控制裝置,對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制. 控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)是由硬件和軟件兩部分組成的.硬件部分:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要是由主機(jī)、外部設(shè)備、過程輸入輸出設(shè)備組成; 主機(jī):通常包括中央處理器(CPU)和內(nèi)存儲器(ROM，RAM)，它是控制系統(tǒng)的核心。內(nèi)存儲器中預(yù)先存入了實(shí)現(xiàn)信號輸入、運(yùn)算控制和命令輸出的程序，這些程序就是施加被控對象的調(diào)節(jié)規(guī)律。外部設(shè)備:操作臺，又稱為人機(jī)聯(lián)系設(shè)備, 通常包括CRT顯示器和鍵盤、專用的操作顯示面板或操作顯示臺等。打印和制表裝置：主要包括有打印機(jī)相繪圖機(jī)。磁盤設(shè)備：一般稱為外存儲器，它兼有輸入和輸出兩種功能，用來存放程序和數(shù)據(jù)存儲器的后備存儲設(shè)備。通信

6、設(shè)備；報(bào)警設(shè)備：用來顯示被控對象的非正常工作狀態(tài)。過程輸入輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)與被控對象是用過程輸入輸出，它在兩者之間進(jìn)行信息傳遞和變換。二、軟件部分：軟件是各種程序的統(tǒng)稱，通常分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。2.解：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱數(shù)字控制系統(tǒng),是指計(jì)算機(jī)參與控制的自動(dòng)控制系統(tǒng),既:用計(jì)算機(jī)代替模擬控制裝置,對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制. 計(jì)算機(jī)采用的信號是數(shù)字信號，因此為了信號匹配，在計(jì)算機(jī)與被控對象之間采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)，以實(shí)現(xiàn)兩種信號之間的相互轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)(1)控制規(guī)律靈活，可以在線修改。(2)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，提高系統(tǒng)的性能指標(biāo).(3)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性

7、好。(4)可以得到比較高的控制精度。(5)能同時(shí)控制多個(gè)回路，一機(jī)多用，性能價(jià)格比高。(6)便于實(shí)現(xiàn)控制、管理與通信相結(jié)合，提高工廠企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度.(7)促進(jìn)制造系統(tǒng)向著自動(dòng)化、集成化、智能化發(fā)展。3.解：保持器的原理是，根據(jù)現(xiàn)在時(shí)刻或過去時(shí)刻輸入的離散值用常數(shù)、線性函數(shù)或拋物函數(shù)數(shù)形成輸出的連續(xù)值。它的插值公式:m代表階保持器。通常m0和m1分別稱為零階保持器和一階保持器。零階保持器的幅頻特性和相頻特性有如下特性：(1)低通特性：保持器的輸出隨著信號頻率的提高，幅值迅速衰減。(2)相位滯后持性：信號經(jīng)過零階保持器會產(chǎn)生相位滯后，它對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是不利的。4.解：PID調(diào)節(jié)器的控制作

8、用有以下幾點(diǎn)：(1)比例系數(shù)Kp，直接決定控制作用的強(qiáng)弱，加大Kp可以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度. 過大會使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控制量振蕩甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定(2)在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加上積分控制可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，因?yàn)橹灰嬖谄睿姆e分所產(chǎn)生的控制量總是用來消除穩(wěn)態(tài)誤差的，直到積分的值為零，控制作用才停止。但它將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程變慢，而且過強(qiáng)的積分作用會使系統(tǒng)的超調(diào)量增大，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞；(3)微分的控制作用是跟偏差的變化速度有關(guān)的。微分控制能夠預(yù)測偏差產(chǎn)生超前的校正作用。它有助于減少超調(diào),改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。改進(jìn)型數(shù)字PID有：積分分離算法, 遇限停止積分法

9、,不完全微分算法, 微分項(xiàng)的輸入濾波, 不對設(shè)定值產(chǎn)生微分作用,具有不靈敏區(qū)的PID算法5.解：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常既有連續(xù)信號也有離散信號，這些信號一般是指信息流,而不是能量流.既:(1)連續(xù)模擬信號：時(shí)間和信號的幅值都是連續(xù)的。(2)階梯模擬信號：時(shí)間是連續(xù)的，信號的幅值是階梯形的。(3)采樣信號：時(shí)間是離散的，信號的幅值是連續(xù)的脈沖信號。(4)數(shù)字信號：信號的時(shí)間以及幅值都是離散的，且幅值經(jīng)過了量化處理。6.答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)又稱數(shù)字控制系統(tǒng),是指計(jì)算機(jī)參與控制的自動(dòng)控制系統(tǒng),既:用算機(jī)代替模擬控制裝置,對被控對象進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制. 控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)是由硬件和軟件兩部分組成的.硬件部

10、分.內(nèi)存儲器中預(yù)先存入了實(shí)現(xiàn)信號輸入、運(yùn)算控制和命令輸出的程序，這些程序就是施加被控對象的調(diào)節(jié)規(guī)律。計(jì)算機(jī)采用的信號是數(shù)字信號，因此為了信號匹配，在計(jì)算機(jī)與被控對象之間采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)，以實(shí)現(xiàn)兩種信號之間的相互轉(zhuǎn)換。模擬調(diào)節(jié)器一般可以是電氣的，機(jī)械的，氣動(dòng)的，液壓的等元器件組成；其控制量均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。二、分析和計(jì)算題：1.解：K=0 y(0)=0K=1 y(T)=K=2 y(T)=2.解：Y(kT)=(kT-T)+(kT)+(kT-T) r(kT)=1 k0y()=lim(z-1)+/z/(z-1)=1 Z1 3.解： 4.解：令： D(z)頻率特性： 零頻值： 由此得： 5.解： 系統(tǒng)穩(wěn)定。 a. b. 6.解： 7.解： 1單位階躍輸入：ess=0 2單位斜坡階躍輸入：ess= 3單位拋物線輸入：ess= 8.解： 9.解：特征方程： 由舒爾科恩得：系統(tǒng)不穩(wěn)定。 10.解： 11.解： .12. 解： 13.解： 14. 解： 15.解： 16.解：用雙線性變換： 17.解：Kp= Ki= 18.解： 19.解： HG(z)= ZH（s）G(s)=