重慶大學計算機控制技術課后習題答案

..第一章1．微型計算機控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)的主要異同點是什么？答：將續(xù)控制系統(tǒng)中的控制器用微型計算機來代替,就可以構成微型計算機系統(tǒng)。控制系統(tǒng)中引入微型計算機后,控制規(guī)律便可由程序實現(xiàn),微型計算機執(zhí)行相應的程序,實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中,系統(tǒng)的控制規(guī)律是由硬件電路實現(xiàn)的,改變控制規(guī)律就要改變硬件；而在微型計算機控制系統(tǒng)中,控制規(guī)律是通過程序實現(xiàn),改變控制規(guī)律只需改變程序。在微型計算機控制系統(tǒng)中,微型計算機的輸入和輸出都是數(shù)字信號,而變換發(fā)送單元送出的信號,以及大多數(shù)執(zhí)行機構所能接收的信號,都是模擬信號。因此,系統(tǒng)中需要有A/D轉換器和D/A轉換器。連續(xù)控制系統(tǒng)不斷地測量,經(jīng)過反饋及補償后,對生產(chǎn)過程產(chǎn)生連續(xù)不斷的控制。微型計算機控制系統(tǒng)是采樣控制系統(tǒng)。微型計算機每隔一個采樣周期T會對被控參數(shù)進行一次測量,根據(jù)一定控制規(guī)律算出控制量后,去控制生產(chǎn)過程。在兩次采樣時刻之間,微型計算機對被控參數(shù)不進行測量,其輸出控制量自然也保持不變。當用一臺微型計算機控制多個參數(shù)時,微型計算機按巡回測量控制方式工作。2.從微型計算機參與控制的方式上,微型計算機控制系統(tǒng)可分為哪幾類？各有什么特點？答:可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)〔DAS、直接數(shù)字控制系統(tǒng)〔DDC、監(jiān)督算機控制系統(tǒng)〔SCC、分散型控制系統(tǒng)〔DCS、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)<FCS>、計算機集成制造系統(tǒng)<CIMS>。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)〔DAS：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中微型計算機通過模擬量、開關量輸入通道進行數(shù)據(jù)采集,將采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理,以實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的集中監(jiān)視及實現(xiàn)生產(chǎn)過程的操作指導。該系統(tǒng)中的微型計算機不直接參與生產(chǎn)過程控制,不會對生產(chǎn)過程產(chǎn)生直接影響。直接數(shù)字控制系統(tǒng)〔DDC：微型計算機通過模擬量輸入通道、數(shù)字量輸入通道進行數(shù)據(jù)采集,然后按照一定的控制規(guī)律進行實時決策,最后通過模擬量輸出通道、數(shù)字量輸出通道輸出控制信號,實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的直接控制。由于該系統(tǒng)中奪得微型計算機直接參與生產(chǎn)過程的控制,故要求微型計算機系統(tǒng)實時性好、可靠性高和環(huán)境適應性好。監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)〔SCC：SCC系統(tǒng)是一種兩級微型計算機控制系統(tǒng),其中DDC級微型計算機完成生產(chǎn)過程的直接數(shù)字控制；SSC級微型計算機則根據(jù)生產(chǎn)過程的工作狀況和已定的數(shù)學模型,進行最優(yōu)化分析計算,產(chǎn)生最優(yōu)給定值,交由DDC級微型計算機執(zhí)行。分散型控制系統(tǒng)〔DCS：DCS系統(tǒng)利用多臺微型計算機,采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調的設計原則,把系統(tǒng)從上而下分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級等若干級,形成分布式控制?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)<FCS>:FCS系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)過程自動化領域的新型計算機控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是利用現(xiàn)場總線實現(xiàn)各智能現(xiàn)場設備之間、個現(xiàn)場設備和控制裝置之間互聯(lián),形成一個數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構和多點通信的通信網(wǎng)絡。計算機集成制造系統(tǒng)<CIMS>:是在信息技術、自動化技術及有關生產(chǎn)技術基礎上,建立全企業(yè)或全廠的包括經(jīng)營決策、管理信息、生產(chǎn)調度、監(jiān)督控制和直接控制在內(nèi)的管理及控制全部生產(chǎn)活動的中和自動化系統(tǒng)。它將企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、計劃、銷售等環(huán)節(jié)和企業(yè)人力、財力、設備等生產(chǎn)要素集成起來,進行統(tǒng)一控制,從而求得生產(chǎn)活動的最優(yōu)化。3．微型計算機控制系統(tǒng)的硬件由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？答：微型計算機控制系統(tǒng)的硬件主要由主機<控制器>、過程輸入輸出通道<設備>、操作設備、常規(guī)外部設備、系統(tǒng)支持功能等組成。圖1.1微型計算機控制系統(tǒng)的基本組成主機：由微機處理器、內(nèi)存儲器和系統(tǒng)總線構成的主機是控制形同的核心。主機根據(jù)過程輸入通道發(fā)送來的、反映生產(chǎn)過程工況的各種信息和已定的控制規(guī)律,作出相應的決策,并通過過程輸出通道發(fā)出控制命令,達到預定的控制目的。主機所產(chǎn)生的控制是按照人們預先安排好的程序進行的。能實現(xiàn)過程輸入、控制和輸出等功能的程序預先已存放入內(nèi)存,系統(tǒng)起動后,中央處理器逐條取出并執(zhí)行,產(chǎn)生預定控制作用。<2>輸入輸出通道：這是微機和生產(chǎn)對象之間進行信息交換的橋梁和紐帶。過程輸入通道把生產(chǎn)對象的被控參數(shù)轉換成微機可以接收的數(shù)字代碼。過程輸出通道把微機輸出的控制命令和數(shù)據(jù),轉換成可以對生產(chǎn)對象進行控制的信號。過程輸入輸出通道包括模擬量輸入輸出通道和數(shù)字量輸入輸出通道。<3>操作設備:是微型計算機控制系統(tǒng)中人機交互的關鍵設備。操作設備一般由液晶顯示器、鍵盤、開關和指示燈等構成。操作員通過操作設備可以及時了解被控過程的運行狀態(tài)及相關參數(shù),對控制系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令,并且通過操作設備修改控制方案和程序。<4>常規(guī)外部設備:指鍵盤、終端、打印機、繪圖機、U盤等微型計算機輸入輸出設備。<5>通信設備:企業(yè)信息化的需求要求生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)和企業(yè)管理信息系統(tǒng)之間的信息需實時交換,基于DCS和FCS的微型計算機控制系統(tǒng)中,個微型計算之間也需要通信,因此,通信設備已成為微型計算機控制系統(tǒng)的一個重要部分,通過通信設備課完成微型計算機控制系統(tǒng)的信息交換。<6>系統(tǒng)支持功能:包含監(jiān)控定時器、電源掉電檢測、保護重要數(shù)據(jù)的后背存儲體、實時日歷鐘、總線匹配。4．工業(yè)控制微型計算機與主要用于科學計算方面的微型計算機有何異同點？答：工業(yè)控制微型計算機與主要用于科學計算方面的信息處理機是兩類不同用途的計算機。二者都是以微型計算機為核心所構成的裝置。與信息處理計算機相比,工控機具有可靠性高、環(huán)境適應性強、可維護性好、硬件配置上的可裝配性和可擴充性好、豐富的過程輸入/輸出能力、應用軟件豐富等特點。5．何謂微型計算機系統(tǒng)的實時性？如何保證微型計算機系統(tǒng)的實時性？答：所謂"實時",是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完成的,即計算機對輸入信息以足夠快的速度進行處理,并在一定的時間內(nèi)作出反應并進行控制,超出了這個時間就會失去控制時機,控制也就失去了意義。實時性指標涉及一系列時間延遲,如儀表延遲、輸入延遲、運算處理延遲、輸出延遲等。另外,中斷是微型計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時控制的一個十分重要的功能。6．簡述DDC和SCC系統(tǒng)的工作原理。答：直接數(shù)字控制系統(tǒng)<DDC系統(tǒng)>：DDC<DirectDigitalControl>系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或多個被控參數(shù)進行巡回檢測,經(jīng)輸入通道送給微機,微機將檢測結果與設定值進行比較,再進行控制運算,然后通過輸出通道控制執(zhí)行機構,使系統(tǒng)的被控參數(shù)達到預定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng),是微機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用形式。其原理框圖如下圖所示。計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)<SCC系統(tǒng)>：SCC<SupervisoryComputerControl>系統(tǒng)比DDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實際情況,因為在DDC系統(tǒng)中計算機只是代替模擬調節(jié)器進行控制,系統(tǒng)不能運行在最佳狀態(tài),而SCC系統(tǒng)不僅可以進行給定值控制,并且還可以進行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應控制等。其原理框圖如下圖所示。7．進一步查閱資料,了解計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。答：大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,提高了計算機的可靠性和性能價格比,從而使計算機控制系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。為更好地適應生產(chǎn)力的發(fā)展,擴大生產(chǎn)規(guī)模,以滿足對計算機控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求,目前計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：a.普及應用可編程序控制器b.采用集散控制系統(tǒng)c.研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)第二章1．在模擬量輸入輸出通道中,采樣保持器起何作用？是否在所有的模擬量輸入輸出通道中都需要采樣保持器？為什么？答：采樣保持器的作用：A/D轉換器完成一次A/D轉換總需要一定的時間。在進行A/D轉換時間內(nèi),希望輸入信號不再變化,以免造成轉換誤差。這樣,就需要在A/D轉換器之前加入采樣保持器。不是在所有的模擬量輸入輸出通道中都需要采樣保持器。當被測信號變化緩慢時,若A/D轉換器轉換時間足夠短,則可以不加采樣保持器。2．A/D轉換器的轉換速度主要根據(jù)系統(tǒng)模擬量輸入點數(shù)和輸入模擬量的最高頻率來選擇?，F(xiàn)假設模擬量輸入點數(shù)為8,最高信號頻率分別為2kHz和10kHz,則A/D轉換器的轉換速度最低各為多少？答：當最高信號頻率為2KHz時A/D轉換器的轉換速度至少為：當最高信號頻率為10KHz時A/D轉換器的轉換速度至少為3．A/D轉換器的分辨率和線性誤差兩技術指標含義上有何不同？答：分辨率是衡量A/D轉換器分辨輸入模擬量最小變化程度的技術指標。線性誤差是指A/D轉換器的理想轉換特性應該是線性的,但實際轉換特性并非如此。在滿量程輸入范圍內(nèi),偏移理想轉換特性的最大誤差定義為線性誤差。4．設計一塊PC總線或其他總線的32路單輸入12位A/D轉換模板。A/D轉換器選AD574A,所需的多路開關、運算放大器、采樣保持器和其他器件自選,要考慮總線驅動。轉換結束后用中斷方式通知主機,系統(tǒng)分配給該模板的地址為2C8H～2CFH〔或另行分配。1設計該模板的硬件原理圖。2設計數(shù)據(jù)采集程序,系統(tǒng)每隔一個采樣周期T=2s,對32路輸入巡回采樣一遍,采集到得數(shù)據(jù)送以BUFE為首地址的內(nèi)存緩沖區(qū)中。3計算出該模塊的最高數(shù)據(jù)采集頻率〔各器件的有關參數(shù)可通過查閱手冊得到。解：1硬件原理圖如下圖所示：2AD574PROCNEAR MOVCX,32MOVBL,00000000BLEASI,BUFNEXTCH:MOVDX,212HMOVAL,BLOUTDX,ALNOPNOPORAL,01000000BOUTDX,ALNOPANDAL,10111111BOUTDX,ALMOVDX,210HPOLING:INAL,DXTESTAL,80HJNZPOLINGMOVAL,BLORAL,00010000BMOVDX,212HOUTDX,ALORAL,01000000HOUTDX,ALMOVDX,210HINAL,DXANDAL,0FHMOVAH,ALINCDXINAL,DXMOV[SI],AXINCSIINCSIINCBLLOOPNEXTCHMOVAL,00111000BMOVDX,212HOUTDX,ALRETAD574END3AD574速度：25μs;AD625速度：40nsLF398速度:10μsCD4051速度：500ns故該模塊的最高數(shù)據(jù)采集頻率為40K.5.設ADC0809與CPU的連接如圖2-45所示。要求用查詢方式采樣來自IN4通道的輸入信號,采樣100點,采樣數(shù)據(jù)存入ADBUF緩沖區(qū),試編程實現(xiàn)。解：編程：OUT84H,ALMOVR1,#64HLOOP:DECR1WAIT:INAL,70HTESTAL,01HJZWAITINR0,60HDECR0CJNER1,#00H,LOOP6.試設計一個數(shù)據(jù)采集電路,要求該電路能對8路模擬信號進行連續(xù)巡回檢測,電壓轉換范圍0～10V,相對精度0.05%,采樣間隔為1s,按此要求畫出巡回檢測系統(tǒng)的電路原理圖,并回答以下問題：1在該電路中A/D轉換器至少應采用多少位的？2該電路的A/D轉換器轉換完成,采用何種方式了解？3編寫啟動A/D轉換器及讀取轉換結果的程序段。4畫出實現(xiàn)8路巡回采樣的程序流程圖。解：電路圖如下：17位2STS,A/D轉換器轉換結束標志3啟動：ORAL,01000000BOUTDX,ALNOP讀轉換結果：MOVDX,210HPOLING:INAL,DXTESTAL,80HJNZPOLINGMOVAL,BLORAL,00010000BMOVDX,212HOUTDX,ALORAL,01000000HOUTDX,ALMOVDX,210HINAL,DXANDAL,0FHMOVAH,ALINCDXINAL,DXMOV[SI],AX4程序流程圖：7.某熱處理爐溫度變化范圍為0～1350℃,經(jīng)溫度變送器變換為1～5V電壓送至ADC0809.當T=kT時,ADC0809的轉換結果為6AH,問此時的爐內(nèi)溫度為多少度？解：爐內(nèi)溫度8．編制一個能完成中值加均值濾波的子程序,設m=8,8個采樣值排序后,取中間的四個采樣值平均。采樣值為12位2進制數(shù)。MOV CX,8DEC CXLOP1： MOV DX,CXLOP2： MOV AX,DATA[BX]CMP AX,DATA[BX+2]E CONTIXCHG AX,DATA[BX+2]MOV DATA[BX],AXCONTI: ADD BX,2LOOP LOP2MOV CX,DXMOV BX,0LOOP LOP1MOV CX,3MOV AX,DATA[BX+4]LOP3： ADD BX,2ADC AX,DATA[BX+4]LOOP LOP3MOV DL,4DIV DL9．DAC0832用做波形發(fā)生器。試根據(jù)圖2-46中的接線,分別寫出產(chǎn)生鋸齒波、三角波和方波的程序,產(chǎn)生的波形如圖2-47所示。解：三角波程序：MOV AL,0LOP1： MOV DX,230HOUT DX,ALMOV DX,ALINC ALCMP AL,FFH LOP1LOP2： MOV DX,230HOUT DX,ALMOV DX,240HMOV DX,ALDEC ALCMP AL,0JA LOP2JMP LOP1方波程序：MOV AL,FFHSTART: MOV DX,230HOUT DX,ALMOV DX,240HOUT DX,ALMOV CX,0LOP1： NOPNOPLOOP LOP1XOR AL,FFHJMP START鋸齒波程序：MOV AL,0START: MOV DX,230HOUT DX,ALMOV DX,240HOUT DX,ALINC ALJMP START10.欲利用兩片DAC0832控制執(zhí)行機構實現(xiàn)X-Y繪圖儀功能。設所測待繪曲線的數(shù)據(jù)分別存入ARRAY1和ARRAY2數(shù)據(jù)區(qū)中,數(shù)據(jù)區(qū)中長度為30H,請編程實現(xiàn)將ARRAY1和ARRAY2兩片數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)分別從1#和2#DAC0832同時繪出,控制X-Y繪圖儀繪出所測曲線〔DAC0832與總線接口電路如圖2-48所示,設1#和2#DAC0832的端口輸入寄存器地址為320H、321H,DAC寄存器地址為323H。MOV CX,30HMOV BX,0LOP1： MOV AL,ARRAY1[BX]MOV DX,320HOUT DX,ALMOV AL,ARRAY2[BX]MOV DX,321HOUT DX,ALMOV DX,323HOUT DX,ALINC BXLOOP LOP1第三章數(shù)字濾波與模擬濾波相比有什么特點?答：①數(shù)字濾波不需要硬件設備,可靠性高,穩(wěn)定性好,各回路之間不存在阻抗匹配等問題。②數(shù)字濾波用程序實現(xiàn),多個輸入通道可以"共用"同一個濾波程序,不需要增加硬件設備,降低了成本。③對于不同的的干擾,通過修改數(shù)字濾波器只能改變硬件相比更加靈活和方便。數(shù)字濾波能對頻率很低<如0.01Hz>的干擾進行處理,克服了模擬濾波器受電容容量的限制,頻率不能太低的缺陷。常用的數(shù)字濾波方法有幾種?它們各有什么優(yōu)缺點?答：有八種,分別是算術平均值濾波、加權算術平均值濾波、滑動平均值濾波、中值濾波、防脈沖干擾的算術平均值濾波、程序判斷濾波、慣性濾波、復合數(shù)字濾波。算術平均值濾波對周期性干擾有良好的抑制作用,采用算術平均值濾波后,信噪比提高了倍,但它對脈沖性干擾的抑制效果不夠理想,不適用于脈沖性干擾比較嚴重的場合。加權算術平均值濾波它適用于系統(tǒng)純延遲時間常數(shù)τ較大而采用周期較短的情況。一般是月薪的采樣值賦以較大的比例,增加新采樣值在濾波結果中的比例,盡量真實地反映系統(tǒng)所受干擾的影響情況。但采用加權算術平均值濾波方法需要測試不同過程的純延遲時間常數(shù)τ,并不斷計算各加權系數(shù),增加了計算量,降低了控制速度,因而其實際應用不如算術平均值濾波方法廣泛。滑動平均值濾波方法對周期性干擾有良好的抑制作用,既少占用時間,又能達到較好的濾波效果,但對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾抑制作用差,不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值偏差,因此不適用于干擾計較嚴重的場合,而適用于高頻振蕩系統(tǒng)。中值濾波對于不掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖性干擾比較有效,如電網(wǎng)的波動、變送器的臨時故障等。對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)采用此方法能收到良好的濾波效果,但對流量、速度等快速變化的被測參數(shù)一般不易采用。防脈沖干擾的算術平均值濾波兼有算術平均值濾波和中值濾波的優(yōu)點,對快變和慢變參數(shù)都有抑制干擾的作用,有利于提高采樣的真實性,單運算工作量大,會影響系統(tǒng)的實時性。當采樣點數(shù)為3時,它便是中值濾波。在實際應用中,為了加快測量計算速度,n一般不能太大。程序判斷濾波對抑制帶有隨機性的干擾較為有效,具體應用時的關鍵問題是最大變化量△x的選取大小,對不同的對象特性,使用不同的采樣周期、系統(tǒng)不同的給定輸入形式<階躍、等速或加速>,都能影響到△x值的選擇。但△x的確定不夠靈活,必須根據(jù)現(xiàn)場的情況不斷更新值,不能反映采樣點數(shù)n>3時各采樣值受干擾的情況,因而其應用受到一定的限制。慣性濾波具有較大慣性的低通濾波功能,當目標參數(shù)變化很慢的物理量時,效果很好,單帶來了相位滯后,滯后相位角度的大小與α的選擇有關。改方法不能濾除頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。除慣性濾波外,同樣可用軟件來模擬高通濾波和帶通濾波復合數(shù)字濾波濾波效果好,結果更接近理想值,但成本高。算術平均值濾波、加權算術平均值濾波及滑動平均值濾波三者的區(qū)別是什么?算術平均值濾波對周期性干擾有良好的抑制作用,采用算術平均值濾波后,信噪比提高了倍,但它對脈沖性干擾的抑制效果不夠理想,不適用于脈沖性干擾比較嚴重的場合。加權算術平均值濾波它適用于系統(tǒng)純延遲時間常數(shù)τ較大而采用周期較短的情況。一般是月薪的采樣值賦以較大的比例,增加新采樣值在濾波結果中的比例,盡量真實地反映系統(tǒng)所受干擾的影響情況。但采用加權算術平均值濾波方法需要測試不同過程的純延遲時間常數(shù)τ,并不斷計算各加權系數(shù),增加了計算量,降低了控制速度,因而其實際應用不如算術平均值濾波方法廣泛?；瑒悠骄禐V波方法對周期性干擾有良好的抑制作用,既少占用時間,又能達到較好的濾波效果,但對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾抑制作用差,不易消除由于脈沖干擾引起的采樣值偏差,因此不適用于干擾計較嚴重的場合,而適用于高頻振蕩系統(tǒng)。標度變換在工程上有什么意義?在什么情況下使用標度變換?答：標度變換在工程上意義：為了能直接誒顯示或打印被測工程量值,必須將它們轉換成為有量綱的數(shù)值。對于一般的線性儀表來說,參數(shù)值與A/D轉換結果之間是線性關系時使 用線性標度變換公式；有時微型計算機從模擬量輸入通道得到的有關過程參數(shù)的數(shù)字信號與該信號所代表的物理量不一定成線性關系,則其標度變換公式應使用非線性標度變換公式。數(shù)字控制器的連續(xù)化設計步驟是什么？⑴求出模擬控制器的傳遞函數(shù)D<s>;⑵選擇合適的采樣周期;⑶將D<s>離散化,求出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D<z>;⑷檢驗系統(tǒng)的閉環(huán)特性是否滿足系統(tǒng)設計條件;⑸講D<z>變?yōu)椴罘址匠袒驙顟B(tài)空間表達形式,并編制計算機程序實現(xiàn);⑹用混合仿真的方法檢查系統(tǒng)的設計與程序編程是否正確;⑺用計算機對系統(tǒng)進行控制,將硬件和軟件結合起來,進行現(xiàn)場調試。6.數(shù)字控制器的離散化設計步驟是什么？計算機控制系統(tǒng)框圖如圖4—1所示。圖4—1計算機控制系統(tǒng)框圖由廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù),可求得控制器的脈沖傳遞函數(shù)D<z>。數(shù)字控制器的直接設計步驟如下：<1>根據(jù)控制系統(tǒng)的性質指標要求和其它約束條件,確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)Φ<z>。<2>求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G<z>。<3>求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D<z>。<4>根據(jù)D<z>求取控制算法的遞推計算公式。7.某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設計為試用雙線形變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D<Z>。解：雙線形變換法：把代入,則前向差分法：把代入,則后向差分法：把代入,則8.在PID調節(jié)器中系數(shù)pk、ik、dk各有什么作用？它們對調節(jié)品質有什么影響？系數(shù)pk為比例系數(shù),提高系數(shù)pk可以減小偏差,但永遠不會使偏差減小到零,而且無止境地提高系數(shù)pk最終將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例調節(jié)可以保證系統(tǒng)的快速性。系數(shù)ik為積分常數(shù),ik越大積分作用越弱,積分調節(jié)器的突出優(yōu)點是,只要被調量存在偏差,其輸出的調節(jié)作用便隨時間不斷加強,直到偏差為零。在被調量的偏差消除后,由于積分規(guī)律的特點,輸出將停留在新的位置而不回復原位,因而能保持靜差為零。但單純的積分也有弱點,其動作過于遲緩,因而在改善靜態(tài)品質的同時,往往使調節(jié)的動態(tài)品質變壞,過渡過程時間加長。積分調節(jié)可以消除靜差,提高控制精度。系數(shù)dk為微分常數(shù),dk越大微分作用越強。微分調節(jié)主要用來加快系統(tǒng)的相應速度,減小超調,克服振蕩,消除系統(tǒng)慣性的影響9.什么是數(shù)字PID位置型控制算法和增量型控制算法？試比較它們的優(yōu)缺點。為了實現(xiàn)微機控制生產(chǎn)過程變量,必須將模擬PID算式離散化,變?yōu)閿?shù)字PID算式,為此,在采樣周期T遠小于信號變化周期時,作如下近似<T足夠小時,如下逼近相當準確,被控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近>：于是有：u<k>是全量值輸出,每次的輸出值都與執(zhí)行機構的位置<如控制閥門的開度>一一對應,所以稱之為位置型PID算法。在這種位置型控制算法中,由于算式中存在累加項,因此輸出的控制量u<k>不僅與本次偏差有關,還與過去歷次采樣偏差有關,使得u<k>產(chǎn)生大幅度變化,這樣會引起系統(tǒng)沖擊,甚至造成事故。所以實際中當執(zhí)行機構需要的不是控制量的絕對值,而是其增量時,可以采用增量型PID算法。當控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進電機、電動調節(jié)閥、多圈電位器等具有保持歷史位置的功能的這類裝置時,一般均采用增量型PID控制算法。與位置算法相比,增量型PID算法有如下優(yōu)點：<1>位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關,計算式中要用到過去偏差的累加值,容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項,從而可消除調節(jié)器的積分飽和,在精度不足時,計算誤差對控制量的影響較小,容易取得較好的控制效果。<2>為實現(xiàn)手動——自動無擾切換,在切換瞬時,計算機的輸出值應設置為原始閥門開度u0,若采用增量型算法,其輸出對應于閥門位置的變化部分,即算式中不出現(xiàn)u0項,所以易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。<3>采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用,所以即使計算機發(fā)生故障,執(zhí)行器仍能保持在原位,不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。10.有哪幾種改進的數(shù)字PID控制器？答:有四種：〔1積分分離PID控制算法〔2不完全微分PID控制算法〔3帶死區(qū)的PID控制算法〔4消除積分不靈敏區(qū)的PID控制11.什么叫積分飽和？它是怎么引起的？通常采用什么方法克服積分飽和？解：〔1如果執(zhí)行機構已經(jīng)到極限位置,仍然不能消除靜差時,由于積分作用,盡管PID差分方程式所得的運算結果繼續(xù)增大或減小,但執(zhí)行機構已無相應的動作,這就叫積分飽和?！?1、當偏差產(chǎn)生躍變時,位置型PID算式的輸出將急劇增大或減小,有可能超過執(zhí)行機構的上〔下限,而此時執(zhí)行機構只能工作在上限。2、系統(tǒng)輸出需要很長時間才達到給定值,在這段時間內(nèi)算式的積分項將產(chǎn)生一個很大的積累值。3、當系統(tǒng)輸出超過給定值后,偏差反向,但由于大的積分積累值,控制量需要相當一段時間脫離飽和區(qū)。因此引起系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度超調,系統(tǒng)不穩(wěn)定?！?常用的改進方法：積分分離法和抗積分飽和12.簡述擴充臨界比例度法、擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟。擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：<1>選擇一個足夠短的采樣周期T,例如被控過程有純滯后時,采樣周期T取滯后時間的1/10以下,此時調節(jié)器只作純比例控制,給定值r作階躍輸入。<2>逐漸加大比例系數(shù)Kp,使控制系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩。由臨界振蕩過程求得相應的臨界振蕩周期Ts,并記下此時的比例系數(shù)Kp,將其記作臨界振蕩增益Ks。此時的比例度為臨界比例度,記作。<3>選擇控制度,所謂控制度是數(shù)字調節(jié)器和模擬調節(jié)器所對應的過渡過程的誤差平方的積分之比。<4>根據(jù)控制度,查表求出T、Kp、Ti和Td值。<5>按照求得的整定參數(shù),投入系統(tǒng)運行,觀察控制效果,再適當調整參數(shù),直到獲得滿意的控制效果為止。擴充響應曲線法整定PID參數(shù)的步驟：<1>斷開數(shù)字調節(jié)器,讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)。將被調量調節(jié)到給定值附近并穩(wěn)定后,然后突然改變給定值,即給對象輸入一個階躍信號。<2>用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入下的整個變化過程曲線,如圖所示。<3>在曲線最大斜率處作切線,求得滯后時間τ、被控對象的時間常數(shù)Tc,以及它們的比值Tc/τ。<4>由τ、Tc、Tc/τ值,查表,求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。13.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？<1>從調節(jié)品質上看,希望采樣周期短,以減小系統(tǒng)純滯后的影響,提高控制精度。通常保證在95%的系統(tǒng)的過渡過程時間內(nèi),采樣6次～15次即可。<2>從快速性和抗擾性方面考慮,希望采樣周期盡量短,這樣給定值的改變可以迅速地通過采樣得到反映,而不致產(chǎn)生過大的延時。<3>從計算機的工作量和回路成本考慮,采樣周期T應長些,尤其是多回路控制時,應使每個回路都有足夠的計算時間；當被控對象的純滯后時間τ較大時,常選T=〔1/4~1/8τ。<4>從計算精度方面考慮,采樣周期T不應過短,當主機字長較小時,若T過短,將使前后兩次采樣值差別小,調節(jié)作用因此會減弱。另外,若執(zhí)行機構的速度較低,會出現(xiàn)這種情況,即新的控制量已輸出,而前一次控制卻還沒完成,這樣采樣周期再短也將毫無意義,因此T必須大于執(zhí)行機構的調節(jié)時間。14.什么是最小拍數(shù)字控制系統(tǒng)？在最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計中應當考慮哪些因素？答：最小拍數(shù)字控制系統(tǒng)就是一種時間最優(yōu)控制。在最少拍數(shù)字控制系統(tǒng)的設計中應當考慮的因素：最少拍數(shù)字控制器的輸入：3種典型的輸入型號；閉環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù)的初步確定；種輸入信號下的誤差序列。最少拍數(shù)字控制器的穩(wěn)定性設計；最少拍控制系統(tǒng)的局限