計(jì)算機(jī)控制理論答案

計(jì)算機(jī)控制理論答案第一講1、什么是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)？一般由哪幾部分組成？請(qǐng)用框圖形式給出實(shí)例，并簡(jiǎn)單說(shuō)明其工作原理。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)（通常稱為工業(yè)控制機(jī)）來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的系統(tǒng)；一般由計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)過(guò)程兩部分組成；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主體（包括硬件、軟件與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）和生產(chǎn)過(guò)程兩大部分組長(zhǎng)。其中硬件系統(tǒng)有主機(jī)、輸入輸出通道、外部設(shè)備、檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成；三個(gè)步驟原理：①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來(lái)自測(cè)量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)和輸入。②實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。③實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。2、實(shí)時(shí)、在線方式、離線方式的含義是什么？實(shí)時(shí)：指信號(hào)的輸入、計(jì)算和輸出都要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成，亦即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息，以足夠快的速度進(jìn)行控制，超出了這個(gè)時(shí)間，就失去了控制的時(shí)機(jī)，控制也就失去了意義。在線方式：在線方式亦稱為聯(lián)機(jī)方式，是指生產(chǎn)過(guò)程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為。的拉氏變換之比，即。脈沖傳遞函數(shù)是在零初始條件下，系統(tǒng)輸出量的Z變換和系統(tǒng)輸入量的Z變換之比，即。3、已知：r(t)=1(t),x(0)=0,x(1)=1,用Z變換原理和方法，求解差分方程r(k)=x(k+2)-6x(k+1)+8x(k)。因?yàn)閞(t)=1(t)，即；根據(jù)Z變換左移定理，其差分方程的Z變換式為：因?yàn)閤(0)=0,x(1)=1，故有：4、求下圖所示系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)D(z)=C(z)/R(z).rr(t)+-Tc(t)第四、五講作業(yè)1、某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為,試用雙線性變換法、前向差分法、后向差分法分別求取數(shù)字控制器D(z)。雙線性變換法：前向差分法：后向差分法：2、什么是數(shù)字PID的位置型控c制算法、增量型控制算法？如何得到的？比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。PID算法的數(shù)字化，其實(shí)質(zhì)就是將連續(xù)形式的PID微分方程轉(zhuǎn)化成為離散形式的PID差分方程。其中，將PID算法中的模擬式中積分項(xiàng)用求和式，微分項(xiàng)用增量式來(lái)表示后得到：將上式稱為PID位置式控制算式對(duì)其進(jìn)行變換后得：將上式稱為PID增量式控制算式PID位置式控制算式計(jì)算時(shí)，只需進(jìn)行四則算術(shù)運(yùn)算便可求出當(dāng)前輸出值，極方便用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)現(xiàn)在計(jì)算時(shí)，不僅需要知道本次及上次偏差信號(hào)和，而且在積分項(xiàng)中還要對(duì)歷次的偏差信號(hào)進(jìn)行相加求和，因此，在運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制輸出時(shí)，既繁瑣又占用大量?jī)?nèi)存。PID增量式控制算式計(jì)算時(shí)，只需知道e(n)，e(n-1)和e(n-2)即可，比PID位置式控制算式的計(jì)算簡(jiǎn)單。很適合于某些以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的要求，另外它還具有輸出增量不大、系統(tǒng)受操作切換沖擊影響較小、不產(chǎn)生積分失控輸出較平穩(wěn)易于獲得較好調(diào)節(jié)效果等優(yōu)點(diǎn)。3、什么是積分飽和？是怎樣引起的？如何消除？如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到極限位置，仍然不能消除偏差時(shí)，由于積分作用，盡管計(jì)算PID差分方程式所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無(wú)相應(yīng)的動(dòng)作，這就叫積分飽和。因長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)偏差或偏差較大，計(jì)算出的控制量有可能溢出或小于零，就會(huì)出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象。消除積分飽和的方法：積分分離法,變速積分PID控制算法，超限削弱積分法，有效偏差法，抗積分飽和機(jī)制。4、試比較數(shù)字PID算法中處理積分項(xiàng)的三種方法—抑制積分飽和、消除積分量化誤差、變速積分的優(yōu)缺點(diǎn)。抑制積分飽和對(duì)積分項(xiàng)采取“開(kāi)關(guān)”的控制方式，比較容易實(shí)現(xiàn)，程序設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)單，但關(guān)鍵在于要選取一個(gè)合適的閥值，而且適應(yīng)性比較差；消除積分量化誤差在計(jì)算上較為方便，但是增加了運(yùn)算次數(shù)；變速積分法是根據(jù)誤差大小，可隨機(jī)改變積分作用，近似于線性控制方式，具有抑制超調(diào)、防止積分飽和、適應(yīng)性強(qiáng)、線性度好和參數(shù)整定容易等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。5、試指出比例系數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù)TI、微分時(shí)間常數(shù)TD在PID調(diào)節(jié)器中的作用，它們對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有何影響？比例系數(shù)KP：動(dòng)態(tài)時(shí)，比例系數(shù)太小，系統(tǒng)動(dòng)作慢。增加Kp，可提高系統(tǒng)動(dòng)作的靈敏度，加快調(diào)節(jié)速度，但是，若取值偏大，容易引起系統(tǒng)振蕩，反而使調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，且當(dāng)Kp太大時(shí)，系統(tǒng)將趨于不穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，隨著比例控制Kp的加大，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分時(shí)間常數(shù)TI：動(dòng)態(tài)時(shí)，積分控制常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，TI值太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定，TI值偏小，容易誘發(fā)系統(tǒng)振蕩。TI值太大，對(duì)系統(tǒng)的影響將削弱。只有選擇適合的TI值，才可使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程趨于理想狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，積分控制可以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。但TI值太大時(shí)，因積分控制作用的削弱，反而不能減小穩(wěn)態(tài)差。微分時(shí)間常數(shù)TD：微分時(shí)間TD對(duì)系統(tǒng)性能的主要作用是減小超調(diào)量、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間、允許加強(qiáng)比例控制，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度和改善動(dòng)態(tài)特性等。?但TD值偏大或偏小時(shí)，反而會(huì)誘發(fā)超調(diào)量增加和加長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間。只有TD取值合適時(shí)，才可以獲得比較滿意的過(guò)渡過(guò)程。6、已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,設(shè)采樣周期為T(mén)=0.2s,試寫(xiě)出相應(yīng)的數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式,并給出相應(yīng)的程序流程圖。即：代入，得：位置型：增量型：第六講作業(yè)圖中，已知被控對(duì)象傳遞函數(shù)為,采樣周期T=1s,采用零階保持器，要求：針對(duì)單位速度輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z),使該系統(tǒng)成為最小拍無(wú)波紋系統(tǒng)，并計(jì)算輸出響應(yīng)c(k),控制信號(hào)u(k),誤差e(k),畫(huà)出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。針對(duì)單位階躍輸入信號(hào)，設(shè)計(jì)最小拍有波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器D(z),并計(jì)算輸出響應(yīng)c(k),控制信號(hào)u(k),誤差e(k),畫(huà)出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。（1）、輸入信號(hào)為速度階躍信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)最小拍無(wú)波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器。閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)?z中應(yīng)含有因子z-1和1+0.111z-1由于?z和Gez應(yīng)該?所以：?DCcEe（2）、輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)時(shí)，設(shè)計(jì)最小拍有波紋系統(tǒng)數(shù)字控制器。誤差脈沖傳遞函數(shù)和閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：簡(jiǎn)析最小拍有波紋隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字控制器、最小拍無(wú)波紋數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)原理有何異同。最小拍無(wú)波紋系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求包含的全部零點(diǎn)，最小拍有波紋系統(tǒng)只要求包含在單位圓上和在單位圓外的零點(diǎn)。已知控制系統(tǒng)的被控對(duì)象傳遞函數(shù)為,采樣