計(jì)算機(jī)控制技術(shù)習(xí)題詳解

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)習(xí)題詳解

第一章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述

1.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的？

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個(gè)步驟：

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并輸入給計(jì)算機(jī)。

(2)實(shí)時(shí)決策：對(duì)采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一步的控制過程。

(3)實(shí)時(shí)控制：根據(jù)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)間范圍內(nèi)完成的，即計(jì)算機(jī)對(duì)輸入信息以足夠快的速度

進(jìn)行處理，并在一定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)行控制，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：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)連接，生產(chǎn)過程直接受計(jì)算機(jī)的控制，就叫做“聯(lián)機(jī)”

方式或“在線”方式。

(3)“離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計(jì)算機(jī)相連接，其工作不宜接受計(jì)算機(jī)的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)，靠人進(jìn)

行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式，貝”叫做“脫機(jī)”方式或“離線”方式。

5.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？

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)律靈活多樣，改動(dòng)方便

b.挖制精度高，抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制

c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和工況顯示，控制效率高

d.控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度

6.操作指導(dǎo)、DDC和SCC系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？

(1)來作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的輸出不直接作用丁?生產(chǎn)對(duì)象，屈于開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)

學(xué)模型、控制算法對(duì)檢測(cè)到的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算出各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值，供操作員參考，這時(shí)計(jì)

算機(jī)就起到了操作指導(dǎo)的作用。其原理框圖如圖1.2所示。

圖1.2操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖

(2)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(cè)元件對(duì)一個(gè)或多個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)，

經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微機(jī)將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再進(jìn)行控制運(yùn)養(yǎng)，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)的被

控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要求。DDC系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖1.3所

75?

-

名

路

開

收撤或開輸入遺近

QXfit關(guān)

模投風(fēng)或開關(guān)以牧出通道

控褐「

圖1.3DDC系統(tǒng)原理框圖

(3)汁算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)(SCC系統(tǒng))：SCC(SupcrvisoryComputerControl)^8tltDDC系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況，因?yàn)?/p>

在DDC系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，系統(tǒng)不能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，而SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行紿定值控制，并

且還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。SCC系統(tǒng)的原理框圖如圖1.4所示。

檢

多

測(cè)

路

元

模擬量或開關(guān)址輸入通道開

件

生

微關(guān)

-產(chǎn)

過

程

機(jī)

校擬砧或開一常燒調(diào)濟(jì)器

關(guān)瓜輸出通道—或DDC撥微機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖1.4SCC系統(tǒng)原理框圖

SCC是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和DDC系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。

7.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？

大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了計(jì)算機(jī)的可靠性和性能價(jià)格比.從而使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。為

更好地適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，以滿足對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨

勢(shì)有以下幾個(gè)方面。

a.普及應(yīng)用可編程序控制曙

b采用集散控制系統(tǒng)

c.研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng)

第二章輸入輸出過程通道

1.什么是過程通道？過程通道有哪些分類？

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。

按信息傳遞的方向來分，過程通道可分為輸入過程通道和輸出過程通道：按所傳遞和交換的信息來分，過程通道又可分為數(shù)

字量過程通道和模擬量過程通道。

2.數(shù)字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

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、汴行接口電路和定時(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。其中：輸入調(diào)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過程的各

種開關(guān)量，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高、低電平，同時(shí)還要考慮對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖動(dòng),

以及進(jìn)行信號(hào)隔離等問題。

3.簡述兩種硬件消抖電路的工作原理。

采用積分電路的硬件消抖電路，首先利用枳分電路將抖動(dòng)的高頻部分濾出，其次利用施密特觸發(fā)器整形。

采用RS觸發(fā)器的硬件消抖電路，主要是利用RS觸發(fā)器的保持功能實(shí)現(xiàn)消抖。

4.簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用。

光電耦合器由封裝在個(gè)管殼內(nèi)的發(fā)光..極管和光敏三極管組成，如圖21所示。輸入電流流過..極管時(shí)使其發(fā)光，照射到

光敏三極管，使其導(dǎo)通，完成信號(hào)的光電耦合傳送，它在過程通道中實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出在電氣_L的完全隔離。

?E

V,o

￡1

圖2.1光電耦合器電路圖

5.模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

模擬量輸入通道一般由I/V變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器,接口及控制邏輯電路組成。

(l)I/V變換：提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號(hào)的袁減，為與標(biāo)準(zhǔn)化儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供了方便。

(2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號(hào)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)行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)換器之前加入采樣保持器。

(4)A/D轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的旺務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

(Analog/DigilalConverter,簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)。

6.對(duì)理想多路開關(guān)的要求是什么？

理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其接通時(shí)的導(dǎo)通電阻為零。此外，還希望切換速度快、噪音小、壽命長、工作可靠。

7.采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響，

采樣保持器的作用：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)行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)換器之前加入采樣保持器.

保持電容對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀態(tài)時(shí)充電時(shí)間常數(shù)小，即保持電容充電快，

輸出對(duì)輸入信號(hào)的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時(shí)放電時(shí)間常數(shù)也小.即保守電容放電快，故保持性能差；反之，保持電容值

大，保持性能好，但跟隨特性差。

8.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，對(duì)于輸入信號(hào)變化很慢，如溫度信號(hào)：或者A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間較快，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間輸入信號(hào)變化很小，在允許的

A/D轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。

9.A/D轉(zhuǎn)換福的結(jié)束信號(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？它仁在接口電踣和

程序設(shè)計(jì)上有什么特點(diǎn)？

A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號(hào)的作用是用以判斷本次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)。

?保林等待法:EOC與READY相連,EOC無效時(shí)，自動(dòng)插入等待狀態(tài)。直至EOC有效時(shí)，取數(shù)據(jù)。

?查詢法: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有效時(shí)，取數(shù)據(jù)。

?中斷響應(yīng)法:EOC與外部中斷相連，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后.發(fā)中斷申請(qǐng),在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。

10.設(shè)被測(cè)溫度變化范圍為(rc~i20(rc,如果要求誤差不超過0.4。。應(yīng)選用分辨為多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？

LJ2001

選擇依據(jù)：〃2log1+------a12

21。?4)

11.設(shè)計(jì)出8路模擬量采集系統(tǒng)。請(qǐng)畫出接口電路原理圖，并編寫相應(yīng)的8路模擬量數(shù)據(jù)采集程序。

本例給出用8031、DAC0809設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例。

把采樣轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量按序存于片內(nèi)RAM的30H?37H單元中。采樣完一遍后停止采集。其數(shù)據(jù)采集的初始化程序和中

斷服務(wù)程序如下：

初始化程序：MOVR0,#3011:設(shè)立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)指針

MOVR2,#08H;設(shè)置g路采樣計(jì)數(shù)值

SETBrro;設(shè)置外部中斷。為邊沿觸發(fā)方式

SETBEA；CPU開放中斷SETBEXO;允許外部中斷0中斷

MOVDPTR#FEF8H：送入口地址并指向INO

LOOP：MOVX@DPTR,A；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，A的值無意義

HERE：SJMPHERE等待中斷

中斷服務(wù)程序：

MOVXA,@DPTR:讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量

MOV@R0,A;存入片內(nèi)RAM單元

INCDPTR：指向下一模擬通道

INCRO;指向下一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

DJNZR2,INTO;8路未轉(zhuǎn)換完，則繼續(xù)

CLREA;已轉(zhuǎn)換完，則關(guān)中斷

CLREXO；禁止外部中斷()中斷

RETI;中斷返回

INTO：MOVX@DPTR,A;再次啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

RETI:中斷返回

12.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？

模擬量輸出通道一般由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大和V/I變換等信號(hào)調(diào)理電路組成。

(l)D/A轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(Digilal/AnalogConverter、簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC)。它是指將數(shù)字量

轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置

變換，一般情況下，D/A轉(zhuǎn)換電路的除出是電壓信號(hào).在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，為了便于信號(hào)的遠(yuǎn)

距離傳輸，減少由于傳輸帶來的干擾和衰減，需要采用電流方式輸出模擬信號(hào)。許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)，?般是

采用0?10mA或4?20mA的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。因此，需要將模擬電壓信號(hào)通過電壓/電流(V/I)變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。

第四章微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法

4..1.數(shù)字控制器的模擬化設(shè)計(jì)步驟是什么？

模擬化設(shè)計(jì)步驟：

(I)設(shè)計(jì)假想的模擬控制器D(S)

(2)止確地選擇采樣周期T

(3)將D(S)離散化為D(Z)

(4)求出與D(S)對(duì)應(yīng)的差分方程

(5)根據(jù)差分方程編制相應(yīng)程序。

2.某系統(tǒng)的連續(xù)控制器設(shè)計(jì)為

隊(duì))二型k衛(wèi)

''E(s)1+T2S

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)。

97-1

辭：雙線形變換法：把S=W?一代入，則

Tz+1

]T2z—1

D(z\-。⑵_廳F_(7+2幻z+5

()一4巖一1+72?三1_(S)z+f

2Tz+l

前向差分法：把z==l代入，則

T

峋=峋W(wǎng)=懸=]二號(hào)月

z—1

后向差分法：把s=——代入，則

Tz

11T1+7?

陽=鞏％=譚不Tz二率+7-工

z-lT2Z+T-T2

Tz

4.3什么是數(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(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)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(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似(T足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)系統(tǒng)卜分接近):

j=0

1)

-d-e?-e--(-k-)---e--(-k----

dtT

于是有：

TkT

U(k)=Kp{e(k)+不工式j(luò))+囁陽幻-式k-1)])

u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如控制閥門的開發(fā))一一對(duì)應(yīng)，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(xiàng)，因此輸出的控制量u(k)不僅與本次偏差有關(guān)，還

與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得u(k)產(chǎn)生大幅度變化，這樣會(huì)引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以實(shí)際中

當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，可以采用增量型PID算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行

器為步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)調(diào)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(shí)，一般均采用增量型PID

控制算法。

△〃(攵)=K”{[e(Q-e(k-1)]+J-2式k-1)+e(k-2)]}

'i1

與位置算法相比，增量型PID算法有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)位置型算式每次輸出與整個(gè)過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累枳計(jì)

算誤差；而在增量型算式中由于消去了積分項(xiàng)，從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和，在精度不足時(shí)，計(jì)算誤差

對(duì)控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。

(2)為實(shí)現(xiàn)手動(dòng)一自動(dòng)無擾切換，在切換瞬時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度uo,若采用增量型

算法，其輸出對(duì)應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn)uo項(xiàng)，所以易于實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切

換，

(3)采用增量型算法時(shí)所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原

位，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。

4.4.已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

1+0.17s

5卜1+().085s

試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2s<?

皿

M，)1+0085$

則U(s)+0.085SU(s)=E(s)+0.17SE(s)

〃⑺+0085^^=&f)+0.17些

/..⑹+0.085"優(yōu))一；心)=6(。+0.17《。一y1)

把T=0.2S代入得

1.425必)-().425必-1)=45總)-3.5?hl)

位置型u(k)=3.1579期-24561e(k-1)+0.2982u(k-1)

增量型Aw伏)=〃⑹一-1)=3.!579闞-2.456\e(k-1)-0.7018u(k-1)

(補(bǔ)充題)已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

1+0.175

D(s)=

0.085s

試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，設(shè)采樣周期T=0.2so

l+0.17s,1)=KJl+；+7>)

解：因?yàn)椤?S)=---------=20Z1+—

0.085s0.17s7>

所以K，=2,T(=0.17,T(l=0

故位置型PID控制器

/八k(L\.丁ve(k)-e(k-T)

u(k)=Kpe(k)+—2^e(i)+TD---------------

_hi=0/_

-0?k-

=2e(幻+士?>€?)

L0.17七J

=2e(Q+笄Ze?)

U?1/j=o

故增量型PID控制器

u(k)=u{k-1)+△u(k)

=u(k-l)+Kp\e(k)-e(k-1)]+K,e(k)+KD\e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=w(^-l)+2[e(k)-e(k-1)]+e(k)

?u(k-1)4-4.35e(Q-2e(k-1)

4.5.什么叫積分飽和？它是怎么引起的？如何消除？

解：(1)如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除靜差時(shí)，由于積分作用，盡管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)已無相應(yīng)的動(dòng)作，這就叫積分飽和。

(2)1、當(dāng)偏差產(chǎn)生躍變時(shí)，，立置型PID算式的輸出將急劇增大或減小，有可能超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的

上(下)限，而此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能工作在上限。

2、系統(tǒng)輸出需要很長時(shí)間才達(dá)到給定值，在這段時(shí)間內(nèi)算式的積分項(xiàng)將產(chǎn)生一個(gè)很大的積累值。

3、當(dāng)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(dāng)一段時(shí)間脫離

飽和區(qū)。因此引起系統(tǒng)產(chǎn)生大幅度超調(diào)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

(3)常用的改進(jìn)方法：積分分離法和抗積分飽和

4.6.采樣周期的選擇需要考慮那些因素？

(1)從調(diào)節(jié)品質(zhì)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(shí)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(shí)。

(3)從計(jì)算機(jī)的工作量和回路成本考慮，采樣周期T應(yīng)長些，尤其是多回路控制時(shí)，應(yīng)使每個(gè)回路都有足夠

的計(jì)算時(shí)間；當(dāng)被控對(duì)象的純滯后時(shí)間t較大時(shí)，常選T=(1/4~1/8)T。

(4)從計(jì)算精度方面考慮，采樣周期T不應(yīng)過短，當(dāng)主機(jī)字長較小時(shí)，若T過短，將使前后兩次采樣值差別

小，調(diào)節(jié)作用因此會(huì)減現(xiàn)。另外，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度較低，會(huì)出現(xiàn)這種情況，印新的控制量已輸出，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(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)時(shí)間。

4.7.簡述擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟。

擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：

(1)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期T，例如被控過程有純滯后時(shí)?，采樣周期T取滯后時(shí)間的1/10以下，此時(shí)

調(diào)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(yīng)的臨界振蕩周期Ts,并記

下比時(shí)的比例系數(shù)Kp,將其記作臨界振蕩增益Ks。此時(shí)的比例度為臨界比例度，記作瓦=」一。

Kp

(3)選擇控制度，所謂控制度是數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器所對(duì)應(yīng)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(yùn)行，觀察控制效果，再適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。

擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟：

(I)斷開數(shù)字調(diào)節(jié)器，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)。將被調(diào)量調(diào)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(duì)象輸入一個(gè)階躍信號(hào)＜

(2)用儀表記錄被控參數(shù)在階躍輸入卜.的整個(gè)變化過程曲線，如圖所示。

(3府曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間丁、被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)Tc,以及它們的比值TcG

(4)由1、Tc、TC/T值，查表，求出數(shù)字控制器的T、Kp、Ti和Td。

4..8.數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟是什么？

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。

圖4-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖

由廣義對(duì)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)o

數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標(biāo)要求和其它約束條件，確定所需的內(nèi)環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中(z)。

(2)求廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)Giz)o

(3)求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)o

(4)根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計(jì)算公式。

4.9已知被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

10

采樣周期T=0.1s,采用零階保持器。要求

(1)針對(duì)單位速度輸入信號(hào)設(shè)計(jì)最少拍無紋波系統(tǒng)的。(z),并計(jì)算輸出響應(yīng))，(&)、控制信號(hào)〃(Q

和誤差e(Q序列，畫出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。

(2)針對(duì)單位階躍輸入信號(hào)設(shè)計(jì)最少拍有紋波系統(tǒng)的。(z),并計(jì)算輸出響應(yīng))，(幻、控制信號(hào)〃(幻

和誤差e(Q序列，畫出它們對(duì)時(shí)間變化的波形。

解：廣義脈沖傳遞函數(shù)為

G(z)=Z(^———--)=(1-z-')Z(r3_)

SS(O.1S+1)5~(5+10)

10Tz-,11、

(IT)?1-Z-'

0.368ZT(1+0.717ZT)

,(l-z-1)(l-0.368z-1)

最少拍無紋波設(shè)計(jì)步驟：

1)根據(jù)廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)已知N=2,M=2

N(分母多項(xiàng)式的嘉次)所以d=0

M(分子多項(xiàng)式的基次)w=l(即分子多項(xiàng)式中的(l+0.717z-))

d=N-M延時(shí)v=l,j=l：

w在所有零點(diǎn)的總數(shù)(不包括無窮遠(yuǎn)的零點(diǎn))q=2(單位速度輸入)

V在Z平面的單位圓上或圓外極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

j在Z平面的單位圓上極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

q(輸入類型)

2)確定Fl(z)和F2(z)的箱次m和nm=w+d=1

m=w+dn=v-j+max(j,q)=2

n=v-j+max(j,q)所以：

)⑶小獷+百+…+工產(chǎn)耳(z)=l+3

12rtF(Z)=/Z-'+/Z-2

F2(z)=/21z-4-^2z-+-.+/21z-22122

3)確定①e(z)

①*z)=(1-2-')^?^(2)

Lj

中,(z)=l—中(z)=口(l—qz-i)il—z-i(z)_r=l_

1=1二(1--)2(1+力仔7)

,23

=l+(/11-l)z--/1Iz-+/11z-

4)確定①(z)

①(Z)=2"n(l-^Z-')F2(Z)

①(Z)=ZT[.(1—2Z7)F2(Z)

,i=l.

,,2

=(1+0.717Z-)(/21Z-+/22Z-)

=3+(%+0.717%)z-2-0.717/^z-

根據(jù)關(guān)系①“(z)=l-①(z)使等式兩邊同嘉次的

5)/M-2=-721

J-2九=-(%+0.7176)

系數(shù)相等，解出尸1和尸2中的系數(shù)。

/“=-0.717%

4=459

解得：｛自=L41

f22=-0.83

所以:

,21

(D<.(Z)=(1-Z-)(1-0.59Z-)

①(z)=(1+0.717z-,)(1.41z-'-0.83z-2)

6)求控制器D(z)d-^')(1-0.3682-1)

"(z)---------;------------;-

0.368z-,(l+0.717z-1)

。⑶=1①(z)

G(z)1—①⑶(1+0.717zT)(1.41zT-0.83z")

x(1-ZT)2(1-0.59ZT)

(1-0.368Z7)(1.41-0.83ZT)

0.368(1-z-1)(1-0.59z-,)

最少拍無紋波設(shè)計(jì)步驟：

1)根據(jù)廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)已知N=2,M=2

N(分母多項(xiàng)式的塞次)所以d=0

M(分子多項(xiàng)式的幕次)w=l(即分子多項(xiàng)式中的(1+0.717Z-))

d=N-M延時(shí)v=l,j=l；

w在所有零點(diǎn)的總數(shù)(不包括無窮遠(yuǎn)的零點(diǎn))q=1(單位階躍輸入)

V在Z平面的單位圓上或圓外極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

j在Z平面的單位圓上極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

q(輸入類型)

2)確定Fl(z)和F2(z)的嘉次m和nm二卬+d=1

in=w+dn=v-j+max(j,q)=1

/?=v-j+max(，q)所以：

/(z)=l+啟/z-2+…+九z—mqz)=i+/“z-

12rt1

F2(z)=/21z-4-^2z-+...+/21z-F2(Z)=/2IZ-

3)確定①e(z)①e(z)=甘(_,zT)(l—zT)maMj⑷居(z)

0(z)=l-(P(z)=#(1—qzT)

f■i=l■

.i=i.=(1-2=)2(1+力仔7)

,2

=l+(71I-l)z--/1Iz-

4)確定①(z)

①(z)=〃立(jz-1)F2(Z)

_/=1-

①(z)=z“F2(Z)

,

一r=l_=(1+0.717Z-)/21Z-'

="'0.7173

5)根據(jù)關(guān)系①*z)=l-e(z)使等式兩邊同幕次的/_1=_/[/；=().42

7,1J21解得：r11

1/H=0.717/U.=0.58

系數(shù)相等，解出尸1和尸2中的系數(shù)。21

所以：

,,

0)<,(z)=(l-z-)(l+0.42z-)

(U(z)=0.58z-,(I+0.717z_1)

6)求控制器D(z)(-7)(1-0.368Z-I)

。⑶=

1①⑶O368ZT(1+O717ZT)

Q(z)=

G(z)1-①⑶

0.58ZT(1+0.717ZT)

x(1—zT4+042/)

1-O.368Z-1

1+0.42Z-1

最少拍有紋波設(shè)計(jì)步驟：

1)根據(jù)廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)己知N=2,M=2

N(分母多項(xiàng)式的幕次)所以d二O

M(分子多項(xiàng)式的基次)u=O(即分子多項(xiàng)式中的(1+0.717z-1))

d=N-M延時(shí)v=l,j=l；

u在z平面的單位圓上或圓外零點(diǎn)的個(gè)數(shù)q=l(單位速度輸入)

V在Z平面的單位圓上或圓外極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

j在Z平面的單位圓上極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

q(輸入類型)

2)確定Fl(z)和F2(z)的導(dǎo)次m和ntn=u+d=0

in=u+dn=v-j+max(j,q)=1

n-v-j+max(j,q)所以：

耳(Z)=1+/“ZT+九Z-?+…+九Z-'”片(z)=l

,2nF(z)=fz-l

F2(z)=/21z-+/22z-+...+A^22l

3)確定①e(z)

②(Z)=(l-zT)mM?⑷片⑶

"y-j

00_/=!_

e(z)=l-①(z)=n(l-《zT)(l-zT)^M片(z)

.i=\.=(1-T)

確定①

4)(z)①(z)=zTfld-^z-1)F式Z)

①(z)=Z-dfj(l-4zT)鳥(z)-i=l_

L?=i.=3

5)根據(jù)關(guān)系中,(z)=l-①(z)使等式兩邊同嘉次的解得：力i=i

系數(shù)相等，解出尸1和尸2中的系數(shù)。所以：

1

Ot,(z)=(l-z-)

①⑵=2T

6)求控制器D(z)

=]1-ZT)(1-O.368ZT)X

16(z)0.368Z-,(14-0.717Z-,)(1-Z-1)

D(z)=

G(z)l-(D(z)(1-0.368Z-1)

-0.368(1+0.717z-,)

4.10被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

G(s)=+

S

采樣周期T=ls,采用零階保持器，針對(duì)單位速度輸入函數(shù)，按以下要求設(shè)計(jì):

(1)最少拍無紋波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)①(z)和。(z)；

⑵求出數(shù)字控制器輸出序列〃伏)的遞推形式。

解：廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)

(y-Ts.\

G(z)=Z------=

ISSJ卜噤畀

將T=1S代入，有

伉⑵

最少拍無紋波設(shè)計(jì)步驟：

1)根據(jù)廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)確定參數(shù)已知N=2,M=2

N(分母多項(xiàng)式的幕次)所以d=0

M(分子多項(xiàng)式的幕次)w=l

d=N-M延時(shí)7=2,j=2：

w在所有零點(diǎn)的總數(shù)(不包括無窮遠(yuǎn)的零點(diǎn))q=2(單位速度輸入)

V在Z平面的單位圓上或圓外極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

j在Z平面的單位圓上極點(diǎn)的個(gè)數(shù)

q(輸入類型)

2)確定F1⑵和F2(z)的黑次m和nm=w+d=\

m=w+dn=v-j+max(j,q)=2

n=v-j+max(j,q)所以：

K(z)=l+JzT+九Z-2+...十/z-wF,(z)=l+

2nZZZ2

F2(z)=/21z-'+/；2z-4-...+/21z-F2()=/2I-'+/22-

3)確定6e(z)

中,(z)=甘(_qzT)(l—Z-’maM⑷瑪(z)

中,(z)=l-e(z)=n(l_qzT)—⑷片(

21

.i=\.=(l-z-)(l+/I1z-)

,23

=l+(/11-2)z-+(l-2/1I)z-+/1Iz-

4)確定①(z)

①(z)=z“n(i-^z-,)B(Z)

中(z)=z"[0(l-々z。&(z)

-i=l_

12

=(l+z-)(/2Iz-'+/22z-)

，23

=/212-+(/21+/22)Z-4-/22Z-

5)根據(jù)關(guān)系中,,(z)=l-6(z)使等式兩邊同幕次的

/..-2=-72I

?1-2,=1)

系數(shù)相等，解出尸1和尸2中的系數(shù)。-(f22+人

,f\\=~fll

/H=3/4

解得：Ai=5/4

/22=-3/4

所以：

,2

OT,(Z)=(1-Z-)(1+3/4Z-')

①(z)=(1+z-1)(5/4z-,-3/4z-2)

6)求控制器D(z)

1中⑶

。⑵二

G(z)l-O(z)

(14-Z-1)(5/4Z-1-3/4Z-2)

(I-Z-,)2(1+3/4Z-1)

_10-6Z-1

-4+3z-,

11.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為

&(5)=等1

M"l"1

采樣周期T=ls,要求：

(1)采用Smith補(bǔ)償控制，求取控制器的輸出〃伏)；

(2)采用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D(z),并求取u[k)的遞推形式。

(1