计算机控制技术试卷

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1、山东科技大学2010-2011学年第二学期计算机控制技术考试试卷一、简答题（每题4分，共40分） 1、简述计算机控制的典型形式有几种。 2、简述接口和过程通道的定义。 3、绘制计算机控制系统框图。 4、简要说明PID控制器的P、I、D作用。 5、简述数字滤波方法的种类。 6、简要回答DDC的含义。 7、简单说明模数转换和数模转换的物理意义。 8、简要说明采样定理的物理意义。 9、简要介绍采样保持器的作用，举一个例子。 10、采样周期的选定应注意什么问题？二、计算题（每题10分，共10分） 利用后向差分法和双线性变换法将下式进行离散化。并写出差分方程和绘制程序流程图。三、计算题（每题20分，共2

2、0分） 将 离散化，求取位置算法和增量算法表达式，并绘制实时性较高的程序编写流程图。四、计算题（每题10分，共10分） 若加工第一象限OA，起点O（0，0），终点A（11,7）。要求： （1）按逐点比较法插补进行列表计算； （2）做出走步轨迹图，并标明进给方向和参数。五、设计题 假设ADC0809的端口地址经编译器译码得到为FOH，画出8051与ADC0809的连接器，并写出从IN7路采集信号的程序。六、计算题（每题10分，共10分） 已知模拟调节器的传递函数 ，采用数字PID算式实现，试分别写出相应的连续位置型PID和增量型PID算式及其各自的离散化方程。设采用周期T=0.2s。答案：一、1

3、、计算机控制系统的典型形式:(1)操作指导控制系统。优点：结构简单，控制灵活和安全，缺点是由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。（2）直接数字控制系统（DDC），实时性好，可靠性高和适应性强。（3）监督控制系统（SSC），是生产过程始终处于最优工况。（4）分型控制系统（DCS），分散控制，集中操作，分级管理。（5）现场总线控制系统（FCS），降低成本，提高可靠性，可实现真正的开放式互连系统结构2、接口定义：接口是连接通道与计算机的中间设备，经接口联系，通道便于接受微机的控制，使用它可达到由微机从多个通道中选择特定通道的目的。过程通道：过程通道是主机与工业生产过程之间信号的传递和转换的连接

4、通道。4、比例控制 作用：对当前时刻的偏差信号e(t)进行放大或衰减，控制作用的强弱取决于比例系数； 特点：它能迅速反应误差，从而减小误差，加快响应速度。 缺点：不能消除静态误差，过大甚至造成系统不稳定。积分控制 作用：通过对误差累积的作用影响控制量，并通过系统的负反馈作用减小偏差；特点：与e(t)存在全部时段有关，只要有足够的时间,积分控制将能够消除稳态误差。缺点：不能及时地克服扰动的影响微分控制 作用：反应e(t) 变化的速度，在偏差刚刚出现时产生很大的控制作用，具有超前控制作用；作用：有助于减小 超调和调整时间，改善系统的动态品质;缺点：不能消除系统的稳态误差。5、数字滤波方法的种类：1

5、、限幅滤波法（又称程序判断滤波法） 优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰 缺点：无法抑制那种周期性的干扰 平滑度差 2、中位值滤波法 优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰；对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果 缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜 3、算术平均滤波法 优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动 缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM 4、递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法） 优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统 缺点：灵敏度低

6、，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM 5、中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法） 优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费RAM 6、限幅平均滤波法 优点：融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差 缺点：比较浪费RAM 7、一阶滞后滤波法 优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合 缺点：相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a值大小，

7、不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号 8、加权递推平均滤波法 优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象，和采样周期较短的系统 缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号，不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差 9、消抖滤波法 优点： 对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动 缺点：对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统 10、限幅消抖滤波法 优点：继承了“限幅”和“消抖”的优点，改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统 缺点

8、：对于快速变化的参数不宜6、直接数字控制系统(Direct Digital Control简称DDC)，计算机通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。因此DDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。由于DDC系统中的计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可靠性高和适应性强。为了充分发挥计算机的利用率，一台计算机通常要控制几个甚至几十个回路，那就要合理的设计应用软件，使之不失时机的完成所有功能。 DDC(Direct Di

9、gital control)直接数字化控制，是一项构造简单操作容易的控制设备，它可借由接口转接设备随负荷变化作系统控制，如空调冷水循环系统、空调箱变频自动风量调整及冷却水塔散热风扇的变频操控等，可以让空调系统更有效率的运转，这样，不仅为物业管理带来很大的经济效益，而且还可使系统在较佳的工况下运行，从而延长设备的使用寿命以及达到提供舒适的空调环境和节能之目的。 可实现高度集中的数字控制，DDC 采用全光电隔离、电源电压监视、瞬间脉冲干扰抑制、数字滤波、看门狗等多种抗干扰措施，可靠性高，性价比高，操作简单，多用于中央空调，新风机组，给排水换热站等机电没备温度、湿度、压力、流量等测量控制。在集散控制

10、系统中，通常用作现场直接控制器，通过通讯总线与中央控制站联络。7.采样定理采样是将一个信号（即时间或空间上的连续函数）转换成一个数值序列（即时间或空间上的离散函数）。采样定理指出，如果信号是带限的，并且采样频率高于信号带宽的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。限信号变换的快慢受到它的最高频率分量的限制，也就是说它的离散时刻采样表现信号细节的能力是有限的。采样定理是指，如果信号带宽小于采样频率（即奈奎斯特频率的2倍），那么此时这些离散的采样点能够完全表示原信号。高于或处于奈奎斯特频率的频率分量会导致混叠现象。大多数应用都要求避免混叠，混叠问题的严重程度与这些混叠频率分量的相对

11、强度有关。采样简介从信号处理的角度来看，此采样定理描述了两个过程：其一是采样，这一过程将连续时间信号转换为离散时间信号；其二是信号的重建，这一过程离散信号还原成连续信号。连续信号在时间（或空间）上以某种方式变化着，而采样过程则是在时间（或空间）上，以T为单位间隔来测量连续信号的值。T称为采样间隔。在实际中，如果信号是时间的函数，通常他们的采样间隔都很小，一般在毫秒、微秒的量级。采样过程产生一系列的数字，称为样本。样本代表了原来地信号。每一个样本都对应着测量这一样本的特定时间点，而采样间隔的倒数，1/T即为采样频率，fs，其单位为样本/秒，即赫兹(hertz)。信号的重建是对样本进行插值的过程，

12、即，从离散的样本xn中，用数学的方法确定连续信号x(t)。从采样定理中，我们可以得出以下结论：如果已知信号的最高频率fH，采样定理给出了保证完全重建信号的最低采样频率。这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特采样率，通常表示为fN相反，如果已知采样频率，采样定理给出了保证完全重建信号所允许的最高信号频率。以上两种情况都说明，被采样的信号必须是带限的，即信号中高于某一给定值的频率成分必须是零，或至少非常接近于零，这样在重建信号中这些频率成分的影响可忽略不计。 在第一种情况下，被采样信号的频率成分已知，比如声音信号，由人类发出的声音信号中，频率超过5 kHz的成分通常非常小，因此以10 kHz的频率

13、来采样这样的音频信号就足够了。在第二种情况下，我们得假设信号中频率高于采样频率一半的频率成分可忽略不计。这通常是用一个低通滤波器来实现的。混叠如果不能满足上述采样条件，采样后信号的频率就会重叠，即高于采样频率一半的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号。这种频谱的重叠导致的失真称为混叠，而重建出来的信号称为原信号的混叠替身，因为这两个信号有同样的样本值。一个频率正好是采样频率一半的弦波信号，通常会混叠成另一相同频率的波弦信号，但它的相位和幅度改变了以下两种措施可避免混叠的发生：提高采样频率，使之达到最高信号频率的两倍以上；引入低通滤波器或提高低通滤波器的参数；该低通滤波器通常称为抗混叠滤波器

14、抗混叠滤波器可限制信号的带宽，使之满足采样定理的条件。从理论上来说，这是可行的，但是在实际情况中是不可能做到的。因为滤波器不可能完全滤除奈奎斯特频率之上的信号，所以，采样定理要求的带宽之外总有一些“小的”能量。不过抗混叠滤波器可使这些能量足够小，以至可忽略不计。9、采样保持器的作用：计算机系统模拟量输入通道中的一种模拟量存储装置。它是连接采样器和模数转换器的中间环节。采样器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值。采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。在模数转换器工作期间采样保持器一直保持

15、着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高模数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。一般生产过程控制计算机的模拟量输入可能是每秒几十点、几百点，对于大型系统甚至上千点,往往需要高速采样(如500010000点秒)。为使这些模拟量信号逐个地送到模数转换器，而不至降低被测信号的真实性，必须采用采样保持器。在低速系统中一般可以省略这种装置。10、采样周期的选择主义事项：必须注意，控制周期的选取应与PID控制参数的整定综合考虑。选取控制周期时，一般应考虑下列几个因素：（1） 控制周期应远小于被控对象的扰动信号的周期。（2） 控制周期应比被控对象的时间常

16、数小得多，否则无法反映瞬变过程。（3） 考虑执行器的响应速度。如果执行器的响应速度比较慢，那么过短的控制周期将失去意义。（4） 对象所要求的调节品质。在计算机运算速度允许的情况下，控制周期短，调节品质好。（5） 性能价格比。从控制性能来考虑，希望控制周期短。但计算机运算速度，以及A/D和D/A的转换速度要相应的提高，导致计算机的费用增加。（6） 计算机所承担的工作量。如果控制的回路数多，计算量大，则控制周期要加长，反之，可以缩短。由上述分析可知，控制周期受各种因素的影响，有些事相互矛盾的，必须视具体情况和主要的要求作出折中的选择。 其他题目例1：采用逐点比较法插补直线OP，起点坐标O(0，0)

17、，终点坐标P(5，-4)，要求以表格形式给出插补计算过程，并画出插补运动轨迹。（10分）解：插补运算过程如下步数误差判别坐标进给误差计算终点判别初始化F=0=5+4=91F=0+xF=F-yp= -4=-1=82F0+xF=F-yp= -3=-1=64F0+xF=F-yp= -2=-1=46F0+xF=F-yp= -1=-1=28F0+xF=F-yp=0=-1=0 End例2、已知广义被控对象:, 给定T=1s (20分) 针对单位阶跃输入设计最小拍无纹波控制系统, 并画出系统的输出波形图。解：广义对象脉冲传递函数为可以看出，G(z)的零点为-0.718(单位圆内)、极点为1(单位圆上)、0.

18、368(单位圆内)，故w=0,v=0(单位圆上除外), m=1。针对阶跃输入进行设计，故p=1。于是可设 解得 。闭环脉冲传递函数为 则 例3、已知广义被控对象为 （15分）其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用大林算法确定数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为闭环系统理想脉冲传递函数为得大林控制器如下例4 何为积分饱和现象？如何消除积分饱和现象？答：在标准PID位置算法中，控制系统在启动、停止或者大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，可能会使控制量u(k)很大，甚至超过执行机构的极限uma

19、x。另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现uumin的另一种极端情况。显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。 减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。因此当偏差大于某个规定的门限值时，删除积分作用，PID控制器相当于一个PD调节器，既可以加快系统的响应又可以消除积分饱和现象，不致使系统产生过大的超调和振荡。只有当误差e在门限之内时，加入积分控制，相当于PID控制器，则可消除静差，提高控制精度。例5、已知控制系统的被控对象的传递函数为，采样周期T1s，若选闭环系统的时间常

20、数，试用大林算法设计数字控制器。若出现振铃现象，修正数字控制器，消除振铃现象。（20分）解：采样周期T=1s，期望闭环脉冲传递函数为进而被控装置广义脉冲传递函数则由振铃现象产生的原理知，用常规大林算法设计的被控对象为二阶的系统必产生振铃现象。在D(z)中的靠近z1的两个因子中令z1来消除振铃现象，即例6：写出增量型PID的差分控制算式。答：增量型PID控制算式可以写为例7什么是数字PID位置控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点？（5分） 答：数字式PID位置型控制算法每次输出的控制量表征执行机构的位置；数字式PID增量型控制算法每次输出的是控制量相对于上次控制量的增量。增量型算法不需要

21、做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小，增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，位置型算法的输出是控制量的全量输出，误动作影响大，采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。例8什么是平衡传输方式和不平衡传输方式？试比较两种方式的性能。 答：平衡传输方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号；不平衡传输方式是用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单线输入信号；在不平衡传输方式中，信号线上所感应到的干扰河地线上的干扰将迭加后影响接收信号，在平衡传输方式中，双绞线上感应的干扰

22、相互抵消，地线上的干扰又不影响接收端，平衡传输方式在抗干扰方面有较好的性能，并适合较远距离的数据传输。例9 某系统的连续控制器设计为：D（S）=U（S）/E（S）=（1+T1S）/（1+T2S），试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D（Z），并分别给出三种方法对应的递推控制算法（12分） 解： 双线性变换法的数字控制器为：D（Z）=（1 + 2/T x (Z-1)/(Z+1)x T1）/（1 + 2/T x (Z-1)/(Z+1)x T2） = (T - 2T1 +(T + 2T1) x Z)/ (T - 2T2 + (T + 2T2) x Z)对应的递推控制算法为：u(

23、k) = -(T - 2T2)/(T + 2T2) x u(k-1)+ (T + 2T1)/(T + 2T2) x e(k) + (T - 2T1)/(T + 2T2) x e(k-1)前向差分法的数字控制器为：D（Z）=（1 + T1 x (Z-1)/ T）/（1 + T2 x (Z-1)/ x T） =（T - T1 + T1 x Z）/ (T - T2 + T2 x Z)对应的递推控制算法为：u(k) = -(T - T2)/ T2 x u(k-1) + (T + T1)/ T2 x e(k) + (T - T1)/ T2 x e(k-1)后向差分法的数字控制器为：D（Z）=（1 + T

24、1 / Z x (Z-1)/ T）/（1 + T2 / Z x (Z-1)/ x T） =（T x Z - T1 + T1 x Z）/ (T x Z - T2 + T2 x Z)对应的递推控制算法为：u(k) = T2 / (T + T2) x u(k-1) + (T + T1)/ (T + T2) x e(k) - T1 / (T + T2) x e(k-1) 例10 如何利用试凑法调整PID算法的参数？ 答：(1)先整定比例部分：将比例系数KP由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反映快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那只须用比

25、例调节器即可，最优比例系数也由此确定。 (2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI,同时将第一步整定得到的比例系数KP缩小一些(比如取原来的80%)，然后减小积分时间系数使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数KP和积分时间系数TI,从而实现满意的控制过程和整定参数。 (3)如果即使有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，同时相应地改变比例系数KP和积分时间系数TI，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。