计算机控制系统复习

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1、1.简述采样定理的基本内容。答：采木定理：如果连续信号f具有有限频谱，其最高频率为max,则对f(t)进行周期采样且采样角频 . . * -， , 、 . . . . . . * 率s 2 max时，连续信号f(t)可以由米样信号f (t)唯一确定，亦即可以从f (t)无失真地恢复f(t)。2 .线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模IZi | 1,即闭环脉冲传递函数的极点均位于Z平面的单位圆内。3 .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UiUi i Kpe ei Te TD（e 2ee 2）T i

2、14 .如何消除比例和微分饱和现象？答：“积分补偿法”。其中心思想是将那些因饱和而未能执行的增量信息积累起来，一旦有可能再补充执行。这样，动态过程也得到了加速。即，一旦 U超限，则多余的未执行的控制增量将存储在累加器中；当控制量脱离了饱和区，则累加器中的量将全部或部分地加到计算出的控制增量上，以补充由于限制而未能执行的控制。5 .何为最少拍设计？答：最少拍设计，是指系统在典型输入信号(如阶跃信号，速度信号，加速度信号等)作用下，经过最少拍(有限拍)，使系统输出的稳态误差为零。6 .简述计算机网络的功能及特点。答：(1)数据信息的快速传输和处理，以实现实时管理和实时监控。(2)可共享计算机系统资

3、源。(3)提高了计算机的可靠性。(4)能均衡负载、互相协作。(5)能进行分布处理。在计算机网络中，可根据具体要求选择网内最合适的资源来处理。(6)计算机网络的智能化，提高了网络的性能和综合的多功能服务，并能更加合理地进行应用，以提高综合 信息服务的水平。7 .干扰的作用途径是什么？答：无论是内部干扰还是外部干扰，都是从以下几个途径作用于系统的。1)传导耦合 2)静电耦合 3)电磁耦合 4)公共阻抗耦合8 .简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。答：开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。9 .什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？答：串模干扰及其抑制方法串

4、模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。(2)串模干扰的抑制方法采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；应用带通滤波器。当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的； 或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行 电磁

5、屏蔽。共模干扰及其抑制方法(1)共模干扰：所谓共模干扰是指模 /数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。(2)共模干扰的抑制方法变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，以使共模干扰电压Ucm不成回路，从而抑制了共模干扰。光电隔离光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。浮地屏蔽采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。采用仪表放大器提高共模抑制比仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号器件。10 .计

6、算机控制系统中主机有那些？答:常用的计算机控制系统主机有可编程控制器，单片机，嵌入式控制系统，数字信号处理器，ARM处理器11 .简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。答：(1)连续信号连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的，也可以是断续的。(2)模拟信号模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。(3)离散信号离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。(4)采样信号采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。在很多场合中，我们提

7、及离散信号就是指采样信号。(5)数字信号数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。12 .简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用， 使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数Kp可以减小静差，但是 Kp过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差， 可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏

8、差 e不为零，它将通过累积作用影响控制量 u,从而减小偏差，直到 偏差为零。积分时间常数 大，则积分作用弱，反之强。增大 将减慢消除静差的过程，但可减 小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控 制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。13 .连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？答：与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点：(1)计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。(2)在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通

9、过程序实现的(数字控制器)，修改一个控制规律，只需修改 程序，因此具有很大的灵活性和适应性。(3)计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。(4)计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。(5) 一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式，同时控制多个回路。(6)采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。14 .为提高计算机控制系统的可靠性，通常采取的措施有哪些？答：为提高计算机控制系统的可靠性，通常采取以下几种措施：（1）提高元器件和设备的可靠性。（2）采取抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力。（

10、3）采用可靠性设计技术。（4）采用故障诊断技术。15 .某加热炉温度变化范围为01600C,经温度变送器和调理电路输出电压为15V,再经ADC0809转换（ADC0809的输入范围15V），使计算当采1数值为 9BH时，所对应的加热炉温度是多少?1、某加熟炉温度变化范围为0-1600P ,经温度变送器和调理电路输出电压为）再经 ADCG809转换ADC0&O9的电压转换他围为0 f/人 试计算当采详数值为9BH时，所对应的 加热炉温受是多少？（10分）解!第一种解法；根据题茗，加热炉温度为1600可时，ADC0SO9的稀出为255?（FC时.ADC0809的输出为0, （5分）因此 当亮样数值

11、为9BH=1D时,根据标度变换公式，加热炉的温度为1转1600x=972.5乜 15 分）：5 5;一最:一*：一三二丁，二二分 看三釜今二七三,之注五三官益一二亏三二；三;二/If第二种解法工计算当采样数值为9BH=155D时,ADC0809输入模拟量（即变送调理电路的输出）为:C； =0 + （5-0）12.= 3.04（V） （5分）此时对应加热炉温度为：7 = 0-（1600 -0） 04 =Q72,5 口分）5-0评分标准:分值分配如上,共分，若对30手没有任何说叟扣5分.&某加热炉温度变化范用为57 8001二经温度变送器和调理电路检出也张为I 5V,西经ADC0&U9转换（ADC

12、0W09的输入范围15V）,使计算当采样数值为9B, 小 所对应的如热炉温度是多少? （6分）解: FFH- （25） n9BH= （155） ioI16 .画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下:瓶型计算机控制器反给定位|_17 .在计算机控制系统中，一般有哪几种地线？答：在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地、逻辑地、屏蔽地18 .什么是采样或采样过程？答：采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。19 .什么是信号重构？答：把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的

13、逆过程。20 .写出零阶保持器传递函数，引入零阶保持器对系统开环传递函数极点有何影响？1 e Ts 一答：零阶保持器白传递函数为Ho(s)。零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递函数的极点。s21 .数字控制器的连续化设计步骤？1、求出模拟调节器的传递函数D(S)2、选择合适的采样周期 T3、把D(S)离散化，求出数字控制器的脉冲传递函数D(z)4、检验系统的闭环特性是否满足设计要求5、把D(z)变换成差分方程的形式，并编程实现6、现场调试22 .简述数字滤波技术，其算法有哪些 ？答：所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。故实质上它是一种程序滤波。程序判断滤波

14、、中值滤波、算术平均数滤波、加权算术平均值滤波、移动算术平均值滤波、惯性滤波、复合滤波23 .给出常规的直接设计法或离散化设计法的具体设计步骤。答：直接设计法或称离散化设计法的具体设计步骤如下：(1)根据已知的被控对象，针对控制系统的性能指标要求及其它约束条件，确定理想的闭环脉冲传递函数(z)。(2)确定数字控制器的脉冲传递函数D(z);根据D(z)编制控制算法程序。24 .使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧的电气被彻底隔离？答：光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。25 .逐点比较法插补原理。逐点比较法又称代数运算法或醉步法，其基本原理是每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要

15、通过偏差函数计算，判断偏差的瞬时坐标与规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。126 .用双线性变换法求模拟控制器 D(s) 一等效的数字控制器，设采样周期 T=0.5s。s s 2解:D(z) D(s)2 1 z 1 sT1 z 111121 z1 21 z111 2T 1 z 1 T 1 z 11 20.04171 z11 z 1 1 0.3333z 127.设被测温度变化范围为0oC1200oC,如果要求误差不超过0.4oC,应选用分辨为多少位的 A/D转 换器？解：n log 1212000.41228、已知1,F心求F。解:F(z) Z F(s)1s(s 5)111二 11

16、5T 15 1 z 1 e z0.2(1-e5T)z-1(1 z1)(1 e5Tz1)29.已知 Gc(s)1 0.15s0.05s写出等效的增量型数字PID控制器的差分形式。解:D(z) Gc(s)20T 3 3z1U(z)E(z)Ui M1 (20T 3)e 3ei1被控对象的传递函数为Gc s30、已知某连续控制器的传递函数为D(s)2 ns2 2 n s试用双线性变换法求出相应的数字控制器的脉冲传递函数D(z),并给出控制器的差分形式。其中 T 1s。解：令211 z1 zD(z)黑s2 2211n2(z4)z22 2z 1 1)(22 8)z1控制器的差分形式为2 u(k)-n8 u

17、(k41)4一u(k42)4(e(k)2e(k 1) e(k 2)D (S) -l (S) /E (S) - (1/5)/(1 IS),31 .某连续控制器设计为-试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。双线出变换法:把，=彳7 二一代耳，则J + 1(7 + 2仆+ 3(r十27J二十7_2劣7-1前向差分法:任二=代入.，!1口向差分法；一1杷 =代人则7 c?) 一IsTz32.某炉温度变化范围为 02000C,要求分辨率为 2C,温度变送器的输出范围为05V。若A/D转换器的输入范围也是05V,则A/D转换器的字长应为多少位？若 A/D转换器的字长不变，现通

18、过变送器零点迁移将信号零点迁移到400 C,此时系统对炉温变化的分辨率为多少？解：Xmax = 2000, Xmin = 0,入=2,由于A/D转换器的输入电压范围与温度变送器的输出电压范围都为0-5V ,所以A/D转换器的字长应为：n = log2 (1 + (Xmax - Xmin)/ 入)=log21001 10若A/D转换器字长不变，改变零点偏移，此时 Xmax = 2000, Xmin = 400,n = 10 ,系统对炉温的分辨率为: 入=(2000 - 400) / (210 - 1) = 1.564 C33.采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。答：LF398

19、的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关K的通断，若IN +的电压高于IN-的电压, 则K闭合，由Ai、A3组成跟随器，并向Ch端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时, 则K断开，外接电容保持K断开时刻的电压，并经 A3组成的跟随器输出至Aouto34微型计算机控制系统(如下图所示)的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？外部假餐愉aw出通地-H 扎机蚪I热行机HU -：； 塞*-开关呆1%n1L 防打机构 *州果变遥料麻殳过-4机由四部分组成:（1）主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象 的被控参数进行实时检测及处理。

20、主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算（如调节规律运算、最优化计算等）和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态； 对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。（2）输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。（3）外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台卜输入输出设备（磁盘驱

21、动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器（磁盘）。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还 要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。（4）检测与执行机构a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是 将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成 mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号（05V或420mA）后，再送入微机。b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控 制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构（调节阀）来控制进入加热炉的煤气（或油）量以实现预期的温度值。 常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式， 也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。