计算机控制系统课后习题答案

1-1 什么是计算机控制系统？画出一个实际计算机控制系统原理结构图，并说明一个计算机控制系统由哪些部分组成及各部分的作用。

利用计算机参与控制的系统称为计算机控制系统。

1-2 简述计算机控制系统的控制过程。

实时数据采样

实时计算控制量

实时控制

实时管理

1-3 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？

(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。

(2)“在线”方式：生产过程和计算机系统直接连接，并接受计算机直接控制的方式称为在线或联机方式。

(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制的方式叫做“脱机”方式或“离线”方式。

1-4 计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

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。

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。

(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)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。

(4)生产过程装置

a.测量变送单元：为了测量各种参数而采用的相应检测元件及变送器。

b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构。

1.5 计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。

系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。

系统软件包括：

a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；

b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序；

c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等；

d.信息处理：指文字翻译、企业管理等。

(2)应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。

应用软件包括：

a.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等；

b.过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；

c.公共服务程序：包括基本运算程序、函数运算程序、数码转换程序、格式编码程序。

1-6 计算机控制系统有哪些特点？

微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：

a.控制规律的实现灵活、方便

b.控制精度高

c.控制效率高

d.可集中操作显示

e.可实现分级控制与整体优化

f.存在这着采样延时

1-7 计算机控制系统有哪些类型？

(1)操作指导控制系统

(2)直接数字控制系统(DDC系统)

(3)监督计算机控制系统(SCC系统)

(4)分布式控制系统（DCS系统）

2-3 什么是过程通道？过程通道分哪几类？

过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。

信息传递的方向：输入过程通道和输出过程通道；

传递和交换的信息：数字量过程通道和模拟量过程通道。

2-4 数字量过程通道由哪几部分组成？个部分的作用是什么？

数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。

数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。

数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。

2-6 模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。

(1)信号调理电路：小信号放大、信号滤波和信号变化和整形。

(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。

(3)采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。

(4)A/D转换器：将模拟量转换成数字量。

2-7 对理想多路开关的要求是什么？

开路电阻为无穷大，导通电阻为零，切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。

2-9 在数据采样系统中，是不是所有的输入通道都需要加采样保持器？为什么？

不是，只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设计采样保持电路。

2-10 设被测温度变化范围为0℃~1200℃，如果要求误差不超过0.4℃，应该用分辨率为多少位的A/D转换器？

选择依据：

2-11 A/D转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有什么特点？

判断本次AD转换是否完成。

常见的A/D转换有以下几种控制方式，各自特点如下

•延时等待法:EOC可不和I/O口连接，程序设计时，延时大于ADC转换时间后，取数据。

•保持等待法:EOC与READY相连,EOC低电平时,自动插入等待状态。直至EOC高电平时，取数据。

•查询法: EOC可以和任意I/O口连接，程序设计时，反复判断EOC是否有效，直至EOC高电平时，取数据。

•中断响应法: EOC与外部中断相连，AD转换结束后,发中断申请,在中断服务程序中取数据。

3-2 简述数字控制器的模拟化设计基本思想及设计步骤。

思想：将计算机控制系统看作是一个连续系统，采用连续系统设计方法设计出模拟控制器，在满足一定条件下，对其离散化处理，形成数字控制器。

S1：设计模拟控制器——D(s)

S2：选择合适的采样周期T

S3：模拟控制器D(s)的离散化

S4：仿真校验是否达到设计要求

S5：数值控制器的计算机实现

3-4 计算机控制系统中，采样周期的选择学要注意什么问题？

1.从被控对象的特性考虑：

（1）慢速的热工对象：T=Tp/(2~4)

（2）快速系统，T<1/10Tp；

（3）纯滞后对象，T<（1/10~1/4) τ；

大纯滞后，T= τ

2.从控制系统的响应快速性和抗干扰性能方面考虑：

T选择要小些

经验：在闭环响应的一个振荡周期内至少采样6~8次；

或者，在闭环阶跃响应的上升时间内至少采样2~4次；

3.从系统的控制品质方面考虑：

T选择的越小，控制品质越高，在系统输出达到95%的过渡过程时间内，采样6~15次；

4.从计算机的工作量和回路成本方面考虑：

T选择要大一些

T>=各个回路采样周期的和

5.从计算机及AD、DA转换器的特性方面考虑：

T选择的过小，计算机的量化误差会使调节作用减弱。

6.从执行机构的响应速度方面考虑：

T选择的过小，执行机构不能及时响应。

3-11 试写出数字PID控制的位置适和增量式，比较他们的优缺点。

位置型算式：

增量型算式：

（1）位置型算法容易产生大的累加误差。增量型算法不需要做累加，对控制量的计算影响较小。

（2）采用增量式算法时所用的执行器本事都是具有保持功能，在计算机放生故障时，执行器保持原位，不会对生产造成恶劣影响。

（3）采用增量型算法，由于算式中不出现U0项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。

3-12 试说明PID控制器中比例、积分、微分环节的作用。

比例环节：能迅速放映偏差，从而减小偏差，但不能消除静差，Kp的加大，会引起系统的不稳定；

积分环节：只要系统存在偏差，积分环节就会产生控制作用减小偏差，直到最终消除偏差，但积分作回事系统超调加大，甚至是系统出现震荡；

微分环节：有助于系统减小超调，客服震荡，加快系统的响应速度，减小调节时间，但Td过大，会使系统不稳定。

3-13 试描述PID控制器中比例系数，积分时间常数和微分常数的变化对闭环系统的动态特性和稳态特性的影响。

Kp增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降；

Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢；

Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱。

3-15 什么叫积分饱和？

系统有较大的扰动或给定值有较大变化时由于系统系统的惯性偏差e将随之增大，标准PID算法中的积分项将有较大的积累值，以致使位置式PID的计算结果超出Umin≤U≤Umax所限定范围。主要由PID位置算式中的积分项引起的。

消除方法：对PID控制算法计算出的控制量进行约束，也就是对积分项和微分项进行改进，形成各种改进的数字PID控制算法

3-16 不完全微分数字PID算法解决了标准数字PID控制算法中什么问题？试推导出不完全微分数字PID的增量式。

不易引起振荡，改善控制效果，是控制器的抗干扰能力得到提高。

3-18 对PID控制器参数整定的目的是什么？叙述扩充响应曲线发整定PID参数的步骤。它适用于什么类型的被控对象？

在控制器的形式已经确定的情况下，通过调正控制器参数，达到要求的控制目标

整定步骤如下：

① 选择一足够小的采样周期。若系统存在纯滞后，采样周期应小于纯滞后的1／10。

② 投入纯比例控制，使控制系统出现临界振荡。记下临界比例系数和临界振荡周期。

③选择控制度；

④按扩充临界比例度法参数整定计算公式，求取 T、K p、Ti、Td。

⑤按求得的参数运行，在运行中观察控制效果，用试凑法适当调整有关控制参数，以便获得满意的控制效果。

适用于具有自平衡性的被控对象，不需要被控对象的数学模型。

4-1 简述数字控制器离散化设计方法的基本思想和设计步骤。

思想：若已知系统广义脉冲传递函数G（Z）， 且可根据设计要求，和控制系统性能指标构造出，就可以根据D（Z）=/G（Z），[1-]直接求出数字控制器D（Z）。

步骤：S1：求系统广义脉冲传递函数，即对带有零阶保持器的被控对象传递函数进行变换。

S2：根据对控制系统性能指标的要求和其他约束条件，构造系统的闭环脉冲传递函数。

S3：求出数字控制器。

S4：检验计算机控制系统闭环性能。若满足指标要求，进行下一步；否则，重新进行设计。

S5：将D(z)变为差分方程，在计算机上编程实现。

4-2 什么是最小拍系统？最小拍控制的性能指标是什么？最小拍系统有什么不足之处?

所谓最小拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。

性能指标：系统的调节时间最短或者尽可能最短

不足之处：当输入信号形式改变时，系统的性能将变坏，输出响应不一定理想，对输入信号变化的适应性差

4-6 Dahlin算法的设计目标是什么？

设计一个适合的数字控制器D（Z），使整个闭环系统的传递函数相当于一个一阶惯性纯滞后系统。

4-7 什么是振铃现象？振铃是如何引起的？如何消除振铃现象？

振铃现象：指数字控制器的输出u(k)以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动。

起因：数字控制器D（Z）在Z平面上Z=-1附近有极点

消除振铃现象的方法：

（1）参数选择法

对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数T0和采样周期T，使RA≤0，就没有振铃现象。即使不能使RA≤0，也可以把RA减到最小，最大程度地抑制振铃。

（2）消除振铃因子法

找出数字控制器D(z)中引起振铃现象的因子(即z=-1附近的极点)，然后人为地令其中的z=1，就消除了这个极点。根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。

5-5 数字滤波与模拟滤波相比有什么特点？

(1)由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，很容易实现。同时，多个输入通道还可以共用一个滤波程序。

(2)由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高,稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。

(3)数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。

(4)通过改写数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，它比改变模拟滤波器的硬件方便得多。

5-6 常用的数字滤波方法有几种？它们各自有什么特点？

常用的数字滤波方法有7种。

（1）程序判断滤波法：是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现得最大偏差。

（2）中值滤波法：它对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。

（3）算术平均值滤波法：它适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况。

（4）加权平均值滤波：可以提高滤波效果

（5）移动平均值滤波法：采样时间短，可以提高检测速度

（6）一阶惯性滤波法：适用于慢速随机变量的滤波

（7）复合滤波：比单纯的平均值滤波的效果要好

5-7 算术平均值滤波、加权平均值滤波以及滑动平均滤波三者有什么区别？

算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。这种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N，当N较大时平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况选取N值。对于一般流量，通常取N=12；若为压力，则取N=4。

在算术平均滤波中，N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N。但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。这种方法称为加权平均滤波法，也称滑动平均或加权递推平均。其算法为

其中。

加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值愈靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大了些。

滑动平均值滤波法，依次存放N次采样值，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包含新值在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。

6-2 什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？

共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种:变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。

串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种：在输入回路中接入模拟滤波器；使用双积分式A/D转换器；采用双绞线作为信号线；电流传送，

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