计算机控制技术习题.pdf

第一章概述2、控制的本质是什么？指导信息:参见L 1.2自动控制中的基本问题。控制过程本质上是一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等。控制系统中的目标信息、被控对象的初始信息、被控对象和环境的反馈信息、指令信息、执行信息等，通常由电子或机械的信号来表示。3、自动控制中有哪些基本问题？指导信息:参见1.L 2自动控制中的基本问题。自动控制中的基本问题包括：自动控制系统的结构、过程、目标和品质等。结构包括组成及其关系两个部分；控制过程主要为一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等；目标规则体现了系统的功能；控制品质即为控制的质量，可通过系统的性能指标来评价。6、一个典型的计算机控制系统由哪些部分组成？它们的关系如何？指导信息：参 见1.2.1计算机控制系统的结构。计算机系统分为硬件系统和软件系统，硬件系统包括计算机、输入输出接口、过程通道（输入通道和输出通道）、外部设备（交互设备和通信设备等），软件系统包括系统软件和应用软件，其中计算机系统作为控制单元，见 图1 6所示。计算机系统设计人员管理人员操作人员交互设备通 信 yA设备外围设备输入输出接 I计算机反馈单元入出口输输接A输入通道被控对象其他系统z软件系统（系统软件+应用软件）典型计算机控制系统的结构框图7、计算机控制系统有哪些分类？试比较、和的各自特点。指导信息:参见1.2.2计算机控制系统的分类。分类方法有：按系统结构的分类、按控制器与被控对象的关系分类、按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类、按控制规律分类。其中（）、（）、（）和（）是按计算机在控制系统中的地位和工作方式来分类的。中的计算机直接承担现场的检测、运算、控制任务，相当于“一线员工二系统中的计算机主要完成监督控制，指挥下级计算机完成现场的控制，相 当 于“车间主任”或“线长”。由多台分布在不同物理位置的计算机为基础，以“分散控制、集中操作、分级管理”为原则而构建的控制系统，中的计算机充当各个部门的“管理人员”，如过程管理、生产管理、经营管理等职能。是建立在网络基础上的高级分布式控制系统。在中，控制器、智能传感器和执行器、交互设备、通信设备都含有计算机，并通过现场总线相连接。这些计算机的功能不仅仅在于对一般信息处理，而是更强调计算机的信息交换功能。8、试通过实例来说明不同控制规律的特征。指导信息：参 见1.2.2计算机控制系统的分类。不同控制规律分类有恒值控制、随动控制、控制、顺序控制、程序控制、模糊控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。恒值控制：控制目标是系统的输出根据输入的给定值保持不变，输入通常是在某一时间范围内恒定不变或变化不大的模拟量。如恒温炉的温度控制，供水系统的水压控制，传动机构的速度控制。随动控制：控制目标是要求系统的输出跟踪输入而变化，而输入的值通常是随机变化的模拟量，往往不能预测。如自动导航系统、自动驾驶系统、阳光自动跟踪系统、雷达天线的控制等。控制：根据给定值与输出值之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的反馈控制，是工业上适用面较广、历史较长、目前仍得到广泛应用的控制规律。许多连续变化的物理量如温度、流量、压力、水位、速度等的控制，都可采用控制。许多恒值控制和某些随动控制也可采用规律来实现。顺序控制：根据给定的动作序列、状态和时间要求而进行的控制。如交通信号灯的控制、电梯升降的控制、自动包装机、自动流水线的控制。程 序 控 制（数值控制、数字控制）：指根据预先给定的运动轨迹来控制部件行动。如线切割机的控制、电脑绣花机的控制。模糊控制：基于模糊集合和模糊运算，采用语言规则表示法进行的控制。在许多家用电器（电饭煲、洗衣机等）、工业过程控制等领域得到了越来越多的应用。最 优 控 制（最佳控制）：使系统的某些指标达到最优，而这些指标往往不能直接测量，如时间、能耗等。自适应控制：在工作条件改变的情况下，仍能使控制系统对被控对象的控制处于最佳状态。它需要随时检测系统的环境和工作状况，并可随时修正当前算法的一些参数，以适应环境和工作状况的改变。自学习控制：能够根据运行结果积累经验，自行改变和完善控制的算法，使控制品质愈来愈好。它有一个积累经验和主动学习的过程，可以适时地调整算法的结构和参数，以不断地提高自身算法质量。第二章计算机控制系统的理论基础3、什么是连续系统的传递函数？什么是离散系统的脉冲传递函数？它们有什么实用意义？指导信息:参 见2.1.5用传递函数表示的系统模型，2.3.6脉冲传递函数。连续系统的传递函数定义为零初始条件下系统输出G(s)=拉氏变换与输入r )的拉氏变换之比，即：RG)离散系统的脉冲传递函数(也称Z 传递函数)可定义为：H(Z)=H R(z)其中，y团为系统输出序列夕例的z 变换，为输入序歹(J r 优)的Z 变换。传递函数或脉冲传递函数都反映了系统固有本质属性，它与系统本身的结构和特征参数有关，而与输入量无关。利用传递函数的表达式就能分析出系统的特性，如稳定性、动态特性、静态特性等；利用传递函数可通过求解方程代数而不是求解微分方程，就可求出零初始条件下的系统响应。特别指出，通过实验的方法，求出离散系统的脉冲传递函数更为方便有效。5、画出状态空间模型框图，写出输出方程和状态方程表达式。指导信息:参 见 2.1.7 状态空间概念和模型框图和2.3.7离散系统的状态空间描述。离散系统的状态空间描述与连续系统类似，其模型框图参见图 2-14所示。A 为状态矩阵、B 为输入矩阵、C 为输出矩阵、D为传输矩阵，延时单元可以看成一组D型触发器或数据寄存器。离散系统的状态空间描述方法输出方程和状态方程表达式用矩阵表示为:x(k+1)=A x(Z)+B r(k)y /)=Cx(2)+Dr(Z)8、写出下列序列与入网对应的Z变换。指导信息:参见2.3.3序列和差分方程。x l(k)=2+l +32+44 x 2 (k)=l+21+8*2/(l1)9、写出下列Z表达式所对应的序列表达式和序列图。(1)X l(z)=5 +3 z T z-2 +2 z Y ；(2)X 2(z)=2 +1 2 z(3)X 3(z)=l O z T1-l.l z-+0.3 z-2(4)X 4(z)=4.6 9(1-0.6 0 6/)1 +0.8 47z-1 指导信息：参见2.3.3序列和差分方程。x l(k)、x 2(k)、x 3(k)、x4(k)所对应的序列表达式和序列图如下：xl(k)=5 8(k)+3 8(1)-8 (2)埒 5 x2(k)=3S(k)S(1)+4 6(2)8 8(3)+9 8(4)+32 3(5)+64 6 +.x3(k)=0+1Q 8(1)+11 8(2)9.1 8(3)+6.7 1 8(4)+4.651 S(5)+3.1031 S(6)+x4(k)=4.69 8(k)弋.8169 6(1)巧.7739 6-4.89055 8+4.14232 d(4)+xl(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k)所对应的序列图如下:11、离散系统稳定的充要条件是什么？指导信息:参见2.4.2稳定性分析。根据自动控制理论，连续系统稳定的充要条件是系统传递函数的特征根全部位于s域左半平面，而对离散系统稳定的充要条件是系统脉冲传递函数的特征根全部位于Z平面的单位圆中。12、动态特性主要是用系统在单位阶跃输入信号作用下的响应特性来描述。常见的有哪些具体的指标?指导信息:参 见2.2.2连续系统的分析和设计方法回顾和2.4.4动态特性分析。系统的动态特性可通过多项性能指标来描述，常见的具体指标有上升时间、峰值时间、调节时间和超调量6等。1 3、已知如下所示的离散系统的G(z)、D(z),试分别求出不同A情况下的稳态误差。其中:G(z)=r(k)e(k)控 制 器 p(k)被控 对 象 y(k)0.2ZT(1+0.8ZT)(l-z-1)(l-0.6 z-1)D八(,Z、)=2.5(1-0.6 Z-1)D/)zkr j.|l +0.5Z-；勿分别取:1 z(1 z)指导信息:参见2.4.3静态误差分析。因为 (z).G(z)=2.5(1-o.6 z T)o 2 z-q+o.S z-1)o.S z-q+o.S z-1)l +0.5 z-1 (l-z-1)(l-0.6 z_ 1)-(l +0.5 z-l)(l-z-1)所以系统是I型系统。(l)R(z)=时，稳态误差4(A)为0。1 -Z7 T R(Z)=7 7r时，稳态误 差/因 为 正，(取1),其中(1-Z )AvK、,=l i m-(l-z-)D(z)G(z)6 Tliml0.5 z-(l +0.8Z-)z f T(l +0.5 z-1)0.5 1.8 “-二(J.o1.5则 e，k)1 1五一面x 1.667第三章器的设计与实现2、已知某对象的传递函数如下，分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的脉冲传递函数，设采样周期1s。i 屋 G2(s)=(o.h+10X.10.55+1),G3(S)=5+252+4s+3 指导信息:参见3.2.1积分变换法。根据公式(3-3)和(3-5)计算。G(z)=G(S)|,_T G(Z)=G(S)_2 1-z_1T=有7 r用向后矩形法求解(设1)：Gl(z)=Gl(s)227G2(z)=G2(s)G3(z)=G3(s)匕 l-z-1r 4-+3T1+1 _ 7 T 1 _ 7 Ts(0.1+l)-(0.5-+1)1-：-2T3 1 T-z8 8l-z_，_ 1 7 T一 j4+3T 4用梯形变换法(设1)Gl(z)=Gl(s)2=A2 l-zT 1+Z-1 4-T 1+z2 2 I z_=11 11-i5+3 1-z-1 11G2(z)=G2(s)21 314-z+33：z-+z-28_0J_IW2 1-z-1，、2 1-z,、T l+z(0.1-一 r+1)(0.5 r+1)T +z-T 1+z-11 +1 z _ 1 +1 z_224 12 24l+-z-3G3(z)=G3(s)2 1-z-1 c-r+2T 1 +zT4/15+8/15z-l+4/15z-2TT XI+Z-I (.-2-1-z-)2 2 +4.(.-2-1-z-,l+13/15z-l/5 z 2-l/15z 3r)+3T l+z-T 1 +z-14、写出的传递函数，并分别用向后矩形法和梯形变换法求出相应的,要求将表达式整理成规范的分式，设采样周期lSo 指导信息:参见3.2.1积分变换法和3.3.2数字控制算法。的 传 递 函 数 如 下:用向后矩形法求出相应的团如下：/即(1 ZT)+1/77+-(1-2-7 ZT+Z-2)z=(1-z-i)_ A(1+1/77+)+(-1-2-R)-ZT+R-Z-2-(1-z-1)用梯形变换法求出相应的如下：/)即(1+1/(277)+2)+(1/77 4北)/-、(1 +1/(2 77)+2)Z-2“厂(1-z-2)5、的、参数各有什么作用？指导信息:参见3.3.1控制的原理。比例系数的增大利于提高灵敏度，加快调节速度，减小稳态误差，但不能消除稳态误差。过大时，系统容易引起振荡，趋于不稳定状态。积分时间是消除系统稳态误差的关键，要与对象的时间常数相匹配，太小，容易诱发系统振荡，使系统不稳定；太大，则减小稳态误差的能力将削弱，系统的过渡过程会延长。微分时间的主要作用是加快系统的动态响应，即可以减少超调量，又可减小调节时间。但引入后，系统受干扰的影响会增加。6、数字控制的参数整定方法有哪些？各有什么特点？指导信息:参见3.3.3数字控制的参数整定。数字控制的参数整定方法常见的有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、归一参数法和经验整定法等。扩充临界比例度法在闭环系统中进行，在整定过程中允许出现振荡。扩充响应曲线法通过开环实验获得对象的动态特性，实验过程中不会出现振荡。归一参数整定法根据经验数据，人为地设定“约束条件”，只需要改变，就可观察控制效果。8、已知某控制系统的6如下，假定/分别在阶跃信号、单位速度信号激励下，按最少拍随动系统设计方法，求 出 ，并画出各点波形。Gc(Z、)=0.5z-(l+0.6Z-)(1-Z-)(1-0.4Z-)指导信息:参见3.4.2最少拍随动系统的设计。(1)在阶跃信号激励下：因 为G 0具有因子z L无单位圆外的零点，则应包括zT因子；G分母和均有(I-Z-)因子则勿应包含(1一一)；又因为。=，-G e(z),0)和 应 该 是z-同阶次的多项式，所以有：(z)=/-Gg(z)=a z1Ge(z)=(1-z)b=b-bz两式中的a,b为待定系数。将上两式联立，得：a=b-b +bz-=a z-,比较等式两侧，得到解：,.所以：(z)=-G,(z)=z-.Ge(z)G(zGe(z)、zT 2.(1-0.42-)D z)-；-；-=-；0.5ZT(1+0.6ZT).T、(l+0.6z-)()(1一0.42二 口)各点波形：序列数据:k:0 1 26 7r(k):1 1 11 1e(k):1.000 0.000 0.0000.000 0.000 0.000p(k):2.000-2.000 1.200-0.259 0.156-0.093y(k):0.000 1.000 1.0001.000 1.000 1.0003 4 51 1 10.000 0.000-0.720 0.4321.000 1.000在单位速度信号激励下:T-zR(z)=-(1-z-1)2因 为G含有因子z L则 口分子应包括 G分母有(人/)因子，R(Z)分 母 有 均 则 应 包 含 又 因为。=/-Ge(z),0和团应该是z-i同阶次的多项式，所以有:(z)=1 -G,(z)=az(1+bz)q-i z-y.c式中a、b、c为待定系数，求解上述方程组可得：a=2 0.5 1。所以有：(z)=1 -G(z)=2 z-1(1-0.5.z)=2 Z-I-z-2(z)=(l zT)2、zTD(z)=-=-G(z)-Ge(z)G(z)Ge(z)、2/T Z-2 2-(2-z-).(l-0.4z-)_)(z)=-=-0.5ZT(1+O.6ZT)_1、2(l+0.6z-|)-(l-z-1)()(1 一0.4打(口)各点波形：k k注意：按最少拍随动系统设计方法，p(k)会有纹波。序列数据：k:01234567r (k):01234567e(k):0.0 0 01.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 0p(k):0.0 0 0 4.0 0 0-2.0 0 02.4 0 0-0.2 4 01.3 4 40.3 9 40.9 6 4y(k):0.0 0 0 0.0 0 02.0 0 03.0 0 04.0 0 05.000 6.000 7.0001 0、按最少拍无纹波随动系统设计方法，求出前面习题8和习题9的，并画出各点波形。指导信息:参见3.4.3最少拍无纹波随动系统的设计。(1)在阶跃信号激励下：R(z)G(”里。出6门因 为G团具有因子z L单位圆内的零点0.6,则 应 包括Z-I和(1+0.6 9因子；G分母和均有(1-Z-，)因子则应包含(1-Z-，)因子；又 因 为=/-G&Z),和应该是尸同阶次的多项式，所以有：J (z)=1-Ge(z)=az(1+0.6z-1)=azl+0.6-a-z21Ge(z)=(1-z-1)(1+bz-1)=l-(1-b)z-bz-2两式中的a,b为待定系数。将上两式联立，可求得：0.62 5,0.3 75o(参考命令：(1),(0.6*a);)所以有：(z)=1-Ge(z)=0.625-z-1(1+0.6z-1)=0.625-z-+0.375-z-2VGe(z)=(1 z-l)(l+0.3 75z-1)=1-0.625-z-1-0.375-z-2将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数D(z)G(z)-Ge(z)0.625.z-l(l+0.6z-)0.5ZT(1+0.6ZT)(l-z-M l-O 4z-1)(l-z-l)(l+0.375z-1)1.25-(1-0.4ZT)(1+0.375-z-1)各点波形:2101-0.5注意：按最少拍无纹波随动系统设计方法，p(k)不会有纹波。g 0.5a0序列数据:k:01267r (k):111114311e(k):1.0 0 0 0.3 7 50.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 0P(k):1.2 5 0 -0.5 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 00.0 0 0 0.0 0 0y(k):0.0 0 0 0.6 2 51.0 0 01.0 0 01.0 0 01.0 0 01.0 0 0 1.0 0 051在单位速度信号激励下:因为G（z）含有因子z T 和零点0.6,因此，（z）中应含有Z-I、（1+0.6 9 项；G 分 母 和 A 团 均 有 q-z-，）因 子 则 口 应 包 含（1-，）；又因为。勾=/-G e（z）,。和 应 该 是 Z-I 同阶次的多项式，所以有：(z)=1 Ge(z)=4 z(1+0.6 z)(1+力 z-i)=azT1+a-(0.6+)+0.6-b-z3Ge(z)=(1-ZT)2Q+C.ZT)=(1-2z i+z).(l+czT)=1 +(-2+c)z-+(l-2c)z 2 +cz-3式 中 a、b、c 为待定系数，由此得方程组:4=一(2+(?)(0.6+)=-(1 2c)a-0.6-b=-c求解上述方程组可得：a =1.4 8 4 0.5 7 9 =0.5 1 6。(参考命令：(-2),a*(0.6)(l-2*c),a*0.6*);)(z)=1-Ge(z)=1.48 七 T(1 +0.6-z-)(1-0.57 4一】)Ge(z)=(1 zT (1+0.51)=(1 2zT+z).(1+0.51)或(z)=l Ge(z)=1.484ET().031z-2 0.516Z-3一1Ge(z)=1 -1.48也t 一 0.03 lz-2+0.516z3将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数_ _ 1.48T(1 +0 6ZT)(1-0.57&T)G(Z)G e(Z)=：(l +0.6 z?)2(i+o,51)2.96&(l-0.4z-1)(l-0.57&-1)(l-z-1)(l+0.51&-)各点波形:注意：按最少拍无纹波随动系统设计方法，p (k)不会有纹波。序列数据:k:01234567r (k):01234567e(k):0.0 0 01.0 0 00.5 1 60.0 0 10.0 0 10.0 0 20.0 0 20.0 0 2P(k):0.0 0 02.9 6 80.0 6 20.7 5 00.7 5 00.7 5 00.7 5 00.7 5 0y(k):0.0 0 0 0.0 0 01.4 8 42.9 9 93.9 9 94.9 9 8 5.9 9 8 6.9 9 8在阶跃信号激励下:n,、1 2.Z-(l +1.5 z-1)(l +0.k-)R(z)=-r G(z)=-：-：-r-1-z-(l-z-|)(l-0.6 z-1)(l-0.2 z-1)由G 可 知 可 切 应包括z-|和(1+1.5 和(1+0.P)因子；由G 和4口可知应包含(/-/)因子；和 应 该 是Z-I同阶次的多项式，所以有：(z)=1 G e(z)=az-(l+1.5 z-1)(l +0.1 z-1)(1 +hz-):G e(z)=(l-z-,)(l +c z-1+dzT2)(z)=1-G e(z)=az-(1 +1.5 z-1)(1 +O.l z-1)Ge(z)=(l-z-1)(l+h z-,+cz2)两式中的为待定系数。a =4/1 1 =7/1 1 =3/5 5;(参考命令：(3/2 0*,(8/5*a)求得：a =4/1 1 =7/1 1 =3/5 5,则有:(z)=1 G e(z)=4/l l-z-(l +1.5 z-1)(1 +O.l z-1)G e(z)=(1 z-|)(l +7/1 k-+3/5 5z-2)将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数0(z)=G(z)-Ge(z)4/1 l-z-1(l +1.5 z 1)(l +O.l z-1)2.ZT(1+1.5ZT)(1+0.1ZT)(l-z-|)(l _0.6 z-1)(l-0.2 z-1)(l-z-l)(l +7/l k_|+3/5 5 z-2)2/1 1(1-0.6ZT)(1-0.2ZT)(1 +7/1 l z-I+3/5 5 z-2)各点波形:序列数据:kk:0 16 7r(k):1 12 3 451 1 111 1e(k):1.0 0 0 0.6 3 60.0 5 50.0 0 0 0.0 0 00.0 0 0 0.0 0 0 0.0 0 0p(k):0.1 8 2 -0.1 4 50.0 2 2 -0.0 0 00.0 0 0-0.0 0 0 0.0 0 0 -0.0 0 0y(k):0.0 0 0 0.3 6 4 0.9 4 51.0 0 0 1.0 0 01.0 0 0 1.0 0 0 1.0 0 0在单位速度信号激励下:R(Z)=F G=2弋。+1.+0廿)(1-z-1)2(1_ZT)(1_O.6ZT)(1_0.2ZT)由6 可 知 应 包 括z-|和（1+1.5 和（1+0.1 1因子;由G 和R（z可知 应包含（I-Z-，）因子；。0和 应该是z-1同阶次的多项式，所以有:(z)=1-G e(z)=+1.5 z-,)(1 +O.l z-1)(1 +bz)G e(z)=(l z T)2(l +c z T)令参考命 =(3/2 0*a*,(8/5*a*3/2 0*a)=(2*),(a*8/5*a)=(2*1),)求得：a =5 9 2/6 0 5 9 3/1 4 8 =6 1 8/6 0 5 =2 7 9/3 0 2 5.,以及:Q(z)=1 -G e(z)=5 9 2/6 0 5-z-1(1 +1.5 z-1)(1 +0.l z-1)(l -9 3/1 4 a-,)Ge(z)=(1 -z-1)2(1 +6 1 8/6 0 5:-1+2 7 9/3 0 2 5-2)将上面两式代入，可求出数字控制器的脉冲传递函数O(z)=胆G G_5 9 2/6 0 5.z T(l +1.5 z T)(l +0.1 z T)(l 9 3/1 4&T)_2 M(1 +1 .5 z?l +OAz)2(i +61 8/60、T+2 7 9/3 0 2 多2 9 6/6 0 5-(i-9 3/1 4 1)(l-0.6 z-|)(l-0.2 z 1)(1 -z-i )(1 +6 1 8/6 0&T +2 7 9/3 0 2 X)各点波形：k10.8g 0.6市0.40.200 2 4 6 8 10kk k序列数据:k:01234567r (k):0123456 7e(k):0.0 0 0 1.0 0 01.0 2 1 0.0 9 2 0.0 0 00.0 0 0 0.0 0 0 0.0 0 0p (k):0.0 0 0 0.4 8 9 -0.2 1 0 0.0 9 5 0.0 5 80.0 5 8 0.0 5 8 0.0 5 8y(k):0.0 0 0 0.0 0 0 0.9 7 92.9 0 8 4.0005.0 0 0 6.0 0 0 7.0 0 0附：不同输入信号下的各点波形:在三个阶跃信号激励下:R(z)=1I-z、0.5 z-1(l +0.6 z-|)G(z)=-：-j-(l-z-1)(l-0.4 z-)(P(z)1.2 5-(l-0.4 z-)G(z)-Ge(z)(1 +0.3 7 5-z-1)如果输入是速度函数，则会存在误差，如下所示:(2)在三个单位速度信号激励下:T-zR(Z)=-ya-z-y、0.5 z-l(l +0.6 z-1),G(z)=-：-r-，(l-z-|)(l-0.4 z-)(z)_ 2.9 6&(l-0.4 z )(l-0.5 7&)G(z)-Ge(z)(1-Z-1)(1+0.51(E-)(3)在三个阶跃信号激励下：1 x 2-z-(l +1.5 z-,)(l +0.1Z-)=jT z _(1_ZT)(1_0.6ZT)(1_0.2ZT)_ _ 2/1 1.(1-0.6ZT)(1-0.2ZT)Z G(z)-Ge(z)(1 +7/1 l z-,+3/5 5 z-2)(4)在三个单位速度信号激励下:Tz-、2-z-l(l +1.5 z-,)(l +0.1 z-1)-j r G(z)=-：-；-(1-z-1)2(1-Z-1)(1-0.6z-)(1-0.2 z-1)D(z)l(z)=3+3.6z+0.6z21+O.lz-1-0.2z-2Z)2(z)=0.2+Q.lz-1-z-21 -2z-1-3z-2 指导信息:参见3.5.1实现框图与算法。(1)对D l(z),采用直接式1和直接式2的实现框图如下:DI(z)对应直接式1 实现框图的状态方程和输出方程如下:状态方程：xl(k+1)=(-0.1)/)+x2(k)+(3.6+(3 (-0.1)e(k)=-0.1-xl(k)+x2(Z)+3.3 e(k)x2(k+1)=0.2 xl(%)+(0.6+(3 (0.2)e(k)=0.2 xl(幻 +1.2 e(k)输出方程:p(k)=xl(左)+3-e(k)1)1(z)对应直接式2 实现框图的状态方程和输出方程如下:状态方程：xl(k+1)=(-0.1)双。+(0.2)x2(k)+e(k)=-0.1 xl(Z)+0.2 x2(Q+e(k)x2(左+1)=xl(Z)铃 Lp-fc-Tn p(k)=(0.1*3+3.6)-xl(A：)+(0.2*3+0.6)x2(k)+3-e(k)刖 王，=3.3-x(k)+1.2-x2(k)+3-e(k)DI(z)串行实现法的表达式为：，/、3+3.6z-1+0.6z-2 3-(l+z-1)-(l+0.2z-1).(1+z-1)(l+0.2z-)1(z)=-=-=3,-,-l+0.1z-l-0.2z-2(l+0.5z-l).(l-0.4z-,)(l+0.5z-1)(l-0.4z-1)(实现框图略。)DI(z)并行实现法的表达式为：-)l1(z)x =-3-+-3-.-6-z-：-1-+-0-.-6-z-z-=-3o-1 7H-：I-j-l+0.1z-,-0.2z-2(l+0.5z-1)(l-0.4z-,)(实现框图略。)(2)对D 2(z),采用直接式1和直接式2的实现框图如下:E(z)驾(a)(b)D2(Z)对应直接式1实现框图的状态方程和输出方程如下:状态方程：x(k+1)=2 xl(A)+x2(k)+(0.1 +0.2 2)e(k)=2 xl(Z)+x2(Q+0.5 e(k)x2(k+1)=3 xl(Z)+(1 +0.2 3),e(Jc)=3,xl(攵)0.4,e(k)输出方程：p(k)=x(k)+0.2-e(k)D2(Z)对应直接式2实现框图的状态方程和输出方程如下:状态方程：xl(k+1)=2-xl(k)+3 x2(k)+e(k)x2(k+1)=xk输出方程：p(k)=(0.2*2+0.1)-xl(Z)+(0.2*3-1)x2(Z)+0.2 e(k)=0.5 成 人)一 0.4%2/)+0.2 e(k)1)2(z)串行实现法的表达式为:Ol(z)0.2+O.lz-lz-2l-2 z-l-3z-20.2-(1+2.5Z-(1-2ZT)(1-3ZT(1+ZT)(1+2.5ZT)(1-2ZT)(l-3z-),(1+r1)(实现框图略。)D 2(z)并行实现法的表达式为:1 0.2*(1+2.4/3)*(1-2/3)*3/4 0.2*(-1.5)*3/4=-1-1-3(l-3z-1)(1+z-1)=_ 1+0：0 9+-0：2253(l-3z-)(1+z-1)(实现框图略。)第四章控制系统中的计算机及其接口技术1、工业控制计算机有哪些要求？基于机工业控制计算机其结构与普通机有何不同？指导信息：参 见4.1.1工业控制计算机的特点和结构。对工业控制计算机的要求主要体现在其所具有特点：适应性、可靠性、实时性、扩展性等方面。基于机工业控制计算机其结构与普通机不同之处是前者在机械结构、元器件选用和电源配置等方面比普通机的可靠性更高。5、接口数据传输中有哪些定时和协调信号？指导信息:参 见4.2.1接口与总线。定时信号有：或控制发出的读()或 写()信 号，来实现或存储器与外设之间的数据传 输。协调信号有请求()和 应 答()或 选 通()和 就 绪()。6、接口技术中有哪些数据传输的方式？各有什么特点？指导信息:参 见4.2.1接口与总线。根据定时和协调的不同要求，数据传输的实现有直接传输、程序查询、定时查询、中断传输和等几种方式。特点请参见4.2.1接口与总线。8、232c和485各有什么特点？指导信息:参见4.2.3串行接口。提示：可通过传输方式、传输速率、传输距离、信号类型、连接方式、能否组网、应用情况等方面来比较。9、12c总线和总线各有什么特点？指导信息:参见4.2.3串行接口。提示：可通过总线结构、时序、传输速率、传输距离、适用场合等方面来比较。11、简述现场总线的技术特征.指导信息:参见4.2.4现场总线。现场总线的主要技术特征有：(1).数字计算和数字通信；(2).互操作性和互换性；(3).传输介质的多样化；(4).适应性和可靠性等。12、画出12c总线上主器件对地址为的从器件写入2字节5和87H的时序。指导信息:参见4.2.3串行接口。提示：参 考 图 4 2 8 1 2 c 总线的传输数据格式。14、控制系统中对人机交互有哪些要求？指导信息:参见4.3.1人机交互及其要求。主要包括可理解性和易操作性。可理解性包括确定性、关联性、层次性、一致性等要素。易操作性包括方便性、有序性、健壮性、安全性等要素。第五章计算机控制系统中的过程通道1、简述传感器与变送器的异同。指导信息:参见5.1.1传感器和变送器。变送器()是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器通常称为变送器。变送器有较强的信号处理能力、能输出标准信号信号。2、变送器输出的信号通常为多少？变送器与输入通道的连接方式有哪些？请给出连接示意图。指导信息：参 见5.1.1传感器和变送器。通用的标准信号为直流电流420或直流电压15V等。另外，对智能变送器还能输出规范的数字信号。变送器信号的传输连接方式通常有四线制、三线制和两线制传输。连接示意图见图5-1 o3、1451标准所指的变换器0、检测器()和执行器。之间是什么关系？指导信息：参 见5.1.2 1451智能变换器标准。要点：智能变换器()可以是一种传感器或检测器()，也可以是一种执行器()，或者是两种的组合，它可以作为信息系统与外界联系的一个信息节点。7、什么是信号调理？输入通道中的信号调理包括哪些？指导信息:参 见5.2.1控制系统中的信号种类及特点。信 号 调 理()是指将敏感元件检测到的各种信号转换为规范标准信号。数字量输入通道中的信号调理主要包括消抖、滤波、保 护、电平转换、隔离等。模拟量输入通道的调理内容有：电流-电压信号转换、电阻-电压信号转换、电压放大以及隔离等，调理后的信号通常为一定大小的电压信号，然后由转换器变为数字信号。1 0、转换器有哪些性能指标？指导信息:参 见5.2.3模拟量信号处理方式。主要性能指标有(1).接 口 特 性()；(2).量 程0 ；(3).分辨 率()；(4),误 差 和 精 度()；(5).转 换 速 率()；(6).转换的方法。1 1、转换的方法有哪些？各有什么特点？指导信息:参 见5.2.3模拟量信号处理方式。提 示：参 考 表5-5各种转换方法比较。1 2、某水 箱水位正常工作时的变化范围为0 1 0 0,经压力变送器 变 换 为15 V标 准 电 压 信号后送至8位 转 换 器0 8 3 1,其输入量 程 为05 V。当水箱水位的高度为2 5时，0 8 3 1的转换结果约为多少？指导信息:参 见5.2.3模 拟 量 信 号 处 理 方 式 和5.1.1传感器和变送器。提示：先求当水箱水位的高度为2 5 时，压力变送器输出的电压信号(2 V),然后转换为0 8 3 1 的输出结果(2 5 V*2 5 5)。1 6、开关量的功率驱动有哪些器件？各有什么特点？指导信息:参见5.3.2 输出通道中的开关信号驱动。开关量的功率驱动可以由晶体管、场效应管或集电极开路的电路、漏极开路的电路、电磁式继电器、固态继电器、可控硅等功率器件组成。1 8、计算机通过8 位转换器控制某三相电加热器，加热器的输出功率范围为。8,可接受42 0 的标准电流信号来改变其输出功率，8 位转换器的输出范围为。2 0,如计算机送给转换器的数据为8 0 H(十六进制)时，加热器输出功率约为多少？指导信息:参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。提示：先计算转换器数据为8 0 H(十六进制)时的输出电流(1 0 ),再 计 算 加 热 器 接 受 电 流 信 号 后 的 输 出 功 率(1 0-4)/1 6*8)。1 9、某 8位转换电路如错误!未指定书签。所示，当=4 V 时，B点输出范围为-4 V 至+4 V。若要求B点的输出电压为一2 V,则输出到芯片的二进制数为多少？此时的A 点电压为多少？指导信息:参见5.3.3 输出通道中的模拟信号驱动。输出到芯片的二进制数为(-2(-4 V)/(4(-4 V)*2 5 6=64(D)=0 1 0 0 0 0 0 0(B),此时的 A 点电压为+1 V。第六章控制系统的可靠性与抗干扰性2、错误()和故障()有何区别？如何正确对待？指导信息:参见6.1.1可靠性的概念。瞬时性的、功能上出现偏差的异常状态，称之为错误，错误不经停机修理也可恢复到正常工作状态；固定性的、功能部件其必要操作能力消失的异常状态，称之为故障，故障只有通过修理才能恢复到正常状态。错误和故障往往是不可避免的，这需要有正确的态度和策略来对待。3、简述早期故障、耗损故障、偶发故障产生的原因和应对的策略。指导信息:参见6.1.1可靠性的概念。早期故障的发生是由于元器件质量差，软件、硬件设计欠完善 等“先天不足”原因所造成的。应对的策略有：通过调试系统及时发现问题，优化设计结构、选择优质部件。耗损故障的发生是由于元器件使用寿命已到所致。应对的策略有：预先更换寿命将到期的元器件，定期检查或更换关键元件和部件。偶发故障是随机的，通常发生于早期故障和耗损故障之间，在故障发生后，需进行应急维修。应对的策略有：采取故障诊断、故障恢复技术、冗余技术等。5、产生干扰的必要条件有哪些(的四要素)？指导信息:参见6.1.2电磁兼容性。噪声的发生（即有噪声源的存在）、噪声的接收（即有受扰体的存在）、噪声的传播（即有耦合途径的存在）、以及上述三者在时间上的一致性。7、什么是串模噪声和共模噪声？它们有何不同？有哪些抑制的方法？指导信息:参见6.1.3噪声的分类和耦合方式。按噪声传导模式可分为串模噪声和共模噪声。串模噪声又称差动噪声、常模噪声、横向噪声、线间感应噪声或对称噪声等，串模噪声与有用信号串在一起。串模噪声往往较难清除，当噪声的频率范围与有用信号相差较大时，可采用滤波方法来抑制。共模噪声又称地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。共模噪声同时叠加在输入信号两端，只要线路处于平衡状态，即两根信号线对地阻抗一致时，则共模噪声不会对有用信号产生影响。抑制共模噪声的方法较多，如隔离、屏蔽、接地等。1 0、有哪些隔离和屏蔽技术？指导信息:参见6.2.3隔离与屏蔽技术。隔离技术就是切断噪声源与受扰体之间噪声通道的技术，其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。具体的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离和布线隔离。屏蔽主要运用各种导电材料，制造成各种壳体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径。屏蔽可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽三类。在控制系统中，采用双