计算机控制理论答案.docx

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1、计算机控制理论答案第一讲 1、什么就是计算机数字限制系统?一般由哪几部分组成?请用框图形式给出实例,并简洁说明其工作原理。计算机限制系统就就是利用计算机(通常称为工业限制机)来实现生产过程自动限制得系统;一般由计算机与生产过程两部分组成; 计算机限制系统由工业限制计算机主体(包括硬件、软件与网格结构)与生产过程两大部分组长。其中硬件系统有主机、输入输出通道、外部设备、检测与执行机构组成;三个步骤原理: 实时数据采集:对来自测量变送装置得被控量得瞬时值进行检测与输入。实时限制决策:对采集到得被控量进行分析与处理,并按已定得限制规律,确定将要实行得限制行为。实时限制输出:依据限制决策,适时地对执行

2、机构发出限制信号,完成限制任务。、实时、在线方式、离线方式得含义就是什么? 实时:指信号得输入、计算与输出都要在肯定得时间范围内完成,亦即计算机对输入信息,以足够快得速度进行限制,超出了这个时间,就失去了限制得时机,限制也就失去了意义。式 在线方式:在线方式亦称为联机方式,就是指生产过程与计算机干脆连接,并受计算机限制得方式称为、 式 离线方式:离线方式亦称为脱机方式,就是指生产过程不与计算机相连,且不受计算机限制,而就是靠人进行联系并做相应操作得方式、3、简述计算机数字限制系统得发展趋势。计算机数值限制系统得发展趋势有限制系统得网络化、扁平化、只能化、综合化。其次讲 1、简述计算机限制系统中

3、过程通道得基本类型及其作用。数字量输入通道:接受外部装置或产生过程得状态信号,同时将状态信号经转换、爱护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收得逻辑信号; 数字量输出通道:把计算机输出得微弱数字信号转换成能对生产过程进行限制得数字驱动信号; 模拟量输入通道:把被控对象得过程参数如温度、压力、流量、液位重量等模拟信号转换成计算机可以接收得数字量信号; 模拟量输出通道:把计算机处理后得数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,去驱动相应得执行器,从而达到限制得目得。、简述计算机限制系统抗干扰技术得基本措施。克服干扰得措施主要有:硬件措施、软件措施与软硬结合得措施。其中硬件抗干扰措施包含:过程通道抗干扰

4、技术;CU 抗干扰技术;系统供电与接地技术、针对不同得干扰采纳不用得抗干扰技术: 过程通道抗干扰技术:针对串模干扰,采纳滤波器、双积分式 A/转换器、双绞线作信号引线等方法来抑制;针对共模干扰,采纳变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采纳仪表放大器提高共模抑制比等方式;针对长线传输干扰可采纳双绞线与同轴电缆进行传输; CPU 抗干扰技术:运用 Watchdog(俗称瞧门狗)、电源监控(掉电检测及爱护)、复位等; 系统供电与接地技术:对于系统供电添加电源异样爱护措施;对于接地技术有单点接地、低频接地技术、通道馈线接地技术、主机外壳接地但机芯浮空、多机系统得接地等。3、什么就是采样过程、量化误差、孔径

5、时间？采样过程:按肯定得时间间隔,把时间上连续与幅值上连续得模拟信号,转变成在时刻、T、k得一连串脉冲输出信号得过程叫做采样过程。量化误差:当离散信号采样值得电平落在两个相邻量化电平之间时,就要舍入到相近得一个量化点评上,该量化电平与实际电平之间得差值称为量化误差。孔径时间:在模拟量输入通道中,/D 转换器将模拟信号转换成数字量总须要肯定得时间,完成一次 A/D 转换所需得时间称之为孔径时间。4、采样保持器得作用就是什么？就是否全部得模拟量输入通道中都须要采样保持器？为什么？ 采样保持器得作用:采样器就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得值。采样保持器则把这个信号值放大后存储

6、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得值。模拟输入通道中不肯定非得采纳采样保持器,如被采样得模拟信号得改变频率相对于 AD 转换得转换速度较低得话,可以不加采样保持器。、什么就是串模干扰与共模干扰？如何抑制？ 串模干扰:指叠加在被测信号上得干扰噪声,也称为常态干扰。抑制方法:假如串模干扰频率比被测信号频率高,则采纳输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰;假如串模干扰频率比被测信号频率低,则采纳高通滤波器来抑制低频串模干扰;假如串模干扰频率落在被测信号频谱得两侧,则应用带通滤波器。一般状况下,串模干扰均比被测信号改变快,故常用二级阻容低通滤波网络作

7、为模数转换器得输入滤波器。当被测信号改变较快时,应相应变更网络参数,以适当减小时间常数。当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时,用双积分式/D 转换器可以减弱串模干扰得影响、因为此类转换器就是对输入信号得积分值进行测量,而不就是测量信号得瞬时值。若干扰信号就是周期性得而积分时间又为信号周期或信号周期得整数倍,则积分后干扰值为零,对测量结果不产生误差。对于串模干扰主要来自电磁感应得状况下,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得信号噪声比得目得;或者尽可能早地完成模数转换或实行隔离与屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手,利用逻辑器件得特性来抑制串模干扰。采纳双绞线作信号引线得目得就是削减电磁

8、感应,并且使各个小环路得感应电势相互呈反向抵消。选用带有屏蔽得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屏蔽。共模干扰:指模/数转换器两个输入端上公有得干扰电压,也成共态干扰。抑制方法: 变压器隔离; 光电隔离; 浮地屏蔽; 采纳仪表放大器提高共模抑制比。第三讲 讲( 计算机数字限制系统理论基础部分) 1、指出采样保持器与零阶保持器在数字离散限制系统得功能与作用、 用 采样保持器得作用:采样器就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得值。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得值

9、、 零阶保持器得作用:将输入信号得幅值保持一个采样周期 T,即在一个采样周期内将起先时输入得信号幅值保持不变,直到采样周期结束。、简述传递函数与脉冲传递函数得概念。传递函数就是在零初始条件下,系统输出量得拉氏变换与输入量得拉氏变换之比,即、 脉冲传递函数就是在零初始条件下,系统输出量得 Z 变换与系统输入量得 Z变换之比,即、 3、已知: (t)= (t), (0) , x( )=1, 用变换原理与方法,求解差分方程 r(k) x(k+2)-6x(k+1)+8x(k)。因为 r()=1(t),即 ; 依据 Z 变换左移定理,其差分方程得 Z 变换式为: 因为 x(0)=0, x(1)1,故有:

10、 k kkzkzkzzz z zzzzz z zzz zz z zzz kT x432231) 4 )( 2 )( 1 () 4 ( lim) 4 )( 2 )( 1 () 2 ( lim) 4 )( 2 )( 1 () 1 ( lim ) (124122121 + - =- - - +- - - +- - - =- 4、求下图所示系统得脉冲传递函数 (z)=C(z)/R(z). 1 ) 1 () 1 ( )11 1 1)( 1 ( 1) 1 (1 ) (2122 1TTsTse zzzzzTzzs s se Zses sZ z G G- -+- =+ - - =-+= 第 四、五 讲 作业

11、、某系统得连续限制器设计为,试用双线性变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字限制器 D()。双线性变换法:前向差分法:后向差分法:2、什么就是数字 PID 得位置型控 c 制算法、增量型限制算r(t) + - T c(t)法？如何得到得?比较它们得优缺点、 PI算法得数字化,其实质就就是将连续形式得D 微分方程转化成为离散形式得 PD 差分方程。其中,将D 算法中得模拟式中积分项用求与式,微分项用增量式来表示后得到:将上式称为 PID 位置式限制算式 对其进行变换后得: ( ) ( ) ( 1) ( ) ( 1) ( ) ( ) 2 ( 1) ( 2)p I DP n P n P n K

12、e n e n K e n K e n e n e n = - - = - - + + - - + - 将上式称为D 增量式限制算式 PID 位置式限制算式计算时,只需进行四则算术运算便可求出当前输出值,极便利用计算机来实现。不过现在计算时,不仅须要知道本次及上次偏差信号与,而且在积分项中还要对历次得偏差信号进行相加求与,因此,在运用计算机实现限制输出时,既繁琐又占用大量内存。 ID 增量式限制算式计算时,只需知道 e(n),e(n1)与 e(2)即可,比 PD位置式限制算式得计算简洁。很适合于某些以步进电机或多圈电位器作为执行机构得限制系统得要求,另外它还具有输出增量不大、系统受操作切换冲击

13、影响较小、不产生积分失控输出较平稳易于获得较好调整效果等优点、3、什么就是积分饱与？就是怎样引起得？如何消退? 假如执行机构已到极限位置,仍旧不能消退偏差时,由于积分作用,尽管计算PID 差分方程式所得得运算结果接着增大或减小,但执行机构已无相应得动作,这就叫积分饱与。因长时间出现偏差或偏差较大,计算出得限制量有可能溢出或小于零,就会出现积分饱与得现象、 消退积分饱与得方法:积分分别法,变速积分I限制算法,超限减弱积分法,有效偏差法,抗积分饱与机制。4、试比较数字 P算法中处理积分项得三种方法抑制积分饱与、消退积重量化误差、变速积分得优缺点、 抑制积分饱与对积分项实行开关得限制方式,比较简单实

14、现,程序设计也较为简洁,但关键在于要选取一个合适得阀值,而且适应性比较差; 消退积重量化误差在计算上较为便利,但就是增加了运算次数; 变速积分法就是依据误差大小,可随机变更积分作用,近似于线性限制方式,具有抑制超调、防止积分饱与、适应性强、线性度好与参数整定简单等优点,大大提高了系统得调整品质。、试指出比例系数 K P 、积分时间常数 T I 、微分时间常数T D 在D 调整器中得作用,它们对系统得调整品质有何影响？ 数 比例系数 K : 动态时,比例系数太小,系统动作慢。增加 K,可提高系统动作得灵敏度 ,加快调整速度,但就是,若取值偏大,简单引起系统振荡,反而使调整时间加长,且当Kp太大时

15、,系统将趋于不稳定状态。稳态时,在系统稳定得状况下,随着比例限制 K得加大,可以减小稳态误差,但不能消退稳态误差、 积分时间常数 I : 动态时,积分限制常使系统得稳定性下降,T I 值太小,系统不稳定,T I 值偏小,简单诱发系统振荡。T I 值太大,对系统得影响将减弱。只有选择适合得 T I 值,才可使系统得过渡过程趋于志向状态。稳态时,积分限制可以消退系统静态误差,提高系统得限制精度。但 I 值太大时,因积分限制作用得减弱,反而不能减小稳态差。数 微分时间常数 T : 微分时间 T D 对系统性能得主要作用就是减小超调量、缩短调整时间、允许加强比例限制,从而减小稳态误差,提高限制精度与改

16、善动态特性等。• 但 T 值偏大或偏小时,反而会诱发超调量增加与加长调整时间。只有 T D 取值合适时,才可以获得比较满足得过渡过程、6、已知模拟调整器得传递函数为, 设采样周期为 T=0、s, 试写出相应得数字限制器得位置型与增量型限制算式, 并给出相应得程序流程图。 即:代入,得: 位置型:增量型:第六 讲 作业 1、 图中,已知被控对象传递函数为, 采样周期1s, 采纳零阶保持器,要求: 1）针对 单位速度输入 信号,设计数字限制器 D(z), 使该系统成为 最小拍无水纹系统 ,并计算输出响应(k), 限制信号u(k), 误差e(), 画出它们对时间改变得波形。2）针对 单位阶

17、跃输入 信号,设计 最小拍有水纹系统 数字限制器 D(z), 并计算输出响应(k), 限制信号u(), 误差 e(k), 画出它们对时间改变得波形。212 2 1 10 11 11 10 110 1 1 1 10 1 1 21 10 10( ) (1 ) (1 0.1 ) (1 0.1 )10 1 1 10 1 1(1 )( ) (1 ) 10 ( 1) 1 110 111 1(1 )(1 ) 10 (1 ) (1 )(1TsTsTsTTT TeG z Z Z es s s s sTzZ e zs s s z z e zTz zz e ze z z Tz e z z- - - - - - -

18、- - - - - -= = -+ +- -= - + + = - + + - - -= - +- - - - + - + -=-( ) ( ) ( )10 1 11 4 1 51 15 1 1 5 1 1)(1 )1 5 10 9 4.54 10 9 1 0.111(1 4.54 10 )(1 ) (1 4.54 10 )(1 )Te z zz z z zz z z z- - - - - - - - - - - - - + + + = - - - - ()、输入信号为速度阶跃信号时,设计最小拍无水纹系统数字限制器。闭环脉冲传递函数 中应含有因子 与。同时考虑误差脉冲传递函数应选。由于 与 应

19、当就是同阶次得多项式,应有:所以:()、输入信号为单位阶跃信号时,设计最小拍有水纹系统数字限制器。误差脉冲传递函数与闭环脉冲传递函数为: 2、 简析最小拍有水纹随动系统数字限制器、最小拍无水纹数字限制器得设计原理有何异同。最小拍无水纹系统设计要求包含得全部零点,最小拍有水纹系统只要求包含在单位圆上与在单位圆外得零点。3、 已知限制系统得被控对象传递函数为, 采样周期T=1s, 试用大林算法设计数字限制器(z)、 1 21 11 11 1 1 (1 )( ) ( ) (1 ) ( )1 1 1Ts se e e zG z Z z z Zs s s s e z- - - - - - -= = - - =+ + - 取 T=,=1,4、 已知数字限制器 D(z)分别为: 1）; 2）、 选择三种设计方法之一,求出其差分方程组,并画出实现D(z)得原理图、 ()视察限制器形式,采纳干脆程序设计法比较便利、 ( ) ( 4) 2 ( 1) 3 ( 2) 2 ( 3) ( 4) U k E k U k U k U k U k = - - - - - - - - -(2)视察限制器形式,采纳干脆程序设计法比较便利、