2022年计算机控制系统试题及答案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 运算机掌握系统试卷一答案一、简答题（每道题 5 分,共 50 分）1、画出典型运算机掌握系统的基本框图；答：典型运算机掌握系统的基本框图如下：2、依据采样过程的特点,可以将采样分为哪几种类型？答 1 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等,也称为一般采样；2 同步采样 假如一个系统中有多个采样开关,它们的采样周期相同且同时进行采样,就称为同步采样；3 非同步采样 假如一个系统中有多个采样开关,它们的采样周期相同但不同时开闭,就称为非同步采样；4 多速采样 假如一个系统中有多个采样开关,每个采样开关都是周期采样的,但它们的采样周期不相同,就称多速

2、采样；5 随机采样 如相邻两次采样的时间间隔不相等,就称为随机采样；3、简述比例调剂、积分调剂和微分调剂的作用；答：1比例调剂器：比例调剂器对偏差是即时反应的,偏差一旦显现,调剂器立刻产生掌握作用,使输出量朝着减小偏差的方向变化,掌握作用的强弱取决于比例系数 K P；比例调剂器虽然简洁快速, 但对于系统响应为有限值的掌握对象存在静差；加大比例系数 K P 可以减小静差,但是 K P 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固；2积分调剂器：为了排除在比例调剂中的残余静差,可在比例调剂的基础上加入积分调剂；积分调节具有累积成分,只要偏差 e不为零,它将通过累积作用影响

3、掌握量 u,从而减小偏差,直到偏差为零；积分时间常数 TI 大,就积分作用弱,反之强；增大 TI 将减慢排除静差的过程,但可减小超调,提高稳定性；引入积分调剂的代价是降低系统的快速性；3微分调剂器：为加快掌握过程,有必要在偏差显现或变化的瞬时,按偏差变化的趋向进行掌握,使偏差毁灭在萌芽状态,这就是微分调剂的原理；微分作用的加入将有助于减小超调,克服振荡,使系统趋于稳固；4、线性离散掌握系统稳固的充要条件是什么？答：线性离散掌握系统稳固的充要条件是：闭环系统特点方程的全部根的模zi1,即闭环脉冲传递函数的极点均位于 z 平面的单位圆内；5、为什么会显现比例和微分饱和现象？答：当给定值发生很大跃变

4、时,在 PID 增量掌握算法中的比例部分和微分部分运算出的掌握增量可能比较大由于积分项的系数一般小得多,所以积分部分的增量相对比较小；假如该运算值超过了执行元件所答应的最大限度,那么,掌握作用必定不如应有的运算值抱负,其中运算值的余外信息没有执行就遗 失了,从而影响掌握成效；二、已知系统的差分方程为（10 分）y ky k1 rk2 输入信号是名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 初始条件为y01,试写出输出脉冲序列rk1k00k0y k ；解：y0 1y01y1 r1 y2r0 y1 2y3 r 1 y2 1y4r2

5、 y3 2y5r3y41三、设被控对象传递函数为G ps sK1 ,在对象前接有零阶保持器,试求广义对象的脉冲传递函数；s（10 分）解：广义对象传递函数Gs 1eTss K1ss对应的脉冲传递函数为Gz ZG s 1Z1eTsKTz1 1Tz1211111z1ss s1K1zZ2 s11K1sz1zeTK eTT1 z11TeTe1z1eTT11z1 1eTz1四、已知被控对象传递函数为Gs20（108s1 0 .1 s1 试用“ 二阶工程正确” 设计法确定模拟掌握器Gcs,并用后向差分法给出等效的数字掌握器形式；分）解：经动态校正后系统的开环传递函数为0s GcsGs Gcs 8 s201

6、. s1 1 0应挑选 Gcs为 PI 掌握器,其基本形式为Gcs sI1Ts为使 PI 掌握器能抵消被控对象中较大的时间常数,可挑选 8名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 就有G s 8 s1201 T I110s G cs T Is 8 s1 0 1. ss 0 . 1 s依据二阶工程正确设计法就,应有20TI2 T 2201 22 T 20 . 1解之得TI4于是得到模拟掌握器的传递函数为Gcs 8s1KP11s2114 sKI8s对以上的模拟 PI 掌握器,依据后向差分近似的等效变换方法,得等效的数字掌握器：

7、 1 T z 1D z G c s s1T z 1 2z 81Ts五、已知广义被控对象 : G s 1 e 1, 给定 T=1s 20 分 s s s 1针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波掌握系统 , 并画出系统的输出波形图；解：由已知条件,被控对象含有一个积分环节,有才能产生单位斜坡响应；求广义对象脉冲传递函数为GzZGsZZ1eTss 11 1 1z112111111z1ss1z111zs2s1zze0 .368z1 10.718z11z1 10.368z1可以看出, Gz的零点为 -0.718单位圆内 、极点为 1单位圆上 、0.368单位圆内 ,故 u=0,v=0单位圆上除外 ,m=1；

8、依据稳固性要求, Gz中 z=1 的极点应包含在 ez的零点中,由于系统针对等速输入进行设计,故 p=2；为满意精确性条件另有 ez=1-z-1 2F1z,明显精确性条件中已满意了稳固性要求,于是可设解得c02,c 11；z z1c0c 1z11 c 0c 11 1c2 c 10闭环脉冲传递函数为名师归纳总结 z z12z112z12z2第 3 页,共 11 页ez 1z z1- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 就R z Dz 1z z1.5435 1.05 z1 1.0368 z1（图略）；ez G z 1z1 10 . 718 z1Y z z112

9、2z22z23z34z4z运算机掌握系统试卷三答案班级：姓名：学号：成果：一、 简答题（每道题 4 分,共 40 分）1、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,仍具有电平转换功能；3、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；4、线性离散系统的脉冲传递函数的定义是什么？答：线性离散系统的脉冲传递函数定义为零初始条件下,系统或环节的输出采样函数 z变换和输入采样函数 z 变换之比；5、何为积分饱和现象？答：在标准 PID 位置算法中,掌握系统在启动、停止或者大幅度提降

10、给定值等情形下,系统输出会显现较大的偏差,这种较大偏差,不行能在短时间内排除,经过积分项累积后,可能会使掌握量 uk很大,甚至超过执行机构的极限 umax；另外,当负误差的肯定值较大时,也会显现 uumin 的另一种极端情形；明显,当掌握量超过执行机构极限时,控制作用必定不如应有的运算值抱负,从而影响掌握成效；这类现象在给定值突变时简洁发生,而且在起动时特殊明显,故也称“ 起动效应”；6、等效离散化设计方法存在哪些缺陷？答：等效离散化设计方法存在以下缺陷：1 必需以采样周期足够小为前提；在很多实际系统中难以满意这一要求；2 没有反映采样点之间的性能；特殊是当采样周期过大,除有可能造成掌握系统不

11、稳固外,仍使系统长时间处于“ 开环”、失控状态；因此,系统的调剂品质变坏；3 等效离散化设计所构造的运算机掌握系统,其性能指标只能接近于原连续系统 只有当采样周期 T=0 时,运算机掌握系统才能完全等同于连续系统 ,而不行能超过它；因此,这种方法也被称之为近似设计；7、何为最少拍设计？如阶跃信号,速度信号,加速度信号等作用答：最少拍设计,是指系统在典型输入信号下,经过最少拍 有限拍 ,使系统输出的稳态误差为零；8、给出单输入 单输出线性定常离散系统的能控性和能观性与其脉冲传递函数之间第 4 页,共 11 页名师归纳总结 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - -

12、 的关系；答：单输入 单输出线性定常离散系统完全能控和完全能观的充分必要条件是脉冲传 递函数不存在着零、极点相消；假如存在着零、极点相消,系统或者是不完全能控,或 者是不完全能观,或者既不完全能控又不完全能观；二、已知系统框图如下所示：eTsT=1s 15 分 yt y* t rt T11试写出离散系统的动态方程；ss s1解：所给系统的脉冲传递函数为G z Y z Z G s Z1eTs111112X z U z R z ss s1z1Zs2111z11z1121szz11 e z10.368z110.718z10.368z10.264z220.368z1z110.368z111.368z1

13、0.368z令X z U z 0.368 z2进而X z 1.368z1X z 1 1.368 z1就Y z 0.368z10.264z2X z 取X1 2 z X z zX 1 于是得如下状态方程X2 1 z X z x k1x 2 x 2k10.368x k 1.368x 2 u k y k 0.264x k 0.368x2 写成矩阵形式为x k101x k 0u k Tc=0.5s, 应用大林算法确定x 2k10.368 1.368x 2 1y k 0.2640.368x k 1 x 2 三、已知广义被控对象为（15 分）Gs 1eTss11 e2ss其中, T=1s；期望的闭环脉冲传递

14、函数中的时间常数取为数字掌握器；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 解：广义对象脉冲传递函数G z Z G s Z1eTs11e4Ts1ss1z14 z Z110.632 z5s s10.368 z闭环系统抱负脉冲传递函数为 Z1eTse4 Ts110.865 z51s0.5 s0.135 z得大林掌握器如下D z 1 1.36910.368z1 z G z 10.135z10.865z5四、已知被控对象（15 分）x k1 .0 51x k 2u k设计一个特点值为z 1,2.02502y k 10x k 0.5j

15、0.25的全维状态观测器； 并画出相应的状态变量结构图；解：能观性矩阵Q oC10满秩,故系统能观测,可设计状态观测器；令输出CA0.51误差反馈矩阵Hh 1h 2观测器期望特点方程为zz 1zz 2z0.5j0.25z0.5j0.25z2z0.31250观测器特点方程为2zI A HC z h 1 0.5 z h 2 0.25 0比较上面两式,可得 h 1 0.5, h 2 0.0625五、已知某系统连续掌握器的传递函数（15 分）2D s s 1 s 2 试分别用阶跃响应和脉冲响应不变法求 D s 的等效数字掌握器, 并写出相应的差分方程表达式；其中采样周期 T 1 ；名师归纳总结 第 6

16、 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 解：1、阶跃响应不变法D z Z1eTsD s 1z1Z12s2111121111由D z U z E z可 推ss s1z1 e z2 e z =0.399z-10.148z231-1.503z-10.553z20.05z得数字掌握器的差分方程形式如下u k 1.503 u k10.553 u k20.05 u k30.399 e k10.148 e k22、脉冲响应不变法2 1 1D z TZ D s Z 1 1 2 1 s 1 s 2 1 e z 1 e z-1 = 0.233z-1 21-0.

17、503z 0.05 z由 D z U zE z可推得数字掌握器的差分方程形式如下 u k 0.503 u k 1 0.05 u k 2 0.233 e k 1运算机掌握系统试卷四答案1、写出零阶保持器的传递函数,引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？Ts答：零阶保持器的传递函数为 H 0 s 1 e；零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递s函数的极点；2、阶跃响应不变法的基本思想是什么？答：阶跃响应不变法的基本思想是：离散近似后的数字掌握器的阶跃响应序列与模拟控制器的阶跃响应的采样值一样；3、如何排除积分饱和现象？答：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

18、定的门限值时,删除积分作用, PID 掌握器相当于一个PD 调剂器,既可以加快系统的响应又可以排除积分饱和现象,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,加入积分掌握,相当于PID 掌握器,就可排除静差,提高掌握精度；4、给出常规的直接设计法或离散化设计法的详细设计步骤；答：直接设计法或称离散化设计法的详细设计步骤如下：1 依据已知的被控对象,针对掌握系统的性能指标要求及其它约束条件,确定抱负 的闭环脉冲传递函数 z ；2 确定数字掌握器的脉冲传递函数Dz；依据 Dz编制掌握算法程序；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 11 页精选学习资料 - - - -

19、 - - - - - 5、采纳状态反馈任意配置闭环系统极点的充分必要条件是什么？答：采纳状态反馈任意配置闭环系统极点的充分必要条件是系统状态完全能控；二、已知系统框图如下所示：1eT=1s 15 分 yt rt TTs1-s s1s试求闭环离散系统的闭环脉冲传递函数,并判别系统的稳固性；解：广义对象脉冲传递函数为GzZGsZZ1eTss 11 1 1z112111111z1ss1z111zs2s1zze0 .368z1 10.718z11z1 10.368z1系统闭环脉冲传递函数为 1G z 0.368z10.632z2G z 1z10.632z2就闭环系统的特点方程为W z z2z0.632

20、0由 z 域直接判据 W0=0.6320 W-1=1+1+0.6320知闭环系统稳固；三、已知某被控对象的传递函数为15 分 T1s；要求闭第 8 页,共 11 页G ps s11 s要求设计成单位反馈运算机掌握系统,结构如下图所示；采样周期为 环特点根为 0.4 和 0.6；试求数字掌握器；错误 .rtD z G h G psyt名师归纳总结 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 解：广义对象脉冲传递函数为GzZGsZZ1eTss 11 1 1z112111111z1ss1z111zs2s1zze0 .368z1 10.718z11z1 10.368z1

21、依据要求设定闭环脉冲传递函数为 z1z2z10.4z0.61 0.4z11 0.6D z 1 2.718 z11z110.368 z1 z G z 1z10.76 z210.718z1运算机掌握系统试卷五答案1. 简述采样定理的基本内容；s答：采样定理:假如连续信号ft具有有限频谱,其最高频率为max,ft进行周期采样且采样角频率2max时,连续信号ft可以由采样信号f* t唯独确定,亦即可以从f* t无失真地复原ft；2. 线性离散掌握系统稳固的充要条件是什么？答：线性离散掌握系统稳固的充要条件是：闭环系统特点方程的全部根的模zi1,即闭环脉冲传递函数的极点均位于 z 平面的单位圆内；3.

22、脉冲响应不变法的基本思想是什么？答：脉冲响应不变法的基本思想是：离散近似后的数字掌握器的脉冲响应gkT的 T 倍；4. 写出增量型 PID 的差分掌握算式；答：增量型 PID 掌握算式可以写为gDkT是模拟掌握器的脉冲响应采样值u iui1KPe ie i1Te iT D e i2 e1e2T IT5. 如何排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存起来,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,就余外的未执行的掌握增量将储备在累加器中；当掌握量脱离了饱和区,就累加器中的量将全部或部分地加到运算出的掌握增量上,以补

23、充由于限制而未能执行的掌握；6. 给出线性定常离散系统的能控性定义；答 ： 对 于n 阶 线 性 定 常 离 散 系 统x kB1Ax k Bu k ；x0x 0, 如 存 在 有 限 个 输 入 向 量 序 列u0, 1, u l1ln能将某个初始状态x0x 在第 l 步掌握到零状态, 即x l 0,就称此状态是能控的；如系统的全部状态都是能控的,就称此系统A ,是状态完全能控的,或简称系统是能控的；7. 给出线性定常离散系统的能观性定义；序列答：如系统x k1Ax k Bu k 如已知输入序列u0, 1, u n1和有限个采样瞬时测量到的输出y k Cx k D y k ,即y0, 1,

24、y, yn,可以唯独地确定出系统的任意初始状态x 0x ,就称系统是状态能观测的,或简称能观测；二、已知Fss s15 ,求Fz；（10 分）第 9 页,共 11 页名师归纳总结 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 解：F z ZF s Z15111Tz1s s5 1z11 e5 =10.21-e5Tz-1110 分 yt z11 e5 Tz三、已知系统框图如下所示：T=1s rt -T1s s1判别系统稳固性；解：系统开环传递函数为G z ZG s Z111z1z2s sZ11s s11z11e1z10.632z10.6321z110.368z11 1

25、.368z10.368系统闭环特点方程1G z z20.736z0.3680采纳双线性变换z1w得 w 平面特点方程为1w2.104w21.264w0.6320建立劳斯表w21 w0 w2.104 0.632 1.264 0.632由劳斯判据可知系统稳固；四、用后向差分法求以下模拟滤波器1Ds的等效数字滤波器,并给出差分递推算式,设T=1s, 10 分 D s s2s21解：使用后项差分别散化方法,令s1z1,就TD z U z D s s2E z z1z25z16可得其差分递推算式为u k 5 6u k11u k211e k 20 分 63五、已知广义被控对象:G s 1eTs1, 给定 T

26、=1s ss针对单位阶跃输入设计最小拍无纹波掌握系统 解：广义对象脉冲传递函数为, 并画出系统的输出波形图；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - G z ZG s Z1 e sTs11s11z1 Z10.632 z1s s110.368 z可以看出, Gz的零点为 - 0.718单位圆内 、极点为 1单位圆上 、0.368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 z 1 z c0解得c01；1c01闭环脉冲传递函数为就D z z 11 0.368 z1 z z1 z 1z1e 1e z G z 0.6321z1Y z R z z 1z11zz2z3z（图略）名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页