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1、一、计算机控制系统部分1.已知广义被控对象：1 - e ts 1 G ( s )=s s+1,给定T=1s，针对单位阶跃输入设计最小拍无纹波控制系统 并画出系统的输出波形图。解：广义对象脉冲传递函数为1 一 e - Ts1s s + 1=(1 - z -1) Z10.632 z-1=s ( s + 1)1 - 0.368 z -1可以看出，G（z）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,件0（单位圆上除外）,m=1。针对阶跃输入进行设计，故p=1。于是可设中（z） = z-1c0中（1） = c0 = 1解得c0 = 1。闭环脉冲传递函数为中
2、(z) = z-1中(z) = 12 (z) = 1 - z-11 - 0.368 z-10.632(1 - z-1)z-1Y (z) = R (z )0 (z) = z-1 + z -2 + z -3 +1 - z-1（图略）2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？周期采样、同步采样、非同步采样、多速采样、.随机采样3、采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。*F -F答：LF398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A1、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
3、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Aout。4. 、什么是振铃现象？如何消除振铃现象？答：所谓振铃（Ringing）现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振 荡。有两种方法可用来消除振铃现象。第一种方法是先找出D（z）中引起振铃现象的因子 （z=-1附近的极点），然后令其中的z=1，根据终值定理，这样处理不影响输出量的稳态值。 第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数 Tc，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。5、已知广义被控对象：G(s) =1一竺一1s s(s +1),给定 T=1s针对单位斜坡输
4、入设计最小拍有纹波控制系统，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，有能力产生单位斜坡响应。求广义对象脉冲传递函数为(s)=Z1 - e 一 ”s1s (s + 1)-z -111z-1) Z=(1 - zT)+Ls2(s + 1)J(1 z -1)21 z -11 e -1 z -1=(1 -G (z) = Z G_ 0.368 z-1(1 + 0.718 z-1)-(1 - z -1)(1 - 0.368 z -1)可以看出，G(z)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。根据稳定
5、性要求，G(z)中2=1的极点应包含在中(z)的零 点中，由于系统针对等速输入进行设计，故p=2。为满足准确性条件另有中(z)=(1-ze1)2F1(z), 显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设0( z) = z -1 (c0 + C z -1)(1) = c + c = 1解得c= 2,c = -11O(1) = c + 2 c 1 = 0。闭环脉冲传递函数为(z) = z -1 (2 一 z -1) = 2z -1 一 z -2 ( z ) = 1 -(z ) = (1 - z -1)2D( z)=气(z )G (z)5.435(1 - 0.5z-1)(1 - 0.368z-1)(
6、1-z -1)(1 + 0.718 z -1)Y (z) = R( z )0( z) =(2 z-1 z -2) = 2 z -2 + 3z -3 + 4 z -4 +(图略)。(1-z-1)26、与连续控制系统相比，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。
7、(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。7、增量型PID控制算式具有哪些优点？答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；(2) 在i时刻的输出u,只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差e，ei2和前一次的输出值ui1，这大大节约了内存和计算时间；1(3) 在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡。8、如何利用试凑法调整PID算法的参数？答：(1冼整定比例部分：将比例系数Kp由小
8、调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得 到反映快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应 曲线已较令人满意，那只须用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。(2) 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。整定 时一般先置一个较大的积分时间系数Tj,同时将第一步整定得到的比例系数Kp缩小一些 (比如取原来的80%)，然后减小积分时间系数使在保持系统较好的动态性能指标的基础上， 系统的静差得到消除。在此过程中，可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数 Kp和积分时间系数T从而实现满意的控制过程和整定参数。(3) 如果即使有比例积分控制器
9、消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则可以加入微分 环节，构成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数TD为零，在第二步整定的基础 上，增大微分时间系数TD，同时相应地改变比例系数Kp和积分时间系数L，逐步试凑， 以获得满意的调节效果和控制参数。9、与应用了传统的通用计算机的数字产品相比，嵌入式系统有哪些特点？答：系统内核小；系统精简；高实时性和高可靠性；智能化和网络化；专用性强；需要有 专用的开发工具和环境。10、简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。答：从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使 输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压
10、信号，因此必须采取电隔离措 施，以保障计算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。11、何为积分饱和现象？答：在标准PID位置算法中，控制系统在启动、停止或者大幅度提降给定值等情况下，系 统输出会出现较大的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后， 可能会使控制量u(k)很大，甚至超过执行机构的极限uma x。另外，当负误差的绝对值较大 时，也会出现uu .的另一种极端情况。显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用 必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。这类现象在给定值突变时容易发生，而 且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。12.已知广义被控对象为：
11、1 一 e -Ts 1G(s) =e -2 ss (s +1)其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s,应用大林算法确定 数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为G(z) = ZG(s)= Z If 1e-4Tss s + 1=(1- z-1) z -4 Z10.632z -5= s( s +1)1 - 0.368z-1闭环系统理想脉冲传递函数为1 一 e-Ts e-4Ts0.865z -50( z) = Z=s0.5s +11 - 0.135z-1得大林控制器如下D( z)=(z)1 -0( z )G (z)=1.3691 - 0.368 z-11- 0.135 z
12、-1 - 0.865 z -513、如何消除积分饱和现象？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定的门限值 时，删除积分作用，PID控制器相当于一个PD调节器，既可以加快系统的响应又可以消 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 入积分控制，相当于PID控制器，则可消除静差，提高控制精度。14、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中（七） ；（2）确定数字控制器的脉冲传
13、递函数D（z）；根据D（z）编制控制算法程序。15、信号隔离的主要方法。答：信号隔离方法主要有变压器隔离和光电隔离，变压器隔离适用于模拟信号隔离，光电 隔离则特别适合数字信号的隔离。16、增量型PID的差分控制算式。答：增量型PID控制算式可以写为u u + K e e + e + D （e 2e + e ）ii-1P ii-1 T i J ii -1 i-217、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，一旦八!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
14、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。第二部分1、计算机控制系统的类型（图及工作原理）（1）类型有：操作指导控制系统，直接数字控制系统，监督计算机控制系统，分级计算 机控制系统。（图及工作原理见PPt1）操作指导系统是指：计算机的输出不直接用来控制被控对象，只是每隔一定时间，计算机 进行一次数据采集，将系统的一些参数经 A/D转换后送入计算机进行计算及处理，然 后进行报警、打印和显示。操作人员根据这些结果去改变调节器的给定值或直接操作执行 机构直接数字控制系统是：计算机用于工业过程控制最普遍的一种方式。计算机通过检测元件 对一个或多个系统参
15、数进行巡回检测，并经过输入通道送入计算机。计算机根据规定的控 制规律进行运算，然后发出控制信号直接去控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的 要求。监督计算机控制系统是：在SCC系统中，由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算 出最佳控制输出送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或者DDC计算机 控制生产过程，从而使生产过程始终处于最佳工作状态。分级计算机控制系统：装置控制级（DDC级）、工厂集中控制级、车间监督级（SCC级） 企业管理级各工作原理图如下：图1.4操作指导系藐沽构图国1.5直接数字控制系统时国L7分厥汁养耽坦制系貌图10监督计算极控制系筑2、名词解释(CIMS, DDC, SOC
