計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷

《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷（21頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷一答案 班級： 姓名： 學(xué)號： 成績： 一、簡答題（每小題5分，共50分） 1. 畫出典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖。 答：典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本框圖如下： 2. 根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為哪幾種類型？ 答：根據(jù)采樣過程的特點(diǎn)，可以將采樣分為以下幾種類型。 (1) 周期采樣 指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，也稱為普通采樣。 (2) 同步采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同且同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱為同步采樣。 (3) 非同步采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時(shí)開閉，則稱為非同

2、步采樣。 (4) 多速采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，每個(gè)采樣開關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。 (5) 隨機(jī)采樣 若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等，則稱為隨機(jī)采樣。 3. 簡述比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)的作用。 答：(1)比例調(diào)節(jié)器：比例調(diào)節(jié)器對偏差是即時(shí)反應(yīng)的，偏差一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使輸出量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)KP。比例調(diào)節(jié)器雖然簡單快速，但對于系統(tǒng)響應(yīng)為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)KP可以減小靜差，但是KP過大時(shí)，會使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量變壞，引起輸出量振蕩，甚至導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2)積分

3、調(diào)節(jié)器：為了消除在比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，可在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。積分時(shí)間常數(shù)TI大，則積分作用弱，反之強(qiáng)。增大TI將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。引入積分調(diào)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。 (3)微分調(diào)節(jié)器：為加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制，使偏差消滅在萌芽狀態(tài)，這就是微分調(diào)節(jié)的原理。微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。 4. 采樣保持器LF398工作原理圖如下圖，試分析其工作原理。 答：LF398的電路原

4、理：放大器A2作為比較器來控制開關(guān)S的通斷，若IN+的電壓高于IN-的電壓，則S閉合，由A1、A3組成跟隨器，并向CH端外接的保持電容充電；IN+的電壓低于IN-的電壓時(shí)，則S斷開，外接電容保持S斷開時(shí)刻的電壓，并經(jīng)A3組成的跟隨器輸出至。 5. 線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？ 答：線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是： 閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模｜zi｜<1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于z平面的單位圓內(nèi)。 6. 為什么會出現(xiàn)比例和微分飽和現(xiàn)象？ 答：當(dāng)給定值發(fā)生很大躍變時(shí)，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大(由于積分項(xiàng)的系數(shù)一般小得多，所以積

5、分部分的增量相對比較小)。如果該計(jì)算值超過了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么，控制作用必然不如應(yīng)有的計(jì)算值理想，其中計(jì)算值的多余信息沒有執(zhí)行就遺失了，從而影響控制效果。 7. 什么是振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？ 答：所謂振鈴(Ringing)現(xiàn)象，是指數(shù)字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象。第一種方法是先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=-1附近的極點(diǎn))，然后令其中的z=1，根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。第二種方法是從保證閉環(huán)系統(tǒng)的特性出發(fā)，選擇合適的采樣周期T及系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)Tc，使得數(shù)字控制器的輸出避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的振鈴現(xiàn)象。

6、8. 什么是嵌入式系統(tǒng)？如何理解嵌入式系統(tǒng)的定義？ 答：目前國內(nèi)普遍被認(rèn)同的嵌入式系統(tǒng)定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常，從以下幾個(gè)方面來理解嵌入式系統(tǒng)的定義： (1)以應(yīng)用為中心是指嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的。 (2)嵌入式系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

7、 嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要對軟、硬件進(jìn)行剪裁以適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)在功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求。說明嵌入式系統(tǒng)存在著一個(gè)較為通用的軟、硬件內(nèi)核。這個(gè)內(nèi)核往往是幾kB到幾十kB之間的微內(nèi)核，正是由于微內(nèi)核的存在，才使得嵌入式系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的需要在軟、硬件方面得以順利地裁剪或擴(kuò)充。 9. 簡述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 答：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通常具備下述特點(diǎn)： (1) 非定常性。數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)刻不再是定常和有規(guī)則的, 更不能再用簡單的采樣時(shí)間來刻畫。 (2) 非完整性。由于數(shù)據(jù)在傳輸中可能發(fā)生丟失和出錯(cuò)，數(shù)據(jù)不再是完整的，當(dāng)然數(shù)字控制中也可能有類似的現(xiàn)象，但在網(wǎng)絡(luò)控制中發(fā)生的可

8、能性要大得多。 (3) 非有序性。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間的不確定，先產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能遲于后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)到達(dá)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。因此, 數(shù)據(jù)到達(dá)的次序可能不再遵守原有的時(shí)間順序。 (4) 非確定性。由于數(shù)據(jù)到達(dá)的隨機(jī)性，整個(gè)控制過程已不再是一個(gè)確定性的系統(tǒng),而是一個(gè)隨機(jī)系統(tǒng)。 10. 簡述故障診斷技術(shù)所包含的內(nèi)容。 答：故障診斷主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。 (1) 故障的特征提取 通過測量用定量和定性的信息處理技術(shù)獲取反映系統(tǒng)故障的特征描述。 (2) 故障的分離與估計(jì) 根據(jù)獲得的故障特征確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及故障的程度。 (3) 故障的評價(jià)和決策 根據(jù)故障分離與估計(jì)的結(jié)論對故障的危害及嚴(yán)重

9、程度做出評價(jià)，近而決策出是否停止任務(wù)的進(jìn)程以及是否需要維修更換故障元部件。 二、已知系統(tǒng)的差分方程為 （10分） 輸入信號是 初始條件為，試寫出輸出脈沖序列。 解： … 三、設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為，在對象前接有零階保持器，試求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)。 （10分） 解：廣義對象傳遞函數(shù) 對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為 四、已知被控對象傳遞函數(shù)為 試用“二階工程最佳”設(shè)計(jì)法確定模擬控制器Gc(s)，并用后向差分法給出等效的數(shù)字控制器形式。（10分） 解：經(jīng)動(dòng)態(tài)校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 應(yīng)選擇Gc(s)為PI控制器，其基本形式為 為使

10、PI控制器能抵消被控對象中較大的時(shí)間常數(shù)，可選擇 則有 根據(jù)二階工程最佳設(shè)計(jì)法則，應(yīng)有 解之得 于是得到模擬控制器的傳遞函數(shù)為 對以上的模擬PI控制器，根據(jù)后向差分近似的等效變換方法，得等效的數(shù)字控制器： 五、已知廣義被控對象:, 給定T=1s (20分) 針對單位斜坡輸入設(shè)計(jì)最小拍有紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的輸出波形圖。 解：由已知條件，被控對象含有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，有能力產(chǎn)生單位斜坡響應(yīng)。 求廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 可以看出，G(z)的零點(diǎn)為-0.718(單位圓內(nèi))、極點(diǎn)為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi))，故u=0,v

11、=0(單位圓上除外),m=1。根據(jù)穩(wěn)定性要求，G(z)中z=1的極點(diǎn)應(yīng)包含在Φe(z)的零點(diǎn)中，由于系統(tǒng)針對等速輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，故p=2。為滿足準(zhǔn)確性條件另有Φe(z)=(1－z1)2F1(z),顯然準(zhǔn)確性條件中已滿足了穩(wěn)定性要求，于是可設(shè) 解得 。 閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 則 （圖略）。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷二答案 一、 簡答題（每小題4分，共40分） 1. 連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有哪些特點(diǎn)？ 答：與連續(xù)控制系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： (1) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。 (2) 在計(jì)算機(jī)控制

12、系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)通過程序?qū)崿F(xiàn)的（數(shù)字控制器），修改一個(gè)控制規(guī)律，只需修改程序，因此具有很大的靈活性和適應(yīng)性。 (3) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制規(guī)律。 (4) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。 (5) 一個(gè)數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r(shí)控制的方式，同時(shí)控制多個(gè)回路。 (6) 采用計(jì)算機(jī)控制，如分級計(jì)算機(jī)控制、集散控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等，便于實(shí)現(xiàn)控制與管理一體化，使工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。 2. 簡述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般控制過程。 答：(1) 數(shù)據(jù)采集及處理，即對被控對象的被控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

13、 (2) 實(shí)時(shí)控制，即按已設(shè)計(jì)的控制規(guī)律計(jì)算出控制量，實(shí)時(shí)向執(zhí)行器發(fā)出控制信號。 3. 簡述典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所包含的信號形式。 答：(1) 連續(xù)信號 連續(xù)信號是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續(xù)的,也可以是斷續(xù)的。 (2) 模擬信號 模擬信號是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時(shí)間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個(gè)子集，在大多數(shù)場合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來，均指模擬信號。 (3) 離散信號 離散信號是僅在各個(gè)離散時(shí)間瞬時(shí)上有定義的信號。 (4) 采樣信號 采樣信號是離散信號的子集，在時(shí)間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們

14、提及離散信號就是指采樣信號。 (5) 數(shù)字信號 數(shù)字信號是幅值整量化的離散信號，它在時(shí)間上和幅值上均是離散的。 4. 線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是否只與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)？ 答：線性定常離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，不但與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而且與輸入序列的形式及幅值有關(guān)。除此之外，離散系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與采樣周期的選取也有關(guān)。 5. 增量型PID控制算式具有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 答：(1)計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化部分，因而誤動(dòng)作影響小。 (2)在i時(shí)刻的輸出ui，只需用到此時(shí)刻的偏差，以及前一時(shí)刻、前兩時(shí)刻的偏差ei-1、ei-2和前一次的輸出值ui-1，這大大節(jié)約了內(nèi)存

15、和計(jì)算時(shí)間。 (3)在進(jìn)行手動(dòng)—自動(dòng)切換時(shí)，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡。 6. 如何利用試湊法調(diào)整PID算法的參數(shù)？ 答：(1)先整定比例部分：將比例系數(shù)KP由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)趨勢，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已小到允許范圍之內(nèi)，同時(shí)響應(yīng)曲線已較令人滿意，那只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。 (2)如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)一般先置一個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù)TI,同時(shí)將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小一些(比如取原來的80%)，然后減小積分時(shí)間系數(shù)，使在保持系統(tǒng)較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上

16、，系統(tǒng)的靜差得到消除。在此過程中，可以根據(jù)響應(yīng)曲線的變化趨勢反復(fù)地改變比例系數(shù)KP和積分時(shí)間系數(shù)TI,從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。 (3)如果即使有比例積分控制器消除了偏差，但動(dòng)態(tài)過程仍不令人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間系數(shù)TD為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時(shí)間系數(shù)TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)KP和積分時(shí)間系數(shù)TI，逐步試湊，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。 7. 簡述對偶原理的基本內(nèi)容。 答：對偶原理：設(shè)S1=(A,B,C)、S2=(AT, CT, BT)是互為對偶的兩個(gè)系統(tǒng)，則S1的能控性等價(jià)于S2的能觀測性；S1的能觀測性等價(jià)于S

17、2的能控性。或者說，若S1是狀態(tài)完全能控的(完全能測觀的)，則S2是狀態(tài)完全能觀測的(完全能控的)。 8. 與應(yīng)用了傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)的數(shù)字產(chǎn)品相比，嵌入式系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？ 答：系統(tǒng)內(nèi)核??；系統(tǒng)精簡；高實(shí)時(shí)性和高可靠性；智能化和網(wǎng)絡(luò)化；專用性強(qiáng)；需要有專用的開發(fā)工具和環(huán)境。 9. 尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，如何防治尖峰脈沖干擾？ 答：尖峰干擾是一種頻繁出現(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能隨機(jī)脈沖，其幅度可達(dá)幾千伏，寬度只有幾個(gè)毫微秒或幾個(gè)微秒，出現(xiàn)的位置也無規(guī)律，因此采用常規(guī)的抑制辦法是無效的，而必須采取綜合治理的辦法： (1)“遠(yuǎn)離”干擾源。 (2) 用硬

18、件設(shè)備抑制尖峰干擾的影響。 較常用的抑制方法有三種：在交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻；采用鐵磁共振原理，如采用超級隔離變壓器；在交流電源輸入端串入均衡器。 (3) 在大功率用電設(shè)備上采取措施抑制尖峰干擾的產(chǎn)生。 (4)采用“看門狗”(Watchdog)技術(shù)。 10. 什么是硬件故障冗余系統(tǒng)？ 答：硬件故障冗余系統(tǒng)的定義是：如果一個(gè)系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運(yùn)行性故障時(shí)，依靠系統(tǒng)冗余硬件的內(nèi)駐能力，仍能保持系統(tǒng)連續(xù)正確地執(zhí)行其程序和輸入、輸出功能，則稱這一系統(tǒng)為硬件故障冗余系統(tǒng)。 二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分) y(t) T r(t)

19、 -— 試確定閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K的取值范圍。 解：廣義對象傳遞函數(shù) 對應(yīng)的脈沖傳遞函數(shù)為 此時(shí)系統(tǒng)的特征方程為 采用雙線性變換 可得等效的特征方程為 此時(shí)，勞斯表為 w2 （1-0.0381K） 0.924K → K< 26.2 w1 0.924－0.386K → K< 2.39 w0 0.924K → K> 0 故K的變化范圍為 0< K < 2.39。 三、已

20、知某連續(xù)控制器的傳遞函數(shù)為 （10分） 試用雙線性變換法求出相應(yīng)的數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)，并給出控制器的差分形式。其中。 解：令 控制器的差分形式為 四、已知離散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下所示，采樣周期，輸入信號，求該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 （10分） r(t) y(t) 解：系統(tǒng)開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 則誤差脈沖傳遞函數(shù)為 穩(wěn)態(tài)誤差為 五、已知廣義被控對象為 （15分） 其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用

21、史密斯預(yù)估器方法確定數(shù)字控制器。 解：不含純滯后的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 不考慮純滯后，閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為 ，進(jìn)而 求得 于是得史密斯預(yù)估器如下 六、采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)圓弧OP，起點(diǎn)坐標(biāo)O(0，5)，終點(diǎn)坐標(biāo)P(5，0)，圓心在原點(diǎn)。要求以表格形式給出插補(bǔ)計(jì)算過程，并畫出插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。（10分） 解： 步數(shù) 誤差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 下一步誤差計(jì)算 進(jìn)給后動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo) 終點(diǎn)判別 初始化 F＝0 x=0, y=5 ∑=10 1 F=0 -y F=F-2y+1= -9 x=0，y=y-1=4 ∑=∑-1=

22、9 2 F<0 +x F=F+2x+1= -8 x=x+1=1, y=4 ∑=∑-1=8 3 F<0 +x F=F+2x+1= -5 x=x+1=2, y=4 ∑=∑-1=7 4 F<0 +x F=F+2x+1=0 x=x+1=3, y=4 ∑=∑-1=6 5 F=0 -y F=F-2y+1= -7 x=3，y=y-1=3 ∑=∑-1=5 6 F<0 +x F=F+2x+1=0 x=x+1=4, y=3 ∑=∑-1=4 7 F=0 -y F=F-2y+1= -5 x=4，y=y-1=2 ∑=∑-1=3 8 F<0 +

23、x F=F+2x+1=4 x=x+1=5, y=2 ∑=∑-1=2 9 F>0 -y F=F-2y+1=1 x=5，y=y-1=1 ∑=∑-1=1 10 F>0 -y F=F-2y+1=0 x=5，y=y-1=0 ∑=∑-1=0End （圖略） 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷三答案 一、 簡答題 （每小題4分，共40分） 1. 簡述開關(guān)量光電耦合輸入電路中，光電耦合器的作用。 答：開關(guān)量光電耦合輸入電路，它們除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。 2. 回答下述電路中克服共模干擾的工作原理。 答：平時(shí)，開關(guān)S1i(i=1,2,...,n)處于閉合狀態(tài)，C

24、i的電壓跟蹤Vi的輸入值，開關(guān)S2i(i=1,2,...,n)處于斷開狀態(tài)。需檢測Vi時(shí)，則令S1i斷開,S2i閉合，放大器A的輸出經(jīng)采樣保持器送至A/D轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量，然后開關(guān)再恢復(fù)平時(shí)的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過程中，放大器A不與任何模擬量信號輸入共地，電容Ci的電壓均為差模電壓，這樣就克服了共模電壓的影響。 3. 什么是采樣或采樣過程？ 答：采樣或采樣過程，就是抽取連續(xù)信號在離散時(shí)間瞬時(shí)值的序列過程，有時(shí)也稱為離散化過程。 4. 線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)的定義是什么？ 答：線性離散系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)定義為零初始條件下，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸出采樣函數(shù)z變換和輸入采樣函數(shù)z變換之比。 5.

25、 何為積分飽和現(xiàn)象？ 答：在標(biāo)準(zhǔn)PID位置算法中，控制系統(tǒng)在啟動(dòng)、停止或者大幅度提降給定值等情況下，系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)較大的偏差，這種較大偏差，不可能在短時(shí)間內(nèi)消除，經(jīng)過積分項(xiàng)累積后，可能會使控制量u(k)很大，甚至超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的極限umax。另外，當(dāng)負(fù)誤差的絕對值較大時(shí)，也會出現(xiàn)u

26、際系統(tǒng)中難以滿足這一要求。 (2) 沒有反映采樣點(diǎn)之間的性能。特別是當(dāng)采樣周期過大，除有可能造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定外，還使系統(tǒng)長時(shí)間處于“開環(huán)”、失控狀態(tài)。因此，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)變壞。 (3) 等效離散化設(shè)計(jì)所構(gòu)造的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其性能指標(biāo)只能接近于原連續(xù)系統(tǒng)(只有當(dāng)采樣周期T=0時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)才能完全等同于連續(xù)系統(tǒng))，而不可能超過它。因此，這種方法也被稱為近似設(shè)計(jì)。 7. 何為最少拍設(shè)計(jì)？ 答：最少拍設(shè)計(jì)，是指系統(tǒng)在典型輸入信號(如階躍信號，速度信號，加速度信號等)作用下，經(jīng)過最少拍(有限拍)，使系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)誤差為零。 8. 給出單輸入—單輸出線性定常離散系統(tǒng)的能控性和能觀性與

27、 其脈沖傳遞函數(shù)之間的關(guān)系。 答：單輸入—單輸出線性定常離散系統(tǒng)完全能控和完全能觀的充分必要條件是脈沖傳遞函數(shù)不存在零、極點(diǎn)相消。如果存在著零、極點(diǎn)相消，系統(tǒng)或者是不完全能控，或者是不完全能觀，或者既不完全能控又不完全能觀。 9. 嵌入式處理器可分為哪幾種類型？ 答：嵌入式處理器又可以分為以下四類： (1) 嵌入式微控制器MCU（MicroController Unit） (2) 嵌入式微處理器MPU（MicroProcessor Unit） (3) 數(shù)字信號處理器DSP（Digital Signal Processor） (4) 嵌入式片上系統(tǒng)（System on Chip，S

28、oC） 10. 針對實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障，通常從哪幾個(gè)方面對故障進(jìn) 行分類？ 答：實(shí)際系統(tǒng)可能發(fā)生的故障是多種多樣的，可以從下面幾個(gè)方面對故障進(jìn)行分類： (1) 從故障發(fā)生的部位看，分為傳感器故障、執(zhí)行器故障和受控對象故障。 (2) 根據(jù)故障性質(zhì)，分為突變故障和緩變故障。 (3) 從建模角度出發(fā)，可分為乘性故障和加性故障。 (4) 從故障間的相互關(guān)系，分為單故障和多故障、獨(dú)立故障和局部故障。 y*(t) 二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分) T r(t) y(t) 試寫出離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程。 解：所給系統(tǒng)的脈

29、沖傳遞函數(shù)為 令進(jìn)而 則 取于是得如下狀態(tài)方程 寫成矩陣形式為 三、已知廣義被控對象為 （15分） 其中，T=1s。期望的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)取為Tc=0.5s,應(yīng)用大林算法確定數(shù)字控制器。 解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 閉環(huán)系統(tǒng)理想脈沖傳遞函數(shù)為 得大林控制器如下 四、已知被控對象 （15分） 設(shè)計(jì)一個(gè)特征值為的全維狀態(tài)觀測器，并畫出相應(yīng)的狀態(tài)變量結(jié)構(gòu)圖。 解：能觀性矩陣滿秩，故系統(tǒng)能觀測，可設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器。令輸出誤差反饋矩陣 觀測器期望

30、特征方程為 觀測器特征方程為 比較上面兩式，可得 (狀態(tài)變量圖略)。 五、已知某系統(tǒng)連續(xù)控制器的傳遞函數(shù) （15分） 試分別用階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)不變法求的等效數(shù)字控制器，并寫出相應(yīng)的差分方程表達(dá)式。其中采樣周期。 解：1. 階躍響應(yīng)不變法 由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下 2. 脈沖響應(yīng)不變法 由可推得數(shù)字控制器的差分方程形式如下 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷四答案 一、 簡答題 （每小題3分，共30分） 1. 使用光電隔離器件時(shí)，如何做到器件兩側(cè)的電氣被徹底隔離？ 答：光電隔離器件兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。 2. 給出多通道復(fù)用

31、一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的原理示意圖。 答： 3. 什么是信號重構(gòu)？ 答：把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，稱為信號重構(gòu)，它是采樣的逆過程。 4. 寫出零階保持器的傳遞函數(shù)，引入零階保持器對系統(tǒng)開環(huán)傳 遞函數(shù)的極點(diǎn)有何影響？ 答：零階保持器的傳遞函數(shù)為。零階保持器的引入并不影響開環(huán)系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)。 5. 階躍響應(yīng)不變法的基本思想是什么？ 答：階躍響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的階躍響應(yīng)序列與模擬控制器的階躍響應(yīng)的采樣值一致。 6. 如何消除積分飽和現(xiàn)象？ 答：減小積分飽和的關(guān)鍵在于不能使積分項(xiàng)累積過大。因此當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門限值時(shí)，刪除積分作用，PID控

32、制器相當(dāng)于一個(gè)PD調(diào)節(jié)器，既可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)又可以消除積分飽和現(xiàn)象，不致使系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)和振蕩。只有當(dāng)誤差e在門限之內(nèi)時(shí)，加入積分控制，相當(dāng)于PID控制器，則可消除靜差，提高控制精度。 7. 給出常規(guī)的直接設(shè)計(jì)法或離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟。 答：直接設(shè)計(jì)法或稱離散化設(shè)計(jì)法的具體設(shè)計(jì)步驟如下： (1)根據(jù)已知的被控對象，針對控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求及其它約束條件，確定理想的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。 (2)確定數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；根據(jù)D(z)編制控制算法程序。 8. 采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的充分必要條件是什 么？ 答：采用狀態(tài)反饋任意配置閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)的充分必要

33、條件是系統(tǒng)狀態(tài)完全能控。 9. 說出實(shí)施信號隔離的主要方法。 答：信號隔離方法主要有變壓器隔離和光電隔離，變壓器隔離適用于模擬信號隔離，光電隔離則特別適合數(shù)字信號的隔離。 10. 故障診斷中的狀態(tài)估計(jì)方法的基本思想是什么？ 答：故障診斷中的狀態(tài)估計(jì)方法的基本思想是：首先重構(gòu)被控過程的狀態(tài)，通過與可測變量比較構(gòu)成殘差序列，再構(gòu)造適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⒂媒y(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，從殘差序列中把故障診斷出來。因此，這就要求系統(tǒng)可觀測或部分可觀測，通常用各種狀態(tài)觀測器或?yàn)V波器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。 二、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T=1s (15分) y(t) T r(t) -—

34、 試求閉環(huán)離散系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，并判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 則閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為 由z域直接判據(jù) ① ｜W(0)｜=0.632<1 ② W(1)=1-1+0.632>0 ③ W(-1)=1+1+0.632>0 知閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。 三、已知某被控對象的傳遞函數(shù)為 (15分) 要求設(shè)計(jì)成單位反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如下圖所示。采樣周期為T＝1s。要求閉環(huán)特征根為0.4和0.6。試求數(shù)字控制器。 解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 根據(jù)要求設(shè)定閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 四、已知控

35、制系統(tǒng)的被控對象的傳遞函數(shù)為，采樣周期T=1s，若選閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，試用大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器。若出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，修正數(shù)字控制器，消除振鈴現(xiàn)象。（20分） 解：采樣周期T=1s，期望閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 進(jìn)而 被控裝置廣義脈沖傳遞函數(shù) 則 由振鈴現(xiàn)象產(chǎn)生的原理知，用常規(guī)大林算法設(shè)計(jì)的被控對象為二階的系統(tǒng)必產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象。在D(z)中的靠近z＝-1的兩個(gè)因子中令z＝1來消除振鈴現(xiàn)象，即 五、求出雙積分系統(tǒng)控制對象的離散狀態(tài)方程，假設(shè)系統(tǒng)所有的狀態(tài)皆不可直接測量，設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋，并把閉環(huán)兩個(gè)極點(diǎn)都配置在0.1，觀測器特征方程的兩個(gè)根配置在原點(diǎn)。（T=1

36、s） （20分） 解：系統(tǒng)的廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 可寫其能控標(biāo)準(zhǔn)型實(shí)現(xiàn)為 對應(yīng)的能觀性矩陣為 滿秩，故系統(tǒng)能觀，可設(shè)計(jì)觀測器。 先求狀態(tài)觀測器增益矩陣 狀態(tài)觀測器特征多項(xiàng)式為 觀測器期望特征多項(xiàng)式為 比較上面兩式z各次冪項(xiàng)系數(shù)得 再求狀態(tài)反饋增益矩陣 期望閉環(huán)特征方程為 則引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為 比較上面二方程z各次冪項(xiàng)系數(shù)，得 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試卷五答案 一、 簡答題（每小題4分，共40分） 1. 簡述采樣定理的基本內(nèi)容。 答：采樣定理: 如果連續(xù)信號具有有限頻譜，其最高頻率為,則對進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率時(shí)，連續(xù)信號可

37、以由采樣信號唯一確定，亦即可以從無失真地恢復(fù)。 2. 線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？ 答：線性離散控制系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是： 閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根的模｜zi｜<1，即閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均位于z平面的單位圓內(nèi)。 3. 脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是什么？ 答：脈沖響應(yīng)不變法的基本思想是：離散近似后的數(shù)字控制器的脈沖響應(yīng)gD(kT)是模擬控制器的脈沖響應(yīng)采樣值g(kT)的T倍。 4. 寫出增量型PID的差分控制算式。 答：增量型PID控制算式可以寫為 5. 如何消除比例和微分飽和現(xiàn)象？ 答：“積分補(bǔ)償法”。其中心思想是將那些因飽和而未能執(zhí)行的增量信息積累起來，一旦有

38、可能再補(bǔ)充執(zhí)行。這樣，動(dòng)態(tài)過程也得到了加速。即，一旦超限，則多余的未執(zhí)行的控制增量將存儲在累加器中；當(dāng)控制量脫離了飽和區(qū)，則累加器中的量將全部或部分地加到計(jì)算出的控制增量上，以補(bǔ)充由于限制而未能執(zhí)行的控制。 6. 給出線性定常離散系統(tǒng)的能控性定義。 答：對于n階線性定常離散系統(tǒng)；，若存在有限個(gè)輸入向量序列能將某個(gè)初始狀態(tài)在第l步控制到零狀態(tài)，即，則稱此狀態(tài)是能控的。若系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是能控的，則稱此系統(tǒng)是狀態(tài)完全能控的，或簡稱系統(tǒng)是能控的。 7. 給出線性定常離散系統(tǒng)的能觀性定義。 答：若系統(tǒng) 若已知輸入序列和有限個(gè)采樣瞬間測量到的輸出序列，即，可以唯一地確定出系統(tǒng)的任意初始狀態(tài)，

39、則稱系統(tǒng)是狀態(tài)能觀測的，或簡稱能觀測。 8. 簡述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能及特點(diǎn)。 答：(1)數(shù)據(jù)信息的快速傳輸和處理，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控。 (2) 可共享計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。 (3) 提高了計(jì)算機(jī)的可靠性。 (4) 能均衡負(fù)載、互相協(xié)作。 (5) 能進(jìn)行分布處理。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)具體要求選擇網(wǎng)內(nèi)最合適的資源來處理。 (6) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的智能化，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能和綜合的多功能服務(wù)，并能更加合理地進(jìn)行應(yīng)用，以提高綜合信息服務(wù)的水平。 9. 基于Internet網(wǎng)絡(luò)的控制在控制領(lǐng)域的應(yīng)用中有著怎樣的優(yōu)勢？ 答：基于Internet網(wǎng)絡(luò)的控制在控制領(lǐng)域的應(yīng)用中有著如下優(yōu)勢： (1

40、) 能夠遠(yuǎn)程遙監(jiān)測、控制被控對象的特性和行為、 (2) 能使世界各地的專家足不出戶、協(xié)同作業(yè)對被控對象進(jìn)行控制。 (3) 從商業(yè)角度來說，由于員工的地理可分散性，大大提高了企業(yè)或公司的經(jīng)營效率，從而降低了企業(yè)或公司的經(jīng)營成本。 10. 為提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，通常采取的措施有哪些？ 答：為提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，通常采取以下幾種措施： (1) 提高元器件和設(shè)備的可靠性。 (2) 采取抗干擾措施，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。 (3) 采用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)。 (4) 采用故障診斷技術(shù)。 二、已知 ，求。 （10分） 解： 三、已知系統(tǒng)框圖如下所示： T

41、=1s (10分) T y(t) r(t) -— 判別系統(tǒng)穩(wěn)定性。 解：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)閉環(huán)特征方程 采用雙線性變換得w平面特征方程為 建立勞斯表 w2 2.104 0.632 w1 1.264 w0 0.632 由勞斯判據(jù)可知系統(tǒng)穩(wěn)定。 四、用后向差分法求下列模擬濾波器D(s)的等效數(shù)字濾波器，并給出差分遞推算式，設(shè)T=1s, (10分)

42、 解：使用后項(xiàng)差分離散化方法，令，則 可得其差分遞推算式為 五、已知廣義被控對象:, 給定T=1s (20分) 針對單位階躍輸入設(shè)計(jì)最小拍無紋波控制系統(tǒng), 并畫出系統(tǒng)的輸出波形圖。 解：廣義對象脈沖傳遞函數(shù)為 可以看出，G(z)的零點(diǎn)為-0.718(單位圓內(nèi))、極點(diǎn)為1(單位圓上)、0.368(單位圓內(nèi))，故w=0,v=0(單位圓上除外), m=1。針對階躍輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，故p=1。于是可設(shè) 解得 。 閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為 則 （圖略） 六、采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)直線OP，起點(diǎn)坐標(biāo)O(0，0)

43、，終點(diǎn)坐標(biāo)P(5，-4)，要求以表格形式給出插補(bǔ)計(jì)算過程，并畫出插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡。（10分） 課后題 開關(guān)輸入量作用： 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了獲取系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)定信息，經(jīng)常需要進(jìn)行開關(guān)量信號的輸入。 模擬輸入量作用：把從控制對象檢測到的模擬信號，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號，經(jīng)I/O接口送入計(jì)算機(jī)。 開關(guān)輸出量：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開/關(guān)（如對電磁閥的控制）或啟/停（如各種交、直流電機(jī)的控制），某些控制算法（如脈寬調(diào)制方法，最優(yōu)控制中的乒乓控制算法等）也需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定時(shí)間T內(nèi)全負(fù)荷工作一段時(shí)間t(0≤t≤T)，這些控制可通過計(jì)算機(jī)開關(guān)量輸出通道來實(shí)現(xiàn)。

44、模擬輸出量：把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量 光電耦合器的作用：從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量的信號電平往往高于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入開關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。常用的隔離措施是采用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)的。 5.16 設(shè)被控對象傳遞函數(shù)為(T=1s) (1) 試用“二階工程最佳”設(shè)計(jì)法確定模擬控制器Gc(s)。 (2) 將Gc(s)用雙線性變換法離散化為數(shù)字控制器D(z)，并將其 轉(zhuǎn)換為差分方程。 (3) 畫出實(shí)現(xiàn)D(z)的程序框圖。 6.1解：最少拍控制系統(tǒng)是指

45、系統(tǒng)在典型輸入信號作用下，經(jīng)過最少拍使系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差為零。不足之處：只針對某種典型輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)輸入形式改變時(shí)，系統(tǒng)性能變壞，輸出響應(yīng)不一定理想。 6.9 大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是什么？所謂振鈴現(xiàn)象是什么？振 鈴幅度如何定義？如何消除振鈴現(xiàn)象？ 6.9 解：不論是對一階慣性對象還是對二階慣性對象，大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)都是使閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(s)相當(dāng)于一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，其中純滯后環(huán)節(jié)的滯后時(shí)間τ與被控對象的純滯后時(shí)間完全相同。這樣就能保證使系統(tǒng)不產(chǎn)生超調(diào)，同時(shí)保證其穩(wěn)定性。 所謂振鈴(Ringing)現(xiàn)象，是指數(shù)字控制器的輸出以二分之一采樣頻率大幅度衰減的振蕩。 振鈴幅度RA用來衡量振鈴強(qiáng)烈的程度。為描述振鈴強(qiáng)烈的程度，應(yīng)找出數(shù)字控制器輸出量的最大值umax。由于這一最大值與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系難于用解析的式子描述出來，所以常用單位階躍作用下數(shù)字控制器第0次輸出量與第1次輸出量的差值來衡量振鈴現(xiàn)象強(qiáng)烈的程度。 有兩種方法可用來消除振鈴現(xiàn)象。第一種方法是先找出D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子(z=-1附近的極點(diǎn))，然后令其中的z=1，根據(jù)終值定理，這樣處理不影響輸出量的穩(wěn)態(tài)值。第二種方法是從保證閉環(huán)系統(tǒng)的特性出發(fā)，選擇合適的采樣周期T及系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)間常數(shù)Tc，使得數(shù)字控制器的輸出避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的振鈴現(xiàn)象。