1、计算机控制系统试题答案计算机控制系统试卷一答案班级：姓名：学号：成绩：一、简答题（每小题5分，共50分）1.画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下：2.根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。(1)周期采样指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。(2)同步采样如果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，则称为同步采样。(3)非同步采样如果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，则称为非同步采样。(4)多速采样如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样
2、的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。(5)随机采样若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。3.简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数KP可以减小静差，但是KP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定。(2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为
3、零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数TI大，则积分作用弱，反之强。增大TI将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。(3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。4.采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关S的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则S闭合，由A1、A3组成跟随器，并向CH端外接的保
4、持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至。5.线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模zi1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。6.为什么会出现比例和微分饱和现象？答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(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)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，其中计算值的多余信息没有执行就遗失了，从而影响
5、控制效果。7.什么是振铃现象？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。8.什么是嵌入式系统？如何理解嵌入式系统的定义？答：目前国内普遍被认同的嵌入式系统定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成
6、本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，从以下几个方面来理解嵌入式系统的定义：(1)以应用为中心是指嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。(2)嵌入式系统以计算机技术为基础，是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和Internet网络技术与具体应用对象相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统可以根据实际系统的需要对软、硬件进行剪裁以适应实际系统在功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求。说明嵌入式系统存在着一个较为通用的软、硬件内核。这个内核往往是几kB到几十k
7、B之间的微内核，正是由于微内核的存在，才使得嵌入式系统能够根据实际应用系统的需要在软、硬件方面得以顺利地裁剪或扩充。9.简述网络控制系统的特点。答：网络控制系统通常具备下述特点：(1)非定常性。数据到达的时刻不再是定常和有规则的,更不能再用简单的采样时间来刻画。(2)非完整性。由于数据在传输中可能发生丢失和出错，数据不再是完整的，当然数字控制中也可能有类似的现象，但在网络控制中发生的可能性要大得多。(3)非有序性。由于网络传输时间的不确定，先产生的数据可能迟于后产生的数据到达远程控制系统。因此,数据到达的次序可能不再遵守原有的时间顺序。(4)非确定性。由于数据到达的随机性，整个控制过程已不再是
8、一个确定性的系统,而是一个随机系统。10.简述故障诊断技术所包含的内容。答：故障诊断主要包括以下几个方面的内容。(1)故障的特征提取通过测量用定量和定性的信息处理技术获取反映系统故障的特征描述。(2)故障的分离与估计根据获得的故障特征确定系统是否出现故障以及故障的程度。(3)故障的评价和决策根据故障分离与估计的结论对故障的危害及严重程度做出评价，近而决策出是否停止任务的进程以及是否需要维修更换故障元部件。二、已知系统的差分方程为（10分）输入信号是初始条件为，试写出输出脉冲序列。解：三、设被控对象传递函数为，在对象前接有零阶保持器，试求广义对象的脉冲传递函数。（10分）解：广义对象传递函数对应
9、的脉冲传递函数为四、已知被控对象传递函数为试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器Gc(s)，并用后向差分法给出等效的数字控制器形式。（10分）解：经动态校正后系统的开环传递函数为应选择Gc(s)为PI控制器，其基本形式为为使PI控制器能抵消被控对象中较大的时间常数，可选择则有根据二阶工程最佳设计法则，应有解之得于是得到模拟控制器的传递函数为对以上的模拟PI控制器，根据后向差分近似的等效变换方法，得等效的数字控制器：五、已知广义被控对象:,给定T=1s(20分)针对单位斜坡输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
10、广义对象脉冲传递函数为可以看出，G(z)的零点为(单位圆内)、极点为1(单位圆上)、(单位圆内)，故u=0,v=0(单位圆上除外),m=1。根据稳定性要求，G(z)中z=1的极点应包含在e(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e(z)=(1z1)2F1(z),显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可设解得。闭环脉冲传递函数为则（图略）。计算机控制系统试卷二答案班级：姓名：学号：成绩：一、 简答题（每小题4分，共40分）1.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
11、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。 (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。 2.简述计算机控制系统的一般控制过程。答：(1)数据采集及处理，即对被控对象的被控参数进行实时检测，并输给计算机进行处理。(2)实时控制
12、，即按已设计的控制规律计算出控制量，实时向执行器发出控制信号。3.简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。答：(1)连续信号连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的,也可以是断续的。(2)模拟信号模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。(3)离散信号离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。(4)采样信号采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。(5)数字信号数字信号是幅值整量化的离
13、散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。4.线性定常离散系统的稳态误差是否只与系统本身的结构和参数有关？答：线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。除此之外，离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关。5.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ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻、前两时刻的偏差ei-1、ei-2和前一次的输出值ui-1，这大大节约了内存和计算时间。(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。6.如何利用试凑法调整PID
14、算法的参数？答：(1)先整定比例部分：将比例系数KP由小调大，并观察相应的系统响应趋势，直到得到反应快、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，那只需用比例调节器即可，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，则需加入积分环节。整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI,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TI,从而实现满意的控制
15、过程和整定参数。(3)如果即使有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不令人满意，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TI，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。7.简述对偶原理的基本内容。答：对偶原理：设S1=(A,B,C)、S2=(AT,CT,BT)是互为对偶的两个系统，则S1的能控性等价于S2的能观测性；S1的能观测性等价于S2的能控性。或者说，若S1是状态完全能控的(完全能测观的)，则S2是状态完全能观测的(完全能控的)。8.与应用了传统的通用计算机的数字产品
16、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。9.尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能随机脉冲，如何防治尖峰脉冲干扰？答：尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能随机脉冲，其幅度可达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微秒，出现的位置也无规律，因此采用常规的抑制办法是无效的，而必须采取综合治理的办法：(1)“远离”干扰源。(2)用硬件设备抑制尖峰干扰的影响。较常用的抑制方法有三种：在交流电源的输入端并联压敏电阻；采用铁磁共振原理，如采用超级隔离变压器；在交流电源输入端串入均衡器。(3)在大功率用电
17、设备上采取措施抑制尖峰干扰的产生。(4)采用“看门狗”(Watchdog)技术。10. 什么是硬件故障冗余系统？答：硬件故障冗余系统的定义是：如果一个系统在出现一定的运行性故障时，依靠系统冗余硬件的内驻能力，仍能保持系统连续正确地执行其程序和输入、输出功能，则称这一系统为硬件故障冗余系统。二、已知系统框图如下所示：T=1s(15分)试确定闭环系统稳定时K的取值范围。解：广义对象传递函数对应的脉冲传递函数为此时系统的特征方程为采用双线性变换可得等效的特征方程为此时，劳斯表为w2（）KK0故K的变化范围为0K。三、已知某连续控制器的传递函数为（10分）试用双线性变换法求出相应的数字控制器的脉冲传递
18、函数，并给出控制器的差分形式。其中。解：令控制器的差分形式为四、已知离散控制系统的结构如下所示，采样周期，输入信号，求该系统的稳态误差。（10分）解：系统开环脉冲传递函数为则误差脉冲传递函数为稳态误差为五、已知广义被控对象为（15分）其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=,应用史密斯预估器方法确定数字控制器。解：不含纯滞后的广义对象脉冲传递函数为广义对象脉冲传递函数为不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为，进而求得于是得史密斯预估器如下六、采用逐点比较法插补圆弧OP，起点坐标O(0，5)，终点坐标P(5，0)，圆心在原点。要求以表格形式给出插补计算过程，并画出插补运动轨
19、迹。（10分）解：步数误差判别坐标进给下一步误差计算进给后动点坐标终点判别初始化F0x=0,y=5=101F=0-yF=F-2y+1=-9x=0，y=y-1=4=-1=92F0+xF=F+2x+1=-8x=x+1=1,y=4=-1=83F0+xF=F+2x+1=-5x=x+1=2,y=4=-1=74F0+xF=F+2x+1=0x=x+1=3,y=4=-1=65F=0-yF=F-2y+1=-7x=3，y=y-1=3=-1=56F0+xF=F+2x+1=0x=x+1=4,y=3=-1=47F=0-yF=F-2y+1=-5x=4，y=y-1=2=-1=38F0-yF=F-2y+1=1x=5，y=y-
20、1=1=-1=110F0-yF=F-2y+1=0x=5，y=y-1=0=-1=0End（图略）计算机控制系统试卷三答案班级：姓名：学号：成绩：一、 简答题（每小题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，还具有电平转换功能。2.回答下述电路中克服共模干扰的工作原理。答：平时，开关S1i(i=1,2,.,n)处于闭合状态，Ci的电压跟踪Vi的输入值，开关S2i(i=1,2,.,n)处于断开状态。需检测Vi时，则令S1i断开,S2i闭合，放大器A的输出经采样保持器送至A/D转换器化为数字量，然后开关再恢复平时的状态。在
21、采样、转换过程中，放大器A不与任何模拟量信号输入共地，电容Ci的电压均为差模电压，这样就克服了共模电压的影响。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，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
22、构的极限umax。另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现uumin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”。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)必须以采样周期足够小为前提。在许多实际系统中难以满足这一要求。(2)没有反映采样点之间的性能。特别是当采样周期过大，除有可能造成控制系统不稳定外，还使系统长时间处于“开环”、失控状态。因此，系统的调节品质变坏。(3)等效离散化设计所构造的计算机控制系统，其性能指标只能接近于原
23、连续系统(只有当采样周期T=0时，计算机控制系统才能完全等同于连续系统)，而不可能超过它。因此，这种方法也被称为近似设计。7. 何为最少拍设计？答：最少拍设计，是指系统在典型输入信号(如阶跃信号，速度信号，加速度信号等)作用下，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零、极点相消。如果存在着零、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。9. 嵌入式处理器可分为哪几种类型？答：嵌入式处理
24、器又可以分为以下四类：(1)嵌入式微控制器MCU（MicroControllerUnit）(2)嵌入式微处理器MPU（MicroProcessorUnit）(3)数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）(4)嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）10. 针对实际系统可能发生的故障，通常从哪几个方面对故障进行分类？答：实际系统可能发生的故障是多种多样的，可以从下面几个方面对故障进行分类：(1)从故障发生的部位看，分为传感器故障、执行器故障和受控对象故障。(2)根据故障性质，分为突变故障和缓变故障。(3)从建模角度出发，可分为乘性故障和加性故障。(4)从故障
25、间的相互关系，分为单故障和多故障、独立故障和局部故障。y*(t)二、已知系统框图如下所示：T=1s(15分)试写出离散系统的动态方程。解：所给系统的脉冲传递函数为令进而则取于是得如下状态方程写成矩阵形式为三、已知广义被控对象为（15分）其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=,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闭环系统理想脉冲传递函数为得大林控制器如下四、已知被控对象（15分）设计一个特征值为的全维状态观测器，并画出相应的状态变量结构图。解：能观性矩阵满秩，故系统能观测，可设计状态观测器。令输出误差反馈矩阵观测器期望特征方程为观测器特征方程为比较上面两式
26、，可得(状态变量图略)。五、已知某系统连续控制器的传递函数（15分）试分别用阶跃响应和脉冲响应不变法求的等效数字控制器，并写出相应的差分方程表达式。其中采样周期。解：1.阶跃响应不变法由可推得数字控制器的差分方程形式如下2.脉冲响应不变法由可推得数字控制器的差分方程形式如下计算机控制系统试卷四答案班级：姓名：学号：成绩：一、 简答题（每小题3分，共30分）1.使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧的电气被彻底隔离？答：光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。2.给出多通道复用一个D/A转换器的原理示意图。答：3. 什么是信号重构？答：把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆过程。
27、4. 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？答：零阶保持器的传递函数为。零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递函数的极点。5. 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：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列与模拟控制器的阶跃响应的采样值一致。6. 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
28、消除静差，提高控制精度。7. 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。(2)确定数字控制器的脉冲传递函数D(z)；根据D(z)编制控制算法程序。8. 采用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：采用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。9. 说出实施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。10. 故障诊断中的状态估计
29、方法的基本思想是什么？答：故障诊断中的状态估计方法的基本思想是：首先重构被控过程的状态，通过与可测变量比较构成残差序列，再构造适当的模型并用统计检验法，从残差序列中把故障诊断出来。因此，这就要求系统可观测或部分可观测，通常用各种状态观测器或滤波器进行状态估计。二、已知系统框图如下所示：T=1s(15分)试求闭环离散系统的闭环脉冲传递函数，并判别系统的稳定性。解：广义对象脉冲传递函数为系统闭环脉冲传递函数为则闭环系统的特征方程为由z域直接判据W(0)=0W(-1)=1+1+0知闭环系统稳定。三、已知某被控对象的传递函数为(15分)要求设计成单位反馈计算机控制系统，结构如下图所示。采样周期为T1s
30、。要求闭环特征根为和。试求数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为根据要求设定闭环脉冲传递函数为四、已知控制系统的被控对象的传递函数为，采样周期T=1s，若选闭环系统的时间常数，试用大林算法设计数字控制器。若出现振铃现象，修正数字控制器，消除振铃现象。（20分）解：采样周期T=1s，期望闭环脉冲传递函数为进而被控装置广义脉冲传递函数则由振铃现象产生的原理知，用常规大林算法设计的被控对象为二阶的系统必产生振铃现象。在D(z)中的靠近z-1的两个因子中令z1来消除振铃现象，即五、求出双积分系统控制对象的离散状态方程，假设系统所有的状态皆不可直接测量，设计全维状态观测器实现状态反馈，并把闭环两个极点都配置在，观测器特征方程的两个根配置在原点。（T=1s）（20分）解：系统的广义对象脉冲传递函数为可写其能控标准型实现为对应的能观性矩阵为满秩，故系统能观，可设计观测器。先求状态观测器增益矩阵状态观测器特征多项式为观测器期望特征多项式为比较
