计算机控制系统A卷-答案
一、填空(每空1分,共13分)
1.如果将连续控制系统的控制器用计算机来实现,就构成了计算机控制系统,
该系统由计算机系统和生产过程两大部分组成。
2.按所传递和交换的信息来分,过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量
过程通道。
3.总线是一组信号线的集合。这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、
各系统之间传送规定信息的公共通道,有时也称数据公路,通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。
4.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.控制度以误差平方积分作为评价函数,反映了数字控制的控制效果对模拟
控制的控制效果的相当程度。通常,当控制度为 1.05 时,两者的控制效果相当。
6.最小拍控制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,经过最少个采样周期使系统输出的稳态误差为零。因此,最小拍控制实际上是时间最优控制。
二、简答题(8题,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散信号,它在时间上和幅值上均是离散的。
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,控制作用的强弱取决于比例系数K P。系统响应为有限值的控制对象存在静差。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定。
(2)积分调节器:为了消除在比例调节中的残余静差,积分时间常数T I大,则积
分作用弱,反之强。增大T I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.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。
5.计算机控制系统中主机有那些?
答:工业计算机,可编程序控制器,单片机,嵌入式控制器,数字信号处理器,ARM处理器
6.干扰的作用途径是什么?
答:无论是内部干扰还是外部干扰,都是从以下几个途径作用于系统的。
1) 传导耦合
2) 静电耦合
3) 电磁耦合
4) 公共阻抗耦合
7.某加热炉温度变化范围为0~1600℃,经温度变送器和调理电路输出电压为1~5V,再经ADC0809转换(ADC0809的输入范围1~5V),使计算当采样数值为9BH 时,所对应的加热炉温度是多少?(6分)
解:FFH=(255)10
9BH=(155)10
()C
m N N
N N Y Y Y
Y m
x x
?≈?
=--+
=-973255
155160000
8. 某加热炉温度变化范围为0~1600℃,经温度变送器和调理电路输出电压为1~5V ,再经ADC0809转换(ADC0809的输入范围1~5V ),使计算当采样数值为9BH 时,所对应的加热炉温度是多少?(6分)
解:FFH=(255)10
9BH=(155)10
()C
m N
N N
N Y Y Y Y m
x
x
?≈?=--+=-973255155160000
三、计算题(4题,30分)
1. 用双线性变换法求模拟控制器()
21
)(+=s s s D 等效的数字控制器,设采样周期
T=0.5s 。(5分) 解:
()
()(
)
112
1
1
1
111123333.01110417.021121121
)
()(1
1-------+-=
--+=
???? ??++-+-=
=--z z z z z T z z T s D z D z z T s
2. 设被测温度变化范围为0o C~1200o C,如果要求误差不超过0.4o C,应选用分辨为多少位的A/D 转换器?(5分) 解:124.0120012log
≈???
?
?+≥n
2. 已知系统的差分方程为 )2()1()(-=-+k r k y k y 输入信号是
???<≥=0
00
1)(k k k r 初始条件为1)0(=y ,试写出输出脉冲序列()y k
解:1)0(=y
1)0()1()1(-=--=y r y 2)1()0()2(=-=y r y 1)2()1()3(-=-=y r y 2)3()2()4(=-=y r y
1)4()3()5(-=-=y r y
… 3. 已知 10.15()0.05c s
G s s
+=
,写出等效的增量型数字PID 控制器的差分形式。 解:11
1111
2033()
()()1()(203)3z c s T
i i i i T z U z D z G s z E z u u T e e ----=--+-===-=++-
4.
被控对象的传递函数为()21s
s G c =
采样周期T=1s ,采用零阶保持器,针对单位速度输入函数,设计: (1)最少拍控制器()z D ;(6分)
(2)画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。(6分) 解:
(1)最少拍控制器
可以写出系统的广义对象的脉冲传递函数
()()
(
)
(
)
211-1232z 12z 1z T 1111----+=??????-=???
? ???-=s e s s e z G Ts -Ts c Z Ζ 将T=1S 代入,有
()(
)(
)
2
1
1-1z 12z 1z ---+=
z G c
由于输入r(t)=t ,则
()()
2
11-e z z G -=
()()()()()
2
111
1--+=
-=z z z G z G z G z D e e (2)系统闭环脉冲传递函数
()2
1
2-z z z Φ-=-
则当输入为单位速度信号时,系统输出序列Z 变换为
()()()()
()
???+++=--==-------4322
11
2
1
4Tz 3Tz 2Tz 12z Tz z
z z Φz R z Y
y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,
四、说明题(17分)
如下图所示,为A/D转换器ADC0809的原理框图
请说明:
1)该转换器是多少位的转换器?
2)其实现A/D转换的方法是什么?
3)说明各引脚功能。
答:1)该转换器是8位的转换器
2)逐次逼近法
3)
①IN7一IN0:8个模拟量输入端。
②START:启动信号。
③EOC:转换结束信号。
④OE:输出允许信号。
⑤CLOCK:实时时钟,可通过外接RC电路改变时钟频率。
⑥ALE:地址锁存允许,高电平有效。
⑦C,B,A:通道号选择端子。C为最高位,A为最低位。
⑧D7~D0:数字量输出端。
⑨VREF(+),VREF(-):参考电压端子。
⑩Vcc:电源端子。接+5V。
?GND:接地端。