计算机控制系统练习题(1)知识分享

计算机控制系统练习题

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一、简答题

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K P。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，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. 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C H端外接的保持电容充电；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

A。

out

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｜z i｜<1，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T c，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。

8. 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。

(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。

9. 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，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。

10. 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。

11. 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。

12. 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 i，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差e i-1，e i-2和前一次的输出值u i-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。13. 如何利用试凑法调整PID算法的参数？

答：(1)先整定比例部分：将比例系数K P由小调大，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T I,同时将第一步整定得到的比例系数K P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K P和积分时间系数T I,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T D为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数T D，同时相应地改变比例系数K P和积分时间系数T I，逐步试凑，以获得满意的调节效果和控制参数。

14. 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。

15. 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。

16. 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。

17. 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u max。另外，当负误差的绝对值较大时，也会出现u

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”。

18. 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。

19. 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。

20. 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。

21. 给出多通道复用一个D/A 转换器的原理示意图。

答：

22. 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。

23. 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s e s H Ts

--=1)(0。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。

24. 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。

25. 如何消除积分饱和现象？

26. 给出常规的直接设计法或离散化设计法的具体设计步骤。

27. 简述采样定理的基本内容。

28. 脉冲响应不变法的基本思想是什么？

29. 写出增量型

PID 的差分控制算式。

30. 如何消除比例和微分饱和现象？

二、已知系统的差分方程为

)2()1()(-=-+k r k y k y

输入信号是

?

??<≥=0001)(k k k r 初始条件为1)0(=y ，试写出输出脉冲序列()y k 。

三、已知 )

5(1)(+=s s s F ，求)(z F 。 四、设被控对象传递函数为)1()(p +=

s s K s G ，在对象前接有零阶保持器， 试求广义对象的脉冲传递函数。

五、已知被控对象传递函数为

)

11.0)(18(20)(++=s s s G 试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器)(c s G ，并用后向差 分法给出等效的数字控制器形式。

六、已知广义被控对象:)

1(1e 1)(+-=-s s s s G Ts , 给定T =1s 针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统。

七、已知系统框图如下所示： T =1s

试确定闭环系统稳定时K 的取值范围。

八、已知某连续控制器的传递函数为

2n 22n n

()2D s s s ωωξω=++ 试用双线性变换法求出相应的数字控制器的脉冲传递函数)(z D ，并给出控制器的差分形式。其中1s T =。

九、已知离散控制系统的结构如下所示，采样周期0.2s T =，输入信号

21()12

r t t t =++，求该系统的稳态误差。

十、已知广义被控对象为

21e 1()e (1)

Ts s G s s s ---=+ 其中，T =1s 。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为T c =0.5s ,应用大林算法确定数字控制器。

十一、已知系统框图如下所示： T =1s

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。 十二、用后向差分法求下列模拟滤波器D (s )的等效数字滤波器，并给

出差分递推算式，设T =1s,

2()(1)(2)

D s s s =++