重慶大學(xué)計算機(jī)控制技術(shù)期末__復(fù)習(xí)題

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1、 計算機(jī)控制技術(shù)習(xí)題 第一章 緒論 1、 什么是計算機(jī)控制系統(tǒng)？它由哪幾部分組成？ 答：計算機(jī)控制系統(tǒng)就是利用計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的系統(tǒng)。 、 計算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和生產(chǎn)過程兩個大部分組成。工業(yè)控制機(jī)是指按生產(chǎn)過程 1 控制的特點(diǎn)和要求而設(shè)計的計算機(jī)，它包括硬件和軟件兩部分。生產(chǎn)過程包括被控對象、測 量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣開關(guān)裝置。計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖見書本第 2 頁（圖 1.2）。 2、微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是什么？ 微機(jī)控制系統(tǒng)與常規(guī)的自動控制系統(tǒng)相比，具有如下特

2、點(diǎn)： a.控制規(guī)律靈活多樣，改動方便 b.控制精度高，抑制擾動能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制 c.能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和工況顯示，控制效率高 d.控制與管理一體化，進(jìn)一步提高自動化程度 計算機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 答： （1）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，安全。 缺點(diǎn)：由人工操作，速度受到限制，不能控制多個對象。 （2）直接數(shù)字控制系統(tǒng)（ DDS） 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時性好，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)。 （3）監(jiān)督控制系統(tǒng)（ SCC） 優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)過程始終

3、處于最優(yōu)工況。 （4）分散控制系統(tǒng)（ DCS） 1 優(yōu)點(diǎn)：分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)。 （5）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（ FCS） 優(yōu)點(diǎn)：與 DCS 相比，降低了成本，提高了可靠性。 國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一后， 可實(shí)現(xiàn)真正的開放 式互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 3、按照微機(jī)的應(yīng)用方式，計算機(jī)控制系統(tǒng)可分為：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)， 2 監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)，分級計算機(jī)控制系統(tǒng)。 4．計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程是怎樣的 ? 計算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可歸納為以下三個步驟：

4、 (1)實(shí)時數(shù)據(jù)采集：對被控量的瞬時值進(jìn)行檢測，并輸入給計算機(jī)。 (2)實(shí)時決策：對采集到的表征被控參數(shù)的狀態(tài)量進(jìn)行分析，并按已定的控制規(guī)律，決定下一 步的控制過程。 (3)實(shí)時控制：根據(jù)決策，適時地對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。 5．實(shí)時、在線方式和離線方式的含義是什么？ (1)實(shí)時：所謂“實(shí)時”，是指信號的輸入、計算和輸出都是在一定時間范圍內(nèi)完成的，即計 算機(jī)對輸入信息以足夠快的速度進(jìn)行處理，并在一定的時間內(nèi)作出反應(yīng)并進(jìn)行控制，超出了 這個時間就會失去控制時機(jī)，控制也就失去了意義。 (2) “在

5、線”方式：在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，如果生產(chǎn)過程設(shè)備直接與計算機(jī)連接，生產(chǎn)過程直 接受計算機(jī)的控制，就叫做“聯(lián)機(jī)”方式或“在線”方式。 (3) “離線”方式：若生產(chǎn)過程設(shè)備不直接與計算機(jī)相連接，其工作不直接受計算機(jī)的控制，而是通過中間記錄介質(zhì)， 靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式， 則叫做“脫機(jī)”方式或“離線”方式。 6、操作指導(dǎo)、 DDC 和 SCC 系統(tǒng)工作原理如何？它們之間有何區(qū)別和聯(lián)系？ (1)操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)：在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機(jī)的輸出不直接作用于生產(chǎn)對象，屬于 開環(huán)控制結(jié)構(gòu)。計算機(jī)根據(jù)數(shù)學(xué)模型、控制算法對檢測到的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行處理，計算出

6、 2 各控制量應(yīng)有的較合適或最優(yōu)的數(shù)值， 供操作員參考，這時計算機(jī)就起到了操作指導(dǎo)的作用。 其原理框圖如圖 1.2 所示。 圖 1.2 操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)原理框圖 3 (2)直接數(shù)字控制系統(tǒng) (DDC 系統(tǒng) )：DDC(Direct Digital Control)系統(tǒng)就是通過檢測元件對一個或 多個被控參數(shù)進(jìn)行巡回檢測，經(jīng)輸入通道送給微機(jī)，微機(jī)將檢測結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比較，再 進(jìn)行控制運(yùn)算，然后通過輸出通道控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)的被控參數(shù)達(dá)到預(yù)定的要求。 DD

7、C 系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，是微機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應(yīng)用形式。其原理框圖如圖 1.3 所示。 圖 1.3 DDC 系統(tǒng)原理框圖 (3)計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng) (SCC 系統(tǒng) )：SCC(Supervisory ComputerControl)系統(tǒng)比 DDC 系統(tǒng)更接近生產(chǎn)變化的實(shí)際情況， 因為在 DDC 系統(tǒng)中計算機(jī)只是代替模擬調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制， 系統(tǒng)不能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，而 SCC系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行給定值控制，并且還可以進(jìn)行順序控制、最優(yōu)控制以及自適應(yīng)控制等。 SCC系統(tǒng)的原

8、理框圖如圖 1.4 所示。 圖 1.4 SCC系統(tǒng)原理框圖 3 SCC是操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)和 DDC 系統(tǒng)的綜合與發(fā)展。 7、計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是什么？ 大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了計算機(jī)的可靠性和性能價格比，從而使計算機(jī)控 制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。為更好地適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，以滿足對計算機(jī) 控制系統(tǒng)提出的越來越高的要求，目前計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。 a.普及應(yīng)用可編程序控制器 4 b

9、.采用集散控制系統(tǒng) c.研究和發(fā)展智能控制系統(tǒng) 第二章 輸入輸出過程通道與接口技術(shù) 1.什么是過程通道？過程通道有哪些分類？ 過程通道是在計算機(jī)和生產(chǎn)過程之間設(shè)置的信息傳送和轉(zhuǎn)換的連接通道。 按信息傳遞的方向來分，過程通道可分為輸入過程通道和輸出過程通道；按所傳遞和交換的 信息來分，過程通道又可分為數(shù)字量過程通道和模擬量過程通道。 2.數(shù)字量過程通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 數(shù)字量過程通道包括數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。 數(shù)字量輸入通道主要由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯

10、碼電路、并行接口電路和定 時計數(shù)電路等組成。數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器、輸出驅(qū)動電路、輸出口地址譯碼電 路等組成。其中：輸入調(diào)理電路將來自控制裝置或生產(chǎn)過程的各種開關(guān)量，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換， 將其通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的高、低電平，同時還要考慮對信號進(jìn)行濾波、保護(hù)、消除觸點(diǎn)抖 動，以及進(jìn)行信號隔離等問題。 3.簡述兩種硬件消抖電路的工作原理。 采用積分電路的硬件消抖電路，首先利用積分電路將抖動的高頻部分濾出，其次利用施密特 觸發(fā)器整形。 采用 RS觸發(fā)器的硬件消抖電路，主要是利用 RS觸發(fā)器的保持功能實(shí)現(xiàn)消抖。

11、 4.簡述光電耦合器的工作原理及在過程通道中的作用。 4 光電耦合器由封裝在一個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成，如下圖所示。輸入電流流過二極管時使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號的光電耦合傳送，它在過程通道中實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。 5 光電耦合器電路圖 5.模擬量輸入通道由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 模擬量輸入通道一般由 I/V 變換、多路轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、接口及控制邏輯 電路組成。 (1)I/

12、V 變換：提高了信號遠(yuǎn)距離傳遞過程中的抗干擾能力，減少了信號的衰減，為與標(biāo)準(zhǔn)化 儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配提供了方便。 (2)多路轉(zhuǎn)換器：用來切換模擬電壓信號的關(guān)鍵元件。 (3)采樣保持器：A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。 在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在 A/D 轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。 (4)A/D 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸入通道的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 能夠完成這一任務(wù)的器件，稱為之模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (Analog/Digital Converter，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC) 。

13、 6、設(shè)某一 8位A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為 +5v，求輸入為 1v和2.5v時，相對應(yīng)的數(shù)字量分別是多 少？ 1v 對應(yīng)數(shù)字量為 33H 2.5v 對應(yīng)數(shù)字量為 80H 7、對理想多路開關(guān)的要求是什么？ 理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大， 其接通時的導(dǎo)通電阻為零。 此外，還希望切換速度快、 噪音小、壽命長、工作可靠。 5 8、采樣保持器有什么作用？試說明保持電容的大小對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的影響。 采樣保持器的作用： A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換總需要一定的時間。在

14、進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時 間內(nèi)，希望輸入信號不再變化，以免造成轉(zhuǎn)換誤差。這樣，就需要在 A/D 轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持器。 保持電容對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣保持的精度有很大影響。保持電容值小，則采樣狀態(tài)時充電時間常數(shù)小，即保持電容充電快，輸出對輸入信號的跟隨特性好，但在保持狀態(tài)時放電時間常 6 數(shù)也小，即保持電容放電快，故保持性能差；反之，保持電容值大，保持性能好，但跟隨特性差。 9.如果模擬信號頻譜的最高頻率為 f max ，只要按照采樣頻率 f ≥2f max 進(jìn)行采樣，那么采 樣信號就能唯一的復(fù)觀。 10.在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，是

15、不是所有的輸入通道都需要加采樣保持器？為什么？ 不是，對于輸入信號變化很慢，如溫度信號；或者 A/D 轉(zhuǎn)換時間較快，使得在 A/D 轉(zhuǎn)換期間輸入信號變化很小，在允許的 A/D 轉(zhuǎn)換精度內(nèi)，就不必再選用采樣保持器。 11、.在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣周期 T的確定很重要，因為它關(guān)系到 采樣 精度 ,T太大精度 ___差 ____。 12.A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號有什么作用？根據(jù)該信號在 I/O 控制中的連接方式， A/D 轉(zhuǎn)換有 幾種控制方式？它們在接口電路和程序設(shè)計上有什么特點(diǎn)？ A/D 轉(zhuǎn)換器的結(jié)束信號的作用是用以判斷本次 AD 轉(zhuǎn)換是否

16、完成。 常見的 A/D 轉(zhuǎn)換有以下幾種控制方式，各自特點(diǎn)如下 ?延時等待法 :EOC 可不和 I/O 口連接，程序設(shè)計時，延時大于 ADC 轉(zhuǎn)換時間后，取數(shù)據(jù)。 ?保持等待法 :EOC 與 READY 相連 ,EOC 無效時 ,自動插入等待狀態(tài)。直至 EOC 有效時，取數(shù) 據(jù)。 ?查詢法: EOC 可以和任意 I/O 口連接，程序設(shè)計時，反復(fù)判斷 EOC 是否有效，直至 EOC 有 效時，取數(shù)據(jù)。 6 ?中斷響應(yīng)法 : EOC 與外部中斷相連， AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束后 ,發(fā)中斷申請

17、,在中斷服務(wù)程序中取數(shù)據(jù)。 13、采用 ADC0809 構(gòu)成模擬量輸入通道 ,ADC0809 在其中起 _模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換和多路開 關(guān)作用。 14.設(shè)被測溫度變化范圍為 0oC~1200oC,如果要求誤差不超過 0.4oC,應(yīng)選用分辨為多少位的 A/D 轉(zhuǎn)換器？ 選擇依據(jù)： n log 1 1200 12 7 2 0.4 15、 10位 AD 轉(zhuǎn)換器的最低分辨率為 : 1/1024 ,當(dāng)基準(zhǔn)電壓為 36v時，最小轉(zhuǎn)換電壓為 35.16mv. 16

18、.模擬量輸出通道由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？ 模擬量輸出通道一般由接口電路、 D/A 轉(zhuǎn)換器、功率放大和 V/I 變換等信號調(diào)理電路組成。 (1)D/A 轉(zhuǎn)換器：模擬量輸出通道的核心是數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器 (Digital/Analog Converter,簡稱 D/A 轉(zhuǎn) 換器或 DAC) 。它是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的元件或裝置。 (2)V/I 變換：一般情況下， D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓信號。在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)計算 機(jī)遠(yuǎn)離現(xiàn)場，為了便于信號的遠(yuǎn)距離傳輸，減少由于傳輸帶來的干擾和衰減，需要采用電流 方式輸出模擬

19、信號。 許多標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 一般是采用 0～10mA 或 4～ 20mA 的電流信號驅(qū)動的。因此，需要將模擬電壓信號通過電壓 / 電流 (V/I) 變換技術(shù)，轉(zhuǎn)化為電流信號。 17、采用 74LS138、DAC0832運(yùn)算放大器和 CD4051等設(shè)計 D/A 轉(zhuǎn)換接口電路， 設(shè)定 DAC0832的 端口地址為 200H，CD4051的端口地址為 201H，若待輸出的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)段 BUF0~BUF7這8個 連續(xù)單元中，要求： (1) 畫出 D/A 轉(zhuǎn)換接口電路； (2) 編寫 D/A 轉(zhuǎn)換程序。 解 (1) D/A 轉(zhuǎn)換接口電路；

20、 7 8 地址 A9 A8?? A1 A0=10?? 00 端口地址 0200H， 通 DAC0832 地址 A9 A8?? A1 A0=10?? 01 端口地址 0201H 通 CD4051 (2) 寫 D/A 程序。（ 8 分） 18.用 8 位 A/D 器 ADC0809 通

21、8255 與 PC 工 控制機(jī)接口， 8 路模 采集。 畫出接口原理 ，并 寫 8 路模 量 A/D 程序。 程序 : MOV DX, 02C3H; 控制口地址 MOV AL, 10011000B; 設(shè) PC0~PC3 出口， PC4~PC7 入， PA 入 OUT DX, AL 8 MOV DX,02C2; 送通道號 IN0 并啟動 0809 OUT

22、 DX, AL CALL DELAY; 延時 IN AL, DX WAIT: MOV BL, AL 9 TEST BL, 10000000B; 判斷 EOC 是否高電平，即模數(shù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束 JZ WAIT MOV DX, 02C3H MOV AL, 10010000B; 設(shè) PC0~PC3 為輸出， PC4~PC7 為輸出， PA 輸入 OUT DX, AL MOV DX, 02C2H; PC 口 MOV AL,10000000B; 選通 OE ，為讀入數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 OUT DX,

23、AL MOV DX, 02C0H; PA 口 IN AL, DX; 將模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過 PA 口讀入 CPU 第3章 計算機(jī)控制基礎(chǔ)理論 1. 離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？ 根據(jù)自動控制理論，連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)傳遞函數(shù)的特征根全部位于 s 域左半平 面，而對離散系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)的特征根全部位于 z 平面的單位圓中。 2. 動態(tài)特性主要是用系統(tǒng)在單位階躍輸入信號作用下的響應(yīng)特性來描述。常見的有哪些具體的指標(biāo)？ 9 系統(tǒng)的

24、動態(tài)特性可通過多項性能指標(biāo)來描述，常見的具體指標(biāo)有上升時間 tr 、峰值時間 tp、 調(diào)節(jié)時間 ts 和超調(diào)量δ等。 3. 簡述采樣過程。 設(shè)模擬信號為 e(t)，經(jīng)采樣開關(guān)后輸出為采樣信號 e*(t)。理想的采樣信號 e*(t)的表達(dá)式為： e* (t) e(t ) δT(t) e(t )δ (t kT) e(kT ) δ (t kT) k k 通常在整個采樣過程中采樣周期 T 是不變的，這種采樣稱為均勻采樣，為簡化起見，采樣信 10 號 e*(t)也可用序列 e(kT)表示，進(jìn)一步簡化用 e(k)表示，此處自變量

25、 k 為整數(shù)。 4、簡述采樣定理 香農(nóng) (C.E.Shannon)的采樣定理 (也稱抽樣定理或取樣定理 )：只要采樣頻率 fs 大于信號 (包括噪 聲 )e(t)中最高頻率 fmax 的兩倍，即 fs≥ 2f max，則采樣信號 e*(t)就能包含 e (t)中的所有信息， 也就是說，通過理想濾波器由 e*(t)可以唯一地復(fù)現(xiàn) e(t)。 5、已知系統(tǒng)方塊圖如習(xí)題 6圖所示 T  ( z) K  1 e Ts 0.5 T R(s) E (z) U (z) -

26、D (s)  s s C(z) Gp ( z) （1）試寫出系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) ( z) （2）若 K=2 ，試求使系統(tǒng)穩(wěn)定的 T取值范圍。 （1）廣義對象脈沖傳遞函數(shù) G (z)=Z[ K(1-e -Ts ) g0.5 ] s s -1 0.5K =(1-z )Z[ ] TK = 2(z-1) 則 (z)= KG(z) = KT 1+KG(z) 2z-2+KT 10 （2）當(dāng) K=2 時， 2T T (z)= = 2z-2+2T z-1+T

27、 令 z-1+T=0 ，當(dāng) |z|<1 時，系統(tǒng)穩(wěn)定，則 0

28、 K=8 時， G(z) = 2.271z-1.188 (z)= 2 +1.135z-1.053 1+G(z) z 系統(tǒng)特征方程的根為 z1 =-1.74 ， z2 =0.608 ，有一個單位圓外極點(diǎn)，故系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （2） (z)= G(z) = 2 0.284K(z-0.523) 1+G(z) z +(0.284K-1.135)z+0.135-0.149K 特征方程為： z2 +(0.284K-1.135)z+0.135-0.149K=0 將 z= w+1代入，化簡后 0.135kw 2 +(1.7

29、3+0.298k)w+2.27-0.433k=0 w-1 利用勞斯判據(jù)得到， 2.27-0.433k>0且 1.73+0.298k>0, 0.135k>0 11 所以，穩(wěn)定范圍 0

30、下近似 (T 足夠小時，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被 控過程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近 )： t k T e( j) edt 0 j 0 de e(k ) e(k 1) dt T 于是有： T k Td [ e( k) e(k 1)]} u(k) K p { e( k) e( j ) Ti j 0 T u(k)是全量值輸出，每次的輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 (如控制閥門的開度 )一一對應(yīng)，所 以稱之為位置型 PID 算法。

31、 在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量 u(k)不僅與本次 偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)， 使得 u(k)產(chǎn)生大幅度變化， 這樣會引起系統(tǒng)沖擊， 甚 至造成事故。所以實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可以采用 增量型 PID 算法。當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器為步進(jìn)電機(jī)、電動調(diào)節(jié)閥、多圈電位器等具有保持 歷史位置的功能的這類裝置時，一般均采用增量型 PID 控制算法。 u(k ) K p{[ e( k) e(k 1)] T e(k ) Td [ e(k ) 2e(k 1) e(k 2)

32、]} Ti T 與位置算法相比，增量型 PID 算法有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)位置型算式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生 較大的累積計算誤差； 而在增量型算式中由于消去了積分項， 從而可消除調(diào)節(jié)器的積分飽和， 在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果。 12 (2)為實(shí)現(xiàn)手動——自動無擾切換，在切換瞬時，計算機(jī)的輸出值應(yīng)設(shè)置為原始閥門開度 u0， 若采用增量型算法，其輸出對應(yīng)于閥門位置的變化部分，即算式中不出現(xiàn) u0 項，所以易于實(shí) 現(xiàn)從手

33、動到自動的無擾動切換。 (3)采用增量型算法時所用的執(zhí)行器本身都具有寄存作用，所以即使計算機(jī)發(fā)生故障，執(zhí)行器 仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。 2、最少拍無波紋系統(tǒng)的設(shè)計要求，除了滿足最少拍有波紋的一切設(shè)計要求外，還必須保證 13 控制器包含廣義被控對象所有零點(diǎn) 。 3、 .最少拍有波紋系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求包括 準(zhǔn)確性、快速性、穩(wěn)定性。 4．已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 D s 1 0.17s 1 0.085s 試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型和增量型控制算式，設(shè)采樣周期 T=0.2s。 U s

34、1 0.17s 解： D s 1 0.085s E s 則 U s 0.085SU s E s 0.17SE s du t de t u t 0.085 dt e t 0.17 dt u k 0.085 u k u k 1 e k 0.17 e k e k 1 T T 把 T=0.2S 代入得 1.425u k 0.425u k 1 4.5e k 3.5e k-1 位置型 u k 3.1579e k 2.4561e k 1

35、 0.2982u k 1 增量型 u k u k u k 1 3.1579e k 2.4561e k 1 0.7018u k 1 5、已知模擬調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 1 0.17s D s 0.085s 試寫出相應(yīng)數(shù)字控制器的位置型 PID 算法和增量型 PID 控制算式，設(shè)采樣周期 T=0.2s。 1 0.17s 1 1 解：因為 D s 2（1 ） K p (1 Td s) 0.085s 0.17s Ti s 13 所以 K p 2，

36、Ti 0.17， Td 0 故位置型 PID 控制器 u(k ) K P e( k ) T k e(i ) TD e(k ) e( k 1) TI T i 0 2 e(k ) 0.2 k 0.17 i e(i) 0 2e(k) 0.4 k e(i ) 14 0.17 i 0 故增量型 PID 控制器 u( k)

37、 K P e( k) e(k 1) K I e(k ) K D e(k ) 2e(k 1) e(k 2) 2 e( k) e(k 1) 0.4 e(k ) 0.17 4.35e(k) 2e(k 1) 6、什么叫積分飽和？ 解：如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除靜差時，由于積分作用，盡管 PID 差 分方程式所得的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無相應(yīng)的動作， 這就叫積分飽 和。 7. 采樣周期的選擇需要考慮那些因素？ (1

38、)從調(diào)節(jié)品質(zhì)上看，希望采樣周期短，以減小系統(tǒng)純滯后的影響，提高控制精度。通常保證 在 95%的系統(tǒng)的過渡過程時間內(nèi)，采樣 6 次～ 15 次即可。 (2)從快速性和抗擾性方面考慮，希望采樣周期盡量短，這樣給定值的改變可以迅速地通過采 樣得到反映，而不致產(chǎn)生過大的延時。 (3)從計算機(jī)的工作量和回路成本考慮，采樣周期 T 應(yīng)長些，尤其是多回路控制時，應(yīng)使每個 回路都有足夠的計算時間；當(dāng)被控對象的純滯后時間 τ較大時，常選 T= （1/4~1/8 ）τ。 (4)從計算精度方面考慮，采樣周期 T 不應(yīng)過短，當(dāng)主機(jī)字長較小時，若 T 過短，將使前后

39、兩 次采樣值差別小，調(diào)節(jié)作用因此會減弱。另外，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度較低，會出現(xiàn)這種情況， 即新的控制量已輸出，而前一次控制卻還沒完成，這樣采樣周期再短也將毫無意義，因此 T 必須大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)時間。 14 8. 數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟是什么？計算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖所示。 圖計算機(jī)控制系統(tǒng)框圖 由廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)可得閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，可求得控制器的脈沖傳遞函數(shù) D(z)。 15 數(shù)字控制器的直接設(shè)計步驟如下： (1)根據(jù)控制系統(tǒng)的性質(zhì)指標(biāo)要求

40、和其它約束條件，確定所需的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù) Φ (z) 。 (2)求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù) G(z)。 (3)求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù) D(z)。 (4)根據(jù) D(z)求取控制算法的遞推計算公式。 9.何為振鈴現(xiàn)象？如何消除振鈴現(xiàn)象？ 所謂振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出 u(k)以接近二分之一的采樣頻率大幅度上下擺動。它對系統(tǒng)的輸出幾乎是沒有影響的，但會使執(zhí)行機(jī)構(gòu)因磨損而造成損壞。消除振鈴現(xiàn)象的方法： （1）參數(shù)選擇法 對于一階滯后對象，如果合理選擇期望閉環(huán)傳遞函數(shù)的慣性時間常數(shù) T0 和采樣周期 T， 使

41、RA≤ 0，就沒有振鈴現(xiàn)象。即使不能使 RA≤ 0，也可以把 RA 減到最小，最大程度地抑制振鈴。 （2）消除振鈴因子法 找出數(shù)字控制器 D(z)中引起振鈴現(xiàn)象的因子 (即 z=-1 附近的極點(diǎn) )，然后人為地令其中的 z=1，就消除了這個極點(diǎn)。根據(jù)終值定理，這樣做不影響輸出的穩(wěn)態(tài)值，但卻改變了數(shù)字控制 器的動態(tài)特性，從而將影響閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。 10 G( s) 10、.單位反饋系統(tǒng)的連續(xù)對象傳遞函數(shù)為 s(s 1) ，設(shè)采樣周期 T 1s ，試確定它對單位 階躍輸入的最小拍控制器 D ( z) ，并計算出系統(tǒng)

42、的輸出量序列 y(k) 及控制量序列 u(k) 15 解 : （ 1）廣義對象脈沖傳函 G (z) 1-e-Ts 10 3.679z-1 (1+0.718z-1 ) G(z)=Z[ s s(s 1) ]= (1-z -1)(1-0.369z-1 ) （ 2）單位階躍信號 R(z)= 1 1-z -1 (z)=z -1 ， e (z)=1- (z)=1-z -1

43、 -1 16 （ 3） D (z)= 1 (z) = 0.2717(1-0.3679z ) G(z) 1- (z) 1+0.718z-1 z-1 =z -1 +z -2 -3 +....... Y (z)= (z)R(z)= -1 +z 1-z U (z)=D(z)E(z) 0.2717(1-0.3679z-1 ) = 1+0.718z-1

44、 =0.2718-0.2951z-1 +0.2119z-2 -0.15z-3 +0.109z-4 -0.07847z-5 +.... 11．設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)為 G(s) 2 e 3s ，期望的閉環(huán)系統(tǒng)時間常數(shù) T 4.5s ，采樣 4s 1 周期 T 1s ，試用達(dá)林算法設(shè)計數(shù)字控制器。 解： T1=4s ， T=1s ， =3s ，所以 N = /T =3 T =4.5s ， K=2 (z)=Z[ 1-e-Ts e- NTs ] s T s+1 D( z) (1 e T / T )(1 e T

45、/ T1 z 1 ) T / T1 )[1 e T /T z 1 (1 e T / T ) z ( N 1) ] K (1 e = 27.022(1-0.0183z-1 ) 1-0.0111z-1 -0.989z-4 第 6 章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的新型控制策略 1.智能控制是一門控制理論課程，研究如何運(yùn)用人工智能的方法來構(gòu)造控制系統(tǒng)和設(shè)計控制 器；與自動控制原理和現(xiàn)代控制原理一起構(gòu)成了自動控制課程體系的理論基礎(chǔ)。 16 2、 . “若A且 B，則 C”，用模

46、糊關(guān)系表示為 A B C 3.模糊集合的表示法有扎德表示法、序偶表示法和隸屬函數(shù)描述法。 4.遺傳算法是以達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。自然選擇學(xué)說包括以下三個方面： 遺傳、變異、適者生存。 5.在一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中， 常常根據(jù)處理單元的不同處理功能， 將處理單元分成輸入單元、 輸出單 17 元和隱層單元三類。 6、什么是智能控制 智能控制是人工智能與控制理論交叉的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)控制理論發(fā)展的高級階段。智能控制是 針對系統(tǒng)的復(fù)雜性、非線性和不確定性而提出來的， 7.比較智能控制與傳統(tǒng)控制的特點(diǎn)

47、。 傳統(tǒng)控制：經(jīng)典反饋控制和現(xiàn)代理論控制。它們的主要特征是基于精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 的控制。適于解決線性、時不變等相對簡單的控制問題。 智能控制：以上問題用智能的方法同樣可以解決。智能控制是對傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展， 傳統(tǒng)控制是智能控制的一個組成部分，在這個意義下，兩者可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。 8、模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)一般由哪四部分組成？并畫出模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖。 (1) 模糊化接口：模糊化接口就是通過在控制器的輸入、輸出論域上定義語言變量，來將精確的輸入、輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值。 (2) 規(guī)則庫：由數(shù)據(jù)庫和語言

48、（模糊）控制規(guī)則庫組成。數(shù)據(jù)庫為語言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數(shù)提供必要的定義。語言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗浴? (3) 模糊推理：是模糊控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，獲得模糊輸出。 (4) 清晰化接口： 由模糊推理得到的模糊輸出值， 只有其轉(zhuǎn)化為精確控制量， 才能施加于 對象。實(shí)行這種轉(zhuǎn)化的方法叫做清晰化 / 去模糊化 / 模糊判決。 17 規(guī)則庫 模 清 糊 晰 化 模糊推理 化 接 接 口 口 1

49、8 12.與 PID 控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制具有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 與 PID 控制和直接數(shù)字控制相比，模糊控制的優(yōu)點(diǎn)： （1）模糊控制可以應(yīng)用于具有非線性動力學(xué)特征的復(fù)雜系統(tǒng)。 （2）模糊控制不用建立對象精確的數(shù)學(xué)模型。 （3）模糊控制系統(tǒng)的魯棒性好。 （4）模糊控制是以人的控制經(jīng)驗作為控制的知識模型，以模糊集合、模糊語言變量以及模糊邏輯推理作為控制算法。 10、設(shè)論域 U={a, b, c, d, e}上有兩個模糊集分別為： A 0.5 0.3 0.4 0.2 0.1 a b c

50、 d e ~ B 0.2 0.8 0.1 0.7 0.4 a b c d e ~ 求 AI B 、 AU B 和 A 。 ~ ~ ~ ~ ~ 解： AI B 0.5 0.2 0.3 0.8 0.4 0.1 0.2 0.7 0.1 0.4 a b c d e ~ ~ 0.2 0.3 0.1 0.2 0.1

51、 a b c d e AU B 0.5 0.2 0.3 0.8 0.4 0.1 0.2 0.7 0.1 0.4 a b c d e ~ ~ 0.5 0.8 0.4 0.7 0.4 a b c d e A 1 0.5 1 0.3 1 0.4 1 0.2 1 0.1

52、 a b c d e ~ 18 0.5 0.7 0.6 0.8 0.9 a b c d e 11、已知： A 0.2 0.8 0.5 0.1 B 0.6 0.4 0.5 0.7 u1 u2 u3 u4 ， u1 u2 u3 u4 求： A ∪B=?,A∩B=? 、 A B 0.2

53、 0.4 0.5 0.1 19 u1 u2 u3 u4 A B 0.6 0.8 0.5 0.7 u1 u2 u3 u4 12．已知 R 0.1 0.3 和 S 0.4 0.2 ~ 0.2 0.4 ~ 0.5 0.1 求 RI S 、 RU S 和 R ~ ~ ~ ~ ~ 解：

54、 RI S 0.1 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 0.2 0.5 0.4 0.1 0.2 0.1 ~ ~ RU S 0.1 0.4 0.3 0.2 0.4 0.3 0.2 0.5 0.4 0.1 0.5 0.4 ~ ~ R 1 0.1 1 0.3 0.9 0.7 1 0.2 1 0.4 0.8 0.6 ~ 3、已知論域 X={x1,x2, x3} 和 Y={y1,y2} ，A 是論域 X 上的模糊集：

55、 A {0.1,0.3,0.5} ~ R 是 X 到 Y 上的一個模糊變換， 0.5 0.2 R 0.3 0.1 ~ 0.4 0.6 試通過模糊變換 R 求 A 的象 B 19 0.5 0.2 B AoR (0.1,0.3,0.5) o 0.3 0.1 ~ ~ ~ 0.4 0.6 (0.1 0.5)

56、 (0.3 0.3) (0.5 0.4) (0.1 0.2) (0.3 0.1) (0.5 0.6) (0.4,0.5) 12、已知語言規(guī)則為“如果 e 是 A，并且 ec 是 B，那么 u 是 C?！逼渲? 20 A 1 0.5 B 0.1 0.6 1 C 0.3 0.7 1 e1 e2 、 ec1 ec2 ec3 和 u1 u2 u3 ~ ~ ~ 試求該語句所蘊(yùn)涵的模糊關(guān)系 R。 解 R A

57、 B C ~ ~ ~ ~ 第一步，先求 R1＝ A B： R1 1 0.1 1 0.6 1 1 0.1 0.6 1 0.5 0.1 0.5 0.6 0.5 1 0.1 0.5 0.5 ~ 第二步，將二元關(guān)系矩陣 R1 排成列向量形式 R1 T ，先將中的第一行元素寫成列向量形式， 再將中的第二行元素也寫成列向量并放在前者的下面，如果是多行的，再依次寫下去。于是 R1 可表示為： 0.1 0.6 R1T 1 ~ 0.1 0.5 0.5 第三步， R 可計算如下

58、： 20 0.1 0.1 0.3 0.1 0.7 0.1 1 0.6 0.6 0.3 0.6 0.7 0.6 1 R R1T C 1 (0.3 0.7 1) 1 0.3 1 0.7 1 1 ~ ~ ~ 0.1 0.1 0.3 0.1 0.7 0.1 1 0.5 0.5 0.3 0.5 0.7 0.5 1

59、 0.5 0.5 0.3 0.5 0.7 0.5 1 0.1 0.1 0.1 0.3 0.6 0.6 0.3 0.7 1 21 0.1 0.1 0.1 0.3 0.5 0.5 0.3 0.5 0.5 第 7 章 控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及現(xiàn)場總線 1、什么是現(xiàn)場總線 現(xiàn)場總

60、線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場與微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)通信的系統(tǒng) 也稱為開放式、全數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 2、請列舉 4 類現(xiàn)場總線設(shè)備 。 基金會現(xiàn)場總線、 LonWorks、Profibus、 CAN 、 HART 、RS-485 3．請給出現(xiàn)場總線的技術(shù)特點(diǎn)。 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò) 開放互連網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場設(shè)備互連網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)與功能高度分 散的系統(tǒng) 互操作性與互換性網(wǎng)絡(luò) 4．請給出 5 個現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)。 全數(shù)字性、精度高、抗干擾性強(qiáng)、內(nèi)嵌控制功能、 高速通信、多變量測量、多變量傳送、

61、系統(tǒng) 綜合成本低、真正的可互操作性、真正的分散控制、組態(tài)操作一致、具有強(qiáng)大的故障診斷功 能、采用預(yù)測維護(hù)技術(shù)。 5.什么是組態(tài)軟件 21 組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文 SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制） 。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處 在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快 速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次

62、的軟件工具 22 第九章 計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 1、系統(tǒng)設(shè)計原則？ 安全可靠、操作維護(hù)方便、實(shí)時性強(qiáng)、通用性好、經(jīng)濟(jì)效益高。 2、系統(tǒng)設(shè)計步驟？ （1）工程項目與控制任務(wù)的確定階段； （ 2）工程項目的設(shè)計階段；（ 3）離線仿真和調(diào)試階段； （4）在線調(diào)試和運(yùn)行階段。 3、系統(tǒng)總體方案設(shè)計： （1）硬件總體方案設(shè)計；（2）軟件總體方案設(shè)計；（ 3）系統(tǒng)總體方案。 4、硬件的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn) ：（1）選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)型；（2）選擇輸入輸出通道模板； （3）選擇變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 5、軟件的工程設(shè)計與實(shí)現(xiàn) ：（1）數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃；（2）資源分配；（3）實(shí)時控制軟 件設(shè)計。 6 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行 ：1、離線仿真和調(diào)試： (1)硬件調(diào)試 (2)軟件調(diào)試 (3)系統(tǒng)仿真 2、在線調(diào)試 和運(yùn)行。 22