1、1、 计算机系统基本组成（1）计算机控制系统的硬件组成：计算机主机 过程通道 （2）计算机控制系统的软件：系统软件 应用软件2、计算机控制系统是混合信号系统，具有多种信号形式：（1）A/D 转换器的转换形式模拟信号采样：按一定时间间隔对连续信号采样，将其变成时间上是断续的离散信号；信号幅值的整量化：将采样信号幅值按有限字长的最小量化单位分层取整，变成幅值为离散的信号； 数字编码 ：将已整量化的分层信号变换为等值的二进制数码信号，即数字信号。 （2）D/A 变换器的转换形式数字解码：把数字量转换为等值的模拟脉冲信号；信号恢复：把解码后的模拟脉冲信号变为随时间连续变化信号 (有的 D/A 先数字解
2、码后保持，有的先数字保持后解码)。3、 与连续模拟系统不同，计算机控制系统中包含五种信号形式的变换，如图 1-5 所示，具有六种信号形式,如表 1-1 所示 。图 1-5 计算机控制系统中信号变换表 1-1 计算机控制系统中信号形式 时间幅值 连 续 离 散连续离散数字二进制4、 计算机控制系统的优点（1）易实现复杂控制规律 计算机运算速度快、精度高、具有极丰富的逻辑判断功能和大量的存储能力，因此，容易实现复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制及各种智能控制等，可以极大地提高系统性能。（2） 计算机控制系统的性价比高 一台计算机可以实现复杂控制规律并可同时控制多个控制回路，因此，它的功能/价格
3、比值较高。（3） 适应性强灵活性高 控制算法是由软程序实现，通过修改或执行不同的软件可使系统具有不同性能，适应性强，灵活性高。计算机是一种可编程的智能元件 。 一套硬件设计用于不同产品生产过程和对象的控制（4）系统测量灵敏度高 数字式传感器，可以敏感微弱信号，提高测量灵敏度。 软件可以对传感器特性及误差进行修正与补偿，提高了精度。（5）控制与管理容易结合实现更高层次的自动化 利用网络结构构成计算机控制与管理系统，实现生产过程与经营的管理控制一体化，从而可以实现更高层次的自动化（6）系统可靠性和容错能力高 计算机控制系统实现自动检测和故障诊断较方便，提高了系统的可靠性和容错及维修能力。5、计算机
4、控制系统分类（1） 直接数字控制 (Direct Digital Control，DDC) 系统（2）计算机监督控制 (Supervise Control by Computer，SCC) 系统（3）分散型计算机控制系统 (Distributed Control System，DCS)6、 （1）采样定理（香农定理）如果一个连续信号不包含高于频率 max 的频率分量（连续信号中所含频率分量的最高频率为 max)，那么就完全可以用周期 T 2max，那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号。 （2）采样信号的失真如采样定理所表明的，一个连续信号若采样时不满足采样定理，采样信号将会失真。下面将
5、说明，失真会产生怎样的的特殊现象。信号的高频分量折叠为低频分量隐匿振荡(Hidden oscillation) 前置滤波器7、零阶保持器（ZOH）的频率特性（频率特性曲线如下）（1）零阶保持器有无限多个截止频率 cn s(n1，2，)，在 0s 内，幅值随 增加而衰减。 （2）零阶保持器允许采样信号的高频分量通过，幅值是逐渐衰减的。（3）零阶保持器是相位滞后环节，相位滞后与信号频率 及采样周期 T 成正比 被 控 过 程过程控制单元过程控制单元控制管理计算机控制管理计算机操作中心 监控管理计算机高速数据通道高速数据通道生产管理级控制管理级过程控制级hs()2T8、图 2-26 是一种常见的采样
6、系统的结构。若系统输出是连续的，为将其变成离散系统，在输出端加入虚拟采样开关，表示仅研究系统在个采样点上的离散时刻的输出值。综合点之后的采样开关可等效为综合点两个输入端的采样开关。图 2-26 采样控制系统典型结构 根据图 2-26 可得 E(z) = R(z)-B(z)B(z) = ZG2(s)G3(s)H(s)U(z) = G2G3H(z)U(z)E(z) = R(z) - G2G3H(z)U(z)C(z) = ZG2(s) G3(s)U(z) = G2G3(z)U(z)U(z) = ZG1(s)E(z) = G1(z)E(z)所以 C(z) = G2G3(z)G1(z)E(z)将 U(z
7、)代入 E(z)的表达式中，得 E(z) = R(z) / 1+G1(z)G2G3H(z) 将 E(z)代入 C(z)表达式，得 所以，以 C(z)为输出，R(z) 为输入的闭环脉冲传递函数为以 R(z)为输入的误差传递函数9、例 2-27试求图 2-28所示计算机控制系统闭环脉冲传递函数，已知 T=1s。123()()()GzCRzH123()()()zz123()()()eEzRGzH图 2-28 例 2-7 计算机控制系统结构图解 ： 由于 Gc(s) = (1+1/s)，所以 1cc 12()(1/ zzZZsz又因为 ，h0e()Tss所以 1h0 1111e()()()e()Ts
8、TTGzZzZs由图知 H(s)=1，由式（2-63）可得 th0c11111 111()()()2e(2)e()()()T TTTTzCzRGzzzz 因为 T=1，所以 111 112()(0.5).632)368()02640.3.4.95CzzzR zzz 10、s 平面的映射s 平面整个虚轴映射为 z 平面单位圆，左半平面任一点映射在 z 平面单位圆内，右半平面任一点映射在单位圆外. 表 3-1s 平面与 z 平面关系11、连续域离散化设计的步骤如下：第 1 步：根据系统的性能（如频带宽度等） ，选择采样频率，设计抗混叠前置滤波器。第 2 步：考虑 ZOH 的相位滞后，根据性能指标和
9、连续域设计方法，设计数字控制算法的等效传递函数 Ddc(s) 。 （如所取采样频率较高，可略去 ZOH 的影响。 ）第 3 步：选择合适的离散化方法，将 Ddc(s)离散化，获得脉冲传递函数 D(z)，使两者性能尽量等效。第 4 步：检验计算机控制系统的闭环性能。可以根据采样系统理论，在 z 域进行数学分析，也可采用仿真技术校验系统的性能指标。如满足指标要求，进行下一步；否则，重新设计。改进设计的途径有：选择更合适的离散化方法；提高采样频率；修正连续域设计，如增加稳定裕度指标等。第 5 步：将 D(z)变为数字算法，在计算机上编程实现。12、离散化方法（1）数值积分法（置换法）：一阶向后差法、
10、一阶向前差法、双线性变换法、修正双线性变换法等（2）零极点匹配法（3）保持器等价法（阶跃响应不变法）（4）z 变换法( 脉冲响应不变法) 13、 （1）一阶向后差分法离散化公式（D（s）：连续传递函数T ：采样周期）例 4-1 已知 ，T=1s 、 0.1s，试用一阶向后差分法离21()0.8Dss散。解： 1()/()szTz12 121()/1(0.8)()/0.8()/szTs zT 22,20.8,.1Tzabab 1()()zsTz当 T=1s 时，a=2.8 ，b=2.8。 21 2().8.zDz当 T=0.1s 时，a=2.08 ，b=1.09。 2 201()29zz分析所得
11、结果可知：（1）可以判断，环节稳定性不变。D(s) 是稳定的；D1(z) 两个根分别为：；,2=0.5 j0.327 =.5980.5796z11 rD2(z) 两个根分别为：；1,.941 j.8412 （2）稳态增益不变： 0()sD11() 12.8.z。210()9zD（3）单位阶跃响应如图 4-5 所示。图 4-5 单位阶跃响应曲线（4）频率响应特性：如图 4-6 所示。连续环节的相位裕度， 增益裕度为无穷大。omc68.9,1.7rad/sT=0.1s 时离散环节的相位裕度 ，增益裕度为无穷大。c4.2,.08T=1s 时离散环节的相位裕度及增益裕度为无穷大。通过上述几个特性的计算
12、可以看到： 当采样周期较大时，离散后环节特性与原连续环节特性相差较大。 当采样周期较小（T=0.1s）时，离散后环节特性与原连续环节特性比较接近。如图 4-6 频率响应曲线（2）一阶向前差分法离散化公式 例 4-2 已知试用向前差分法离散化。解：1()()zsTDz21()0.8ss若使 D(z)稳定，则应保证 T 小于一定数值，即若 10.8T+ 0,必然满足 10.8T+ -1,要求 T0；可见该控制器采用一阶向前差分法离散时，要求 00-单调发散；a=0- 响应保持常值；02max，那么就可以从采样信号中不失真地恢复原连续信号。如不满足采样定理，一个高频连续信号采样后将会变成一个低频信号
13、。 ）5.在零极点匹配 z 变换中在分子引入零点 的优点是什么？pz)1(为什么？（可以保证变换后的频率特性不产生混叠。因为在 处环节输出为零。/2 sz）6.试写出 PID 位置算法的积分分离法的输出表达式并说明这种方法的作用。（ pID0()()()()(1)kjukKekeKek当 值， ；()1当 值， 。 为规定的门限值。()ek0该方法可以减少系统调节的超调量，又可以减少静差，提高精度。 ）7.已知连续传递函数通过离散后得到605.39)(zG试求 变换，并说明附加零点反映了什么特性，设采样周期 T=0.1s。w（ ；附加的非最小相位零点反映了 ZOH 的相位滞后的124.89(1
14、)2()Twz影响。 ）参 考 试 题 3一、填空（每题 2 分，共 16 分）1在计算机控制系统中存在有五种信号形式变换，其中采样、量化、零阶保持器等三种信号变换最重要。2为了加强滤波效果，可以同时使用几种滤波方法，构成复合滤波算法。3若已知系统被控对象的主要极点的时间常数为 Td，经验上，采样周期 T 应取 T Td/10。4抑制共模干扰 的方法之一是采用差分放大器作为信号的前置放大器。5与连续系统不同，采样系统由于采样开关的位置不同，所得闭环系统脉冲传递函数不同。6若连续系统为 ，当采样周期 T 等于 29()Gs,1,23k时，采样系统是不可控和不可观的。7为了避免量化非性引起控制器产
15、生死区或极限环，设计时应尽量使控制器的极点远离单位圆。8 z 平面上正实轴上极点对应的脉冲响应是单调的，其他位置的极点对应的脉冲响应是振荡的。二、简答题(每小题 5 分，共 35 分)1.试简述零阶保持器时域响应的主要特点。1）时域响应为阶梯形状，阶梯大小与采样周期成正比；（2 分）2）时域响应与输入信号相比，平均延迟 T/2。 （3 分）2.计算机控制系统在选择 AD 转换器时应注意哪几项指标，这些性能指标应根据什么原则选取？(1）精度：应高于传感器的精度一个数量级；(2 分)（2）分辨率：即字长，应根据测试信号的动态范围确定；(2 分)（3）转换速率：根据系统的频带或信号的变化频率。(1
16、分) 3.试简述在计算机系统中加入看门狗电路的作用。看门狗电路可以用于检测由于干扰引起的系统出错并自动恢复运行，提高控制系统的可靠性。4.若 G(s)是最小相位系统，Z 变换后 G(z) 也是最小相位系统吗? 为什么?不一定，可能是也可能不。因为 z 变换后 G(z) 的零点与采样周期有关，当采样周期较小时，G(z) 的零点可趋于单位圆外。5、为了使系统输出响应比较光滑，通常应怎样选用采样周期？当响应为非周期时，要求在阶跃响应升起时间 Tr 内采样点Nr= Tr/T (510) ； （2 分 ）当响应为振荡时，要求在一个振荡周期 Td 内采样点 Nr= Tr/T(1020) 。 （3 分）6、
17、已知 x(t)=(0.5+5sin3t),采样周期 T=2/3，试求采样信号 x(k) ，并讨论。x(k)=0.5+5sin(3k2/3)=0.5（2 分） 。由于不满足采样定理，采样后变为直流信号。 （3 分）7、已知计算机控制系统的信号变换结构图如下图所示。试说明 A、B、C、D 各点信号特征。A 时间断续幅值连续模拟信号 ; B 时间断续幅值断续模拟信号;C 时间断续的数字信号 ; D 时间连续幅值断续模拟信号。参 考 试 题 4 一填空（每题 2 分，共 16 分）1.零阶保持器频率特性将会引起 -T/2 的相位延迟。 2离散系统频率特性的主要特点是它的幅相特性是采样频率的周期函数。
18、量化器 编码 CPU 解码 ZOHTf (t) A B CD3当系统的极点位于 z 平面的正实轴上 时，对应的脉冲响应是单调的，位于负实轴上的极点对应的脉冲响应 是交替振荡的。4.从控制算法的等效离散化角度出发，希望采样周期的取值 越小越好；从量化分析的角度出发，希望采样周期的取值不要过小。5常值状态反馈是否改变系统的可控性？ 否 ；是否改变系统的可观性？ 可能 6. 离散环节产生变量量化产生极限环和死区的本质是变量量化的阶梯非线段性。7. 若已知系统的闭环自然频率 n，经验上采样周期应选为 。sn(410):8计算机控制系统中含有五种信号形式变换，其中采样、量化、恢复(零阶保持)三种信号变换
19、最重要。二、简答题(每小题 5 分，共 35 分)1.连续信号幅频|F(j )|如图 1 所示，试画出它的采样信号的图 1幅频谱 |F*(j )|,（不考虑相位） 。图中， 1 = 6 rad/s, 2 = 8 rad/s, 采样频率 s = 10 rad/s 。解: 可得图 2 所示图 22.试简单说明连续传递函数 G(s) 与对应的脉冲传递函数 G(z) 的零点、极点对应关系。（极点按 映射，零点无对应映射关系。 ）esTz3.试简单说明串模干扰产生的原因以及抑制串模干扰的主要方法。(是通过电磁耦合和漏电等传输形式叠加到信号及引线的干扰；抑制主要方法是采用模拟滤波、进行电磁屏蔽和良好接地。
20、)4.试说明何谓前置滤波器，计算机控制系统中为什么常常加入这种滤波器。(前置滤波器是加在 A/D 转换之前的模拟低通滤波器，其作用是衰减高于 的高频s/2信号，以防止混叠现象发生)；5.试简要说明计算机控制系统中，采样周期 T 的大小，对系统性能和经济性有哪些影响。(采样周期过大减弱稳定性；增大信号失真；输出响应不光滑，系统相位延迟增大，降低系统抑制噪声干扰能力。采样周期过小，会增大量化误差，增大对计算机硬件的要求，降低计算机工作负荷，增大成本)6.若已知 f1(t)=sin(t)，f 2(t)= sin(+ns)t,采样频率为 s，n 为整数，试求上述两个信号的采样值，由此可得什么结论。( ；1sin)fkT2 221()kfknfkTf表明当两个连续信号频率相差 ns 时，其采样信号值相等。)7.试简单说明数字 PID 调节器中积分分离法抑制积分饱和的基本思想，并写出积分分离PID 位置算式。(积分分离法的基本控制思想是，当偏差大于某个规定的门限值时，取消积分作用；只有当误差小于规定门限值时才引入积分作用，以消除稳态误差。积分分离 PID 位置算式： 0()()()()1)kPI DjukKekeKek当 值， ；1当 值， 。 为规定的门限值。)()ek
