计算机控制系统李华课后答案章

1、DC控制系统，工控机通过基于PC总线的板卡进行实时数据采集，并按照一定的控制规律实时决策，产生控制指令，并通过板卡输出，对生产过程直接进行控制。
该类系统具有组成灵活，成本低等特点，广泛应用于工业生产的各个领域。
是目前在工业上用得比较多的一类系统。
,2019/10/9,计算机控制技术,3,8.1.1 PC总线的工业控制机简介,工业个人计算机Industrial Personal Computer（简称IPC）是一种加固的增强型个人计算机，是指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机，简称工控机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。
20世纪80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM753 由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。
,2019/10/9,计算机控制技术,4,工控机示意图,西门子工控机,研华工控机,2019/10/9,计算机控制技术,5,1. 工业PC的结构,工业控制机的典型结构如图8.1所示，主要有以下几部分组成。
,图8.。

2、1 （a）,图（a）中：u(t)-控制量，零阶保持器的输出。
v1c(t)-随机的过程干扰。
y(t)-输出量。
,Gp(s),y(t),u(t),v1c(t),图 1 （b）,图（b）中：,Gd1(s),+,+,Gp(s),y(t),u(t),v1c(t),图 1 （c）,Gd1(s),+,+,Gd2(s),ec(t),图（c）中：v1c(t)-不是白噪声，为具有有理功率频谱密度函数的有色噪声。
ec(t) - 白噪声。
Gd2(s)-假想的动态环节的传递函数。
,Gp(s),y(t),u(t),ec(t),图 1 （d）,图（d）中：,Gd(s),+,+,控制对象离散化，对于Gp(s) ，假设u(t)是零阶保持器的输出，采用零阶 保持器法，将Gp(s)化为Gp(z) 。
,（1）,Gd(s)的离散化方法：,（2）,即：,将Gd(s)化为如下的状态方程：,设ec(t)是均值为零、方差为 的白噪声，进一步设：,（3）,则（2）式变为：,（4）,（5）,可求得 的协方差为：,式（4）可离散化为：,（6）,其。

3、脑是对人脑的解放， 计算机的作用相当于一台大仪表。
计算机控制绝对不神秘！,6,1.1 计算机控制系统的组成,1.1.1 基本概念,计算机控制系统是用计算机(通常称为工业控制计算机)来实现工业过程自动控制的系统。
,什么是自动控制? 自动控制系统由哪些部分组成?,7,设定值,控制器,D/A,执行 机构,被控 对象,A/ D,计算机,被控变量,+,图1.1 计算机闭环控制系统结构图,测量变送,8,计算机控制系统的工作原理是什么?,实时数据采集,实时控制决策,实时控制输出,什么是实时控制?,实时：是指信号的输入、计算和输出都在一定的时间范围内完成。
,9,计算机控制系统的工作原理,(1)实时数据采集 对测量变送装置输出的信号经A/D转换后进行处理。
,(2)实时控制决策 对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。
,(3)实时控制输出 实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。
,上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。
,10,计算机控制系统,工业控制机,生产过程,1.1.2 硬件系统,11,生产过程,过。

4、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，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。

5、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。

6、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01e()TsH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 。
()z(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。

7、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seHT1)(0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 ；)(z(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。

8、满足：s i-sjj2k/T ，T 为采样周期 。
5连续控制律采用 Tustin 变换时，将使 s 平面左半平面映射到 z 平面的 单位圆内。
6若已知系统的闭环自然频率 n，通常选择采样频率为 。
sn(410)7从改善系统动态特性角度出发，希望采样周期的取值 小些较好 ；从量化分析的角度出发，希望采样周期的取值 不要过小 。
8状态反馈 不 改变系统的可控性，但可改变系统的 可观性 。
二、简答题(每小题 5 分，共 35 分)1.试画下图 z 平面上两对极点各自对应的脉冲响应序列的大致形状。
/3R e a lI m a g eP 1P 2P 302对于 P1,2： (2 分)，图形如下：(1 分)，ddd=/3,=2/,6TT对于 P3： (1 分) ，图形如下：(1 分) ddd=,2/,=TT或2.已知 D(z)，试画出下图中系统的阶跃响应。
D ( z ) Z O HR ( z )Y ( z )D(z)=1/(z-0.5)解： ，1),()0.5z12342( .5.71.85)(.zYz zz。

9、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 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。

10、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 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。

11、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，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。

12、1安全可靠,为了保证安全可靠，通常采用如下做法：,第一，选用高性能的工业控制计算机，保证在恶劣的工业环境下，系统仍能正常运行。
第二，设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如设计报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。
第三，附加后备装置。
对于一般的控制回路，选用手动操作作为后备；对于重要的控制回路，选用常规控制仪表作为后备。
这样，一旦计算机出现故障，就把后备装置切换到控制回路中，以维持生产过程的正常运行。
,8.1 系统设计的基本要求和特点,第四，对于承担网络控制、信息处理、管理的计算机，应采用双机备用系统，其工作方式有四种，即：备份工作方式、主从工作方式、双工工作方式和分级分布式控制方式。
,8.1 系统设计的基本要求和特点,2操作维护方便,操作方便体现在控制设备投入运行后，应当使系统便于掌握、操作简便，显示画面直观形象。
既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。
在硬件配置方面系统的控制开关不能太多，操作顺序要简单；软件方面，应尽可能采用汇编语言，并配有高级语言，以便于用户掌握。
,维护方便体现在易于查找故障，易于排除故障。
硬件方面，应尽可能采用标准的功能模块化产品，便于更。

13、ntrol System，DCS）,以多台微型计算机为基础，采用数据通信和CRT显示技术，应用控制理论，对生产过程进行分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的系统。
,DCS的特点,硬件积木化 硬件采用积木化组装结构，系统配置灵活，可以方便的构成多级控制体统。
软件模块化 为用户提供了丰富的功能软件，主要包括控制软件包、操作显示软件包、报表显示软件包等，用户只需按要求选用即可。
,控制组态化 具有常用的运算和控制模块 ，控制工程师只需按照系统的控制方案 ，选择模块 ，并以填表方式来定义这些软功能模块，进行控制系统的组态。
通信网络化 通信网络是分散控制系统的神经中枢，它将物理上分散的多台计算机装置有机地联系起来，实现了相互协调、资源共享的集中管理。
,高可靠性 DCS的可靠性高体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施，高性能的元件等方面。
,DCS的发展及典型产品,DCS的开创期(1975年1980年) DCS的组成 现场控制站 现场监测站 CRT操作站 数据高速公路 监控计算机基本上体现了集中管理、分散控制的特点,DCS的发展及典型产品,DCS的成长与完善时期(1980。

14、方法、最佳设定值等，再由操作人员直接作用于生产过程。
特点：该系统属于开环控制结构，即自动检测人工调节。
结构简单，控制灵活、安全，尤其适用于被控对象的数学模型不明确或试验新的控制系统。
但仍需要人工参与操作，效率不高，不能同时控制多个对象。
,（二）直接数字控制系统 用一台计算机对多个参数进行实时数据采集，按照一定的控制算法进行运算，然后输出调节指令到执行机构，直接对生产过程施加连续调节作用，使被控参数按照工艺要求的规律变化。
,一、计算机控制简介,（三）监督计算机控制系统。
是计算机根据工艺变量按照所设计的控制算法计算出最佳设定值，并将此设定值直接传送给常规模拟控制器或者DDC计算机，最后由模拟控制器或DDC计算机控制生产过程的系统，,一、计算机控制简介,（四）集中分散型控制系统 又称分布式控制系统。
它采用分散控制、集中操作、分级管理、综合协调的设计原则，从下到上将系统分为现场控制层、监控层、管理层。
,一、计算机控制简介,现场控制层：主要完成DDC的功能； 监控层：主要完成SCC的功能； 管理层：完成范围更广，层次更高的管理、控制、协调的功能。
,一、计算机控制简介,操作站、工程师站和上位。

15、在学习时要注意对照和比较，特别要注意它们不同的地方。
,4.1 离散系统,线性连续控制系统与线性离散控制系统的研究方法对照,4.1 离散系统,4.1.1 采样控制系统,4.1 离散系统,4.1.2 数字控制系统,4.1 离散系统,4.1.3 计算机控制系统与采样控制系统的关系,若认为采样编码过程瞬时完成，并用理想脉冲来等效代替数字信号，则计算机控制系统等效于采样控制系统（统称离散系统）。
,4.1 离散系统,4.1.4 离散控制系统的特点,（1）由数字计算机构成的数字控制器，控制规律由软件实现，因此，与连续式控制装置相比，控制规律修改调整方便，控制灵活。
（2）数字信号的传递可以有效地抑制噪声，从而提高了系统的抗干扰能力。
（3）可以采用高灵敏度的控制元件，提高系统的控制精度。
（4）可用一台计算机分时控制若干个系统，提高设备的利用率，经济性好。
,4.1 离散系统,4.1.5 离散系统的分类,1线性离散系统 如果离散系统的输入信号到输出信号的变换关系满足比例叠加定理，即当输入信号为时，其中 为任意常数，系统相应的输出信号可表示为则该系统就称为线性离散系统。
若不满足。

16、管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。
这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。
,2.5 光电耦合器的注意事项： 输入侧导通电流要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。
不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流IF=10mA。
频率特性受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。
输出端工作电流光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。
一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。
, 输出端暗电流这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。
在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。
隔离电压它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。
电源隔离光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。
无论是输入。

17、2019/1/9,9,2019/1/9,10,2019/1/9,11,2019/1/9,12,2019/1/9,13,2019/1/9,14,2019/1/9,15,2019/1/9,16,2019/1/9,17,2019/1/9,18,2019/1/9,19,2019/1/9,20,62 模型预测控制技术,模型预测控制算法是以模型为基础，同时包含有预测的原理；另外，作为一种优化控制算法，它还具有最优控制的基本特征。
模型预测控制不管其算法形式如何，都具有以下三个基本特征；即模型预测、滚动优化和反馈校正。
,2019/1/9,21, 模型预测模型预测控制算法是一种基于模型的控制算法，这一模型称为预测模型。
系统在预测模型的基础上根据对象的历史信息和未来输入预测其未来的输出，并根据被控变量与设定值之间的误差确定当前时刻的控制作用。
其预测模型的结构形式可为状态方程、传递函数这类传统的模型。
对于线性稳定对象，甚至阶跃响应、脉冲响应这类非参数模型也可直接作为预测模型使用。
而对于非线性系统、分布参数系统的模型，只要具备上述功能，也可作为预测模型使用。
,2019/1/9,22, 滚动优化模型预测。

18、设计分为开发设计和应用设计。
,开发设计的任务是生产出满足用户所需的硬件和软件。
首先要进行充分地市场调查，了解用户的需求；然后进行系统设计，落实具体的技术指标；最后进行制造调试，检验合格，市场销售。
开发设计应遵循标准化、模板化、模块化和系列化的原则。
,开发设计,2019/1/9,4,应用设计,应用设计的任务是选择和开发满足控制对象所需的硬件和软件，设计控制方案，并根据系统性能指标要求设计系统硬件和软件，以实现系统功能。
应用设计或工程设计按顺序可分为5个阶段。
,可行性研究 系统总体方案设计 硬件和软件的细化设计 系统调试 现场安装、投运,2019/1/9,5,图111 控制系统设计示意图,2019/1/9,6,112 计算机控制系统抗干扰技术,1 干扰的来源与种类,外部干扰是指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境因素所决定的干扰。
它主要来自自然界以及周围的电气设备。
,外部干扰,内部干扰,内部干扰是指计算机控制系统内部的各种元器件引起的各种干扰,2019/1/9,7,2 硬件抗干扰技术,电源系统抗干扰方法,采用低通滤波器,图112 双型滤波器,采用低通滤波器抑制电网侵入的。

19、作一段时间 t(0tT)，这些控制可通过计算机开关量输出通道来实现。
2.4 把计算机输出的数字量转换成模拟量。
2.5 光电耦合器的作用：从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。
常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。
光电耦合器的用法：下图为原理图。
当输入侧(即发光二极管) 流过一定的电流 IF 时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。
这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。
2.5 光电耦合器的注意事项： 输入侧导通电流要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。
不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。
频率特性受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。
输出端。

20、1-az2) -at f(t)=1-e -aT-1 -at -1-aT-1-1-aT-1 11(1-e)z F(z)=Z1-e=-= 1-z1-ez(1-z)(1-ez)3) 2 f(t)=t 2 2 3 Tz(z+1) F(z)=Zt= (z-1)4) -at f(t)=te -aT -at -aT2 Tze F(z)=Zte= (z-e)P58 3-1 =-= 1-aT 1 z1-ez 1-ez 1-aT 1-aT 1-aT 1- 2 2 Tz(z+ Tz(z+ 2 2 +. -aT -1 1-1-aT 1 (1-e)z ez -aT aT (1-z)(1-ez z)(1 1-1- 1 1 3 +1) -1) 1) 4 3-2 4 5 3-8 0 N AD Ti AD ZF=1,2,3ZF=1 k=N ZF=2 =0 k=0 Ti k k+1 Ti 1 Ti k k-1 AD AD+1 Ti AD Ti AD AD-1 Ti Y Y N NN N N ZF 2 ZF 3 Y Y Y k=0 AD =2N Y Y Ti N 5 P94 4-1 PID Kp Ki K。