计算机控制技术课后习题答案

11.1计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。1.2实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。1.5计算机控制系统的特点是什么？微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点：a.控制规律灵活多样，改动方便b.控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制c.能够实现数据统计和工况显示，控制效率高d.控制与管理一体化，进一步提高自动化程度1.6计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。a.普及应用可编程序控制器b.采用集散控制系统c.研究和发展智能控制系统2.4数字量过程通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？数字量过程通道包括数字量输入通道和数字量输出通道。数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入地址译码电路、并行接口电路和定时计数电路等组成。数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。其中：输入调理电路将来自控制装置或生产过程的各种开关量，进行电平转换，2将其通断状态转换成相应的高、低电平，同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动，以及进行信号隔离等问题。2.5简述两种硬件消抖电路的工作原理。采用积分电路的硬件消抖电路，首先利用积分电路将抖动的高频部分滤出，其次利用施密特触发器整形。采用RS触发器的硬件消抖电路，主要是利用RS触发器的保持功能实现消抖。2.6简述光电耦合器的工作原理及在过程通道中的作用。光电耦合器由封装在一个管壳内的发光二极管和光敏三极管组成，如图2.1所示。输入电流流过二极管时使其发光，照射到光敏三极管上使其导通，完成信号的光电耦合传送，它在过程通道中实现了输入和输出在电气上的完全隔离。图2.1光电耦合器电路图2.7模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。(1)I/V变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。(3)采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。(4)A/D转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器(Analog/DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC)。2.9采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。采样保持器的作用：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。32.10对理想多路开关的要求是什么？理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。此外，还希望切换速度快、噪音小、寿命长、工作可靠。2.13设被测温度变化范围为0oC~1200oC,如果要求误差不超过0.4oC,应选用分辨为多少位的A/D转换器？选择依据：124.0120012logn2.14模拟量输出通道由哪几部分组成？各部分的作用是什么？模拟量输出通道一般由接口电路、D/A转换器、功率放大和V/I变换等信号调理电路组成。(1)D/A转换器：模拟量输出通道的核心是数/模转换器(Digital/AnalogConverter,简称D/A转换器或DAC)。它是指将数字量转换成模拟量的元件或装置。(2)V/I变换：一般情况下，D/A转换电路的输出是电压信号。在计算机控制系统中，当计算机远离现场，为了便于信号的远距离传输，减少由于传输带来的干扰和衰减，需要采用电流方式输出模拟信号。许多标准化的工业仪表或执行机构，一般是采用0～10mA或4～20mA的电流信号驱动的。因此，需要将模拟电压信号通过电压/电流(V/I)变换技术，转化为电流信号。2.16什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。消除共模干扰的方法有以下几种:变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽；采用具有高共模抑制比的的仪表放大器作为输入放大器。串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。消除串模干扰的方法有以下几种：在输入回路中接入模拟滤波器；使用双积分式A/D转换器；采用双绞线作为信号线；电流传送，4.1数字控制器的模拟化设计步骤是什么？模拟化设计步骤：（1）设计假想的模拟控制器D(S)（2）正确地选择采样周期T（3）将D(S)离散化为D(Z)（4）求出与D(S)对应的差分方程（5）根据差分方程编制相应程序。4.2某连续控制器设计为sTsTsD2111试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。4双线形变换法：把112zzTs代入，则221121112222211211121TTzTTTT-zTTzzTTzzTT|zDzDzzTs前向差分法：把Tz-z1代入，则221121211111111TTzTTTzTTzTTzTsTsT|sDzDTzs后向差分法：把Tzzs1代入，则221121211111111TTzTTTzTTzzTTzzTsTsT|sDzDTzzs4.4在PID调节器中系数pk、ik、dk各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？系数pk为比例系数，提高系数pk可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数pk最终将导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。系数ik为积分常数，ik越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提高控制精度。系数dk为微分常数，dk越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响。4.5什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：TkekedtdejeTedtkjt)1()()(00于是有：)]}1()([)()({)(0kekeTTjeTTkeKkukjdipu(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置型PID算法。5在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。)]}2()1(2)([)()]1()({[)(kekekeTTkeTTkekeKkudip与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：(1)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。(2)为实现手动——自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。(3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。4.6已知模拟调节器的传递函数为s.s.sD085011701试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=0.2s。s.s.sEsUsD085011701则sSE.sEsSU.sU1700850dttde.tedttdu.tu1700850Tkeke.keTkuku.ku117010850把T=0.2S代入得15354142504251k-e.ke.ku.ku.位置型12982.014561.21579.3kukekeku增量型17018.014561.21579.31kukekekukuku4.7什么叫积分饱和？它是怎样引起的？如何消除？在PID位置式算法中需要偏差信号的累加值，当累加值超出执行机构的额定范围后，执行机构的输出值不再随控制信号的增加而增加，于是就出现了积分饱和现象。消除方法：1．采用增量式算法；2．采用积分分离式算法。64.9数字控制器直接设计步骤是什么？计算机控制系统框图如图4—1所示。图4—1计算机控制系统框图由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。数字控制器的直接设计步骤如下：(1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)。(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。(3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。(4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。410.被控对象的传递函数为21ssGc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zD；(2)画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。(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211-1232z12z1zT1111