计算机控制系统习题答案

第1章习题1.1什么是计算机控制系统？它由哪几个部分组成？请画出一个实际的计算机控制系统原理结构图。解答：（1）计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统；计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程控制的系统，是自动控制理论、计算机技术和通信技术结合发展的产物。（2）计算机控制系统有计算机、受控系统、检测装置和执行机构等组成。计算机控制系统包括硬件设备、控制软件和通信网络三大部分。硬件是指计算机本身及其外部设备；软件是管理计算机以及各个过程过程控制的应用程序；通信网络负责各个独立的数据采集节点和控制单元之间的数据信息交换，以及各个控制回路之间的网络之间的信息交换。（3）一个典型的实际计算机控制系统原理结构图，如下图所示。1.2微型计算机控制系统与模拟调节系统相比有什么特点？解答：微机控制系统与常规的自动控制系统相比，具有如下特点。（1）控制规律灵活多样，改动方便。（2）控制精度高，抑制扰动能力强，能实现最优控制。（3）能够实现数据统计和工况显示，控制效率高。（4）控制与管理一体化，进一步提高自动化程度。1.3请简述DDC及SCC系统的特点、他们之间的区别与联系。解答：直接数字控制DDC系统是计算机用于工业控制中最普遍和最基本的一种方式。DDC系统的具有如下特点。（1）控制灵活，只要改变算法程序，就可以方便地改变控制方法，无需改变系统任何硬件。（2）可以有效地实现较复杂的控制，用来改善控制品质。（3）可以实现多回路控制，费用比模拟系统节省。1计算机监督控制SCC系统有两种类型，一种是SCC+模拟调节器，另一种是SCC+DDC控制系统。SCC的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且工作可靠性高，当SCC出现故障时，下级仍可继续执行控制任务。1.4实时、在线方式和离线方式的含义是什么？解答：(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如果按应用场合分类，计算机控制系统大致可以分为几类？各有什么主要特点？解答：（1）数据采集与监视控制系统。特点：机构简单，控制灵活安全，特别适应于未摸清控制规律的系统，常被用于计算机控制系统研究的初级阶段，或用于试验新的数学模型和调制新的控制程序等。（2）直接数字控制系统。特点：a、控制灵活。只要改变算法程序，就可以方便地改变控制方法，无需改变系统任何硬件。b、可以有效地实现较复杂的控制，用来改善控制品质。c、可以实现多回路控制，费用比模拟系统节省。（3）计算机监督控制系统。特点：SCC的优点是不仅可进行复杂控制规律的控制，而且工作可靠性高，当SCC出故障时，下级仍可继续执行控制任务。（4）分布式计算机控制系统。特点：a、分布式结构。b、具有较高的可靠性。c、设计，开发与维护，操作方便。1.6为什么说计算机集成制造系统是工业自动化的发展趋势？解答：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。第2章习题2.1试以图说明模拟信号、离散模拟信号和数字信号。解答：实际系统中的被控制量大都是一些时间上的连续信号，一般称之为模型信号或连续量。离散模拟信号是模拟信号采样离散后的结果。数字计算机只能接受处理二进制代码，这些二进制代码可以表示某一种物理量的大小或某个数值，称之为数字信号。下图是模拟信号经采样、量化和编码成变成数字信号的过程图。2题2.1解图模拟信号经采样、量化和编码过程图2.2简述采样定理。解答：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。2.3下列信号被理想采样开关采样，试写出采样开关输出信号的表达式。)sin()()3()()2()(1)()1(tetftetfttfatat解答：1)*0()1()()kftkTtkT2)*0()()()akTkftkTetkT3)*0()sin()()akTkftekTtkT2.4信号)4cos(2)2cos()(tttf被理想采样开关采样.1、为不失真地从采样信号f*(t)中恢复f(t)，试问采样周期应如何选择？2、如果采样周期为0.2s，试画出已采样信号的频谱图。解答：（1）为不失真地从采样信号f*(t)中恢复f(t)，采样频率应大于连续信号f(t)最高频率的两倍。信号中，fH=2Hz，由抽样定理，抽样间隔应为：Ts1/2fH=0.25s（2）F()=F1()+F2()，依题意，Ts取0.2s，则s=2π/Ts=10π（rad/s），抽样序列：2.5信号VAtAtf10),cos(9)(其中，如果f(t)被均匀量化为41个电平，试确定所需的二进制码组的位数n和采样周期T。解答：f(t)需要被量化为41个电平，即M=41表示41个电平需要的二进制码组位数32[log]16NM量化间隔。信号f(t)的最高电压为19V，最小电压为-1V，即信号f(t)的电压差22100.540AvVM2.6一个计算机控制系统的最小采样周期受到什么因素限制？解答：主要有以下几点：采样周期上限和下限，给定值变化频率，被控对象特性，执行机构类型，控制算法类型，控制回路数。采样频率对操作系统和实时控制软件的开销有较大影响，采样频率受到硬件处理速度的影响。此外采样频率高到一定程度，对改善控制系统的性能已经意义不大。2.7量化单位和量化误差的含义，它们与转换信号、转换器位数的关系？解答：（1）量化就是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将离散采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，即采样信号经整量化后成为数字信号的过程称为量化。如果用一个有n位的二进制数来逼近在Vmin～Vmax范围内变化的采样信号，得到的数字量在0～2n-1之间，其最低有效位(LSB，leastsignificantbit)所对应的模拟量q称为量化单位。量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值大小的小数归整过程，因而存在量化误差。如果采用的是四舍五入，量化误差的最大值为±q/2。（2）转换信号分为数模转换器，又称D/A转换和模/数转换两种。转换器位数是转换信号进度和分辨率的重要参数。2.8试由以下差分方程确定脉冲传递函数。)1()1()()1()1()2(5.05.05.0nrencencencTTT解答：对上式实行z变换，并设所有初始条件为0得)()1()()()1()(5.05.05.02zRzezCezzCezCzTTT根据定义有：TTTezezezzRzCzG5.05.02/5.0)1()1()()()(2.9试求题2.9图所示闭环离散系统的脉冲传递函数)(z或输出z变换)(zC。4题2.9图离散系统结构图解答：（a）将原系统(a)结构图等效变换为下左图所示，)()()(1)()()()()()()()()()(1)()()()()()(1)()()()(1)()()()()()()()()()()()()(1)()()(1)(1)()()(1)()()()()()(1)()()()()()()()(31211131213121321213322211212112121121121121111zGzGzGGzGzRzCzzRzGzCzGzGzGGzCzGzRzGzCzGGzCzGzRzGGzGGzCzCzGzRzCzGzBzBzRzEzEzGGzGzEzGGzGGzGzEzGGzGGzBzEzGGzBzGGzBzEzGGzBzBzEzGzG（b）由系统结构图5)(1)()()()()()()()()()()()()()()(43143421434214342zGGGzRGzGGGzGRGzCzCzRGzGGGzGRGzCzRGzEzGGGzEzGRGzChhhh（c）由系统结构图2212112221211222121121()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()1()()DhDhDhDhDhDhDhCzNGzRzDzGzGGzEzDzGzGGzEzRzCzNGzRzDzGzGGzDzGzGGzRzCzNGzRzDzGzGGzDzGzGGzRzCzDzGz1221212112()()()()()()1()()DDhDhGGzNGzDzDzGGGzRzDzGGGz2.10设有单位反馈的误差采样离散系统，连续部分传递函数Gsss()()152输入)(1)(ttr，采样周期s1T。试求：(1)输出z变换)(zC；(2)采样瞬时的输出响应)(*tc；(3)输出响应的终值)(c。解答：（1）1684.02966.261747.46259596.09933.3)61()4()()1(25)61()4()(1)()()()1(2561)4())(1(5)1()1(51)5(1)(2325255252552555522zzzzzzezeezzzezezGzGzezzzezeezzezzzssZzG643212342235.1842.04585.01597.0006736.00586.1899.2847.2)03838.01597.0(1)()()()(zzzzzzzzzzzzzzRzzC（2）)4(235.1)3(842.0)2(4585.0)(1597.0)(*TtTtTtTttc2.11试判断下列系统的稳定性(1)已知离散系统的特征方程为Dzzzz()()(.)()10520(2)已知闭环离散系统的特征方程为Dzzzzz()...43202036080(注：要求用朱利判据)(3)已知误差采样的单位反馈离散系统，采样周期T=1(s)，开环传递函数Gsss().()225712解答：利用w域内的劳斯判据，令11z，代人特征方程得：08.0)11(36.0)11()11(2.0)11()(234D024.212.18.848.036.3)(234D列劳斯表：w43.368.82.24w30.481.12w20.962.24w10w0所以系统不稳定。2.12设离散系统如题2.12图所示，采样周期T=1(s)，Gh(s)为零阶保持器，而GsKss()(.)021要求：(1)当K=5时，分别在w域和z域中分析系统的稳定性；(2)确定使系统稳定的K值范围。7题2.12图离散系统解答：（1）