最新计算机控制技术A卷(参考答案)

一、填空（每空1分，共20分）
1、实时是指信号的（输入 ）（1分）、（ 计算）（1分）和输出都要在一定时间范围那完成。

在线是指计算机和生产过程相连并受计算机控制。

一个在线的系统（ 不一定是）（1分）一个实时系统，但是一个实时系统（必定是）（1分）在线系统。

2、A/D 转换器的主要技术指标有（转换时间 ）（1分）、（分辨率）（1分）、线性误差、量程及对基准电源的要求等。

3、数字量输出接口元件74LS273的作用是（ 对状态输出信号进行锁存 ）（1分）。

4、在计算机控制系统中，当串模干扰信号的频率比被测信号频率高时，则采用（ 低通滤波器）（1分）来抑制高频率串模干扰。

5、计算机控制系统中，一般有五种地线，分别是（模拟地）（1分）、（ 数字地 ）（1分）、（ 系统地 ）（1分）、（ 安全地 ）（1分）和交流地。

对它们采用的接地方法是（ 回流法单点接地 ）（1分）。

6、逐点比较法是以（ 阶梯折线 ）（1分）来逼近直线和圆弧，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差是一个脉冲当量。

7、在ADC0809中，A 、B 、C 三引脚的组合式用来（ 选择输入通道 ）（1分）。

8、在PID 控制中，微分的作用是（ 改善系统的动态性能 ）（1分）。

9、无纹波系统的调整时间要增加若干拍，增加的拍数等于（ )(z G ）（1分）在单位圆内的零点数。

10、在右图中R1=100Ω, R2=250Ω,当输入电流I
为4～20mA 电流时，输出电压V （1－5V ）（1分），电容C 的作用是（ 滤波 ）（1分），二极管D 的作用是（ 限幅 ）（1分）
二、问答题（共25分）
1、 给出典型计算机控制系统原理图并详细阐述计算机控制系统的工作步骤（6）
原理图…………………………………………… (3分)
实时数据采集：实时检测和输入来自被控量的瞬时值。

………….(1分)
实时控制决策：对采集的被控量进行实时分析和处理，并根据规定的控制规律决策将要采取的控制量。

…………………………………………………….(1分)
实时控制输出：根据作出的控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，在线实时完成控制任务。

…………………………………………………………(1分)
2、 在实际工程应用中，PID 控制器很容易产生积分饱和，阐述产生积分饱和的原因并给出实
际应用中抗积分饱和的方法（6）。

答：当系统长时间出现偏差或者偏差较大时，控制器计算出的控制量超出D/A 转换器所能表示的范围，)如果此时执行机构已经到达极限位置，但是偏差仍然存在，由于积分的作用， PID 控制器计算结果继续增大或减小，但执行结构已无相应动作，这就导致积分饱和。

…………………………………………………………….(4分)
实际中，消除积分饱和的常见方法时对控制器输出进行限幅，同时把积分作用切除…(1分)。

FFH
k u FFH k u H k u H k u ＝时，取当＝时，取当)()(,00)(00)
(><…………………..(1分)
3、 工业控制过程中常采用的数字滤波主要有哪些？并简单叙述它们的思想（6）。

常见数字滤波方法有以下几种：
(1)程序判断滤波：根据现场经验或生产工艺分析确定两次采样输入信号之间 可能出现的最大偏差，若实际采样偏差大于该最大偏差，则表明信号受到严重干扰，应去掉，反之，该此采样信号有效。

分为限幅滤波和限速滤波。

…(1分)
(2)算术平均滤波：取N 次采样值的算术平均值作为本次采样值。

即
∑==
N
i i
n X
N
Y 1
1……………………………………………………………………(2分)
(3)加权平均滤波：算术平均滤波中N 次采样值在结果中所占的比重是均等的，即加权因子为1/N 。

加权平均滤波是采用对不同时刻的采样值赋予不同的加权因子…….(1分)
(4)中值滤波: 对某一被测参数连续采样N 次(N 取奇数，N 不易太大，一般取3、5即可)，然后把N 次采样值按从小到大排序，再取中间值作为本次采样值。

…(1分)
(5)惯性滤波（一阶滞后滤波）: 将模拟一阶滤波器的传递函数离散化即可得惯性滤波的算法………….………………. (1分)
4、已知采样保持器的电路原理如图所示（7）。

（1）分析其工作原理；
（2）回答问题：是否所有模拟量输入通 道中都需要采样保持器，若是，阐明理由；
若不是，哪种情况下模拟量输入通道中可以不要采样保持器。

∑∑-=-=-=≤≤=1
10
1
,10,n i i i n i i n i n a a X a Y 且其中
答：
（1）工作原理：采样时，K 闭合，V IN 通过A 1对C H 快速充电，V OUT 跟随V IN ……(1.5分)；保持期间，K 断开，因A 2的输入阻抗高，V OUT ＝V C 保持不变……(1.5分)。

采样器一旦进入保持，马上启动A/D 转换器，确保转换期间输入恒定。

…………(1分)
（2）不是所有的模拟量输入通道都需要采样控制器 (1分)，当被测信号变化缓慢且A/D 转换时间足够短时，可以不加采样器。

……………(2分)
三、计算题（共30分）
1.
求拉氏函数)
5(5
)(2
+=
s s s F 的Z 变换)(z F （7） 解：5)(2
112
11+++=
s c s c s c s F ………………..(2分) 51
]55[lim ])([lim ,155lim
)(lim 0201202
11-='+='==+==→→→→s s F s c s s F s c s s s s ….(1分)
5
1
5lim
)()5(lim 255
2==+=-→-→s s F s c s s …….(0.5分)
所以：51
51511)(2+⋅+-=s s s
s F 因为T e
z z
s Z z z s Z 5]51[,1]1[--=+-=，22)1(]1[-=z Tz s Z ….. (3分) 所以)
(5)1(5)1()(52T e z z
z z z Tz z F --+---=
……..….(0.5分)
2. 求)
2()1(61511)(223--+-=
z z z
z z z F 的Z 反变换
)(k f （8）
解：)
2(1)1()2()1(6
1511)()(21221122-+-+-=--+-==z c z c z c z z z z z z F z G …………. .(2
分)
2)2()1(6
1511)1()()1(1
222
12
11-=--+--=-===z z z z z z z z G z c ……………….. .(1分) 9])2(61511[)]()1([)!12(11
21212-=-+-=--===z z z z z dz d z G z dz d c ……….. …(1
分)
20)2()1(6
1511)2()()2(2
2
22
2=--+--=-===z z z z z z z z G z c ，……………….. (1分) 则)2(20
19)
1(2)2()1(61511)()(222-+----=--+-==z z z z z z z z z F z G 故)
2(2019)1(2)(2-+----
=z z
z z z z z F ，
因为 k
z z Z z z Z k z z Z 2]2[,1]1[,])1([
112
1
=-=-=---- …………(3分)
故k
k k f z F Z 22092)()]([1⋅+--==-
3． 热处理炉温度变化范围为0～1200ºC ，经温度变送器变换为1～5V 电压送至ADC0809，ADC0809的输入范围为0～5V 。

当t ＝kT 时，ADC0809的转换结果为5FH ，问此时的炉内温度为多少度？并写出标度转换公式（7）
解：1200,00==m A A ，…………(1分)
255,515
1
2550==⨯
=m N N …………(2分) )(95)(5D H F N x ==…………………. (1分)
…………………(2分)
…………………. (1分)
8.25851
25551
95)01200(0)(0
00=---+=---+=N N N N A A A A m x
m x
4、某系统的连续控制器设计为s
T s
T s E s U s D 2111)()()(++==
，试用双线性变换法求数字控制D (z )，
并给出位置型递推控制算法。

（8）
解：1
12)()()
()(+-===
z z T s s D z E z U z D …………………………. (2分) 1
12111212
1
+-++-+=
z z T T z z T T …………………………………….. (1分) 1
221
11)2()2()2()2(---++-++=z T T T T z T T T T ……………………………. (1分)
化简得：)(22)(22)(21122z E T T T T z U z T T T T z U ++++--
=-)(221
2
1z E z T T T T -+-+……….. (2分) 故：)(22)1(22)(2122k e T T T T k u T T T T k u +++-+--
=)1(222
1
-+-+k e T T T T ………………… (2分)
四、综合设计题（共25分）
1、 采用8255的PA 端口作为三相步进的控制接口，并用直流SSR 驱动三相步进电机，用电阻和
电感表示步进电机每相绕组。

（13分） 要求：（1）画出接口电路原理图；
（2）列出步进电机在三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出控制字表。

（3）假设该步进电机转子的齿数为40，求出该步进电机工作在三相六拍方式下的步距
角。

解：(1)接口原理图……………………………………..(5分)
三相六拍工作方式下的控制字表如下：…………………..(3分)
（3）︒︒
︒===340
*6360360NZ θ…………………….(2分) 2、已知某一计算机控制系统中的广义被控对象不含纯滞后环节，且其Z 传递函数为
)
368.01)(1()718.01(68.3)(1
111------+=z z z z z G ，采样周期T ＝1s ，要求针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波控制器D (z )。

（12分）
解：由G (z )的表达式可知，d =0，q =2，v =1，w =1，j =1，且j <q ，………………(1分) 要满足无纹波设计的必要条件，故有
m =w +d =1
n =v －j +q =2…………………………………………………………………(1.5分)
对单位速度输入信号，选择
∏-=----=Φj
v i q i e z F z z a z 1111)()1)](1([)()1()1(11121--+-=z f z ………………………. (2分)
和 ∏=---=Φw
i i d z F z b z z 1
21)()]1([)())(718.01(2221211---++=z f z f z …………………………………………….(2分)
而 )(1)(z z e Φ-=Φ………………………………………………………………….(1分) 所以，有))(718.01(1)1()1(222121111121-----++-=+-z f z f z z f z 展开得：21112f f -=- )718.0(21212211f f f +-=- 2211718.0f f -=
解得： 592.011=f 408.121=f 825.022-=f …………………………………………………………… .(1.5分) 从而得：)592.01()1()(121----=Φz z z e
)825.0408.1)(718.01()(211----+=Φz z z z
)
(1)
()(1)(z z z G z D Φ-Φ=
…………………………………………………….(2分)
)
1z 592.01(2)1z 1()2z 825.01z 408.1)(1z 718.01()1z 718.01(1z 679.3)1z 368.01)(1z 1(-+------+⨯
-+-----= )1z 592.01)(1z 1()
1z 825.0408.1)(1z 368.01(272.0-+------=
………………………………………..(1分)。