计算机控制原理复习资料

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一、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过大会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡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，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)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。

微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。

二、大林算法的设计目标？振铃现象是什么？振铃幅度定义？消除振铃现象？答：（1）大林算法的设计目标是使闭环传递函数Φ(s)相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节的串联，其中纯滞后环节的滞后时间τ与被控对象的纯滞后时间完全相同。

这样就能保证使系统不产生超调，同时保证其稳定性。

（2）所谓振铃现象，是指数字控制器的输出以二分之一采样频率大幅度衰减的振荡。

（3）振铃幅度RA用来衡量振铃强烈的程度。

为描述振铃强烈的程度，应找出数字控制器输出量的最大值umax。

由于这一最大值与系统参数的关系难于用解析的式子描述出来，所以常用单位阶跃作用下数字控制器第0次输出量与第1次输出量的差值来衡量振铃现象强烈的程度。

（4）有两种方法可用来消除振铃现象。

第一种方法是先找出D(z)中引起振铃现象的因子(z=-1附近的极点)，然后令其中的z=1，根据终值定理，这样处理不
影响输出量的稳态值。

第二种方法是从保证闭环系统的特性出发，选择合适的采样周期T及系统闭环时间常数Tc，使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现象。

三、何为积分饱和现象？如何消除积分饱和现象？
答：（1）在标准PID位置算法中，控制系统在启动、停止或大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大的偏差，这种偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，会使控制量u(k)很大，甚至超过执行机构的极限umax。

当负误差的绝对值较大时，也会出现u<umin的另一种极端情况。

当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。

这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。

（2）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。

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四、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。

(2)确定数字控制器的脉冲传递函数D(z)。

(3)根据D(z)编制控制算法程序。

五、直接设计法的优点
答：优点（1）采样周期的选取只取决于被控对象本身，而与所采用的设计方法无关。

不存在采样周期必须足够小的限制。

（2）可以考虑采样点之间的性能。

可以保证系统的时域控制指标，采样周期的选取也较为灵活。

（3）直接设计法是根据给定的性能指标直接得到z域的数字控制器，控制规律及其算法可以针对不同对象的具体特性来确定。

可以得到比相应连续系统更好的性能。

六、开关量、模拟量输入及输出通道的作用
答：开入：在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设
定信息，经常需要进行开关量信号的输入。

开出：在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0≤t≤T)，这些控制可通过计算机开关量输出通道来实现。

模入：把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O接口送入计算机。

模出：把计算机输出的数字量转换成模拟量。

七、什么是采样定理？简述采样周期选取的一般原则
答：（1）如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为ωmax,则对f(t)进行周期采样且采样角频率ωs>=2ωmax时，连续信号f(t)可以由采样信号f﹡(t)唯一确定，亦即f﹡(t)可以无失真地恢复f(t)。

（2）采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特征信息。

从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，还会使干扰对系统的影响明显上升。

因此应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。

八、为什么说增量型PID控制器调节比位置型PID调节效果更好? 二者的区别答：(1)计算机只输出控制增量，即执行机构位置的变化部分，因而误动作影响小；(2)在i时刻的输出ui，只需用到此时刻的偏差，以及前一时刻，前两时刻的偏差ei-1，ei-2和前一次的输出值ui-1，这大大节约了内存和计算时间；(3)在进行手动-自动切换时，控制量冲击小，能够较平滑地过渡
九、为何采用不完全微分PID算法
答：（1）微分作用容易引起高频干扰（2）只在第一个采样周期起作用，不能按照偏差变化趁热在整个过程中起作用（3）作用第一个周期内太强，短时间容易产生较大缺陷控制量，易形成微分饱和。

十、采样/保持器的作用，为什么加入？
答：（1）在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。

采样保持器平时处于“采样”状态，跟踪输入信号变化；进行A/D转换之前使其处于“保持”状态，则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值；转换结
束后，又使其变为“采样”状态。

（2）在多通道复用一个D/A 转换器的模拟输出方式中，为了从一个D/A转换器输出不同通道的不同模拟电压，也需要采用采样/保持器
十一、实时、在线、离线的含义
答：(1)指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的(2)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叫在线方式(3)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叫离线方式。

十二、什么是直接数字控制系统(DDC系统)
答：是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求目的：消除偏差
十三、如何利用试凑法调整PID算法的参数？
答：(1)先整定比例部分：将比例系数KP由小调大，观察相应的系统响应趋势，直到得到反映快超调小的响应曲线。

如果系统没有静差或静差已小到允许范围之内，同时响应曲线已令人满意，那只须用比例调节器，最优比例系数也由此确定。

(2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则须加入积分环节。

整定时一般先置一个较大的积分时间系数TI,同时将第一步整定得到的比例系数KP缩小一些，减小积分时间系数使在保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的静差得到消除。

可以根据响应曲线的变化趋势反复地改变比例系数KP和积分时间系数TI,实现满意的控制过程和整定参数。

(3)如果有比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不尽满意，则加入微分环节构成PID控制器。

在整定时，先置微分时间系数TD为零，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数TD，相应地改变比例系数KP和积分时间系数TI，逐步试凑，获得满意的调节效果和控制参数。

填空、判断
一、标准PID控制算法存在什么问题?主要针对哪几项进行改进?
标准PID算法存在积分饱和、比例饱和及微分饱和。

应针对积分项和微分项进行改进。

二、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？
线性离散控制系统稳定的充要条件：闭环系统特征方程的所有根的模｜zi｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。

三、线性定常离散系统的稳态误差是否只与系统本身的结构和参数有关？
线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。

离散系统的稳态误差与采样周期的选取也有关。

四、简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。

答：开关量光电耦合输入电路，它们除实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。

工作原理：是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。

五、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。

六、线性离散系统的脉冲传递函数的定义是什么？
答：线性离散系统的脉冲传递函数定义为零初始条件下，系统或环节的输出采样函数z变换和输入采样函数z变换之比。

七、何为最少拍设计？缺点
答：（1）是指系统在典型输入信号(如阶跃信号，速度信号，加速度信号等)作用下，经过最少拍(有限拍)，使系统输出的稳态误差为零。

（2）缺点1适应性差2参数变化过于敏感3容易超出线性范围4采样点之间有有纹波
八、什么是信号重构？
答：把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆过程。

九、零阶保持器实现了信号重构其作用：（1）低通滤波（2）将A/D离线模拟信号转化为连续信号。

零阶保持器的引入，不影响极点，但影响零点。

十、计算机控制系统的组成和功能
答：开关输入通道电器接口的功能：电气隔离，电平转换。

开关输出通道电器接口的功能：电平转换，隔离，功率发大及滤波十一、计算机控制系统的类型
答：（1）操作指导控制系统（2）直接数字（3）监督计算机（4）分级计算机（1）是开环闭环控制，不是在线控制，对数据进行采集处理（2）是闭环控制，是在线控制，直接连接与生产过程（3）不直接面对生产过程，两极控制
十二、计算机控制基本设计方法
答：（1）前向差分法（2）后向差分法（3）双线性变换法或（1）直接设计法（离散化设计法）（2）间接设计法（模拟化设计法）十三、计算机控制系统设计的原则
答：1安全可靠2操作简单，易维护3实施性强4通用性强5经济效应高
十四、Z变换设计法
答：（1）脉冲响应不变法（2）阶跃响应不变法（3）零极点匹配映射法
十五、克服积分饱和用积分分离法，关键是不能使积分积累过大。

而比例和微分饱和用积累补偿法
十六、PID控制器参数整定方法：（1）理论法（2）试凑法（3）简易工程法
十七、采样周期对系统的稳定性影响：T越大稳定性越差，离散稳定性不如连续十八、大林算法的适用范围：具有纯滞后环节的一阶惯性和二阶惯性环节。

十九、不完全微分算法=完全微分算法+一阶惯性环节
二十、为什么加入采样保持器：当采样频率高而A/D转换速度慢时，加入以提高A/D转换精度（不是一定要加）
</umin的另一种极端情况。

当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想，从而影响控制效果。

这类现象在给定值突变时容易发生，而且在起动时特别明显，故也称“起动效应”。

（2）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。

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