计算机控制技术与系统思考题与习题

《计算机控制技术与系统》课程
思考题与习题
第一章绪论
1.1简述计算机控制技术发展史。

1.2简述计算机控制系统的类型、结构和特点。

1.3计算机控制与常规控制主要不同点在哪里？
1.4典型计算机控制系统有哪几部分组成，画出方框图。

1.5什么叫做动态系统？
1.6对计算机控制系统的基本要求是什么？
1.7简述调节系统与跟踪系统（随动系统）的特点。

1.8典型计算机集成制造系统（CIMS）有哪四个功能系统和两个支持系统？第二章过程通道
2.1采样定理对于采样周期的选取有什么意义？
2.2写出采样过程的数学描述形式。

2.3影响采样周期选择的因素主要有哪些？
2.4多路采样装置的主要作用是什么，常用采样器包括哪些？
2.5过程通道的采样周期T是否越小越好，为什么？
2.6D/A转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。

2.7A/D转换的工作方式主要有哪几种，简述其原理。

2.8简述模入通道结构与各组成部分功能。

2.9简述过程通道的类型和基本功能。

2.10简述开关量通道的基本构成形式和主要作用。

2.11简述开关量通道的抗干扰措施有哪些。

2.12模出通道的类型主要有哪几种，各有什么特点？
2.13保持器在过程通道中的作用是什么，举例分析。

2.14某热工过程有16点温度信号，变化范围: 150--850 C, 采用微机监测。

求解问题：
1、 若经A/D 转换后的数字量每个脉冲对应的实际温度小于等于0.01οC , 则A/D
分辨率至少为多少才能保证该精度？
2、写出A/D 转换后的数字量与被测点实际温度间关系式。

3、该处理方式零点迁移量为多少？
第三章 理论基础
3.1求下图示离散系统脉冲传递函数G(z)
3.2已知采样系统如下图所示，求下图示离散系统脉冲传递函数G(z)和当闭环系统稳定时K
的取值范围。

3.3分析下图所示采样系统，当采样周期T=1，开环增益K=5时的稳定性。

3.4给定传递函数1
10+s K ，试以10倍的转角频率为近似的截止频率m ω，求满足采样定理的采样频率s ω和采样周期T 。

3.5证明离散系统脉冲响应的z 变换即为离散系统传递函数。

3.6设离散系统结构如下图所示，图中D(z)为数字PID 调节器，其差分方程为
)]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=k e k e k e K k e K k e k e K k u d i p
T
试求当r(t)为单位阶跃函数时系统的稳态误差。

3.7试分析下列差分方程所描述系统的稳定性
)()()1(k bx k ay k y =-+
3.8求下列x(t)信号的z 变换
⎩⎨⎧≥=<==-0
00)(t e t t x at 第四章 控制算法
4.1计算机控制系统的常规设计方法是如何考虑的？
4.2写出PID 控制规律的离散位置式和增量式表达式，求出z 传递函数D(z)。

4.3 PID 算法的理想型和实际型的主要差别在哪里，为什么要提出实际型算式？
4.4 简述PID 算法的主要变形型式和特点。

4.5设计PID 算法控制程序时需考虑哪些问题？
4.6简述Smith 预估控制算法的设计思想，其主要特点是什么？
4.7某主汽温系统采用Smith 预估补偿控制，设包括零阶保持器在内的广义对象
s
T e k s e e s G s
Ts s 1101.1)(+-=---ττ (m T =τ, 取整，T 为采样周期)， 阀门系数为2k ，控制器为PID 规律。

求解问题：
1、画出主汽温系统Smith 预估补偿控制原理框图(不考虑扰动和测量环节)。

2、导出控制系统计算机实现过程和控制器位置式算式。

2、 设计Smith 预估控制程序框图。

4.8试说明扩充响应曲线法与扩充临界比例带法适用于何种对象。

4.9分析比较PID 和PDFF 两种结构形式的特点，并且说明PDFF 结构形式的应用
价值。

4.10数字控制算法中引入非线性不灵敏环节的主要作用是什么，非线性环节实现
的形式主要有哪几种？非线性不灵敏区的设置原则是什么？
第五章 直接数字设计
5.1直接数字设计法的设计思想是什么？其设计控制系统的前提是什么？
5.2离散系统控制器的主要设计方法包括哪几种？最少拍和有限拍属于哪种类
型？
5.3设被控对象为一阶惯性加纯迟延，含零阶保持器的广义对象Z 传递函数为
G z K z z z l a a ()()=-----1111
σσ a aT e ()σ=- 根据达林算法期望的闭环响应传递函数为：
M z z z z
l ()()=-----1111σσ (/στ=-T e , τ为M z ()的时间常数) 证明由此设计的控制器D(z), 经消除振铃现象后为理想的PI 控制器。

5.4设被控对象传递函数为
02211252G s S
S ().(.)=+ 经采样(T=1)和零阶保持后，其对应的广义Z 传递函数为：
G z z z z z z ().(.)(.)
()(.)=++-------02651278102110286111121
试求：1、系统对于单位阶跃输入的最少拍无波纹稳定控制器D(z)；
2、控制量U(z)、系统输出Y(z)及在各采样点时刻上的值；
3、系统输出在几拍之后进入稳态。

5.5设跟踪系统如下图示，被控对象传递函数为
)11.0)(1(10)(++=
S S S s G p
ZOH 为零阶保持器，采样周期T=0.5S ，试设计单位阶跃输入时的有限拍控制器
Gc(z)。

5.6设跟踪系统如下图示，被控对象传递函数为
)1(1)(+=S S s G p
采样周期T=1S ，试设计单位阶跃输入时的有限拍控制器Gc(z)。

第六章 现代控制理论设计方法
6.1简述基于状态空间描述的离散系统控制器设计方法主要包括哪几种？
6.2简述基于状态空间描述的离散系统控制器极点配置设计法。

6.3简述基于状态空间描述的离散系统控制器最优设计法。

6.4简述分离性原理的设计思想。

6.5离散控制系统设计中为什么要引入状态观测器，简述状态观测器的类型和各自特点。

6.6基于极点配置法设计观测器的基本原则是什么？
6.7设离散系统状态方程为
⎩⎨⎧=+=+)
()()()()1(k Cx k y k Gu k Fx k x 用状态观测器实现系统状态重构，并以状态估计值构成预估状态线性反馈控
制：)()(^
k x L k u -=
其中状态观测器和反馈控制规律采用极点配置法设计。

求解问题：
（1）导出整个系统的特征方程，并分析系统性能与特征方程根之间的关系；
（2）给出系统按极点配置设计控制器的步骤；
（3）试求当输入0)(=k r ，平衡状态为零态，考虑零静差时，对应的PI 控制规律。

第七章 总线与接口技术
7.1简述的总线类型和特点，计算机应用系统为什么要采用总线。

7.2什么是接口技术，主要内容是什么？
7.3简述同步串行和异步串行通信的差异，各适用于什么场合？
7.4简述IEEE488和RS232C总线标准的作用。

7.5简述计算机总线的发展历程。

7.6简述国际ISO组织制定的计算机通网络信协议模型，画出模型图。

第八章可靠性与抗干扰措施
8.1什么是系统的可靠性，主要指标有哪些？
8.2提高计算机控制系统可靠性的主要方法有哪些？
8.3简述差错控制技术的主要内容和特点。

8.4简述容错技术的主要内容和特点。

8.5简述RAS技术的主要内容和特点。

8.6提高系统软件可靠性的技术措施有哪些？
8.7干扰的类型有哪些，主要传播途径包括哪些？
8.8模拟量通道的抗干扰措施有哪些，画图分析双层屏蔽技术的抗干扰原理。

8.9开关量通道的抗干扰措施主要有哪些？
8.10已知计算机控制系统可靠性单元结构如图（1）、（2）所示，试求图（1）、（2）
系统的平均无故障工作时间MTBF。

λλλ2λ2λλλ2λ2
（1）（2）
第九章实时监控软件设计
9.1简述实时监控软件的主要功能和特点。

9.2简述计算机操作系统的分类和特点，实时操作系统的主要内容包括哪些？
9.3什么是数据结构，其在应用软件设计中的主要作用是什么？
9.4实时控制软件的设计原则是什么，设计语言如何考虑？
9.5简述结构化设计法、模块化设计法和面向对象设计法的思想和主要内容。

9.6实时监控软件主要包括哪几个组成部分？
第十章现场总线技术
10.1简述现场总线的发展历史。

10.2现场总线的种类有哪些，主要研制公司的产品包括哪几种？
10.3现场总线控制系统（FCS）与常规DCS系统相比较的优势之处在哪里？
10.4画图简述现场总线控制系统的拓扑结构。

10.5简述现场总线技术的国际发展动态。

10.6我国发电厂现场总线控制系统（FCS）今后的发展和应用前景如何？10.7简述Profibus、FF、CAN现场总线的结构特点和主要内容。