计算机控制与仿真复习大纲答案整理

计算机控制与仿真总复习大纲
第一章
计算机控制系统的组成与分类。

组成：控制器，D/A转换，D/A转换，执行机构，被控对象。

分类：按功能分为：数据处理系统，直接数字控制系统，监督控制系统，分级计算机控制系统，集散控制系统
按控制规律分为：程序和顺序控制系，比例积分微分控制（PID控制），最少拍控制，复杂规律的控制，智能控制。

第二章
采样的定义，离散系统的定义；
采样：把时间上连续的信号变成时间上离散的采样信号或数字信号的过程。

离散系统：当系统各个物理量随时间变化的规律不能用连续函数描述时，而只在离散的瞬间给出数值，这种系统称为离散系统。

采样周期的定义，周期采样、同步周期采样、多速率采样、随机采样的定义；相邻两次闭合瞬间的时间间隔T成为采样周期。

如果在采样过程中，采样周期T保持不变，则称为周期采样。

若整个计算机控制系统有多个采样开关，这些开关的采样周期都为相等的常数，并且所有的开关都同时开闭，则称为同步周期采样。

若各采样开关以各自不同的采样周期进行采样，则称为多速率采样。

采样间隔大小随机变换的采样称为随机采样
香农定理的内容、意义及确定ωs≥2ωmax的依据；
内容：若f（t）是一个带宽为2ωmax的有限带宽信号，则由采样信号（t）能够无失真地恢复到原信号f（t）的条件为ωs≥2ωmax。

其中ωs=为采样
频率。

意义：给出了采样后的离散信号能保持原连续信号全部特征所需的最低采样频率；
依据：离散信号（采样信号）频谱的主频谱和辅频谱互相分离，不产生频谱混叠；
保持器的定义、作用，采样周期的选择原则及需考虑的因素。

保持器：将离散的采样信号恢复到原连续信号的装置。

保持器的作用：将模拟信号在t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束，减少转换误差。

Z变换及Z反变换，要求熟记公式1～5、10、18；
Z变换的方法有：级数求和法（直接定义法）、查表法
Z反变换的方法有：长除法（要变成Z-1的形式）、部分分式法（F(z)/z）+查表；
初值定理及终值定理的应用，用Z变换求解差分方程。

第三章
1、为建立计算机控制系统的数学模型，常用的方法有哪两种？其基本思想是什么？
建立计算机控制系统的数学模型是为了便于采用数学的方法有效分析问题。

两种方法：一种是将连续的被控对象离散画，得到它们所等效的离散系统模型，然后在离散系统的范畴内分析整个闭环系统。

另一种方法是将数字控制器等效为一个连续环节，然后采用连续系统的方法来分析与设计整个控制系统。

基本思想：等效法。

2、脉冲传递函数的定义及求取、广义对象的脉冲传函的求取
3、中间带采样开关与中间不带采样开关的串联系统的等效求法
4、闭环系统的脉冲传函的求取
5、系统零、极点在z平面上的分布情况对系统性能的影响
极点越靠近远点，单位脉冲响应序列收敛得越快。

极点的幅角越大，则振荡频率越高。

若极点位于单位圆内，系统稳定，否则系统不稳定。

6、采样系统稳定性的判断（ω变换、朱利判据）
7、系统的稳态误差与什么有关？如何计算？
第四章
1、数字控制器的两种设计方法是什么？其基本思想是什么？
模拟设计法：先将数字控制器看作模拟控制器，采用连续时间控制系统设计的方法进行设计，然后采用离散化的方法将设计好的模拟控制器离散化成计算机能够实现的数字控制器。

直接数字设计法：将被控对象加上保持器一起构成的广义对象离散化，得到离散时间模型，然后利用离散时间控制系统理论，直接设计数字控制器。

2、PID参数整定的方法有哪些？其中的试凑法对参数整定的依据及整定原则是什么？
参数整定方法：试凑法，PID参数的工程整定法（包括临界比例度法和节约曲线法）。

依据：（1）工程实践对控制系统的性能要求
（2）PID参数对控制系统性能的影响
原则：（1）先调比例，后调积分，再调微分
（2）Kp从小→大，Ti由大→小，Td由小→大
3、位置式PID算法和增量式PID算法各有何主要特点？（要求写出其表达式）
位置式：
随时间t的增加，累加的项次也依次增加，不利于计算机计算。

如果由于某种干扰因素导致u(k)为某一极限值时，被控对象的输出剧烈变化，可能导致严重事故。

增量式：
手动/自动切换时带来的冲击小，并且不需要对偏差进行累加，只需要根据前后三次测量的误差值就可以给出控制量的增量。

4、位置式PID算法存在的缺陷、减少的关键及克服的办法
缺陷：随时间t的增加，累加的项次也依次增加，不利于计算机计算。

如果由于某种干扰因素导致u(k)为某一极限值时，被控对象的输出剧烈变化，可能导致严重事故。

克服方法：u(k)-u(k-1),得到增量式，克服上述缺点。

5、计算机控制系统与传统的模拟控制系统相比，在结构上有何特点？在算法实现上有何优势？
特点：（1）以计算机（微处理器）为核心
（2）具有A/D和D/A转换通道
优势：（1）具有很大的通用性和灵活性
（2）易实现复杂的和先进的控制算法
6、最少拍控制系统的定义、最少拍无纹波系统D(z)的设计，U(z)、C(z)的求取并画出相应波形。

定义：最少拍控制系统是在最少的几个采样周期内达到在采样时刻输入输出无误差的系统。

7、最少拍控制系统存在有哪些缺陷？如何解决？
最少拍控制系统存在以下缺点：
在采样点之间存在纹波——无纹波系统设计
系统对输入信号适应性差——阻尼因子法
对参数变化过于灵敏——非最少的有限拍控制系统设计，同时还有利于减少控制量的幅值
控制作用易超过限定范围——限幅
8、振铃幅度RA的定义
用来衡量振铃强烈程度。

指的是
控制器在单位阶跃输入作用下，第0拍输出的幅值减去第1拍输出的幅值所得的差值。

第七章
1、过程通道的定义、作用和具体分类
在计算机控制系统中，能够实现被控对象与计算机之间信号传递和交换的装置称为过程通道。

作用：一是将外部传感器信号转换成计算机能接受的信号；二是将计算机输出的数字信号转换成外部执行机构能够接受的信号。

分类：模拟量输入通道，模拟量输出通道，数字量（开关量）输入通道，数字量（开关量）输出通道。

2、I/O通道的基本组成及主要作用
模拟量输入通道的组成：信号转换电路、多路转换开关、采样/保持器、A/D 转换器、接口及控制逻辑等
作用：模拟电信号→二进制数字信号——→计算机
数字量输入通道的组成：信号转换电路、光电隔离、接口及控制逻辑电路等
作用：状态量→数字量——→计算机
模拟量输出通道的组成：一般由接口电路、数/模转换器(简称D/A或DAC)、多路开关、采样保持器和电压/电流变换器等组成;
作用：将数字控制量转换为执行机构所需的模拟电压或电流
数字量输出通道的组成：输出锁存器、数字光电隔离器和功率驱动电路组成。

作用：将数字控制量经处理和放大后转换为开关型或脉冲型执行机构所需的数字量（开关量）
3、输入通道的采样保持器的作用与输出通道的采样保持器的作用有何不
同？
输入通道的采样保持器的作用：把t=kT时刻的采样值保持到A/D转换结束。

保持器在采样期间，不启动A/D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动A/D转换器，从而保证A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换精度。

输出通道的采样保持器的作用：在新的控制信号到来前使本次控制信号维持不变，有数字保持和模拟保持两种方案，分别对应于以下两种结构：
多D/A结构和共享D/A结构
4、分辨率的定义（对微小输入信号变化的敏感程度）、光电隔离的作用
光电隔离的作用：隔断外界电信号对计算机控制系统的干扰。

5、何谓PWM调速？改变占空比的方法有哪些？
所谓PMW调速就是在频率不变的情况下，通过改变输出脉冲的宽度（脉冲的占空比）来实现输出信号的平均值（直流成分）发生改变，以达到控制外部对象的目的。

改变占空比的方法：定宽调频法、调频调宽法、定频调宽法。

8.矩阵式键盘的按键识别方法有哪两种？
行扫描法和线反转法。

9.键盘扫描子程序主要完成哪些基本功能？
判断键盘上有无键按下、消除按键的抖动和确认按键的位置。

10.LED的显示方式有哪两种？
静态显示扫描和动态显示扫描
第八章
1、滤波的定义、数字滤波的定义及本质
所谓滤波，就是从所测量的信号中除去不需要的信号。

数字滤波是利用计算机程序对采集信号进行分析处理，以达到消除低频干扰的目的，其本质是一种程序滤波。

2、常用的数字滤波方法有哪些？其中的平均值滤波有哪些？
程序判断滤波，中值滤波，算术平均滤波，防脉冲干扰平均滤波，RC低通滤波，加权平均滤波，移动平均滤波。

平均滤波包括：算术平均滤波，防脉冲干扰平均滤波，加权平均滤波，移动平均滤波。

3、标度变换的任务是什么？
是把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。

4、线性标度变换的前提条件是什么？
前提条件：传感器的输出信号与被测参数之间呈线性关系
5、有关线性标度变换的计算
6、数字调零的定义：用软件程序进行零点调整的方法称为数字调零。

7、回差带
设计报警程序时，为避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警，一般应在极限值附近设置一个回差带。