计算机控制技术习题

第一章概述

2、控制的本质是什么？

[指导信息]:参见1.1.2 自动控制中的基本问题。

控制过程本质上是一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等。控制系统中的目标信息、被控对象的初始信息、被控对象和环境的反馈信息、指令信息、执行信息等，通常由电子或机械的信号来表示。

3、自动控制中有哪些基本问题？

[指导信息]:参见1.1.2 自动控制中的基本问题。

自动控制中的基本问题包括：自动控制系统的结构、过程、目标和品质等。

结构包括组成及其关系两个部分；控制过程主要为一系列的信息过程，如信息获取、信息传输、信息加工、信息施效等；目标规则体现了系统的功能；控制品质即为控制的质量，可通过系统的性能指标来评价。

6、一个典型的计算机控制系统由哪些部分组成？它们的关系如何？

[指导信息]:参见1.2.1 计算机控制系统的结构。

计算机系统分为硬件系统和软件系统，硬件系统包括计算机、输入输出接口、过程通道(输入通道和输出通道)、外部设备(交互设备和通信设备等)，软件系统包括系统软件和应用软件，其中计算机系统作为控制单元，见图1 6所示。

设计人员

管理人员

操作人员

其他系统

典型计算机控制系统的结构框图

7、计算机控制系统有哪些分类？试比较DDC、SCC、DCS和FCS的各自特点。

[指导信息]:参见1.2.2计算机控制系统的分类。

分类方法有：按系统结构的分类、按控制器与被控对象的关系分类、按计算机在控制系统中的地位和工作方式分类、按控制规律分类。

其中DDC(Direct Digital Control)、SCC(Supervisory Computer Control)、DCS(Distributed Control System) 和FCS(Field bus Control System)是按计算机在控制系统中的地位和工作方式来分类的。

DDC中的计算机直接承担现场的检测、运算、控制任务，相当于“一线员工”。

SCC系统中的SCC计算机主要完成监督控制，指挥下级DDC计算机完成现场的控制，相当于“车间主任”或“线长”。

DCS由多台分布在不同物理位置的计算机为基础，以“分散控制、集中操作、分级管理”为原则而构建的控制系统，DCS中的计算机充当各个部门的“管理人员”，如过程管理、生产管理、经营管理等职能。

FCS是建立在网络基础上的高级分布式控制系统。在FCS中，控制器、智能传感器和执行器、交互设备、通信设备都含有计算机，并通过现场总线相连接。这些计算机的功能不仅仅在于对一般信息处理，而是更强调计算机的信息交换功能。

8、试通过实例来说明不同控制规律的特征。

[指导信息]:参见1.2.2计算机控制系统的分类。

不同控制规律分类有恒值控制、随动控制、PID控制、顺序控制、程序控制、模糊控制、最优控制、自适应控制、自学习控制等。

恒值控制：控制目标是系统的输出根据输入的给定值保持不变，输入通常是在某一时间范围内恒定不变或变化不大的模拟量。如恒温炉的温度控制，供水系统的水压控制，传动机构的速度控制。

随动控制：控制目标是要求系统的输出跟踪输入而变化，而输入的值通常是随机变化的模拟量，往往不能预测。如自动导航系统、自动驾驶系统、阳光自动跟踪系统、雷达天线的控制等。

PID控制：根据给定值与输出值之间偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行的反馈控制，是工业上适用面较广、历史较长、目前仍得到广泛应用的控制规律。许多连续变化的物理量如温度、流量、压力、水位、速度等的控制，都可采用PID控制。许多恒值控制和某些随动控制也可采用PID规律来实现。

顺序控制：根据给定的动作序列、状态和时间要求而进行的控制。如交通信号灯的控制、电梯升降的控制、自动包装机、自动流水线的控制。

程序控制（数值控制、数字控制）：指根据预先给定的运动轨迹来控制部件行动。如线切割机的控制、电脑绣花机的控制。

模糊控制：基于模糊集合和模糊运算，采用语言规则表示法进行的控制。在许多家用电器（电饭煲、洗衣机等）、工业过程控制等领域得到了越来越多的应用。

最优控制（最佳控制）：使系统的某些指标达到最优，而这些指标往往不能直接测量，如时间、能耗等。

自适应控制：在工作条件改变的情况下，仍能使控制系统对被控对象的控制处于最佳状态。它需要随时检测系统的环境和工作状况，并可随时修正当前算法的一些参数，以适应环境和工作状况的改变。

自学习控制：能够根据运行结果积累经验，自行改变和完善控制的算法，使控制品质愈来愈好。它有一个积累经验和主动学习的过程，可以适时地调整算法的结构和参数，以不断地提高自身算法质量。

第二章计算机控制系统的理论基础

3、什么是连续系统的传递函数？什么是离散系统的脉冲传递函数？它们有什么实用意义？[指导信息]:参见2.1.5 用传递函数表示的系统模型，2.3.6 脉冲传递函数。

连续系统的传递函数定义为零初始条件下系统输出y(t)的拉氏变换与输入r(t)的拉氏变换之比，即：

离散系统的脉冲传递函数(也称Z传递函数)可定义为：

其中，Y(z)为系统输出序列y(k)的Z变换，R(z)为输入序列r(k)的Z变换。

传递函数或脉冲传递函数都反映了系统固有本质属性，它与系统本身的结构和特征参数

有关，而与输入量无关。利用传递函数的表达式就能分析出系统的特性，如稳定性、动态特性、静态特性等；利用传递函数可通过求解方程代数而不是求解微分方程，就可求出零初始条件下的系统响应。

特别指出，通过实验的方法，求出离散系统的脉冲传递函数更为方便有效。

5、画出状态空间模型框图，写出输出方程和状态方程表达式。

[指导信息]:参见2.1.7 状态空间概念和模型框图和2.3.7 离散系统的状态空间描述。

离散系统的状态空间描述与连续系统类似，其模型框图参见图2-14所示。A为状态矩阵、B为输入矩阵、C为输出矩阵、D为传输矩阵，延时单元z-1可以看成一组D型触发器或数据寄存器。

y

+

C

A

z-1

D

B

+

r

x

.x

状态记忆

系统状态转换

离散系统的状态空间描述方法

输出方程和状态方程表达式用矩阵表示为：

8、写出下列序列x1(k)、x2(k)对应的Z变换。

[指导信息]:参见2.3.3 序列和差分方程。

x1(k)=2+1z-1+3z-2+4z-4 x2(k)=1+2z-1+8*z-2/(1-z-1)

9、写出下列Z表达式所对应的序列表达式和序列图。

(1)；(2)

(3)；(4)

[指导信息]:参见2.3.3 序列和差分方程。

x1(k)、x2(k)、x3(k)、x4(k) 所对应的序列表达式和序列图如下：

x1 (k)＝5δ(k)+3δ(k-1) -δ(k-2) +3δ(k-3)

x2(k)＝3δ(k)+2δ(k-1)+4δ(k-2) +8δ(k-3)+9δ(k-4)+ 32δ(k-5)+64δ(k-6)+……