计算机控制系统的模拟化设计方法

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控制算法

控制算法

1、自动控制技术及其应用
所谓自动控制,是指没有人直接参与的情况下,利 用外加的设备或装置(称控制装置或控制器),使机器、 设备或生产过程(统称被控量)的某个工作状态或参数 (即被控量)自动地按照预定的规律运行。 如:
飞机导航
2、反馈控制原理
反馈控制是这样的一种控制过程,它能构在存 在扰动的情况下,力图减小系统的输出量与参考输 入量(也称参据量)之间的偏差,而其工作正是基 于这一偏差基础之上的,这就是反馈控制的原理。 如人取桌上书的过程(见下图):
改写为:
u(k ) K p K I K D ek K p 2K D ek 1 K Dek 2
令三个动态参数为中间变量:



A K p K I K D B K p 2K D
则有: u(k )
C KD
Aek Bek 1 Cek 2
K
P
[ E (k ) E (k 1)] K I E (k )
(6-7)
K D [ E (k ) 2 E (k 1) E (k 2)]
式中 KP 、KD同式(6-6)。
式(7-7)差系数控制算法)
将增量型PID控制算法:
u(k ) K p (ek ek 1 ) K I ek K D (ek 2ek 1 ek 2 )
3. 比例微分调节器
微分调节器的微分方程 为:
de (t ) y TD dt
微分作用响应曲线如图所示。
PD调节器的阶跃响应曲线如图所示。
4. 比例积分微分调节器
为了进一步改善调节品质,往往把比例、积 分、微分三种作用组合起来,形成PID调节器。 理想的PID微分方程为:

计算机控制系统的控制算法

计算机控制系统的控制算法
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
1 T ( 0.15 ~ 0.5 ) ωc
第3章 计算机控制系统的控制算法
(3)将D(S)离散化为D(Z)
数字控制器D(Z)的一般形式为下式,其中n≥m,各系数ai,bi为实 数,且有n个极点和m
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第3章 计算机控制系统的控制算法
2.模拟化设计具体步骤
(1)假想的连续控制器D(S) 设计的第一步就是找一种近似的结构,来设计一种假想的连 续控制器D(S),这时候我们的结构图可以简化为:
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第3章 计算机控制系统的控制算法
一、数字控制器的概念
1.什么是控制器?
按照给定的系统性能指标和系统的原始数学模型,依据闭环
控制结构,设计出的使原有系统满足控制要求的功能模块。
设定值 +
矩形面积为Te(k),后向差分累加的是矩形面积Te(k-1)。
河南机电高等专科学校
Henan Mechanical and Electrical Engineering College
第3章 计算机控制系统的控制算法
2.双线性变换法
离散化公式:
D( Z ) D( s )
s
2 z 1 T z 1
第3章 计算机控制系统的控制算法
常用方法:差分变换法、Z变换法、零极点匹配法、双线性变换法 1.差分变换法: 主要用于对模拟控制器的离散化 (1)基本的差分方法:——前向差分和后向差分

计算机控制系统经典设计方法——模拟控制器的离散化方法

计算机控制系统经典设计方法——模拟控制器的离散化方法

模拟控制器的离散化方法(续三)
例7.6 已知模拟控制器D(s)=a/(s+a),用保持Z变换法求 数字控制器D(z)。
【答案】
z-1 1 e aT) ( D( z ) aT 1 1 e z
u (k ) ?
D(s)稳定,D(z)稳定;
保持Z变换法特点
D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
模拟控制器的离散化方法(续五)
一阶后向差分:
D( z ) D( s )
1 z 1 s T
U ( s) 1 D( s ) E ( s) s
u (kT ) u[(k 1)T ] Te(k )
一阶向后差分的s与z替换关系是 z变量与s变量关系的一种近似
图7-22 后向差分矩形积分法
模拟控制器的离散化方法(续八)
D(s)稳定,D(z)不一定稳定;若D(s)有离虚 轴较远的点,只有缩小采样周期T才有可能 稳定; D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
前向差分变换法特点
图7-25 前向差分法的映射关系
模拟控制器的离散化方法(续九)
例7.7 已知模拟控制器D(s)=a/(s+a),用后向差分求数字控制器D(z)。
z e sT
K z ( z e z1T )(z e z2T )( z e zmT ) D( z )= ( z 1) nm ( z e p1T )(z e p2T )( z e pnT )
模拟控制器的离散化方法(续十三)
例7.9 已知模拟控制器D(s)=a/(s+a),用双线性变化法求数字控制器D(z)。 【答案】
【答案】
aT D( z ) 1 1 aT z

计算机控制技术课程设计--具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计

计算机控制技术课程设计--具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计

《计算机控制技术》课程设计具有纯滞后一阶惯性系统的计算机控制系统设计班级:姓名:学号:指导老师:日期:目录一、设计任务 (1)1.1 题目 (1)1.2内容与要求 (1)二、设计思想与方案 (2)2.1控制策略的选择 (2)2.2 硬件设计思路与方案 (2)2.3 软件设计思路与方案 (3)三、硬件电路设计 (3)3.1温度传感器输出端与ADC的连接 (3)3.2 ADC与单片机8051的连接 (4)3.3 单片机8051与DAC的连接 (4)3.4 整机电路 (5)四、系统框图 (7)五、程序流程图 (8)5.1 主程序流程图 (8)5.2 子程序流程图 (9)六、数字调节器的求解 (11)6.1 基本参数的计算 (11)七、系统的仿真与分析 (13)7.1 θ=0时系统的仿真与分析 (13)7.2 θ=0时系统的可靠性与抗干扰性分析 (14)7.2 θ=0.4461时系统的仿真与分析 (16)7.3 θ=0.4461时系统的可靠性与抗干扰性分析 (17)八、设计总结与心得体会 (20)参考资料 (21)一、 设计任务一、题目设计1. 针对一个具有纯滞后的一阶惯性环节()1sKe G s Ts τ-=+的温度控制系统和给定的系统性能指标:✧ 工程要求相角裕度为30°~60°,幅值裕度>6dB✧ 要求测量范围-50℃~200℃,测量精度0.5%,分辨率0.2℃2. 书面设计一个计算机控制系统的硬件布线连接图,并转化为系统结构图 具体要求:✧ 温度传感器、执行机构的选型✧ 微型计算机的选型(MCS51、A VR 等等)✧ 温度传感器和单片机的接口电路✧ 其它扩展接口电路(主要是输入输出通道)✧ 利用Protel 绘制原理图,制作PCB 电路板(给出PCB 图)3. 软件部分:✧ 选择一种控制算法(最少拍无波纹或Dalin 算法)设计出控制器(被控对象由第4步中的参数确定),给出控制量的迭代算法,并借助软件工程知识编写程序流程图✧ 写出主要的单片机程序4. 用MATLAB 和SIMULINK 进行仿真分析和验证对象确定:K=10*log(C*C-sqrt(C)),rand(‘state ’,C), T=rand(1)考虑θ=0或T/2两种情况,即有延时和延时半个采样周期的情况。

控制系统设计与实践智慧树知到答案章节测试2023年广东工业大学

控制系统设计与实践智慧树知到答案章节测试2023年广东工业大学

第一章测试1.计算机和电动仪表混合的过程监督控制(Supervisory Process Control, SPC)有时也直观地称为设定值控制(Set point control, SPC)。

()A:对B:错答案:A2.计算机控制系统,就是将人作为核心环节,来实现生产过程自动控制的系统。

()A:错B:对答案:A3.数字信号的特征是时间上离散,幅值上也离散。

()A:错B:对答案:B4.计算机控制系统存在两种设计方法,即模拟化设计方法和离散化设计方法。

()A:错B:对答案:B5.计算机控制系统的基本工作原理可归纳为如下三个步骤:实时数据采集、实时控制决策和实时控制输出。

()A:错B:对答案:B6.各厂商的现场总线控制系统有各自的标准,不能互联。

()A:错B:对答案:A第二章测试1.Z变换的实质是采样信号的拉氏变换。

()A:错B:对答案:B2.描述离散控制系统的数学模型有微分方程和脉冲传递函数。

()A:错B:对答案:A3.一般情况下,G1G2(z)=G1(z)·G2(z) 。

()A:错B:对答案:A4.记号Z[F(s)]的含义是对F(s)对应的时域函数f(t)进行采样之后的采样函数f*(t)进行Z变换的结果。

()A:错B:对答案:B5.在Z变换中,z^(-1)可以视为一步超前因子。

()A:对B:错答案:B6.Z变换只对采样点有意义,采样函数与Z变换是一一对应的。

()A:错B:对答案:B第三章测试1.离散控制系统稳定的充分必要条件是闭环脉冲传递函数的全部极点位于Z平面以原点为圆心的单位圆内。

()A:错B:对答案:B2.计算机控制系统的稳定性与采样周期无关。

()A:错B:对答案:A3.一般而言,采样周期越小,计算机控制系统的稳定程度越高。

()A:错B:对答案:B4.可以利用W变换和劳斯判据相结合来判断离散控制系统的稳定性。

()A:对B:错答案:A5.朱利判据是用于判断连续系统稳定性的方法。

()A:错B:对答案:A6.若离散系统闭环脉冲传递函数的极点为-2和-1,那么该系统稳定。

计算机控制系统复习题答案

计算机控制系统复习题答案

《计算机控制系统》课程复习题答案一、知识点:计算机控制系统的基本概念。

具体为了解计算机控制系统与生产自动化的关系;掌握计算机控制系统的组成和计算机控制系统的主要特性;理解计算机控制系统的分类和发展趋势。

回答题:1.画出典型计算机控制系统的基本框图;答:典型计算机控制系统的基本框图如下:2.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。

3.简述计算机控制系统的组成;答:计算机控制系统由计算机系统和被控对象组成,计算机系统又由硬件和软件组成。

4.简述计算机控制系统的特点;答:计算机控制系统与连续控制系统相比,具有以下特点:⑴计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

⑵计算机控制系统修改控制规律,只需修改程序,一般不对硬件电路进行改动,因此具有很大的灵活性和适应性。

⑶能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

⑷计算机控制系统并不是连续控制的,而是离散控制的。

⑸一个数字控制器经常可以采用分时控制的方式,同时控制多个回路。

⑹采用计算机控制,便于实现控制与管理一体化。

5.简述计算机控制系统的类型。

答:(1)操作指导控制系统;(2)直接数字控制系统;(3)监督计算机控制系统(4)分级计算机控制系统二、知识点:计算机控制系统的硬件基础。

具体为了解计算机控制系统的过程通道与接口;掌握采样和保持电路的原理和典型芯片的应用,掌握输入/输出接口电路:并行接口、串行接口、A/D和D/A的使用方法,能根据控制系统的要求选择控制用计算机系统。

回答题:1.给出多通道复用一个A/D转换器的原理示意图。

2.给出多通道复用一个D/A转换器的原理示意图。

3.例举三种以上典型的三端输出电压固定式集成稳压器。

答:W78系列,如W7805、7812、7824等;W79系列,如W7805、7812、7824等4.使用光电隔离器件时,如何做到器件两侧的电气被彻底隔离?答:光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。

计算机控制技术课程设计报告基于PID算法的模拟温度闭环控制系统课程设计报告

计算机控制技术课程设计报告基于PID算法的模拟温度闭环控制系统课程设计报告

一、控制对象:1.2.1 被控对象本次设计为软件仿真,通过PID算法控制系统在单位阶跃信号u(t)的激励下产生的零状态响应。

传递函数表达式为:1.2.2 设计规定规定系统可以快速响应,并且可以迅速达成盼望的输出值。

本次设计选用PID控制算法,PID控制器由比例控制单元P、积分控制单元I和微分控制单元D组成。

其输入与输出的关系为式中,为比例系数;为积分时间常数;为微分时间常数。

二、控制规定分析:设定目的温度,使温度呈单位阶跃形式在目的温度处趋于震荡稳定。

使系统可以在任意设定的目的温度下,从现有温度达成目的温度,并趋于稳定状态。

三、可行性分析:参考国内外的技术资料,可以通过计算机仿真技术实现该模拟温度闭环控制系统;运用C语言实现基于PID算法的模拟温度闭环控制系统。

四、总体设计:4.1控制系统组成控制系统框图如图1所示。

图1 控制系统框图4.2工作原理:在图1 所示系统中,D(z)为该系统的被控对象,零状态下,输入为单位阶跃信号R 的输出反馈给输入。

在参数给定值R的情况下,给定值R 与反馈值比较得到偏差,通过PID 调节器运算产生相应的控制量,PID 调节器的输出作为被控对象的输入信号,是输入的数值稳定在给定值R 。

4.3模拟PID 控制算法原理:在模拟系统中PID 算法的表达式为:式中,P(t)为调节器输出信号,e(t)为调节器偏差信号,它等于测量值与给定值之差;Kp 为调节器的比例系数,1/T1为调节器的积分时间, Td 为调节器的微分时间。

在计算机控制系统中,必须对上式进行离散化使其成为数字式的差分方程。

将积分式和微分项近似用求和及增量式表达。

即:PID 控制器 D(z) u 1(t) R + e(t) _ u(t)将上面两个式子代入第一式,得:由此式可以运用递推求出K-1次的PID输出表达式用K-1次的输出减去第K次的输出得:4.4系统设计流程图由此可以编制基于PID算法的C语言程序实现温度闭环控制系统。

控制工程基础-控制系统的计算机仿真

控制工程基础-控制系统的计算机仿真
电子工程
计算机仿真在电子工程中用于模拟电路系 统和数字系统的行为,进行电路设计和优 化。
04 控制系统的计算机仿真
控制系统的数学模型
线性时不变系统
描述系统的动态行为,通过微分方程、差分方程等数学表达式表 示。
传递函数
描述系统输入与输出之间的关系,通过传递函数进行描述。
状态空间模型
描述系统的动态行为,通过状态方程和输统
开环控制系统是指系统中没有反馈回路的系统,输入信号 直接作用于受控对象,输出信号与输入信号之间的关系是 固定的。
线性控制系统
线性控制系统是指系统中各元件之间的关系可以用线性方 程描述的系统。
闭环控制系统
闭环控制系统是指系统中具有反馈回路的系统,输出信号 通过反馈回路回到输入端,控制器根据反馈信号调整输入 信号,以实现控制目标。
03
计算机资源的限制
大规模的控制系统仿真可能需要 较高的计算机资源,如内存和计 算能力。
未来发展方向与展望
混合仿真
结合物理实验和计算机仿真,以提高仿真的 准确性和可信度。
多尺度仿真
考虑系统不同尺度的特性和行为,以更全面 地模拟和控制复杂系统。
高性能计算
利用高性能计算机和并行计算技术,提高大 规模控制系统的仿真效率。
智能化仿真
结合人工智能和机器学习技术,实现自适应 和智能化的仿真和控制。
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多输入多输出系统仿真
总结词
多输入多输出系统是指具有多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
详细描述
多输入多输出系统在工业控制中应用广泛,如机器人、飞行器等。通过计算机仿真,可以模拟系统的动态行为, 分析系统的稳定性和性能,优化控制策略。

计算机控制系统的模拟化设计

计算机控制系统的模拟化设计

6.将D(z)变为数字算法,在计算机上实现
4.3 采样周期T的选择
r(t) e(t)
De (s)
Ddc(s)
1 1 sT 2
G (s)
c(s)
(1)设计Ddc(s)时,主要依据采样定理选择T 考虑平滑性问题 s(1735)n
或 s(1735)系统带宽
(2)设计De(s)时,要考虑ZOH引起的相角滞后
1*
2 1 1T tg T 2
步骤2:将 D(s)修正为
D( s

* 1
)
2 z 1 *) 1 s T z 1
步骤3:D( z ) D( s
1 例2: 对 D( s) 2 进行双线性变换,T=1s s 0.2s 1 并要求在 n 1 rad / s 处有相同的幅值响应。
*
2
控制器: D(e jT )
连续域控制器的频率特性与离散域控制器的频率 特性的关系:
De ( j ) D(e
jT
)e
j T
2
传递函数: De (s) Ddc (s)e
sT
2
其中:Ddc(s)为数字控制算法D(z)的等效传递函数
连续域内等效图:
r(t) e(t)
De (s)
(3)映射关系
1 1 (1 T )2 (T )2 z 2 4 (1 T )2 (T )2
2
1 1 z t g (T ) T
后向差分的特点: 稳态增益不变;
D( Z ) D( s)
s
Z 1 TZ
D(s)
s 0
D(Z )
Z 1
稳定性不变; 一对一映射,无频率混叠; 频率畸变较严重;

计算机控制系统考试

计算机控制系统考试

填空题1、按照控制方式分类,计算机控制系统分为开环控制和闭环控制。

2、过程输出通道包括开关量输出通道和模拟量输出通道两种。

3、计算机控制系统设计最重要的基本要求是可靠性。

4、在计算机控制系统中,信号是以脉冲序列或数字序列的方式传递的,把连续信号变成数字序列的过程叫做采样过程。

5、数字控制器的计算机程序实现主要有3种方式:直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法。

6、设闭环系统输出信号为Y(z),输入信号为R(z),误差信号为E(z),则闭环误差传递函数为 W(Z)= E(z)/ R(z)。

7、数字控制器的计算机程序实现主要有3种方式:直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法。

8、已知Z变换表达式F(z),求相应离散序列f(kT)或f*(t)的过程被称为逆Z变换。

9、在计算机控制系统中的执行机构和控制对象的输入信号一般为连续信号,这就必须将计算机输出的数字信号序列还原成连续信号,这就是信号的恢复过程。

10、所谓稳定,就是在有界输入作用下,系统的输出也是有界的。

11、数字控制器的计算机程序实现主要有3种方式:直接程序设计法、串行程序设计法和并行程序设计法。

12、过程输出通道包括模拟量输出通道和数字量输出通道两种。

13、按照控制方式分类,计算机控制系统分为开环控制和闭环控制。

14、离散系统的时间响应是他各个极点时间响应的线性叠加。

15、集散控制系统是控制(control)、计算机(computer)、数据通信(communication)和屏幕显示技术(CRT)的综合体,通常又被称为分布式控制技术。

简答题1、简述专家控制系统与专家系统的不同之处。

(1) 通常的专家系统只对专门领域的问题进行咨询工作,它的推理是以知识为基础的,其推理结果一般用于辅助用户的决策;而专家控制系统则要求能独立和自动地对控制作用作出决策,它的功能一定要具有连续的可靠性,足够的抗干扰性。

(2) 通常的专家系统一般都是以离线方式工作的,对系统运行速度没有很高的要求;而专家控制系统则要求在线动态地采集数据,处理数据,进行推理和决策,对过程进行及时的控制,因此一定要具有使用的灵活性和控制的实时性。

第六章 数字控制器的模拟设计法

第六章 数字控制器的模拟设计法

控制系统的主要设计任务之一。
间接设计法—模拟化设计法 经典法 数字控制器 的设计方法 直接设计法—数字化设计法 状态空间设计法
中南大学机电工程学院
计算机控制系统

第六章 计算机控制系统的模拟化设计
模拟化设计法 数字控制器的模拟化设计法就是先将计算机控制
系统看作模拟系统(如图6.1-2所示),针对该模拟
计算机控制系统 分析与设计
控制原理
中 南 大 学 机 电 工 程 学 院
2011年10月
计算机控制系统
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
第6章 计算机控制系统的 模拟化设计
本章主要教学内容 1. 设计方法概述
2. 传递函数与Z传递函数的相互转换
3. 数字PID调节器的设计
中南大学机电工程学院
计算机控制系统
化方法将其离散为数字控制器,即转换成图6.1-3
所示的计算机控制系统。
HG(z)
R (s ) r (t )

T
D(z )
T
H 0 ( s)
G (s )
Y (z ) Y (s )
图6.1-3 离散闭环控制系统
由于人们对于连续控制系统的设计方法(如频率法、
根轨迹法等)比较熟悉,从而应用模拟方法设计数字 控制器比较易于接受和掌握。但是这种方法并不是按
第六章 计算机控制系统的模拟化设计
控制算法:
u (kT) e aT u (kT T ) (1 e aT )e(kT T )
零阶保持器法的特点: (1)若D(s)稳定,则D(z)也稳定; (2)D(z)不能保持D(s)的脉冲响应和频率响应。
6.2.4 零极点匹配法
基本思想:S域中零极点的分布直接决定了系统的

4.1 数字控制器的设计方法

4.1 数字控制器的设计方法
第4章 计算机控制算法
• 4.1 数字控制器的设计方法 • 4.2 常用的计算机控制算法
4.1 数字控制器设计方法
数字控制器的两种设计方法:
• 数字控制器的模拟化设计方法 • 数字控制器的直接设计法
一、 模拟化设计方法
• 1.数字控制器的连续化设计步骤 (1)求出模拟调节器的传递函数 D(s)。
z
D z 则数字控制器的脉冲传递函数为:
G z 1 z
数字控制器的直接设计步骤如下:
(1)求出广义对象的脉冲传递函数G(z); (2)根据控制系统的性能要求和其他约束条件,确定闭环系统的脉冲传递 函数Φ(z); (3)求数字控制器的脉冲传递函数D(z); (4)根据D(z)求数字控制器的输出u(k)的递推计算公式,并编写控制算法 程序; 设数字控制器D(z)的一般形式为: m
(2)选择合适的采样周期 T。
(3)把D(s)离散化,求出数字控制器的脉冲传递函数 D(z) 。 (4)检验系统的闭环特性是否满足设计要求。 (5)把D(z)变换成差分方程的形式,并编程实现 。 (6)现场调试
二、数字控制器的直接设计方法
1、什么是数字控制器的直接设计方法?

从被控对象的特性出发,在离散z域里根据离散控制理
D( z ) U ( z ) b0 +b1 z + E ( z ) 1 a1 z 1 +
1
+bm z +an z 1
i
1 ai z i
m i i 0
,
(n m )
n
U ( z ) bi z 则数字控制器D(z)的输出U(z)为:
论来对离散系统进行分析和综合,直接设计出数字控制器。 这种设计方法称为数字控制器的直接设计方法(也称为离 散化设计方法) 2、设计思想

计算机控制技术期末复习试题附答案.

计算机控制技术期末复习试题附答案.

第一章 计算机控制系统概述1、计算机控制系统的概念是什么?计算机控制系统是以计算机技术、控制理论及自动化技术相结合并应用于工业生产过程的结果,是以自动控制理论为基础,以计算机为手段的控制系统。

2、计算机系统由哪些部分组成?并画出方框图。

计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。

3、计算机控制系统的主要性能指标有哪些?稳定性/动态指标/稳态指标/能控性与能观性4、计算机控制系统的主要特点有哪些?各项 连续控制系统 计算机控制系统信号形式 都是模拟信号 模拟信号、数字信号皆有控制规律实现 由模拟电路实现 由计算机通过程序实现控制形式 整个过程始终连续控制 整个过程始终离散控制控制器作用 一个控制器控制一个回路 一个控制器分时控制多个回路功能强度 简单控制 具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能 自动化程度 自动化程度低 便于实现控制与管理的一体化5、计算机控制系统是怎样分类的?按功能和控制规律可分为几类?一、按控制系统的功能及结构特点分类①操作指导控制系统②直接数字控制系统DDC③监督控制系统 SCC④计算机分级控制⑤集散控制系统 DCS⑥现场总线控制系统FCS外部设备操作台 输入通道 检测装置输出通道 执行机构 计 算 机 被 控 对 象二、按控制规律分类①程序和顺序控制② PID 控制③最少拍控制④复杂规律的控制⑤智能控制第二章 离散控制系统及Z 变换分析法1、计算机控制系统的信号形式有哪些?连续模拟信号:时间与幅值上均连续,如 r(t)、y(t)、u(t)离散模拟信号:时间是离散的,幅值上连续,如y*(t)、u*(t)离散数字信号:时间离散的,幅值为数字量,如y(kT)、u(kT)2、香农(Shannon)采样定理是如何描述的?一个连续时间信号f(t),设其频带宽度是有限的,其最高频率为ωmax(或fmax),如果在等间隔点上对该信号f(t)进行连续采样,为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信号f(t)的全部信息量。

计算机控制技术期末复习试题附答案

计算机控制技术期末复习试题附答案

第一章计算机控制系统概述1、计算机控制系统的概念是什么计算机控制系统是以计算机技术、控制理论及自动化技术相结合并应用于工业生产过程的结果,是以自动控制理论为基础,以计算机为手段的控制系统。

2、计算机系统由哪些部分组成并画出方框图。

计算机控制系统由计算机、外部设备、操作台、输入通道、输出通道、检测装置、执行机构、被控对象以及相应的软件组成。

3、计算机控制系统的主要性能指标有哪些稳定性/动态指标/稳态指标/能控性与能观性4、计算机控制系统的主要特点有哪些各项连续控制系统计算机控制系统信号形式都是模拟信号模拟信号、数字信号皆有控制规律实现由模拟电路实现由计算机通过程序实现控制形式整个过程始终连续控制整个过程始终离散控制控制器作用一个控制器控制一个回路一个控制器分时控制多个回路功能强度简单控制具有丰富的指令系统和很强的逻辑判断功能自动化程度自动化程度低便于实现控制与管理的一体化5、计算机控制系统是怎样分类的按功能和控制规律可分为几类一、按控制系统的功能及结构特点分类①操作指导控制系统②直接数字控制系统DDC③监督控制系统SCC④计算机分级控制⑤集散控制系统DCS⑥现场总线控制系统FCS二、按控制规律分类 ①程序和顺序控制 ② PID 控制 ③最少拍控制 ④复杂规律的控制 ⑤智能控制第二章 离散控制系统及Z 变换分析法1、计算机控制系统的信号形式有哪些连续模拟信号:时间与幅值上均连续,如 r(t)、y(t)、u(t) 离散模拟信号:时间是离散的,幅值上连续,如y*(t)、u*(t) 离散数字信号:时间离散的,幅值为数字量,如y(kT)、u(kT)2、香农(Shannon)采样定理是如何描述的一个连续时间信号f(t),设其频带宽度是有限的,其最高频率为ωmax(或fmax),如果在等间隔点上对该信号f(t)进行连续采样,为了使采样后的离散信号f *(t)能包含原信号f(t)的全部信息量。

则采样角频率只有满足下面的关系: ωs ≥2ωmax采样后的离散信号f *(t)才能够无失真地复现f(t)。

计算机控制答案

计算机控制答案

第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤:(1)实时数据采集:对被控量的瞬时值进行检测,并输入给计算机。

(2)实时决策:对采集到的表征被控参数的状态量进行分析,并按已定的控制规律,决定下一步的控制过程。

(3)实时控制:根据决策,适时地对执行机构发出控制信号,完成控制任务。

2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么?(1)实时:所谓“实时”,是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的,即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理,并在一定的时间内作出反应并进行控制,超出了这个时间就会失去控制时机,控制也就失去了意义。

(2)“在线”方式: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,就叫做“联机”方式或“在线”方式。

(3)“离线”方式: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,则叫做“脱机”方式或“离线”方式。

3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成?各部分的作用是什么?由四部分组成。

图微机控制系统组成框图(1)主机:(2)输入输出通道(3)外部设备(4)检测与执行机构4.微型计算机控制系统软件有什么作用?说出各部分软件的作用。

软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。

整个计算机系统的动作,都是在软件的指挥下协调进行的,因此说软件是微机系统的中枢神经。

就功能来分,软件可分为系统软件、应用软件及数据库。

(1)系统软件:它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。

对用户来说,系统软件只是作为开发应用软件的工具,是不需要自己设计的。

系统软件包括:a.操作系统:即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等;b.诊断系统:指的是调节程序及故障诊断程序;c.开发系统:包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等;d.信息处理:指文字翻译、企业管理等。

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§10-5 计算机控制系统的模拟化设计方法所谓模拟化的设计方法,就是首先设计出符合技术要求的连续控制系统,再用相应的离散控制器去实现。

例如图10-19(a)的连续控制系统可用经典的方法(如频率特性法、根轨迹法等)求出校正环节)(s D 的传递函数,然后用如图10-19(b)的离散系统去代替它,并要求数字校正环节)(z D 在一定条件下和)(s D 等价(例如要求它们具有相同的脉冲响应或频率响应)。

(a)(b)图10-19 连续系统和其相应的离散系统)(z D 逼近)(s D 的程度取决于采样速率和离散化方法。

对单输入单输出系统已有许多种近似方法,例如冲激不变法、通过零阶保持器而离散化的方法、数值积分法、双线性变换法,以及零极点变换法等等。

这些方法各有不同的优缺点。

在连续控制系统中广泛采用的PID 调节器也有一些相应的数字形式的PID 调节器。

本节还将介绍一些数字PID 调节器算法和调整方法。

一、离散控制系统设计的技术要求本节主要介绍在经典控制系统设计中所提出的技术要求,它们比较直观。

但是有时按这些技术要求设计的控制方案会相互矛盾,这就要求设计者根据经验做一些折衷的安排。

现代控制理论中提出了比较严格的要求,但这些要求不够直观。

1.稳态误差如果考虑图10-19(b)所表示的单位反馈控制系统,则误差为)()()(11)(0z U z G G z D z E c +=(10.94)如果特征方程0)()(10=+z G G z D的根全部位于z 平面内以原点为圆心的单位圆内,则此闭环系统是稳定的。

这时,利用z 变换的终值定理就可以分析系统在各种输入条件下的稳态误差。

单位阶跃输入时,1)(-=z zz U c ,则 pz k K z zz G G z D z k e 1ˆ1)()(11)1(lim )(lim 01=-⋅+⋅-=→∞→ (10.95)式中)]()(1[lim 01z G G z D K z p +=→称为静态位置误差系数。

它可以由开环脉冲传递函数直接求得。

如果)()(0z G G z D 中具有一个以上1=z 的极点时,∞=p K ,系统的位置误差为零。

单位斜坡输入时,2)1()(-=z Tzz U c ,则vz k K z Tzz G G z D z k e 1ˆ)1()()(11)1(lim )(lim 201=-⋅+⋅-=→∞→ (10.96)式中)]()(1)[1(1lim01z G G z D z TK z v +-=→称为静态速度误差系数。

如果)()(0z G G z D 中具有两个以上1=z 的极点时,∞=v K ,系统的速度误差为零。

单位加速度输入时,32)1()1()(-+=z z z T z U c ,则 az k K z z z T z G G z D z k e 1ˆ)1()1()()(11)1(lim )(lim 3201=-+⋅+⋅-=→∞→ (10.97)式中)]()(1[)1(1lim0221z G G z D z T K z a +-=→称为静态加速度误差系数。

如果)()(0z G G z D 中具有三个以上1=z 的极点时,∞=a K ,系统的加速度误差为零。

由上分析可以看出系统的稳态误差除了与输入的型式有关外,还与)()(0z G G z D 中含有1=z 的极点数目密切相关。

z 平面内1=z 的极点对应于s 平面内0=s 的极点,即积分环节。

在连续系统中,根据开环传递函数中含有积分环节的个数定义几型系统,同样,对于离散系统,把开环脉冲传递函数中含有1=z 的极点数用v 来表示,把 ,2,1,0=v 的系统分别称为0型、I 型、II 型、…系统。

如果把(10.94)式在1=z 处展开,得1112131210)1(1)1(1)1(11)()(11)()(-∞=---∑-=+-+-+=+=i i ic z K z K z K K z G G z D z U z E (10.98) 显然,p K K =1,v K K =2,a K K =3。

以上分析说明开环系统)()(0z G G z D 中如有m 个积分器,当闭环系统是渐近稳定的,对输入信号的阶数1-≤m n 时,此系统的稳态误差为零,如下表所示。

对闭环系统稳态误差的要求将决定)(z D 的结构形式。

0型系统 I 型系统 II 型系统)()(0z G G z D 的极点 无1=z 的 有一个1=z 有两个1=z稳态位置误差pK 10 0 稳态速度误差 ∞vK 10 稳态加速度误差 ∞ ∞ aK 12.动态响应对控制系统的动态性能要求可分为时域指标和频域指标两种,它们相互之间有一定的关系。

1)时域内的指标。

通常用系统的单位阶跃响应作为参考指标。

如图10-20(a)所示。

2)频域内的指标。

设闭环系统的脉冲传递函数为)(z G ,则其频率响应为)(Tj eG ω。

图10-20(b)画出其幅频响应曲线及其相应的性能参数。

其中,带宽BW 与系统的响应速度有关。

BW 大,响应快,但对干扰也敏感。

谐振峰增益m G 的大小与系统复共轭极点位置有关。

而峰值频率m ω与带宽BW 有直接的联系。

二阶系统的这些动态指标具有很大的代表性,这是因为高阶系统的阶跃响应和频率响应常常也是由其一对主导极点所决定的。

设2222)(nn ns s s G ωξωω++= (10.99) (a)超调量P ,峰值时间P T ,上升时间r T ,调整时间S T ,稳态误差s e(b)图10-20 控制系统的阶跃响应和频率响应其阶跃响应为)11sin(1-1)(2122ξξξωξξω-+--=--tgt e t y n t n (10.100)其时域指标为9.01.0)(t y 1001P +δ+1δ-1m G )1(G 2)1(G mωBWωmnS n P T P T ξωξξπξωπ3)1exp(100122=--=-=当10<<ξ时,其频域指标为2m 2242210.707 10.7070 121244)21(ξωωξξξξξξξω-=⎪⎩⎪⎨⎧≥<<-=+-+-=n m n M BW 3.对控制能量的限制在控制系统中许多元部件的输出都是有限的,如放大器的输出电压、驱动电机的力矩等。

因而必然要对控制作用从幅值或能量上提出限制。

例如,对控制信号 u 的限制,对能量∑∞=0)( k k u 或∑∞=02)(k k u的限制,对误差和能量∑∞=+022)]()([k k u k e ρ的限制(ρ为常数)等。

4.对参数变化的敏感性一种是被控对象的参数可能变化,这可以用局部高增益反馈来解决。

另一种是控制器的参数可能发生变化,这要求仔细考虑控制器的结构和设计,数字校正装置的舍入误差的影响也是很大的,因而要注意选择实现的标准形式,以减少这些影响。

二、数字校正装置的近似设计方法本节所介绍的方法是指利用连续控制系统设计方法已求得校正环节)(s D 后,再用一些 近似的方法把)(s D 离散化而得到)(z D ,便可以写出控制算法。

如果把)(s D 看成模拟的滤波器,则这种方法可以被叫做模拟滤波器的离散化方法。

这样的方法有许多种,各有一些优缺点。

1.离散化的方法1)冲激不变法。

这种方法可以记为[]{}[])(ˆ)()(1s D Z s D L Z z D ==- (10.101)其理由如下:设已知)(s D 为∑=+=ni iia s c s D 1)( (10.102) 则其单位脉冲响应函数为t a ni i i e c t h 1)(-=∑= (10.103)如要求数字校正装置)(z D 在采样点上具有与它相同的单位脉冲响应,即kT a ni i i e c kT h 1)(-=∑= (10.104)则取z 变换后得到∑=---=ni T a iz ec z D i 111)( (10.105) 可以看出,这种方法就是直接的z 变换方法。

其优点在于)(z D 和)(s D 的脉冲响应是一样的,而且如果)(s D 是稳定的,则)(z D 也是稳定的(因为如果0≥i a ,则1≤-Ta i e)。

但)(z D 的频率响应可能与)(s D 的不同。

如果采样速率较低,采用数字滤波器可能会有混叠现象,需要采用前置滤波器。

[例10-19] as Ks D +=)(,则 11)(---=z e Kz D aT控制算法为)()()(kT Ke T kT u e kT u aT +-=-这是一种递推的算法。

2)通过保持器而离散化:设)(s D 的输入信号经过一个零阶保持器)(0s D ,我们再通过冲激不变的原则使)(0z D D 和)(s D 等价,如图10-21所示图10-21 )(s D 和零阶保持器)(z D T其结果为⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=--])([)1()(11s s D L Z z z D (10.106))(s D 通过零阶保持器而离散化得到)(z D 的的优点是:当)(s D 稳定时,)(z D 也是稳定的,但是它们的脉冲响应和频率响应是不同的。

[例10-20] as Ks D +=)(,则 11111111)1(]1111[)1(])([)1()(------------=----=⎭⎬⎫⎩⎨⎧+-=z e z e a K z e z a K z a s s KL Z z z D aT aT aT控制算法为)()1()()(T kT e e akT kT u e kT u aT aT --+-=--3)前向差分法:这种方法是一种近似的微分方法,它取Tz s s D z D 1)()(-== (10.107)其理由如下:如把任一函数)(t x 的微分用算子d 来表示)()(t x d t x⋅= )(1)()(t x T q Tt x T t x -=-+≈(10.108)上面第二个等号用前向差分代替微分,再把它用差分算子q 表示,于是就有T q d /)1(-=。

如果直接用z 变换和s 变换之间的关系,也可以近似得到(10.107)的结论。

因为sTzT s sT e z sT+≈+++==1122则 Tz s 1-=(10.109) 这种近似方法十分简便,但是不能保证)(z D 总是稳定的,而且不能保证具有与)(s D 相同的脉冲响应和频率响应。

[例10-21] as Ks D +=)(,则前向差分近似为 11)1(1)(----=zaT KTz z D 其中 1 aT -可能大于1。

4)后向差分法:这也是一种近似的微分方法,它取zTz s s D z D 1)()(-== (10.110)其理由如下:)(1)()()(1t x Tq TT t x t x dt t dx --=--≈ (10.111) 于是就得到qT q d /)1(-=。

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