计算机控制系统A卷-答案

一、填空（每空1分，共13分）
1.如果将连续控制系统的控制器用计算机来实现，就构成了计算机控制系统，
该系统由计算机系统和生产过程两大部分组成。

2.按所传递和交换的信息来分，过程通道又可分为数字量过程通道和模拟量
过程通道。

3.总线是一组信号线的集合。

这些线是系统的各插件间(或插件内部芯片间)、
各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各自要去的地方。

4.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。

5.控制度以误差平方积分作为评价函数，反映了数字控制的控制效果对模拟
控制的控制效果的相当程度。

通常，当控制度为 1.05 时，两者的控制效果相当。

6.最小拍控制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，经过最少个采样周期使系统输出的稳态误差为零。

因此，最小拍控制实际上是时间最优控制。

二、简答题（8题，共40分）
1、连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？
答：与连续控制系统相比，计算机控制系统具有以下特点：
(1) 计算机控制系统是模拟和数字的混合系统。

(2) 在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过程序实现的（数字控制器），
修改一个控制规律，只需修改程序，因此具有很大的灵活性和适应性。

(3) 计算机控制系统能够实现模拟电路不能实现的复杂控制规律。

(4) 计算机控制系统并不是连续控制的，而是离散控制的。

(5) 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。

(6) 采用计算机控制，如分级计算机控制、集散控制系统、计算机网络等，便于
实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。

2. 简述典型的计算机控制系统中所包含的信号形式。

答：(1)连续信号
连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的、也可以是断续的。

(2)模拟信号
模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。

模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。

(3) 离散信号
离散信号是仅在各个离散时间瞬时上有定义的信号。

(4) 采样信号
采样信号是离散信号的子集，在时间上是离散的、而幅值上是连续的。

在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。

(5) 数字信号
数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。

3. 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，控制作用的强弱取决于比例系数K P。

系统响应为有限值的控制对象存在静差。

加大比例系数K P可以减小静差，但是K P过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至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，积分时间常数T I大，则积
分作用弱，反之强。

增大T I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。

4.何为最少拍设计？
答：最少拍设计，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。

5.计算机控制系统中主机有那些？
答：工业计算机，可编程序控制器，单片机，嵌入式控制器，数字信号处理器，ARM处理器
6.干扰的作用途径是什么？
答：无论是内部干扰还是外部干扰，都是从以下几个途径作用于系统的。

1) 传导耦合
2) 静电耦合
3) 电磁耦合
4) 公共阻抗耦合
7.某加热炉温度变化范围为0～1600℃，经温度变送器和调理电路输出电压为1～5V，再经ADC0809转换（ADC0809的输入范围1～5V），使计算当采样数值为9BH 时，所对应的加热炉温度是多少？(6分)
解：FFH=（255）10
9BH=（155）10
()C
m N N
N N Y Y Y
Y m
x x
︒≈⨯
=--+
=-973255
155160000
8. 某加热炉温度变化范围为0～1600℃，经温度变送器和调理电路输出电压为1～5V ，再经ADC0809转换（ADC0809的输入范围1～5V ），使计算当采样数值为9BH 时，所对应的加热炉温度是多少？(6分)
解：FFH=（255）10
9BH=（155）10
()C
m N
N N
N Y Y Y Y m
x
x
︒≈⨯=--+=-973255155160000
三、计算题（4题，30分）
1. 用双线性变换法求模拟控制器()
21
)(+=s s s D 等效的数字控制器，设采样周期
T=0.5s 。

（5分） 解：
()
()(
)
112
1
1
1
111123333.01110417.021121121
)
()(1
1-------+-=
--+=
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+-=
=--z z z z z T z z T s D z D z z T s
2. 设被测温度变化范围为0o C~1200o C,如果要求误差不超过0.4o C,应选用分辨为多少位的A/D 转换器？（5分） 解：124.0120012log
≈⎪⎭⎫
⎝
⎛+≥n
2. 已知系统的差分方程为 )2()1()(-=-+k r k y k y 输入信号是
⎩⎨⎧<≥=0
00
1)(k k k r 初始条件为1)0(=y ，试写出输出脉冲序列()y k
解：1)0(=y
1)0()1()1(-=--=y r y 2)1()0()2(=-=y r y 1)2()1()3(-=-=y r y 2)3()2()4(=-=y r y
1)4()3()5(-=-=y r y
… 3. 已知 10.15()0.05c s
G s s
+=
，写出等效的增量型数字PID 控制器的差分形式。

解：11
1111
2033()
()()1()(203)3z c s T
i i i i T z U z D z G s z E z u u T e e ----=--+-===-=++-
4.
被控对象的传递函数为()21s
s G c =
采样周期T=1s ，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，设计： (1)最少拍控制器()z D ；（6分）
(2)画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。

（6分） 解：
(1)最少拍控制器
可以写出系统的广义对象的脉冲传递函数
()()
(
)
(
)
211-1232z 12z 1z T 1111----+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛•-=s e s s e z G Ts -Ts c Z Ζ 将T=1S 代入，有
()(
)(
)
2
1
1-1z 12z 1z ---+=
z G c
由于输入r(t)=t ，则
()()
2
11-e z z G -=
()()()()()
2
111
1--+=
-=z z z G z G z G z D e e (2)系统闭环脉冲传递函数
()2
1
2-z z z Φ-=-
则当输入为单位速度信号时，系统输出序列Z 变换为
()()()()
()
⋅⋅⋅+++=--==-------4322
11
2
1
4Tz 3Tz 2Tz 12z Tz z
z z Φz R z Y
y(0)=0,y(1)=0,y(2)=2T,y(3)=3T,
四、说明题（17分）
如下图所示，为A/D转换器ADC0809的原理框图
请说明：
1）该转换器是多少位的转换器？
2）其实现A/D转换的方法是什么？
3）说明各引脚功能。

答：1）该转换器是8位的转换器
2）逐次逼近法
3）
①IN7一IN0：8个模拟量输入端。

②START：启动信号。

③EOC：转换结束信号。

④OE：输出允许信号。

⑤CLOCK：实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率。

⑥ALE：地址锁存允许，高电平有效。

⑦C，B，A：通道号选择端子。

C为最高位，A为最低位。

⑧D7～D0：数字量输出端。

⑨VREF(+)，VREF(-)：参考电压端子。

⑩Vcc：电源端子。

接+5V。

⑪GND：接地端。