中国矿业大学计算机控制系统期末复习整理

中国矿业大学计算机控制系统期末复习
（学长整理，经验证有大量考试原题）
填空题整理：
1.计控系统组成：①被控对象②执行机构③测量装置④指令给定装置⑤计算机系统：A/D 转换器（将连续模拟信号转换为断续的数字二进制信号送入计算机）、D/A转换器（将计算机产生的数字指令信号转换为连续的模拟信号送给直流电动机的放大部件）、数字计算机（实现信号的变换处理以及工作状态的逻辑管理按给定算法产生相应的控制指令）
2.计控系统控制过程：①实时数据采集②实时决策③实时控制④时钟表示计算机及其输入输出按自然时间运行
3.计控系统优点：①易实现复杂控制规律②性价比高③适应性强灵活性高④系统测量灵敏度高⑤控制与管理容易结合并实现层次更高的自动化⑥系统可靠性和容错能力高
4.连续控制系统相比，计算机控制系统具有哪些特点？(1)计控系统是模拟和数字部件组成的混合系统（2）计控系统是混合信号系统(3)一个数字控制器可采用分时控制的方式同时控制多个回路(4)在计算机控制系统中，控制规律是由计算机通过数字控制器实现的，有很大灵活性、适应性（5)能实现模拟电路不能实现的复杂控制规律(6)计算机控制系统是离散控制的(7)采用计算机控制，便于实现控制与管理一体化
5.计控系统种类：直接数字控制系统DDC、计算机监督控制系统SCC、分散型计算机控制系统DCS
6.A/D变换（连续→离散）①过程：采样、量化、编码a。

采样：采样保持器（S/H）对连续的模拟输入信号按一定时间间隔T进行采样，变成时间离散、幅值等于采样时刻输入信号值得序列信号b。

量化：（整量化）将采样时刻的信号幅值按最小量化单位取整c。

编码：将整量化得分层信号变换为二进制数码形式②保持器作用：提高采样精度③采样是最本质？采样过程是将连续时间信号变为离散时间信号得过程，此过程涉及信号得有无问题④为什么整量化：为了将采样后的信号变成有限位数的二进制数码
7.D/A变换①过程：解码、信号恢复a.解码：通过解码器将数字量转换为幅值等于该数字量的模拟脉冲信号b.信号恢复：通过信号恢复器（0阶保持器）将解码后的模拟信号变成随时间连续变化的信号c.0阶保持器：在1个采样周期内将信号保持为常值，形成阶梯状信号的保持器
8.频谱混叠①坏处：会产生假频率假信号严重影响测量质量②产生原因：a当连续信号
的频谱带宽有限且此时采样频率低于模拟信号中所要分析的最高分量的频率的2倍b当连续信号频谱是无线带宽时③抑制a提高采样频率达到被测信号最高频率的3倍以上b 在采样开关前串前置滤波器（模拟低通）
9.采样定理：若采样频率ws＞2wmax（连续信号中所含频率分量的最高频率）那么就可从采样信号中不失真的恢复原连续信号，如不满足采样定理，一个高频连续信号采样后将会变成一个低频信号-失真
10.采样信号失真①现象：信号的高频分量折叠为低频分量、隐匿振荡②解决：串前置滤波器
11.前置滤波器作用①滤除连续信号中高于ws/2的频谱分量避免采样后出现频谱混叠现象②滤除高频干扰信号避免经采样后干扰信号折叠到有用信号的低频段
12.后置滤波器（ZOH后）位于D/A之后的模拟低通滤波器①由于0保允许高频分量通过当T较大ZOH的输出会对系统动态特性产生不良影响②作用：滤除ZOH输出的高频分量③不利影响：串入会给系统引入相位滞后影响整个系统动态特性。

解决：在系统控制器的适当位置串入超前环节/通过修改控制器参数加以补偿
13.信号的理想不失真恢复条件①原连续信号的频谱必须是有限带宽的频谱②采样必须满足采样定理ws＞2wmax③采用理想低通滤波器对采样信号进行滤波
14.理想低通滤波器：可对指定的截频wc以下的频率分量不失真的进行传输而对wc以上的分量全部衰减为0
15.0阶保持器特性①有无限多个截止频率在0~ws内幅值随w增而衰减②0允许高频分量通过但幅值逐渐衰减③0是一个相位滞后环节，滞后大小与信号频率及采样周期T正比④优点：物理可实现
16.零阶保持器时域响应的特点 a.时域响应为阶梯形状阶梯大小与采样周期成正比 b.时域响应与输入信号相比，平均延迟T/2
17.G(z)出现不稳定零点：若连续系统G（s）没有不稳定零点且极点数与零点数之差大于2，当T较小时，G（z）总会出现不稳定零点变成非最小相位系统
18.T与系统稳定性：a.离散系统稳定性比连续系统差，体现在使系统稳定的k值：连续系统的k值范围大于离散系统的k值范围b.一般来说，T减小系统稳定性增强。

19.T与稳态误差：对于具有零阶保持器的离散系统稳态误差的计算结果与T无关只与系统的类型放大系数及输入信号的形式与关
20.极点与零位置与时间响应的关系
①pi＞1单调发散，pi=1常值，0＜pi＜1单调衰减，-1＜pi＜0振荡收敛，pi=-1正负交替的等幅脉冲，pi＜-1正负交替的发散脉冲 Wd=ws/2 ws=2π/T
21.PID增量式算法优点①该方法较为安全。

当计算机出现故障，输出控制指令为零时，执行机构的位置仍可保持前一步的位置不会给被控对象带来较大的扰动②计算时不需进行累加，仅需最近几次误差的采样值。

22.积分饱和原因和影响抑制：①因长时间出现偏差或偏差较大，计算出的控制量有很大，超出D/A转换器所能表示的数值范围。

这时的执行机构已到极限位置，仍不能消除偏差，且由于积分作用，尽管计算PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就称为~②当控制量达到饱和后，闭环控制系统相当于被断开③a积分分离法：当误差大于某个规定的门限值时，取消积分作用，当误差在门限内，引入积分作用，消除误差b遇县消弱积分法：当控制量进入饱和区后只执行消弱积分项的累加而不进行增大及分享的累加c饱和停止积分法：当控制作用达到饱和后停止积分器积分，而控制器输出未饱和时积分器正常积分
23.PID改进：防积分整量化误差的方法：在积分项运算时，可将其结果用双字长单元存储，若积分项小于单字长时，其结果存放在低字节单元中，经过若干次累加后当其值超过低字节表示时则在高字节最低位加1从而消除有限字长造成的量化结尾误差
24.微分算法的改进：引入微分改善了系统的动态特性，但由于微分放大噪声的作用也极易引进高频干扰。

因此在实现PID控制时，除了要限制微分增益外，还要对信号进行平滑处理，消除高频噪声的影响①不完全微分法PID算法：作用：能够抑制高频噪声，克服纯微分作用的不均匀性，使得控制作用比较平缓，不引起系统振荡 a.微分环节的作用：能够反映误差信号的变化率，具有一定的“预见性”，能改善系统的动态性能；但对噪声信号有放大作用，不能单独使用b.实现方法：在PID控制器中串联一个低通滤波器(通常为一阶惯性环节)抑制高频噪声②微分算法的改进：微分先行PID：原理：将微分运算放在最前面，后面再紧跟比例和积分运算
25.不完全微分PID 与基本PID控制作用比较：完全微分作用仅在控制作用发生的一个周期内起作用；不完全微分作用则是按指数规律逐渐衰减到零，可以延续几个周期，且第一个周期的微分作用减弱
26.PID调节系统中微分调节起何作用与常规算式区别：微分的作用是加快调整速度。

由于微分只存在于瞬间，因而有时会使系统产生震荡，而使调节品质下降。

为了避免震荡，在一些系统中采用不完全微分算法，它的基本思想是使微分作用慢慢减弱，以避免
由于微分突然下降到0而产生震荡。

27.PID调节参数的整定：扩充临界比例度法、扩充阶跃响应曲线法、试凑法
28.凑法调整PID算法的参数:①首先只整定比例部分。

将Kp由小到大变化并观察相应的系统响应，直到得到反应快超调小的响应曲线②若在比例控制的基础上稳态误差不满足要求，则需加入积分控制，整定时首先设置积分时间常数唯一较大值并将第一步确定的Kp减小些，然后减小积分时间常数，并使系统保持在良好动态响应的情况下消除稳态误差③若使用PI调节器消除了稳态误差但动态过程不满意可加入微分环节。

在第二步整定的基础上，逐步增大TD，同时相应地改变Kp和TI，逐步试凑
29.PID各环节作用①比例调节可以保证系统的快速性②积分调节可以消除静差，提高控制精度。

③微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响
统中难以满足这一要求(2)没有反映采样点之间的性能。

(3)等效离散化设计所构造的计算机控制系统，其性能指标只能接近于原连续系统而不可能超过它。

因此，这种方法也被称之为近似设计。

31.W’域设计法步骤(1) 给定连续被控对象G(s)，求出z域的广义对象的脉冲传递函数G(z)(2) 将G(z)变换到w’平面上 (3) 在w'平面设计控制器D(w’)(4) 进行w'反变换，求得z域控制器 D(z)(5) 检验z域闭环系统的品质 (6) D(z)控制器在计算机上编程实现。

32.最少拍设计：是指系统在典型输入信号作用下，经过最少拍，使系统输出的稳态误差为零。

33.纹波产生原因抑制：①控制量在一拍后并未进入稳态，而是在不停的波动，从而使连续部分的输出在采样点之间存在纹波②式闭环传递函数包含G（z）圆内的零点
34.最少拍随动系统优缺点①优点：该系统设计方法简便，所得到的系统结构也最简单
②缺点：系统适应性差、对参数变化的敏感性大、存在纹波。