计算机控制系统第四章1
计算机控制系统课后习题答案1
第一章课后参考答案1-1简述计算机控制系统的控制过程。
计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤：1)实时数据采集：对被控量进行采样测量，形成反馈信号；2)实时控制计算：根据反馈信号和给定信号，按一定的控制规律，计算出控制量；3）实时控制输出，向执行机构发出控制信号，实现控制作用。
1-2什么是实时性？有哪些因素影响系统的实时性？硬件：1）控制器计算速度2）传感器采集速度3）执行器反应时间4）A/D、D/A转换速度软件：1）操作系统调度2）中断响应处理方式（包括定时器）3）延时函数的设置实时性：即信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内即时完成的，超出这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
1-3计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机的硬件主要包括主机、输入输出通道和外部设备。
主机：主机是计算系统的核心，通过接口向系统的各个部分发出各种指令，对被控对象进行检测和控制。
输入输出通道：输入输出通道是计算机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成计算机可以接收的数字信号，过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转化成可以对生产对象进行控制的的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
外部设备：外部设备是实现计算机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存贮器，其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容，还应有按键或开关，完成系统的启、停等功；操作台还要保证操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
1-4计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机控制系统软件分为系统软件、应用软件及数据库。
系统软件是有计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说，系统软件只是用来开发应用软件的工具，不需要自己设计。
计算机控制技术(曹立学)1-4章 (1)
第1章 绪论
2. (1) 串级调节。 在简单调节回路中， 选取干扰影响特别 明显的一个中间变量， 附加一个调节器， 组成内调节回路 (或副调节回路) ， 用来初步克服干扰的影响， 同时用原回 路(称主回路) 中的调节器(主调节器) 的输出作为副调节器的 给定值， 使副调节器跟随此值达到进一步的精细调节。 这是 用一个内回路对主要干扰影响进行初调的控制系统。
第1章 绪论
3. 设备管理系统可以提供设备自身及过程的诊断信息、 管 理信息、 设备(包括智能仪表)运行状态信息、 厂商提供的设 备制造信息。 例如， Fisher Rosemoune公司推出的AMS管理 系统， 它安装在主计算机内并完成管理功能， 可以构成一个 现场设备的综合管理系统信息库， 在此基础上实现设备的可 靠性分析以及预测性维护， 将被动的管理模式改变为可预测 的管理维护模式。 AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构， 在现场服务器上支撑模块化， 功能丰富， 为用户提供一个图 形化界面。
第1章 绪论
DDC控制系统中常使用小型计算机或微型机的分时系统来 实现多个点的控制功能。 实际上属于用控制机离散采样， 实 现离散多点控制。 这种DDC计算机控制系统已成为当前计算机 控制系统中的主要控制形式之一, DDC系统原理图如图1.2所示。
第1章 绪论 图 1.2 DDC系统原理图
第1章 绪论
第1章 绪论
(4) 分程调节。在需用不同的手段分阶段地控制一个参数 时， 采用这种调节。 例如:一个反应器的温度调节， 在正常 温度范围内用水冷却即可， 但温度达高限后需用冷冻水冷却， 低于低限时需用蒸汽加热， 方能保持正常反应。 满足这种需 要的调节称分程调节。 在分程调节中， 由一个测量元件、 一 个调节器及三个调节阀组成系统， 由三个调节阀分别控制冷水、 冷冻水和蒸汽的流量。 冷水阀通常调整到当温度在低限时全关， 高限时全开； 冷冻水阀在温度高限时全关， 温度超过高限时 开启； 蒸汽阀在温度低限时全关， 再低时开启。 为了避免冷 水阀及冷冻水阀在超高限时同时开启， 还要增加一个冷水阀超 高限自动关闭装置， 这样就可以进行分程调节了。 分程调节 系统的调节质量类似简单调节， 若需提高， 宜采用串级调节、 前馈调节等改进措施。
计算机控制系统习题参考答案
4) 集散控制系统：分散控制，集中操作，分级管理，综合协调，实现高级复杂的控制。 系统成本较高，且各厂商的 DCS 有各自的标准，不能互联。
2
计算机控制系统习题参考答案
5) 现场总线控制系统：分散控制，环境适应性强，维护简易，成本低，可靠性高，并且 在同一国际标准下可实现真正的开放式互联系统结构。
1) 增量型算法无需累加，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小；而位置型
算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。
2) 增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小；而位置型是控制量的全量输出，
误动作影响大。
3) 增量型算法可实现手动到自动的无冲击切换。
4-4 什么叫积分饱和作用？它是怎样引起的，如何消除？ 如果执行机构已到达极限位置，仍不能消除静差时，由于积分作用，尽管 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，这就叫积分饱和。 在控制过程的起动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时，短时间内系统的 输出会出现很大的偏差，这些偏差经过积分项累加，有可能使控制量超出执行机构的极 限位置，因而不能按照控制量的要求动作，产生饱和效应，使系统输出出现较大的超调 和长时间的波动。 消除方法：可采用积分分离式 PID 控制算法，其基本思想是大偏差时，去掉积分作 用，以免积分作用使系统稳定性变差；小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高 控制精度。亦可采用变速积分 PID 控制算法，其基本思想是设法改变积分项的累加速度，
1)
f(t)=a mt
* -k mT -1 2mT -2 Z [ f(t) ] =Z f (t) = ∑ f(kT)z =1+a z +a z +... k=0 ∞
计算机控制第四章课后题
T T2 T1 T T1 u ( k ) ( )u (k 1) e(k ) ( )e(k 1) T2 T2 T2
3.在PID调节器中系数 k p 、 k i 、kd 各有什么 作用？它们对调节品质有什么影响？
系数 k p 为比例系数，提高系数 k p 可以减小偏差，但永远不会使偏差 k 减小到零，而且无止境地提高系数p 最终将导致系统不稳定。比例调节 可以保证系统的快速性。
试用双线形变换法、前向差分法、后向差分 法分别求取数字控制器D(Z)。
双线形变换法：
2 z 1 把 s 代入，则 T z 1
2 z 1 1 T1 T z 1 D z D z | 2 z 1 s 2 z 1 T z 1 1 T2 T z 1 T 2T1 z T - 2T1 T 2T2 z T 2T2
w
(9 z )( f 21 z f 22 z )
因为:
1
1
2
1 ( z ) e ( z )
所以: 1 (1 0.1111 z 1 )( f 21z 1 f 22 z 2 ) (1 z 1 ) 2 (1 f11z 2 )
比较等式两边系数得： f11=0.11
6.有哪几种改进的数字PID控制器？
有四种： （1）积分分离PID控制算法 （2）不完全微分PID控制算法 （3）带死区的PID控制算法 （4）消除积分不灵敏区的PID控制
9.数字控制器直接（离散化）设计步骤是什么？
由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数， 可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。 数字控制器的直接设计步骤如下： (1)根据控制系统的性质指标要求和其它约束条件， 确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)。 (2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。 (3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。 (4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。
计算机控制系统常用的控制规律
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 PID控制 串级控制 前馈控制 史密斯（Smith）预估控制 比值控制 模糊控制
PID控制
4.1 PID调节器的控制作用 4.2 PID控制器的离散化 4.3 数字PID调节中的几个实际问题 4.4 数字PID控制算法的改进 4.5 数字PID控制器参数的整定
4.1 PID调节器的控制作用
1. PID调节器的优点： 为什么要用数字模拟PID
技术成熟 易被人们熟悉和掌握 不需要建立数学模型 控制效果好
4.1.1 比例（P）调节器 1. 比例（P）调节规律 比例（P）调节器的微分方程： y(t) = Kpe(t)
பைடு நூலகம்
(8-1)
其中： y——调节器输出 Kp——比例系数 e(t)——调节器输入，为偏差值，e(t)=r(t)-m(t)。其中，r(t)为给定值， m(t)为被测参数测量值。 2. 比例（P）调节的作用 调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生 与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
第一节 PID控制
PID控制方式：采用比例、积分、微分的控制方式。 P I D 1. 模拟PID控制算法：用于模拟控制系统 模拟系统过程控制：被测参数（模拟量：温度、压力、流量）由传感器 变换成统一的标准信号后输入调节器。在调节器中与给定值进行比较， 再把比较后的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动 调节的目的。 2. 数字PID控制算法：用于数字控制系统 数字系统过程控制：先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将 模拟量变成数字量，这些数字量通过计算机按一定控制算法进行运算处 理，运算结果经D/A转换成模拟量后，由模拟量输出通道输出，并通过 执行机构去控制生产，以达到给定值。
计算机控制系统特性分析
z 2 + 2 z + 0.9267 = 0
进行w变换后得到：
例4.2 在例4.1中，设T=1s，求使系统稳定的K的变化范 围？并求s平面和w平面的临界频率。 解：采用双线性变换Ⅱ，此时系统的特征方程为
1 + KG ( z ) z =1+ 0.5w = 1 +
1− 0.5 w
−0.2932 w2 + 0.0733w + 3.9267 = 0
则系统是稳定的。
w = ± j1.549
故w平面的临界频率为 s平面的临界频率为
ω w = 1.549
ω= 2 ωT tan −1 w = 1.32 T 2
（3）朱利判据
例4.3 在例4.1中，设T=1s，试用z域直接判别法确定满足系 统稳定的K值范围。 解：系统的特征方程为
W ( z ) = z + (0.368 K − 1.368) z + (0.264 K + 0.368) = 0
n
提供了一 种用解析 法判断离散系统稳定性的途径。 设离 散控制系统的特征方程为
1 + G( z) = 0
其 中 G(z) 一般为 两 个 多项 式之 比 ， 用 W(z) 表 示 特征方程 的分子，即
（3） （4）
s平面垂直直线对应于z 平面的圆周， s 平面的 虚轴对应于z 平面的单位圆
S 平面水平直线对应于z 平面具有相应角度的 直线, ω = ω s / 2 时，正好对应z 平面的横轴
S 平面的等 阻尼线对应于z 平面的螺旋线
2 对于二阶振荡系统 s + 2ξωn s + ω n = 0 ，在S平面上等 阻 尼线为通过原点的射线且 cos β = ξ ，在Z 平面上为螺旋 线。 2
计算机控制技术课后题答案整理版（1到5章基本都有了）
第一章1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。
答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。
1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。
2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。
3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。
2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导控制系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。
附加：计算机控制系统的发展趋势是什么？大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。
为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面。
数控技术第4章计算机数控系统(1)
位臵控制模块
6、可编程控制器（PLC） 代替传统机床的继电器逻辑控制来实现各种开关 量的控制。 分为两类： 一类是“内装型”PLC，为实现机床的顺序控制 而专门设计制造的。 另一类是“独立型”PLC，它是在技术规范、功 能和参数上均可满足数控机床要求的独立部件。
三、多CPU结构 适合多轴控制、高进给速度、高精度的机床。 紧藕合：相同的操作系统 松藕合：多重操作系统
控制各类轴运动的功能，用能控制的轴数和能同时控制 的轴数来衡量。
准备功能：G指令功能，指定机床的运动方式。 插补功能：包括软件粗插补和硬件精插补。 进给功能：F指令功能。
切削进给速度(mm/min) 同步进给速度(mm/r) 快速进给速度 进给倍率
主轴功能: 指令主轴转速 S指令功能，指定主轴转速(r/min, mm/min)。 转速编码，恒切削速度切削，主轴定向准停 辅助功能： M指令功能，指定主轴的起停转向（M03、M04）、冷却 泵的通和断、刀库的起停等。 刀具功能：T指令，选择刀具。 字符和图形显示功能： 显示程序、参数、补偿量，坐标位臵、故障信息等。 自诊断功能： 故障的诊断，查明故障类型及部位。
4、进给速度处理 编程指令给出的刀具移动速度是在各坐标合成方 向上的速度，进给速度处 理要根据合成速度计算 出各坐标方向的分速度。 此外，还要对机床允许的最低速度和最高速度的 限制进行判别处理，以及用软件对进给速度进行 自动加减速处理。
5、插补计算 插补就是通过插补程序在一条已知曲线的起点和 终点之间进行“数据点的密化”工作。
三. CNC系统的工作过程
基本过程： CNC装臵的工作过程是在硬件的支持下，执行软 件的过程。 通过输入设备输入机床加工零件所需的各种数据 信息，经过译码和运算处理（包括刀补、进给速 度处理、插补），将每个坐标轴的移动分量送到 其相应的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服 电动机，带动坐标轴运动，同时进行实时位臵反 馈控制，使每个坐标轴都能精确移动到指令所要 求的位臵。
计算机控制技术课后习题答案
计算机控制技术课后习题答案第一章绪论习题 1：计算机控制系统的控制过程可概括为以下三个步骤：1. 及时数据收集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。
2. 及时决策：对收集到的被控量进行分析和处理，并按预定控制规律，决定将要采取的控制策略。
3. 及时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，达成控制任务。
答案：上述三个步骤分别对应计算机控制系统的三个基本环节：数据采集、数据处理和控制执行。
这些环节确保了控制系统能够实时响应并调整被控对象的运行状态。
习题 2：计算机控制系统是由哪几部分构成？画出方块图并说明各部分的作用。
答案：计算机控制系统主要由以下几部分构成：1. 工业控制机：包括CPU、内存、输入输出接口等，负责数据处理和控制指令的执行。
2. 测量变送装置：用于检测被控量的变化，并将模拟信号转换为数字信号。
3. 执行机构：根据控制指令执行相应的动作，如调节阀门、电机启动等。
4. 被控对象：需要被控制的物理过程或设备。
方块图：```被控对象|v测量变送装置 --> 工业控制机 --> 执行机构```各部分作用：- 测量变送装置：将物理量转换为电信号，便于工业控制机处理。
- 工业控制机：进行数据处理、控制策略制定和指令输出。
- 执行机构：根据指令执行动作，实现对被控对象的控制。
习题 3：计算机控制系统的实时、在线方式和离线方式的含义是什么？答案：1. 实时：指信号的输入、计算和输出都在一定时间范围内完成，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定时间内作出反应进行控制。
2. 在线方式：生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机控制。
3. 离线方式：生产过程设备不直接与计算机连接，通过中间记录介质进行联系和控制。
第二章微型计算机控制系统习题 1：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？答案：微型计算机控制系统的硬件主要由以下几部分组成：1. CPU：核心部件，负责数据处理和控制指令的执行。
第四章计算机控制系统的特性分析
12
(2)线性离散控制系统稳定的充要条件
线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程 的所有根的模|z|<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于 z平面的单位圆内。
13
2.线性离散系统的稳定性判据
(1)修正劳斯一胡尔维茨稳定判据
双线性变换1
z 1 w w z 1
1 w
z 1
14
z平面与w平面映射关系
对于离散系统稳定性判据的应用请注意以下两点： 1、对于二阶特征方程系统由修尔一科恩稳定判据和朱利判
据同样可推导出二次特征方程稳定性的z域直接判定法 2、对于一阶特征方程系统的稳定性判断可由稳定性判断的
充要条件、修尔一科恩稳定判据和朱利判据直接判断
30
4.2 计算机控制系统的动态特性
通常线性离散系统的动态特性是指系统在 单位阶跃信号输入下的过渡过程。单位阶跃 输入比较容易产生，并且能够提供动态响应 和稳态响应的有用信息。 本节包括下面三方面内容：
40
Y
(
z
)
(
z)
R(Z
)
(
0z.32 68zz00..623624)(
z
z) 1
0.368z2 0.264z z3 2z2 1.632z 0.632
0.268z1 z2 1.4z3 1.4z4 1.147z5
0.895z6 0.802z7 0.868z8 0.993z9 1.077z10
包含稳态响应，及由实极点和复极点所引起的暂
态响应。
33
y(kT) K
B(1) A(1)
pr
KB( pr )
•
( pr)k
( pr 1) A( pr )
2
KB( pi )
第四章 计算机控制系统常用的控制规律
积分控制量腾出作用空间 。
PI控制器可清除系统静差
3、比例、积分、微分（PID）控制器
➢ PI控制器虽然可以消除静差，但它是以降低响应速度为代 价的，而且Ti越大，代价越高。
➢ 在实际控制系统中，人们不但要求静差可以为0，而且还要 求有尽可能快地实现抑制静差出现的能力，或者说希望超前消 除静差。即在静差刚出现还没有发生作用，就立即消除。
当主要干扰无法用串级控制使其包围在副回路内时，采用前 馈控制将会比串级控制获得更好的效果。
➢微分先行PID控制算法 结构框图为：
控制算式为：
U(s)Kp1T1isE(s)
u(k） Kp（ e k） e(k1)KpTTis（ e k）-KTpTd c(k)2c(k1)c(k2) -KpTd c(k)c(k1)
Ti
四、数字PID控制器参数的整定 ● 采样周期的选择
► 对于响应快、波动大、容易受干扰影响的过程，应该选取 较短的采样周期；反之，则长一些。
➢前馈控制算法
实现完全补偿的前馈控制为：GM
(s)
GD (s) G(s)
若: 前馈控制器为:
G D (s)1 K T 11se 1s
, G (s)K 2 e 2s 1T 2s
G M ( s ) M V ( ( s s ) ) G G D ( ( s s ) ) K K 1 2 ( ( 1 1 T T 2 1 s s ) ) e ( 1 2 ) s K m 1 1 T T 1 2 s s e fs
位置式PID的输出不仅与本次偏 差有关，而且与历次测量偏差有 关，计算时要对误差累加，计算 机运算工作量大。
● 增量式PID控制算式
【第二版】计算机控制系统(康波 李云霞)第4章
＝ 0, 9 0 0 ：S平面的虚轴，Z平面单位圆上。
z e
T
e
d T cot
z d T
cot
2 T ws
z e
T
e
n
ws
2
z n
2 1 ws
2
1 2
, wd wn 1 2
等自然频率轨迹映射
s平面上的等值线在z平面的映射: s平面实轴平行线的映射
j
A
0
[s ]
Im
[z]
AT 1
0
Re
4.1.1 S平面与Z平面的映射关系
s平面上等值线在z平面的映射: s平面虚轴平行线的映射
j
[s ]
Im
[z]
AT
A
0
e 1
0
Re
4.1.1 S平面与Z平面的映射关系
： 阻 尼 比 ， n： 无 阻 尼 自 然 振 荡 频 率 2 s1 , s2 , s1,2 n n 1 设系统的根为：
离散劳斯阵列：
前两行，各n项
wn
w n-2 w n-3 w
n 1
an
an2
an4
an6
...
... 0 w
... ...
an1 an3 an5 b1 b2 b3 c1 c2 c3
... ...
... ...
an 7 b4 c4
... ...
... ... ...
n+1
... ...
4.1.2 计算机控制系统稳定性的判别
计算机控制系统稳定性的判别方法： 离散劳斯判据： 因Z-W的变换是线性变换，故是一一对应的关系。 对应关系推导：略 Im [z] jy [w]
计算机控制技术课后习题答案 (1)
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1.1微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
第四章 控制系统的软件和常用控制程序设计
4、良好的界面 软件应当有友好的界面，以利于参数的调整和操作人员的 操作。 第一节 控制系统的软件分类 计算机控制系统的软件分为系统软件和应用软件两大类。 一、系统软件 系统软件包括操作系统，编辑、编译软件，各类工具软件 及诊断系统等；其核心是操作系统。 操作系统是一组程序的集合，它控制计算机系统中用户程 序的执行次序，为用户程序与系统硬件之间提供软件接口，并 允许程序之间的信息交换。 根据计算机控制系统的结构、控制功能情况选用不同的操 作系统。
第二节 常用控制程序设计 生产对象种类繁多，要求各异，常用控制程序的类型和内 容也十分丰富。本节仅选择一些最基本和常用的程序进行简单 的介绍： （1）查表法实现数值计算 （2）数字滤波程序
（3）标度变换程序
（4）非线性参数补偿方法 （5）报警程序 用软件实现常用控制功能的优点是：灵活性好，精度高， 稳定可靠，不受外界干扰。
l 程序设计步骤如下：
（1）设R2 中存放元素表中下限元素的序号（R2=0），R3 存放 上限元素的序号（R3=n）
（2） 计算中点元素序号
R4 = ( R3 + R2 ) / 2 （3） 计算中点元素的地址 （MIADR）= 表首地址+字节数* R4 （4）要查找的元素与中点元素比较，若X<[MIADR]，R2
（1）表的起始位置送PC和DPTR
（2）表格的长度存放在某个寄存器中 （3）要查找的关键字放在某一内存单元 （4）用CJNE A，direct, rel指令进行查找 把A当中的值和直接地址中的值比较， 若相同则继续执行。
例6-1 以DATA为首地址的存储单元中，存放一长度为100个字节的无序表 格，要寻找的关键字存放在HWORD单元。编程进行查找，若找到，则将 关键字所在内存单元地址存到R2、R3中，若未找到，将R2、R3清零。 解： 顺序查表 （CHE） 关键字 （R4） 表长度
计算机控制系统第4章计算机控制系统的离散化设计方法
2024/8/6
22
2.振铃幅度RA
用振铃幅度RA来衡量振铃强弱的程度。
它的定义是，在单位阶跃输入作用下，数字控制器D(z)的第0次输
e() lim e(k) lim (1 z 1)E(z)
k
z1
e (z)
E(z) R(z)
1
(z)
1
1 D(z)G(z)
一般控制系统有三种典型输入形式：
（1）单位阶跃输入：
R(
z)
1
1 z
1
（2）单位速度输入：
R(z)
Tz 1 (1 z 1)2
（3）单位加速度输入：
R(z)
T
2 z1(1 z1) 2(1 z1)3
27
三、 Dahlin算法的设计步骤
(1)确定闭环系统的T0和振铃幅度RA指标； (2)确定RA与T的关系，尽量选择较大的T； (3)确定N=τ/T； (4)求G(z)和φ (z)； (5) 求D(z)。
2024/8/6
28
本章内容结束
2024/8/6
29
D(z) (z) G(z)[1 (z)]
将Φ(z)代入上式，便得到Dahlin控制器D(z)的基本形式
z (N1) (1 eT T0 ) D(z) G(z)[1 z 1eT T0 z (N1) (1 eT T0 )]
2024/8/6
14
1．
2024/8/6
15
2．
2024/8/6
16
计算机控制系统 第2版 李正军 第4章
1．模拟开关的参数
多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某 一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而到达信号切换 的目的。在多路开关选择时，常要考虑以下参数：
在多路开关的选用时，常要考虑许多因素，如需多少路？要 单端型还是差动型？开关电阻多大？控制电平多高？另外还 要考虑开关速度及开关间互扰等诸多方面。
4.1.4 32通道模拟量输入电路设计实例
在计算机控制系统中，往往有多个测量点，需要设计多路 模拟量输入通道，下面以32通道模拟量输入电路为例介绍 其设计方法。
4.1.3 模拟开关
在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的 采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每 一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅本钱比单路 成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻 容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且 对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回 路几乎是不可能的。
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 t/T
b）离散模拟信号
图4-2 模拟信号采样示意图
3．采样定理
采样定理：由采样信号x * ( k ) 完全无失真地恢复原信号x ( t )
的条件是采样速度要满足下式：
s
≥
2 max
或
T
≤
1 2
m
in
其中：s 2π /T，为采样角速度；T为采样周期； m ax 为原信
号 x (t ) 频谱中最高角频率； m i n 为 x (t ) 的各种信号分量中最
《计算机控制及网络技术》-第4章 计算机控制系统分析
d 2 z exp 1 2 s
d z 2 s
s域到z域的映射
由于左半平面的σ为负值，所以左半s平面对 应于 ｜z｜=eTσ<1 s平面的虚轴表示实部σ=0和虚部ω从-∞变到+∞， 映射到z平面上，表示｜z｜=eTσ=e0=1，即单位圆 上，和θ=Tω也从-∞变到+∞，即z在单位圆上逆时 针旋转无限多圈。简单地说，就是s平面的虚轴 在z平面的映射为一单位圆, 如图4.2所示。
第四章 计算机控制系统分析
计算机控制系统要想正常工作，首先要满足稳定性 条件，其次还要满足动态性能指标和稳态性能指标，这 样才能在实际生产中应用。对计算机控制系统的稳定性、 动态特性和稳态性能进行分析是研究计算机控制系统必 不可少的过程。
4.1 计算机控制系统的稳定性分析
4.2 计算机控制系统的动态过程 4.3 计算机控制系统的稳态误差 4.4 离散系统根轨迹
修尔—科恩稳定判据
该判据提供了一种用解析法判断离散系统稳定性的 途径。设离散控制系统的特征方程为
1 G( z ) 0
其中G(z)一般为两个多项式之比，用W(z)表示特征方程 的分子，即
W ( z ) a n z n a n1 z n1 a1 z a0 0
把系数写成如下所示的行列式形式
s域到z域的映射
将s平面映射到z平面，并找出离散系统稳定时其闭 环脉冲传递函数零、极点在z平面的分布规律，从而获得 离散系统的稳定判据。令
s j
则有
S平面内频率相差采样频率 整数倍的零点、极点都映 射到Z平面同一位置
z e e
Ts
T ( j )
e e e e
T
计算机控制系统 数学描述及脉冲传递函数
i 0
bi x (k i ) a i y(k i )
i 1
m
n
3. 由微分导出差分dy( t ) y (t ) y( kT ) y( kT T ) y (t ) (1)一阶差分： t dt T
例：一阶微分方程： T0 y ( t ) y( t ) ax( t ) 对应的一阶差分方程：
y(k ) a1 y(k 1) an y(k n)
b0 x(k ) b1 x(k 1) bm x(k m)
y (k )
2. 离散系统差分方程形式
注意：n 阶； n-m=d,输出相对于输入有d拍延迟。 后向差分与前向差分。 物理意义：采样系统某时刻的输出值， 由当前与过去时刻的输入值及过去时刻的 输出值共同决定。
C ( z) G( z) R( z )
1 ai z i
i 0
n
C ( z ) ai z C ( z ) b j z j R( z )
i i 1 j 0
n
m
Z反变换
c(k ) ai c(k i) b j r (k j )
i 1 j 0
2. 迭代法 已知x(kT)和初值y(0)，令k=1,2,3…,逐步求出 各采样时刻的输出序列y(T), y(2T)，… . 例：教材例4.2
y (k ) y (k 1) x (k ) x (k 1) 1 x( k ) 0 k 为偶数 k 为奇数
y(-1)=x(-1)=0
复习：1.Z变换的定义
2.滞后定理： 3. 超前定理
Y ( z ) Z[ y ( t )]
k y ( kT ) z k 0
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
y(k) Cx(k)
故连续模型等效离散状态方程是：
x(k 1) Fx(x) Gu(k)
y(k
)
Cx(k
)
（5） （6）
（7）
（8）
二、包含延时的连续控制对象模型的离散化
设连续控制对象的模型为：
x(t) Ax(t) Bu(t )
y(t)
Cx(t)
（1）
（2）
将控制对象与保持器一起进行离散化处理，得到离散系统模型。
对式（1）求解：
x Ax Bu 两边同乘 e At ，得到 eAt (x Ax) eAt Bu 由于 eAt (x Ax) d [eAt x(t)]
dt
于是 d [eAt x(t)] eAt Bu dt
两边积分，有： t d [eA x( )]d t eA Bu( )d
u(kT lT T m ) u(kT lT T ) u(k l 1)
u T
K-l
K-l+1
k-l+2 t
当 m T 时，0 T m T
u(kT lT T m ) u(kT lT ) u(k l)
u
T
K-l
K-l+1
k-l+2 t
所以，有
x(k 1) eAT x(k) m eAdBu(k l 1) T eAdBu(k l)
t e A(t )Bu ( )d
t0
令 t0 kT, t (k 1)T ，由（2）式，得
x(k 1) eAT x(k) (k1)T eA(kT T )dBu(k) kT
（3） （4）
令 t kT T ，（4）式化为：
Hale Waihona Puke x(k 1) Fx(k) Gu(k)
其中 F eAT , G T eAtdtB 0
0
m
Fx(k) Gau(k l) Gbu(k l 1)
（11）
其中 F e AT
Ga
T e A dB
m
Gb
m e A dB
0
（12）
若令： F(t) eAt , G(t) t eA dB 0
则式（12）可以写成：
令 ( m )
F eAT F (T )
Ga
T e A dB
其中设 x 为 n 维状态向量，u 为 m 维控制向量，y 为 r 维输出向量， 是
控制作用的延迟时间（即：各控制量延时时间相等）。
设 lT m 0 m T l 0 的整数
含义：延迟时间不一定是采样周期的整数倍。 零阶保持器：
u(t) u(k) kT t (k 1)T
（2）
式（1）解为：
xn2
(k
)
u(k
l
1)
xnl (k) u(k 1)
令增广状态
x(k)
x
(k
)
xn1
(k
)
xnl (k)
则（6）式变为： x(k 1) Fx(k) Gu(k)
F G 0 0
0
0
I
0
其中 F
0
0
0
I
0 0 0 0
0 0 G 0 I
（7） （8）
式（1）中的输出方程离散化为：
第4章 基于状态空间模型的极点配置设计方法
基于状态空间模型设计控制系统方法： 1、极点配置方法*-----设计控制规律 设计观测器 2、最优设计方法-----最优控制和最优估计，即LQG（Linear Quadratic Gaussian）设计问题。
*设计方法基本思路：
模型
指标（极点）
设计
4.1 连续控制对象模型的离散化
令 xn1(k) u(k 1)
则
x(k 1) F
xn1
(k
1)
0
Ga 0
x(k) xn1 (k
)
Gb
I
u
(k
)
（14） （15）
上式中令：
x(k 1)
x
xn 1
(k
1),
F
F
0
Ga 0
,
G
Gb
I
同时令： C C 0
则标准离散状态方程为：
x (k 1) Fx (k) Gu(k) y(k) Cx (k)
t0 d
t0
其中
t d [eA x( )]d t d [eA x( )] eA x( ) t
t0 d
t0
t0
eAt x(t) eAt0 x(t0 )
因此，有：
eAt x(t) eAt0 x(t0 )
t eA Bu( )d
t0
两边同乘 e At ，有：
x(t) e A(tt0 ) x(t0 )
x(t) eA(tt0 ) x(t0 )
t e A(t )Bu ( )d
t0
上式中，令 t0 kT, t (k 1)T ，则
x(k 1) eAT x(k) (k1)T eA(kT T )Bu( )d kT
设 kT T , 0 T ，并将（2）式代入，有
x(k 1) eAT x(k) T eA Bu(kT T )d 0 eAT x(k) T eA Bu(kT T lT m )d 0
一、不带延时的连续控制对象模型的离散化
设连续控制对象的模型可用如下的状态方程描述：
x(t) Ax(t) Bu(t)
y(t
)
Cx(t)
（1）
其中设 x 为 n 维状态向量，u 为 m 维控制向量，y 为 r 维输出向量。 设在连续的对象前面有零阶保持器，即
u(t) u(k) kT t (k 1)T
m
T m e A(m )dB e Am
0
T m eA dB F (m)G(T m)
0
Gb
m eA dB G(m)
0
（13）
上式说明， F、Ga、Gb 的求解最终归结为计算矩阵指数及其积分。
通过增广矩阵将（11）式写成标准离散状态方程的形式：
（1）l = 1时：
式（11）变为： x(k 1) Fx(k) Gau(k 1) Gbu(k)
y(k) Cx(k) Cx(k)
其中 C C 0
于是，有
x (k 1) Fx (k) Gu(k) y(k) Cx (k)
（9） （10）
（二）当 m 0 时：
由（5）式： x(k 1) eAT x(k) T eA Bu(kT T lT m )d 0
当 0 m 时， 0 m T
（3） （4）
（5）
（一）当 m 0 时：
u(kT lT T ) u(kT lT ) u(k l)
u T
K-l
K-l+1
t
x(k 1) eAT x(k) T eAdBu(k l) 0 Fx(k) Gu(k l)
（6）
写成标准形式：
xn1(k) u(k l)
令