第一章計算機控制系統(tǒng)概述 1、計算機控制系統(tǒng)的概念是什么

計算機控制系統(tǒng)是以計算機技術(shù)、控制理論及自動化技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的結(jié)果，是以自動控制理論為基礎(chǔ)，以計算機為手段的控制系統(tǒng)。

2、計算機系統(tǒng)由哪些部分組成并畫出方框圖。

計算機控制系統(tǒng)由計算機、外部設(shè)備、操作臺、輸入通道、輸出通道、檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象以及相應(yīng)的軟件組成。

3、計算機控制系統(tǒng)的主要性能指標有哪些 穩(wěn)定性/動態(tài)指標/穩(wěn)態(tài)指標/能控性與能觀性 4、計算機控制系統(tǒng)的主要特點有哪些 各項連續(xù)控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)

信號形式都是模擬信號模擬信號、數(shù)字信號皆有 控制規(guī)律實現(xiàn)由模擬電路實現(xiàn)由計算機通過程序?qū)崿F(xiàn) 控制形式整個過程始終連續(xù)控制整個過程始終離散控制

控制器作用一個控制器控制一個回路一個控制器分時控制多個回路

功能強度簡單控制具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能自動化程度自動化程度低便于實現(xiàn)控制與管理的一體化

5、計算機控制系統(tǒng)是怎樣分類的按功能和控制規(guī)律可分為幾類 一、按控制系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特點分類 ①操作指導(dǎo)控制系統(tǒng) ②直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC ③監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC

④計算機分級控制 ⑤集散控制系統(tǒng)DCS ⑥現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

二、按控制規(guī)律分類 ①程序和順序控制 ② PID 控制 ③最少拍控制 ④復(fù)雜規(guī)律的控制 ⑤智能控制

第二章 離散控制系統(tǒng)及Z 變換分析法 1、計算機控制系統(tǒng)的信號形式有哪些

連續(xù)模擬信號:時間與幅值上均連續(xù)，如 r(t)、y(t)、u(t) 離散模擬信號:時間是離散的，幅值上連續(xù)，如y*(t)、u*(t) 離散數(shù)字信號:時間離散的，幅值為數(shù)字量，如y(kT)、u(kT)

2、香農(nóng)(Shannon)采樣定理是如何描述的

一個連續(xù)時間信號f(t)，設(shè)其頻帶寬度是有限的，其最高頻率為ωmax(或fmax)，如果在等間隔點上對該信號f(t)進行連續(xù)采樣，為了使采樣后的離散信號f *(t)能包含原信號f(t)的全部信息量。則采樣角頻率只有滿足下面的關(guān)系： ωs ≥2ωmax

采樣后的離散信號f *(t)才能夠無失真地復(fù)現(xiàn)f(t)。否則不能從f *(t)中恢復(fù)f(t)。其中，ωmax 是最高角頻率，ωs 是采樣角頻率。它與采樣頻率fs 、采樣周期T 的關(guān)系為：

3、簡述信號的恢復(fù)過程。零階保持器的作用是什么其傳遞函數(shù)形式是什么

零階保持器作用：將前一個采樣時刻的采樣值f(kT)恒定地保持到下一個采樣時刻(k+1)T 。也就是說在區(qū)間[ kT ，(k+1)T ]內(nèi)零價保持器的輸出為常數(shù)。 零階保持器的傳遞函數(shù)

設(shè)零階保持器在(t)作用下的脈沖響應(yīng)h(t)，而h(t)又可以看成單位階躍函數(shù)1(t)與1(t-T)的迭加即：h(t)=1(t)-1(t-T)。

取拉氏變換，得零階保持器的傳遞函數(shù): 4、掌握常用信號的Z 變換 T f s s π

πω22= =1()Ts e H s s --=

6、Z變換的滯后定理和超前定理是如何描述的

9、脈沖傳遞函數(shù)定義是什么 之比。

Y(z) G(z)= R(z )

10、開環(huán)Z 傳遞函數(shù)的求法：

零初始條件下，離散輸出信號的Z 變換與離散輸入信號的Z變換

15、采樣系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是什么

采樣系統(tǒng)穩(wěn)定的條件：閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)的極點均位于z 平面上

以原點為圓心的單位圓內(nèi)。即|zi|<1 16、

17、

求該系統(tǒng)在三種典型信號的作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。 0.368(0.718)()1(1)(0.368) z G Z T s z z += =--

18、掌握計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析：勞斯判據(jù)。

19、已知一采樣控制系統(tǒng)，試求： (1)系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)。 (2)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)系統(tǒng)對階躍輸入和斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差。

第三、四章計算機控制系統(tǒng)的離散化設(shè)計 1、D(z)的設(shè)計方法常見有哪兩種

（1）離散化設(shè)計方法－－直接設(shè)計方法（重點）

思想：已知被控對象的Z傳遞函數(shù)G(Z) ，根據(jù)所要求的性能指標，設(shè)計數(shù)字控制器。（2）連續(xù)化設(shè)計方法－－間接設(shè)計方法

思想：先設(shè)計控制器的傳遞函數(shù)D(s)，然后采用某種離散化方法，將它變成計算機算法。

2、最少拍系統(tǒng)概念最少拍控制中主要研究哪三種類型的設(shè)計方法 最少拍設(shè)計：就是系統(tǒng)在典型輸入下，設(shè)計數(shù)字控制器D(z) 使閉環(huán)系統(tǒng)輸出在最少個采樣周期內(nèi)能準確跟蹤輸入（或系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)誤差為0）。

(1)最少拍控制器的設(shè)計：系統(tǒng)無誤差，簡單，但是本身缺陷多。 (2)最少拍有紋波控制器的設(shè)計：系統(tǒng)無誤差，考慮了系統(tǒng)穩(wěn)定性，但輸出有紋波。

(3)最少拍無紋波控制器的設(shè)計：系統(tǒng)無誤差，考慮了系統(tǒng)穩(wěn)定性，輸出無紋波。

3、簡述數(shù)字控制器的離散化設(shè)計步驟。 （1）求廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)G(z);

（2）根據(jù)控制系統(tǒng)的性能指標要求和其它約束條件，確定所需要的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)Ф(z)和閉環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù)Фe(z);

（3）求取數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)D(z)；

（4）根據(jù)D(z)求取控制算法的遞推計算公式，就可編寫控制算法程序。

4、不同輸入時，最少拍控制器設(shè)計綜合：

5、最少拍控制器的局限性體現(xiàn)在哪幾個方面

但對其他典型輸入不一定為最少拍，甚至引起靜差和超調(diào)：

最少拍控制器的設(shè)計只是使系統(tǒng)對某一典型輸入的響應(yīng)為最少拍，

當針對某一典型的輸入函數(shù)R(z)設(shè)計的D(z)，用于次數(shù)較高的R(z)，系統(tǒng)將不能完全跟蹤，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。

當針對某一典型的輸入函數(shù)R(z)設(shè)計的D(z)，用于次數(shù)較低的R(z)，系統(tǒng)將出現(xiàn)超調(diào)；

顯然，一種典型的最少拍控制器只適應(yīng)一種特定的輸入，而不能適用于各種輸入。

6、最少拍有紋波控制器的設(shè)計

7、實例：設(shè)計最少拍有紋波控制系統(tǒng)。

8、最小拍有紋波控制器出現(xiàn)紋波的原因

數(shù)字控制器輸出u(k)在若干拍后，不為0或常值，是震蕩收斂的。 9、最小拍有紋波控制器出現(xiàn)紋波后對系統(tǒng)有什么影響消除紋波辦法 輸出在采樣點之間有偏差；增加了執(zhí)行元件的功率損耗和機械元件的磨損。

最小拍無紋波控制器能夠消除輸出紋波。 10、有紋波和無紋波設(shè)計唯一區(qū)別是什么 有紋波和無紋波設(shè)計唯一區(qū)別在于：

有紋波設(shè)計時， 包含G(z)單位圓上和單位圓外的零點； 無波紋設(shè)計時， 包含G(z)單位圓內(nèi)、單位圓上、單位圓外的所有零點。

)(z Φ) (z Φ

第五章計算機控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計

1．模擬控制器的離散化方法有哪些各有什么特點 1、沖激不變法

2、加零階保持器的Z變換法（常用） 3、差分變換法 4、雙線性變換法

5、頻率預(yù)畸變雙線性變換法 6、零極點匹配法 沖激不變法的特點：

①D(z)與D(s)的脈沖響應(yīng)相同。 ②若D(s)穩(wěn)定，則D(z)也穩(wěn)定。

③D(z)不能保持D(s)的頻率響應(yīng)。（缺點）

④D(z)將ωs的整數(shù)倍頻率變換到Z平面上的同一個點的頻率，因而出現(xiàn)了混疊現(xiàn)象。（缺點）

加零階保持器Z變換法的特點： ①若D(s)穩(wěn)定，則D(z)也穩(wěn)定。

②D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。（缺點） 后向差分變換法的特點： ①穩(wěn)定的D(s)變換成穩(wěn)定的D(z)。 ②D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。（缺點） 前向差分變換法的特點：

穩(wěn)定的D(s)不能保證變換成穩(wěn)定的D(z)，且不能保證有相同的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。 雙線性變換的特點：

①將整個S 平面的左半面變換到Z 平面的單位圓內(nèi)，因而沒有混疊效應(yīng)。

②穩(wěn)定的D(s)變換成穩(wěn)定的D(z)。

③D(z)不能保持D(s)的脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)。（缺點）

2．什么叫模擬PID 調(diào)節(jié)器的數(shù)字實現(xiàn)它對采樣周期有什么要求理由何在

3．位置式PID 算法和增量式PID 算法是什么各有什么樣的優(yōu)缺點 1．位置式

2、增量式

當執(zhí)行機構(gòu)不需要控制量的全值，而是其增量，由位置式可 () ()(1)

()[()()] =()()()-(-1)I k P D j I k P D j T

e k e k u k K e k e j T T T K e k K e j K e k e k ==--=+ +++∑∑()()()

P I D u k u k u k =++ 以導(dǎo)出增量PID 控制算法。

利用增量型PID 控制算法，可得到位置型PID 控制算法的遞推形式，即

兩者本質(zhì)相同，只是后者需要使用有附加積分作用的執(zhí)行機構(gòu)。但有

如下優(yōu)點：

(1)計算機只輸出控制增量，即執(zhí)行機構(gòu)位置的變化部分，因而誤動作影響小；

(2)在k 時刻的增量輸出△u(k)，只需用到此時刻的偏差e(k)、以及前一時刻的偏差e(k-1)、前兩時刻的偏差e(k-2)，這大大節(jié)約了內(nèi)存和計算時間；

(3)在進行手動——自動切換時，控制量沖擊小，能夠較平滑地過渡；

4．試描述PID 調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)，積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)的變化對閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的影響（分別對動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能影響）。

1、比例控制對系統(tǒng)性能的影響 對動態(tài)性能影響

(){()()[()(1)]}k D P j I T T

u k K e k e j e k e k T T ==+ + --∑10

(1){(1)()[(1)(2)]}k D P j I T T

u k K e k e j e k e k T T -=-=-+ +

---∑(){[()(1)]()[()2(1)(2)]}D P I T T u k K e k e k e k e k e k e k T T =--+

+--+-)()1()(k u k u k u ?+-=

Kp加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快；但當Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；當Kp太小時，使系統(tǒng)動作緩慢。

對穩(wěn)態(tài)性能影響

加大比例控制Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。

2、積分控制Ti對系統(tǒng)性能的影響 對動態(tài)性能影響

積分控制Ti通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。當Ti太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；當Ti小時，對系統(tǒng)的性能影響減少。當Ti合適時，過渡特性比較理想。

對穩(wěn)態(tài)性能影響

Ti能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但Ti太大時，積分作

用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。

3、微分控制Td對系統(tǒng)性能的影響 對動態(tài)性能影響

微分可以改善動態(tài)特性，如減少超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間縮短等。 對穩(wěn)態(tài)性能影響

微分控制中允許加大比例控制，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。但Td太大時，超調(diào)量較大、調(diào)節(jié)時間較長。Td偏小時，超調(diào)量也較大、調(diào)節(jié)時間也較長。只有合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。

5．PID 參數(shù)整定有些什么樣的方法它們各自的特點和適應(yīng)范圍如何

試湊法（常用） 擴充臨界比例度法 歸一參數(shù)整定法 擴充響應(yīng)曲線法 優(yōu)選法

變參數(shù)的PID 控制（常用） 各自特點和適應(yīng)范圍：略 第六章 離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間分析法

1、線性離散系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間表達式的表示形式 狀態(tài)方程 輸出方程

2、由差分方程導(dǎo)出離散狀態(tài)空間表達式： 1.(2)0.2()0.5()() 2.(3)0.5(2)0.2()()() 1.2()

y kT T y kT T y kT u kT y kT T y kT T y kT T y kT u kT T u kT ++++=++++++=++

第十二章 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1． 簡述計算機控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計的主要內(nèi)容 1．研究被控對象、確定控制任務(wù) 2．確定系統(tǒng)整體方案 (1)確定系統(tǒng)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu) (2)確定執(zhí)行機構(gòu)方案

(3)控制系統(tǒng)總體“黑箱”設(shè)計

(4)控制系統(tǒng)層次以及硬件、軟件功能劃分 3．建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法 4．硬件的設(shè)計

(1)確定過程的輸入、輸出通道及其處理方式 (2)計算機系統(tǒng)選擇 (3)過程通道及接口設(shè)計 (4)控制臺設(shè)計 (5)可靠性設(shè)計 (6)硬件調(diào)試 5．軟件的設(shè)計 （1）選擇編程語言

①匯編語言 ②高級語言 ③混合語言

（2）軟件設(shè)計步驟 ①問題定義 ②細化設(shè)計 ③編制源程序 ④形成可執(zhí)行代碼 ⑤調(diào)試

6．系統(tǒng)仿真與調(diào)試 (1) 實驗室硬件聯(lián)調(diào) (2) 實驗室軟件聯(lián)調(diào) (3) 實驗室系統(tǒng)仿真 7．現(xiàn)場安裝調(diào)試

2．簡述過程輸入輸出通道的分類，組成及功能。 一、過程輸入輸出通道的組成與功能

根據(jù)過程信息的性質(zhì)及傳送方向，過程通道包括：模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道。

計算機控制生產(chǎn)現(xiàn)場的控制通道也有兩種:即模擬量輸出通道及數(shù)字量輸出通道。

功能

3．簡述計算機控制系統(tǒng)的主要抗干擾措施。 1．接地技術(shù)

2．屏蔽技術(shù)3．隔離技術(shù)4．串模干擾的抑制 5．共模干擾的抑制 6．電源噪聲的抑制 7．提高軟件可靠性