計算機控制技術課后習題答案王平.docx
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計算機控制技術課后習題第1版 王平 第一章 1．計算機系統(tǒng)由哪些部分組成？并畫出方框圖。 解： 若將自動控制系統(tǒng)中控制器的功能用計算機或數(shù)字控制裝置來實現(xiàn)，就構成了計算機控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-1所示。因此，簡單說來，計算機控制系統(tǒng)就是由各種各樣的計算機參與控制的一類系統(tǒng)。 r 給定值 計算機 - 被控量 控制器 執(zhí)行機構 被控對象 傳感器 D/A 圖1-1 計算機控制系統(tǒng)基本原理圖 A/D 在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件實現(xiàn)的，計算機執(zhí)行預定的控制程序就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。控制器與執(zhí)行機構之間是DA轉換器，負責將數(shù)字信號轉換成模擬信號；AD轉換器則相反將傳感器采集的模擬信號，轉換成數(shù)字信號送給控制器。 2．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？ 解： 計算機控制系統(tǒng)與其所控制的對象、采取的控制方法密切相關。因此，計算機控制系統(tǒng)的分類方法很多，可以按照系統(tǒng)的功能、控制規(guī)律或控制方式等進行分類。 按功能及結構分類：操作指導控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)。 按照控制規(guī)律分類：程序和順序控制、比例積分微分控制(簡稱PID控制)、最少拍控制、復雜規(guī)律的控制、智能控制。 3．計算機控制系統(tǒng)的主要特點有哪些？ 解： 主要有以下特點： 1．數(shù)字模擬混合的系統(tǒng)。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，各處的信號是連續(xù)模擬信號。而在計算機控制系統(tǒng)中，除仍有連續(xù)模擬信號外，還有離散信號、數(shù)字信號等多種信號。因此，計算機控制系統(tǒng)是模擬和數(shù)字的混合系統(tǒng)。 2．靈活方便、適應性強。一般的模擬控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由硬件電路實現(xiàn)的，控制規(guī)律越復雜，所需要的模擬電路往往越多，如果要改變控制規(guī)律，一般就必須更改硬件電路。而在計算機控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實現(xiàn)的，計算機執(zhí)行預定的控制程序就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制，需要改變控制規(guī)律時，一般不對硬件電路作改動，只要改變控制程序就可以了。 3．可實現(xiàn)復雜控制規(guī)律。計算機具有豐富的指令系統(tǒng)和很強的邏輯判斷功能，能夠實現(xiàn)模擬電路不能實現(xiàn)的復雜控制規(guī)律。 4．離散控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，給定值與反饋值的比較是連續(xù)進行的，控制器對產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調節(jié)的。而在計算機控制系統(tǒng)中，計算機每隔一定時間間隔，向A/D轉換器發(fā)出啟動轉換信號，并對連續(xù)信號進行采樣獲得離散時間信號，經(jīng)過計算機處理后，產(chǎn)生的控制時間信號通過D/A將離散信號轉換成連續(xù)時間信號輸出，作用于被控對象。因此，計算機控制系統(tǒng)并不是連續(xù)控制的，而是離散控制的。 5．可以采用分時控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個控制器控制一個回路。而在計算機控制系統(tǒng)中，由于計算機具有高速的計算處理能力，一個數(shù)字控制器經(jīng)常可以采用分時控制的方式，同時控制多個回路。 6．易于實現(xiàn)管控一體化。采用計算機控制系統(tǒng)可實現(xiàn)控制信息的全數(shù)字化，易于建立集成企業(yè)經(jīng)營管理、生產(chǎn)管理和過程控制于一體的管控一體化系統(tǒng)。即建立集成了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的綜合自動化系統(tǒng)。 4．計算機控制系統(tǒng)的主要性能指標有哪些？ 解： 1．穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最重要的要求之一。一個控制系統(tǒng)只有穩(wěn)定，才有可能工作，也才能談得上控制性能的好壞與優(yōu)劣。因此，對于計算機控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性分析同樣是一個重要的方面。通常采用控制理論中的離散系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法（如變換域的勞斯判據(jù)）來分析計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用穩(wěn)定裕量(即相角裕量和幅值裕量)來衡量計算機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。 2．能控性與能觀性 能控性和能觀性是現(xiàn)代控制理論中兩個非常重要的概念，它們從控制系統(tǒng)狀態(tài)的控制能力和狀態(tài)的觀測能力兩個方面揭示了控制系統(tǒng)的兩個基本問題。 3．動態(tài)指標 動態(tài)指標能夠比較直觀地反映控制系統(tǒng)的動態(tài)過渡過程特性。在經(jīng)典控制理論的時域分析中用時域指標來衡量控制系統(tǒng)動態(tài)性能的好壞，常用指標有：延遲時間、上升時間、峰值時間、調節(jié)時間、超調量。在實際應用中，常用的動態(tài)性能指標為上升時間、調節(jié)時間和超調量。通常用和評價系統(tǒng)的初始響應速度，用評價系統(tǒng)的總體響應速度和平穩(wěn)程度，用評價系統(tǒng)的平穩(wěn)性。 當利用頻率特性進行控制系統(tǒng)的分析和設計時，常用頻域指標來衡量控制系統(tǒng)動態(tài)性能的優(yōu)劣。在用開環(huán)對數(shù)頻率特性設計控制系統(tǒng)時，常用靜態(tài)速度誤差系數(shù)、相角裕量、幅值裕量和開環(huán)截止頻率等指標；而用閉環(huán)頻率特性設計控制系統(tǒng)時，常采用靜態(tài)速度誤差系數(shù)、閉環(huán)諧振峰值、閉環(huán)諧振頻率和閉環(huán)頻帶寬度等指標。 4．穩(wěn)態(tài)指標 穩(wěn)態(tài)指標是控制系統(tǒng)控制精度或抗干擾能力的一種度量，常用穩(wěn)態(tài)誤差來表征。通常在階躍函數(shù)、斜坡函數(shù)或加速度函數(shù)作用下進行測定或計算，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出量與期望值之間的差值，是系統(tǒng)對于跟蹤給定信號準確性的定量描述。希望越小越好。 5．積分型指標 在現(xiàn)代控制理論中，經(jīng)常使用綜合性指標來衡量控制系統(tǒng)的性能。積分型指標是主要的綜合性指標之一，它主要以誤差對時間的不同積分來表征，有誤差平方的積分、時間乘誤差(或乘誤差絕對值)平方的積分、時間平方乘誤差(或乘誤差絕對值)平方的積分、誤差絕對值的積分以及加權二次型性能指標等。 5．控制對象對控制性能有何影響？ 解： 假設控制對象的特性歸結為對象放大系數(shù)和擾動放大系數(shù)、慣性時間常數(shù)和、純滯后時間常數(shù)和，而控制系統(tǒng)的性能采用超調量、調節(jié)時間、和穩(wěn)態(tài)誤差等來表征。根據(jù)控制理論知識可以得出如下結論： 1．放大系數(shù)對控制性能的影響 擾動通道的放大系數(shù)越小，穩(wěn)態(tài)誤差也越小，控制精度就越高，故希望盡可能?。欢捎谕耆梢杂蓴?shù)字調節(jié)器的比例系數(shù)來補償，所以對系統(tǒng)的性能沒有影響。 2．慣性時間常數(shù)對控制性能的影響 當加大或慣性環(huán)節(jié)的階次增加時，可以減少超調量；而越小，系統(tǒng)的反應就越靈敏，控制也就越及時，控制性能就越好。 3．純滯后時間對控制性能的影響 擾動通道的純滯后時間對控制系統(tǒng)的性能沒有影響，只是使輸出量沿時間軸平移了；而控制通道的純滯后時間使控制系統(tǒng)的超調量增大，調節(jié)時間延長，純滯后時間越大，控制性能就越差。 6．綜合自動化系統(tǒng)的體系結構？ 解： 綜合自動化系統(tǒng)是以經(jīng)濟指標為目標，以生產(chǎn)過程優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理為核心技術，實現(xiàn)在線成本的預測、控制和反饋校正，以形成生產(chǎn)成本控制中心，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化運行；實施生產(chǎn)全過程的優(yōu)化調度、統(tǒng)一指揮，以形成生產(chǎn)指揮中心，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制；實現(xiàn)生產(chǎn)過程的質量跟蹤、安全監(jiān)控，以形成質量管理體系和設備保證體系，保證生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。因此，綜合自動化系統(tǒng)一般來說是一個多層次遞階的集成控制系統(tǒng)，通常分為如圖1-2所示的ERP/MES/PCS/三層模型結構，即劃分為考慮生產(chǎn)過程問題的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）；考慮企業(yè)層面經(jīng)營管理問題的企業(yè)資源計劃ERP（Enterprise Resource Planning）系統(tǒng)以及同時考慮生產(chǎn)與管理結合問題的中間層――生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System，又稱制造執(zhí)行系統(tǒng)）三個層次。 圖1-2 綜合自動化系統(tǒng)分層模型 7．計算機控制技術所涉及的整個知識結構框架？ 8．信息網(wǎng)絡對控制網(wǎng)絡的推動作用？ 9．計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展動向主要表現(xiàn)在哪幾個方面？ 1．結構網(wǎng)絡化 以網(wǎng)絡為依托，采取縱向分層、橫向分散的策略，將控制區(qū)域內的各種設備連接在一起，使各組成部分協(xié)調工作，共同完成控制、管理和決策功能。 2．控制分散化 將控制功能下放到現(xiàn)場設備，現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)的處理和管理，大大提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。同時，通過網(wǎng)絡將各個現(xiàn)場設備連接成一個有機的整體，又保證了上層決策系統(tǒng)可以得到大量豐富的現(xiàn)場信息，便于進行適當而及時的決策，提高了系統(tǒng)的有效性和效率。 3．節(jié)點智能化 控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行器等現(xiàn)場設備成為具有誤差補償、故障診斷、功能自治等特征的網(wǎng)絡化智能節(jié)點，使控制系統(tǒng)具備遠程系統(tǒng)調試、在線設備管理、實時生產(chǎn)監(jiān)控、故障自動修復等能力，以適應降低控制系統(tǒng)使用和維護成本、提高系統(tǒng)可靠性和易用性的要求。 4．系統(tǒng)集成化 每種現(xiàn)場總線往往有自己的技術特點與應用領域，2007年10月各國IEC委員會投票通過的現(xiàn)場總線國際標準IEC 61158第四版中納入了18種總線類型，多種總線共存已經(jīng)成為不爭的事實。從系統(tǒng)結構來看，實際應用中經(jīng)常集成多種現(xiàn)場總線、工業(yè)無線技術共同構建控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成來看，經(jīng)常采用集成生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)的多層次遞階控制系統(tǒng)。 習題二 1．計算機控制系統(tǒng)的數(shù)學描述分為幾類？ 解： 計算機控制系統(tǒng)的描述方法可分為：一是將連續(xù)的被控對象離散化－－等效的離散系統(tǒng)數(shù)學模型，然后在離散系統(tǒng)的范疇內分析整個閉環(huán)系統(tǒng)；二是將數(shù)字控制器等效為一個連續(xù)環(huán)節(jié)，然后采用連續(xù)系統(tǒng)的方法來分析與設計整個控制系統(tǒng)。一般來說，前一種方法使用較為普遍。本章即根據(jù)前一種方法，介紹計算機控制系統(tǒng)數(shù)學描述的建立過程。至于后一種方法可參考連續(xù)系統(tǒng)控制理論的建立過程。 2．采樣信號的物理意義是什么？ 解： 對連續(xù)時間信號采樣的物理意義可以有兩種解釋。其一為連續(xù)時間信號被單位脈沖序列作了離散時間調制；其二為單位脈沖序列被連續(xù)時間信號作了幅值加權。這兩種解釋是等價的，如圖2-1所示。 圖2-1 采樣信號的物理意義 3．采樣定理與信號復現(xiàn)的關系是什么？ 解： 采樣定理從理論上指明了從采樣信號中恢復原連續(xù)時間信號x(t) 的條件，可以注意到，信號的復現(xiàn)需要通過一個理想的低通濾波器才可以實現(xiàn)。同時，對于頻譜豐富的時間信號，頻譜成分的上限頻率是不存在的。而工程上采用的將采樣信號恢復為連續(xù)信號的裝置稱為保持器。所以，保持器是可以起到近似低通濾波器作用的工程器件。實現(xiàn)信號恢復與保持所依據(jù)的是信號定值外推理論。 4．設采樣周期為T，試求以下連續(xù)時間系統(tǒng)被控對象的脈沖傳遞函數(shù)。 解：1、 5．已知，試分別求出他們中間沒有采樣開關隔開時，和中間有采樣開關隔開時的脈沖傳遞函數(shù)。 解：有采樣開關： 無采樣開關： 6．設有閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)如圖2-27所示，試求出該系統(tǒng)閉脈沖傳遞函數(shù)。 圖2-27 閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)結構圖 解： 7．設采樣控制系統(tǒng)的特征方程如下所示，試確定相應系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性。 解： 8．設采樣控制系統(tǒng)的特征方程為，試決定為保證系統(tǒng)穩(wěn)定k的取值范圍。 解： W3 1+2.5K 3-2.5K W2 3-0.5K - -0.5K W1 = W0 -0.5k 所以：-0.4
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