計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課后習(xí)題答案王平.docx
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計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課后習(xí)題第1版 王平 第一章 1．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由哪些部分組成？并畫(huà)出方框圖。 解： 若將自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制器的功能用計(jì)算機(jī)或數(shù)字控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其基本框圖如圖1-1所示。因此，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)就是由各種各樣的計(jì)算機(jī)參與控制的一類系統(tǒng)。 r 給定值 計(jì)算機(jī) - 被控量 控制器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象 傳感器 D/A 圖1-1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本原理圖 A/D 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)執(zhí)行預(yù)定的控制程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制?？刂破髋c執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間是DA轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)；AD轉(zhuǎn)換器則相反將傳感器采集的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給控制器。 2．計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與其所控制的對(duì)象、采取的控制方法密切相關(guān)。因此，計(jì)算機(jī)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(jìn)行分類。 按功能及結(jié)構(gòu)分類：操作指導(dǎo)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)、綜合自動(dòng)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(jiǎn)稱PID控制)、最少拍控制、復(fù)雜規(guī)律的控制、智能控制。 3．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有哪些？ 解： 主要有以下特點(diǎn)： 1．?dāng)?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(hào)是連續(xù)模擬信號(hào)。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，除仍有連續(xù)模擬信號(hào)外，還有離散信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等多種信號(hào)。因此，計(jì)算機(jī)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(yīng)性強(qiáng)。一般的模擬控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由硬件電路實(shí)現(xiàn)的，控制規(guī)律越復(fù)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)執(zhí)行預(yù)定的控制程序就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制，需要改變控制規(guī)律時(shí)，一般不對(duì)硬件電路作改動(dòng)，只要改變控制程序就可以了。 3．可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。計(jì)算機(jī)具有豐富的指令系統(tǒng)和很強(qiáng)的邏輯判斷功能，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電路不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)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(jìn)行的，控制器對(duì)產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調(diào)節(jié)的。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)每隔一定時(shí)間間隔，向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，并對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣獲得離散時(shí)間信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，產(chǎn)生的控制時(shí)間信號(hào)通過(guò)D/A將離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)時(shí)間信號(hào)輸出，作用于被控對(duì)象。因此，計(jì)算機(jī)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(shí)控制。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，一般是一個(gè)控制器控制一個(gè)回路。而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)具有高速的計(jì)算處理能力，一個(gè)數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r(shí)控制的方式，同時(shí)控制多個(gè)回路。 6．易于實(shí)現(xiàn)管控一體化。采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制信息的全數(shù)字化，易于建立集成企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)管理和過(guò)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(guò)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(dòng)化系統(tǒng)。 4．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有哪些？ 解： 1．穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是對(duì)控制系統(tǒng)最重要的要求之一。一個(gè)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(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性分析同樣是一個(gè)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(lái)分析計(jì)算機(jī)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(lái)衡量計(jì)算機(jī)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(gè)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(cè)能力兩個(gè)方面揭示了控制系統(tǒng)的兩個(gè)基本問(wèn)題。 3．動(dòng)態(tài)指標(biāo) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)能夠比較直觀地反映控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程特性。在經(jīng)典控制理論的時(shí)域分析中用時(shí)域指標(biāo)來(lái)衡量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的好壞，常用指標(biāo)有：延遲時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。通常用和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的初始響應(yīng)速度，用評(píng)價(jià)系統(tǒng)的總體響應(yīng)速度和平穩(wěn)程度，用評(píng)價(jià)系統(tǒng)的平穩(wěn)性。 當(dāng)利用頻率特性進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，常用頻域指標(biāo)來(lái)衡量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)劣。在用開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，常用靜態(tài)速度誤差系數(shù)、相角裕量、幅值裕量和開(kāi)環(huán)截止頻率等指標(biāo)；而用閉環(huán)頻率特性設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，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(biāo)。 4．穩(wěn)態(tài)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)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(lái)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(jìn)行測(cè)定或計(jì)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(duì)于跟蹤給定信號(hào)準(zhǔn)確性的定量描述。希望越小越好。 5．積分型指標(biāo) 在現(xiàn)代控制理論中，經(jīng)常使用綜合性指標(biāo)來(lái)衡量控制系統(tǒng)的性能。積分型指標(biāo)是主要的綜合性指標(biāo)之一，它主要以誤差對(duì)時(shí)間的不同積分來(lái)表征，有誤差平方的積分、時(shí)間乘誤差(或乘誤差絕對(duì)值)平方的積分、時(shí)間平方乘誤差(或乘誤差絕對(duì)值)平方的積分、誤差絕對(duì)值的積分以及加權(quán)二次型性能指標(biāo)等。 5．控制對(duì)象對(duì)控制性能有何影響？ 解： 假設(shè)控制對(duì)象的特性歸結(jié)為對(duì)象放大系數(shù)和擾動(dòng)放大系數(shù)、慣性時(shí)間常數(shù)和、純滯后時(shí)間常數(shù)和，而控制系統(tǒng)的性能采用超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、和穩(wěn)態(tài)誤差等來(lái)表征。根據(jù)控制理論知識(shí)可以得出如下結(jié)論： 1．放大系數(shù)對(duì)控制性能的影響 擾動(dòng)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，故希望盡可能小；而由于完全可以由數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)來(lái)補(bǔ)償，所以對(duì)系統(tǒng)的性能沒(méi)有影響。 2．慣性時(shí)間常數(shù)對(duì)控制性能的影響 當(dāng)加大或慣性環(huán)節(jié)的階次增加時(shí)，可以減少超調(diào)量；而越小，系統(tǒng)的反應(yīng)就越靈敏，控制也就越及時(shí)，控制性能就越好。 3．純滯后時(shí)間對(duì)控制性能的影響 擾動(dòng)通道的純滯后時(shí)間對(duì)控制系統(tǒng)的性能沒(méi)有影響，只是使輸出量沿時(shí)間軸平移了；而控制通道的純滯后時(shí)間使控制系統(tǒng)的超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，純滯后時(shí)間越大，控制性能就越差。 6．綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)？ 解： 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)，以生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理為核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在線成本的預(yù)測(cè)、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(guò)程的優(yōu)化運(yùn)行；實(shí)施生產(chǎn)全過(guò)程的優(yōu)化調(diào)度、統(tǒng)一指揮，以形成生產(chǎn)指揮中心，保證生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控，以形成質(zhì)量管理體系和設(shè)備保證體系，保證生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化管理。因此，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(jié)構(gòu)，即劃分為考慮生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題的生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)PCS（Process Control System）；考慮企業(yè)層面經(jīng)營(yíng)管理問(wèn)題的企業(yè)資源計(jì)劃ERP（Enterprise Resource Planning）系統(tǒng)以及同時(shí)考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問(wèn)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(gè)層次。 圖1-2 綜合自動(dòng)化系統(tǒng)分層模型 7．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)所涉及的整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)框架？ 8．信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的推動(dòng)作用？ 9．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向主要表現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？ 1．結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化 以網(wǎng)絡(luò)為依托，采取縱向分層、橫向分散的策略，將控制區(qū)域內(nèi)的各種設(shè)備連接在一起，使各組成部分協(xié)調(diào)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(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和管理，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接成一個(gè)有機(jī)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(chǎng)信息，便于進(jìn)行適當(dāng)而及時(shí)的決策，提高了系統(tǒng)的有效性和效率。 3．節(jié)點(diǎn)智能化 控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成為具有誤差補(bǔ)償、故障診斷、功能自治等特征的網(wǎng)絡(luò)化智能節(jié)點(diǎn)，使控制系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程系統(tǒng)調(diào)試、在線設(shè)備管理、實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控、故障自動(dòng)修復(fù)等能力，以適應(yīng)降低控制系統(tǒng)使用和維護(hù)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(chǎng)總線往往有自己的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域，2007年10月各國(guó)IEC委員會(huì)投票通過(guò)的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(zhēng)的事實(shí)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常集成多種現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)無(wú)線技術(shù)共同構(gòu)建控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成來(lái)看，經(jīng)常采用集成生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)的多層次遞階控制系統(tǒng)。 習(xí)題二 1．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述分為幾類？ 解： 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的描述方法可分為：一是將連續(xù)的被控對(duì)象離散化－－等效的離散系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后在離散系統(tǒng)的范疇內(nèi)分析整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)；二是將數(shù)字控制器等效為一個(gè)連續(xù)環(huán)節(jié)，然后采用連續(xù)系統(tǒng)的方法來(lái)分析與設(shè)計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述的建立過(guò)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(guò)程。 2．采樣信號(hào)的物理意義是什么？ 解： 對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)采樣的物理意義可以有兩種解釋。其一為連續(xù)時(shí)間信號(hào)被單位脈沖序列作了離散時(shí)間調(diào)制；其二為單位脈沖序列被連續(xù)時(shí)間信號(hào)作了幅值加權(quán)。這兩種解釋是等價(jià)的，如圖2-1所示。 圖2-1 采樣信號(hào)的物理意義 3．采樣定理與信號(hào)復(fù)現(xiàn)的關(guān)系是什么？ 解： 采樣定理從理論上指明了從采樣信號(hào)中恢復(fù)原連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t) 的條件，可以注意到，信號(hào)的復(fù)現(xiàn)需要通過(guò)一個(gè)理想的低通濾波器才可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)于頻譜豐富的時(shí)間信號(hào)，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(hào)恢復(fù)為連續(xù)信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)恢復(fù)與保持所依據(jù)的是信號(hào)定值外推理論。 4．設(shè)采樣周期為T(mén)，試求以下連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)。 解：1、 5．已知，試分別求出他們中間沒(méi)有采樣開(kāi)關(guān)隔開(kāi)時(shí)，和中間有采樣開(kāi)關(guān)隔開(kāi)時(shí)的脈沖傳遞函數(shù)。 解：有采樣開(kāi)關(guān)： 無(wú)采樣開(kāi)關(guān)： 6．設(shè)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(jié)構(gòu)圖 解： 7．設(shè)采樣控制系統(tǒng)的特征方程如下所示，試確定相應(yīng)系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性。 解： 8．設(shè)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下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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