計算機(jī)控制技術(shù)課后習(xí)題第1版 王平第一章1計算機(jī)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(jī)或數(shù)字控制裝置來實現(xiàn)，就構(gòu)成了計算機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)就是由各種各樣的計算機(jī)參與控制的一類系統(tǒng)。 r給定值計算機(jī) -被控量控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象傳感器D/A圖1-1 計算機(jī)控制系統(tǒng)基本原理圖A/D在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是用軟件實現(xiàn)的，計算機(jī)執(zhí)行預(yù)定的控制程序就能實現(xiàn)對被控參數(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)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；AD轉(zhuǎn)換器則相反將傳感器采集的模擬信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給控制器。2計算機(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：計算機(jī)控制系統(tǒng)與其所控制的對象、采取的控制方法密切相關(guān)。因此，計算機(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(fù)雜規(guī)律的控制、智能控制。3計算機(jī)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(jī)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(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。而在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實現(xiàn)的，計算機(jī)執(zhí)行預(yù)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(fù)雜控制規(guī)律。計算機(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，控制器對產(chǎn)生的偏差也是連續(xù)調(diào)節(jié)的。而在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，計算機(jī)每隔一定時間間隔，向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換信號，并對連續(xù)信號進(jìn)行采樣獲得離散時間信號，經(jīng)過計算機(jī)處理后，產(chǎn)生的控制時間信號通過D/A將離散信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)時間信號輸出，作用于被控對象。因此，計算機(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(jī)控制系統(tǒng)中，由于計算機(jī)具有高速的計算處理能力，一個數(shù)字控制器經(jīng)?？梢圆捎梅謺r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(jī)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(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(jī)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(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)來衡量計算機(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(biāo) 動態(tài)指標(biāo)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(biāo)來衡量控制系統(tǒng)動態(tài)性能的好壞，常用指標(biāo)有：延遲時間、上升時間、峰值時間、調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量。在實際應(yīng)用中，常用的動態(tài)性能指標(biāo)為上升時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。通常用和評價系統(tǒng)的初始響應(yīng)速度，用評價系統(tǒng)的總體響應(yīng)速度和平穩(wěn)程度，用評價系統(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)計時，常用頻域指標(biāo)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(shè)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(biāo)；而用閉環(huán)頻率特性設(shè)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(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(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(quán)二次型性能指標(biāo)等。5控制對象對控制性能有何影響？解：假設(shè)控制對象的特性歸結(jié)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(diào)量、調(diào)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(jié)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，故希望盡可能小；而由于完全可以由數(shù)字調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)來補(bǔ)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(dāng)加大或慣性環(huán)節(jié)的階次增加時，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，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(diào)量增大，調(diào)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(jié)構(gòu)？解：綜合自動化系統(tǒng)是以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)，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(shù)，實現(xiàn)在線成本的預(yù)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(diào)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(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(jié)構(gòu)，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(jié)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(jī)控制技術(shù)所涉及的整個知識結(jié)構(gòu)框架？8信息網(wǎng)絡(luò)對控制網(wǎng)絡(luò)的推動作用？9計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展動向主要表現(xiàn)在哪幾個方面？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)場設(shè)備，現(xiàn)場進(jìn)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(luò)將各個現(xiàn)場設(shè)備連接成一個有機(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)場信息，便于進(jìn)行適當(dāng)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(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，使控制系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程系統(tǒng)調(diào)試、在線設(shè)備管理、實時生產(chǎn)監(jiān)控、故障自動修復(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)場總線往往有自己的技術(shù)特點與應(yīng)用領(lǐng)域，2007年10月各國IEC委員會投票通過的現(xiàn)場總線國際標(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)成為不爭的事實。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，實際應(yīng)用中經(jīng)常集成多種現(xiàn)場總線、工業(yè)無線技術(shù)共同構(gòu)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(xí)題二1計算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述分為幾類？解：計算機(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(shè)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(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(diào)制；其二為單位脈沖序列被連續(xù)時間信號作了幅值加權(quán)。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(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中恢復(fù)原連續(xù)時間信號x(t) 的條件，可以注意到，信號的復(fù)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(fù)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(fù)與保持所依據(jù)的是信號定值外推理論。4設(shè)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(guān)隔開時，和中間有采樣開關(guān)隔開時的脈沖傳遞函數(shù)。解：有采樣開關(guān)： 無采樣開關(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 3-2.5KW2 3-0.5K - -0.5KW1 =W0 -0.5k所以：-0.4<K<09討論系統(tǒng)，假設(shè)輸入序列是有界的，即為一界常數(shù)。若系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的，即的所有極點都在單位圓內(nèi)，試證明系統(tǒng)輸出也是有界的，即為一有界常數(shù)。10已知一采樣控制系統(tǒng)，如圖2-28所示，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。圖2-28采樣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖解：11采樣控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與哪些因素有關(guān)？