计算机控制系统学习资料精编.docx

1数据采集及处理2.实时控制和信息处理掾作台输入通道检窝装置物山通道执行机构外部设备被控对£计算机控制系统复习第一章绪论一.计算机控制系统H勺基本构造，控制过程，实时概念？基本构造:控制过程:实行概念：信号的输入计算和输出都要在定期间（采样间隔）内完毕二.计算机控制系统口勺构成（框图）硬件：计算机过程输入、输出通道外部设备操作台软件：系统软件应用软件三.计算机控制系统IKJ特点1.模拟、数字混合系统2.便于修改控制规律3.可实现复杂的控制规律4.离散控制5.可分时控制多种回路6.便于实现控制与管理一体化四.计算机控制系统H勺类型及各自特点1.操作指导控制系统：构造简朴控制灵活和安全，但人工操作，速度受限2 .直接数字控制系统：参与闭环控制，最普遍3 .监督计算机控制系统：4 .分级计算机控制系统：将控制任务分散，用于多台计算机分别执行不一样任务，既能控制又能管理第二章一.开关量输入信号的基本类型，几种预处理措施及光耦器件的工作原理及作用基本类型：1.一位的状态信号。如阀门的闭合与启动、电机的启动与停止、触点的接通与断开。2 .成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。3 .数字脉冲信号。许多数字式传感器（如转速、位移、流量的数字传感器）将被测物理量值转换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。预处理措施：1信号转换处理2安全保护措施3消除机械抖动影响4滤波处理5隔离处理6光电耦合器件原理与使用光耦器件工作原理：采用光作为传播信号的媒介，实现电气隔离。作用：用于现场设备与计算机系统之间的隔离保护二.开关量输出信号的详细通道设计1 .隔离处理2 .电平转换和功率放大：小功率低压开关量输出继电器输出可控硅输出功率场效应输出集成功率电子开关输出三.多路AD转换系统的设计方案三种1采用集成多路A/D转换器2每个模拟量输入配置一种A/D转换器3多路模拟量输入复用一种A/D转换器四.采样/保持器的作用，工作原理作用：在进行模数转换时，假如模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间（即转换时间）而导致较大的转换误差，其作用为克服该误差原理：采样保持器平时处在“采样”状态，跟踪输入信号变化：进行A/D转换之前使其处在“保持”状态，则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻FI勺模拟输入电压值;转换结束之后，又使其变为采样状态与否设置采样保持器应根据模拟输入信号U勺变化频率和A/D转换器的孔径时间来确定五.模拟输入信号的隔离措施1.光电隔离：在计算机接口和A/D转换电路之间实行光电隔离这种隔离保证了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底日勺电气隔离2.共模电压的隔离：光电隔离：可以克服光电隔离输出、输入两端设备的地线间的共模干扰，但无法克服模拟信号之间的共模干扰。电容隔离技术隔离放大器六.多通道D/A转换系统的设计方案1 .每一种通道设置一种独立的D/A转换器：长处是转换速度快、精度高、工作可靠，对应软件的编制也比较简朴。不过，假如模拟量信号输出通道较多，就会使系统造价增长诸多，尤其是采用高精度的D/A转换器时，这一问题尤为严重。2 .多通道复用一种D/A转换器：该方案长处是成本较低，缺陷是电路构造复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器H勺输入阻抗、模拟开关和保持电容的漏电阻等原因Fl勺影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减，需要计算机定期刷新输出，也因此占用了CPU口勺大量时间。此方案合用于输出通道不多且对速度规定不高的场所。七.信号采样机理描述，香农采样定理，信号重构定义及零阶采样保持器的传递函数信号采样机理描述：理想采样开关可表达为(t)=Y(t-kT)则采样信号可表达为ft)=ft(t)=f(k)(t-k)="IX产=f(k)(t-k)="或香侬采样定理：假如持续信号/W具有有限频谱，其最高频率为3maxMj进行周期采样且采样角频率as223max时，持续信号可以由采样信号唯一确定，亦即可以从产无失真地恢复/Wo信号重构定义：把离散信号变为持续信号的过程，它是采样的逆过程零阶采样保持器峥递函数：加(S殖ST-)Z=O八.数字滤波(软件滤波)的定义及常用措施定义：是把A/D转换得到日勺数据通过软件按照一定的算法进行平滑加工等处理，再送给控制程序运算，以增强其有效信号、消除或减小多种干扰和噪声，从而提高控制精度和系统日勺可靠性与稳定性。措施：1限幅滤波措施2.中值滤波措施3.算术平均滤波措施4一阶滞后滤波措施5复合滤波措施第六章一.什么是至少拍设计？及其实质定义：至少拍设计，是指系统在经典输入信号（如阶跃信号，速度信号，加速度信号等作用下通过至少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。实质：时间最优控制系统，系统性能指标就是系统的调整时间最短或尽量短，对闭环脉冲传递函数的规定是迅速性和精确性第八章一.计算机控制系统的一般设计环节1 .研究被控对象、确定控制任务2 .确定系统总体控制方案3 .确定控制方略和控制算法4 .硬件详细设计5 .软件详细设计6 .系统仿真与调试7 .现场安装调试二.数字程序控制系统定义及其构成可以根据输入的指令和数据，使生产机械按预定的工作次序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律完毕工作口勺自动控制，称为数字程序控制。构成：以计算机为关键，包括输入装置、输出装置、插补器和控制器等部分三.步进电机的功能、特点、工作原理步进电机是计算机控制系统常用H勺执行元件，具有迅速起停、精确步进的特点，并可直接采用数字脉冲信号控制，而不需要进行A/D转换，因而为控制系统口勺设计带来极大的以便接口电路计算控制原理框图：微型计算机CPU第十章一.提高计算机控制系统可靠性措施1提高元器件和设备的可靠性2采用抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力3采用可靠性设计技术4采用故障诊断技术二.计算机控制系统干扰来源1从系统电源和电源引线（包括地线）侵入的干扰2从系统口勺信号输入酶出传播通道引入的干扰3空间电磁干扰4静电噪声5其他环境原因的影响三.电源系统的抗干扰措施1远离干扰源2安装电源低通滤波器3采用变压器屏蔽和分路供电措施4采用措施拓宽对电网波动的适应能力5使用压敏电阻和均衡器6直流侧去耦措施7供电系统应合理配线和布线8电柜接地和公共接地时处理9尖峰脉冲干扰的综合防治尖峰脉冲干扰的综合防治：1远离干扰源2.用硬件设备克制尖峰干扰的影响3.在大功率用电设备上采用措施克制尖峰干扰的产生。4.采用看门狗技术四.针对信号传播通道的干扰常用处理措施I克制干扰源2使用双绞线和同轴电缆制止耦合干扰的侵入3接地处理试卷一二、已知系统的差分方程为(10分)y(k-l) = r(k-2)输入信号是Mk) = <1 k00 k<0初始条件为V(O)=L试写出输出脉冲序列V（八）。解：y(0)=ly(l)=r(-l)-y(0)=-ly(2)=r(0)-XI)=2X3)=r(l)-j(2)=-ly(4)=r(2)-y(3)=2y(5)=r(3)-y(4)=-1三、设被控对象传递函数为G网=诉，在对象前接有零阶保持器，试求广义对象的脉冲传递函数。(10分)解：广义对象传递函数G(三)JiKsS(S+1)对应的脉冲传递函数为G(Z) = ZG(s) = Z""7i Ks S(S +1)= C(l-z-,)Z52(5 + l)= K(I z")TZT(I-ZT)21-Z, -e-zy+f3-A四、已知被控对象传递函数为G(S)20(85 + 1)(0.15 + 1)试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器GA),并用后向差分法给出等效的数字控制器形式。(10分)解：经动态校正后系统的开环传递函数为 O(S) = GC(S)G(S) = GC(S)20(85 + 1)(0.15 + 1)应选择GC(S)为Pl控制器，其基本形式为GC(S) =+1j为使PI控制器能抵消被控对象中较大的时间常数，可选择则有 O(S) = G(S)G(S)8s + l 20_1根据二阶工程最佳设计法则，应有.*同0.1=；同解之得3=4于是得到模拟控制器H勺传递函数为G,(三)=字=KP(I+J-)=2(1+J)4sK1S8s对以上的模拟Pl控制器，根据后向差分近似的等效变换措施，得等效的数字控制器：T(l+-)z-1O(Z)=G(三)I_1=2v7Z-I五、已知广义被控对象:G(三)=-,给定T=Is(20分)ss(s+l)针对单位斜坡输入设计最小拍有纹波控制系统，并画出系统的输出波形图。解：由已知条件，被控对象具有一种积分环节，有能力产生单位斜坡响应。求广义对象脉冲传递函数为"1-Ts1-G(Z)=ZG(三)=Z-S5(5+1)1|2一111=(l-z,)Z=(l-z,)rr+i-r52(5+l)JL(1-z,)2I-ZT0.368z1(l+0.718z-l)一(I-ZT)(1-0.368ZT)可以看出，G(Z)的零点为0.718(单位圆内)、极点为1(单位圆上)、0.368(单位圆内)，故u=O,v=O(单位圆上除外),m=l。根据稳定性规定，G(Z)中Z=I的极点应包括在M(z炳零点中，由于系统针对等速输入进行设计，故P=2。为满足精确性条件另有中e(z)=(l-j)2R(z),显然精确性条件中已满足了稳定性规定，于是可设(z)=z,(c0+clzl)=%+c=1'=c+2c=O解得CO=2,cl=-1o(z)=z-,(2-z-,)=2z-1-ze(Z)=l(Z)=(I-ZT¥D(Z)=(Z)中,(Z)G(Z)5.435(1-0.5ZT)(I-0.368ZT)(l-z-,)(l+0.718z')Y(z)=R(z)(z)=-z-2)=2z2+3z-3+4z4+试卷二二、已知系统框图如下所示：T=Is （15分）试确定闭环系统稳定期K的取值范围。解：广义对象传递函数"八KsS(S+1)对应的）脉冲传递函数为G(z) = ZG(s)= Zl-"7 K s s(s + l)= C(l-z",)Z152(5 + l)= K(I-ZT)z"(l-z,)21 1l-z, l-e-* lz0.368fc + G(z) = 1 + -z2 -1.368 z+ 0.368(1+0.718z1)0.368z+0.264采用双线性变换Z=1+(772)卬1+0.5vvl-(7,2)wl-0.5w可得等效的特性方程为(1-0.0381K)M+(0.9240.386K)W+0.924K=O此时，劳斯表为M(I-0.0381K)0.924KTK<26.2露K-K<2.39卬00.924K-QO故K的变化范围为0<K<2.39°三、已知某持续控制器的传递函数为(10分)D(三)=-组S+2,s试用双线性变换法求出对应的数字控制器的脉冲传递函数D(Z),并给出控制器的差分形式。其中T=Is。Qa2z-12-Z-1J-ZT解：令S=r=2rTz+171+ZTl+z,Q(Z)=吧=G=*(z'2z+l)E(Z)s2+2tls+at,2-z-'(雨con+4)z2+-8)z,+而+4例后+4l+z,控制器的差分形式为收)+2-8_u*-1)+3-啊。+4k一n(e（八）+2e(k-1)+e(k-2)痴+4qg+4叱+4遍+4吠+44J+4四、已知离散控制系统的构造如下所示,采样周期T=OZ,输入信号(r)=l+r÷-r2,2求该系统欧!稳态误差。(10 分)Io(0.5$+ 1)-Mf)解：系统开环脉冲传递函数为G(z) = Z G(s) = Z-e-s 10(0.55 + 1)二2= d-z-l)Z5s+ 10-3= d-z-i)0.4z',(l + z,)(l-z,)22(1-Z-I )3z-,(8-1.2z,)(1Z-I)2则误差脉冲传递函数为E(Z),C) =(IT)R(Z)1+G(z)l-1.2z,-0.2z-R(Z) =占 +0.2zid-z,)2 +0.04z-l(l + zl) _ 1.02-1.78zl +0.8z22(1 2。(I-ZT)稳态误差为e()=lim(l-z,)E(z)=e(z)R(z)=0.1五、已知广义被控对象为（15 分）其中，7三lso期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为705s,应用史密斯预估器措施确定数字控制器。解：不含纯滞后的广义对象脉冲传递函数为GO = ZG0(s) = Z1 xl-7i I1-e1S 5 + 1= O-zl)Z1S(S +1)0.632z1l-0.368z-l广义对象脉冲传递函数为G(z) = G0(z)z-40.632z-5l-0.368z,不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为(S) =°0.55 + 1-es 1进而。=Z 丁ET_ 0865ZT l-0.135z-1求得 £>()(Z)=。(Z)l-0(z)G0(z)= 1.369l-0.368z1l-z,于是得史密斯预估器如下D(Z)=誓=1.369.0豌ZT1+(1-Zf)4(Z)GO(Z)1-0.135z,-0.865z-5六、采用逐点比较法法插补圆弧OP,起点坐标0(0,5),终点坐标P(5,0),圆心在原点。规定以表格形式给出插补计算过程，并画出插补运动轨迹。(10分)解:步数误差鉴别坐标进给下一步误差计算进给后动点坐标终点鉴别初始化F=Ox=0,y=5=101F=OyF=F-2y+l=-9x=0,y=y-l=4=-l=92F<0+XF=F+2x+l=-8x=x+l=l,y=4=-l=83F<0+XF=F+2x+l=-5x=x+1=2,y=4=-l=74F<0+XF=F+2x+l=0x=x+l=3,y=4E=ET=65F=O-yF=F-2y+l=-7x=3,y=y-l=3=-l=56F<0+xF=F+2x+l=0x=x+1=4,y=3=-l=47F=O-yF=F-2y+l=-5x=4，y=y-l=2=-l=38F<0+XF=F+2x+l=4x=x+l=5,y=2=-l=29F>0-yF=F-2y+l=lx=5»y=y-l=l=-=10R>0-yF=F-2y+l=0x=5>y=y-l=0=-I=OEnd试卷三二、已知系统框图如下所示：T=Is（15分）S(S +1)试写出离散系统H勺动态方程。解：所给系统的脉冲传递函数为G(Z) = 渭= ZG(s) = Z1 -Ts 1I-e 1S S(S +1)(IT)Z52(5 + l)(L)(I-Z-I )2 l-21三、已知广义被控对象为（15 分）_0.368z-l(1+0.718z1)_0.368zl+0.264z2"(l-z-,)(l-0.368z-')-l-1.368z,+0.368z2令X(Z)=半7进而X(z)-1.368z-,Xl-1.368z,÷0.368z-2则K(Z)=(0.368z-,+0.264z-2)X(z)X1(z)=z2X(z)取I于是得如下状态方程X2(Z)=ZTX(Z)=ZXl(Z)x1(+l)=x2()<x2(k+1)=-0.368i(Z)+1.368±(2)+U(Z)y(k)=0.264x1(k)+0.368/(2)写成矩阵形式为他+1)曾01p1w1+Lwx2a+l)J10.3681.368jx2（八）JX2(A)yk=0.2640.368其中，T=s,期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为705s,应用大林算法确定数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为G(Z)=ZG(s)=Z= (l-z",)z-4Z1S(S +1)0.632z5l-0.368z闭环系统理想脉冲传递函数为得大林控制器如下=Zs 0.5s +10.865z5l-0.135z,。=君泰3692X(Z)+ G u*)Z解:能观性矩阵C=图=；5满秩，故系统能观测，可设计状态观测器。令1I-0.368ZTl-0.135z-'-0.865z":四、已知被控对象(15分),05x(k+1)=-0.250y(Q=l0x(k)设计一种特性值为4.2=°5±/025的全维状态观测器。并画出对应的状态变量构造图。输出误差反馈矩阵H二观测器期望特性方程为(z-Zi)(z-z2)=(z-0.5-0.25)(z-0.5+/0.25)=z2-z+0.3125=0观测器特性方程为zI-(A-HC)=z2+(九一0.5)z+2+0.25=0比较上面两式，可得加=-0.5也=0.0625(状态变量图略)。(15 分)D(S) =2(5 + 1)(5 + 2)五、已知某系统持续控制器的传递函数试分别用阶跃响应和脉冲响应不变法求O(三)H勺等效数字控制器，并写出对应的差分方程体现式。其中采样周期丁=Is。解：1、阶跃响应不变法O(Z)=ZDU)=(l-z-1)Z-=-1_l÷1_2ss(5+I)(S+2)1-z1-cZ1-eZ0.399z1+0.148z2-l-1.503z,+0.553z-2-0.05z3由O(Z)=外且可推得数字控制器的差分方程形式如下E(Z)u(k)=1.503(Z-1)-0.553L-2)+0.05伏-3)+0399e(k-l)+0.148eU-2)2、脉冲响应不变法D(z) = 77D(s) = Z2(s + l)(s + 2)_0233/l-0.503z,+0.05z2由Q(Z)=为可推得数字控制器的差分方程形式如下E(Z)u(k)=0.503(A-1)-0.05(A-2)+0.233e(k-1)试卷四二、已知系统框图如下所示：T=Is(15分)试求闭环离散系统的闭环脉冲传递函数，并鉴别系统H勺稳定性。解：广义对象脉冲传递函数为G(Z) = ZG(s) = Ze-T'_1_s s(s + l)(l-zi)Z=(I-ZT)-r+i-r/"+I”L(l-z,)2I-ZTl-e-lz,0.368z-l(l÷0718z-1)(l-z-,)(l-O.368z,)系统闭环脉冲传递函数为、G(z)0.368z,+0.632z2(z)=-=：1+G(z)l-zi+0.632z-2则闭环系统的特性方程为W(z)=z2-Z+0.632=0由Z域直接判据IW(O)I=0.632<IW(l)=l-l+0.632>0vy(-i)=+o.632>O知闭环系统稳定。三、已知某被控对象H勺传递函数为(15 分)G=WiJ规定设计成单位反馈计算机控制系统，构造如下图所示。采样周期为T=ls。规定闭环特性根为0.4和0.6。试求数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为G(Z) = ZG(s) = Z1 xl-Ti11-e1s(s + l)= d-z-1)Z52(5 + l)二 (I-Z-I)zi+(I-ZT)2 I-ZT l-e-lz-l0.368z1(l+0.718z-l)(l-z")(1-0.368ZT)根据规定设定闭环脉冲传递函数为(z-0.4)(z-0.6)(1-0.4z1)(1-0.6z,)。=(Z)2.718z,(l-z,)(l-0.368z,)(1-(z)G(z)(l-z-l-0.76z-2)(1+0.718z-l)四、已知控制系统的被控对象的传递函数为G(S)=(2s + l)(s + D'采样周期 Tf若选闭环系统的时间常数4二05s,试用大林算法设计数字控制器。(z)。若出现振铃现象，修正数字控制器，消除振铃现象。(20分)解：采样周期T=Isf期望闭环脉冲传递函数为进而=0.5S ÷ 1(z) = Z被控装置广义脉冲传递函数l-e-sG(Z) = Z0.865z2l-0.368z-'0.154z-2(1 + 0.610z,)1 =(2s + I)(S + 1)(1- 0.368z-' )(1- 0.607z,)1(z)5.617(1-0.368z,)(1-0.607z,)D(Z)=：丁G(Z)I-(Z)(1+0.61Oz1)(1-0.368z,-0.865z2)5.617(1-0.368zl)(l-0.607z1)(1÷0.610z,)(1+0.763z,)(1-1.131z,)由振铃现象产生的原理知，用常规大林算法设计的被控对象为二阶的系统必产生振铃现象。在D(Z)中的靠近Z=1日勺两个因子中令Z=I来消除振铃现象，即、1(z)5.617(1-0.368z,)(1-0.607z,)D(Z)=-G(z)l-(z)(1+0.610)(1÷0.763)(1-1.l3lz,)1.979(1-0.368ZT)(I-0.607ZT)1-1.13IZT五、求出双积分系统控制对象的离散状态方程，假设系统所有的状态皆不可宜接测量，设计全维状态观测器实现实状况态反馈，并把闭环两个极点都配置在0.1,观测器特性方程H勺两个根配置在原点。（T=IS）（20分）解：系统的广义对象脉冲传递函数为G(2) = (1-z-')Z14_ 0.5 + 0.5z z2 - 2z +1可写其能控原则型实现为(k + l)J 0X2 (k +1)1l1()-l o'2j2WJ + 11.Mk)y(Z)=050,5TT“2C)对应的能观性矩阵为Qo =C _ 0.5CA -0.50.51.5满秩，故系统能观可设计观测器。先求状态观测器增益矩阵”U状态观测器特性多项式为,z + 0.5/?.0.51 -1(A-HC) =111 l + 0.52 z + 0.52 -2=Z2 + (0.5/?, +0.52 -2)z + (-1.51 +0.52 +1)观测器期望特性多项式为(z + 0)(z÷0) = z比较上面两式Z各次幕项系数得=四h2r =.5 2.5再求状态反馈增益矩阵K = R k2期望闭环特性方程为(z - 0.1)(z-0.1) = Z- 0.2z + 0.01=0则引入状态反馈后系统闭环特性方程为zI-A+BK=z2 + (k2 2) z + (仁 +1) = 0比较上面二方程Z各次事项系数，得K = W 2 = -0.99 1.8四卷五二、已知 F(s)=求 F(z) (10 分)s(s + 5)F(z) = ZF(s) = Zs(s + 5)5 1-0.2(l-e-57')z,(l-z-,)(l-e-5rz-l)三、已知系统框图如下所示：T=Is(10分)i5(5+1)鉴别系统稳定性。解：系统开环传递函数为G(z)=ZG(s)=Z!1 jLSG+1).iii-s(s+l)Ll-2,l-e,z,.0.632z - z解：使用后项差分离散化措施，令S =,则T_0.632z-l-(1-Z-1)(1-0.368z,)-1-1.368z,+0.368z-2系统闭环特性方程1+G(Z)=z2-0.736z+0.368=0I+W采用双线性变换Z=得VP平面特性方程为1-w2.104m+1.264>v+0.632=0建立劳斯表M2.1040.632W11.264卬。0.632由劳斯判据可知系统稳定。四、用后向差分法求下列模拟滤波器O(三)的等效数字滤波器，并给出差分递推算式，设T=Is,(105»。二黑二W）L可得其差分递推算式为2z2 -5z, +6t(k)=u(k-l)-u(k-2)+-ek663-es1五、已知广义被控对象:G(三)=,给定T=IS(20分)S5+1针对单位阶跃输入设计最小拍无纹波控制系统，并画出系统的输出波形图。解：广义对象脉冲传递函数为G(Z)=ZG(s)=Z二 (IT)Z0.632zTl-0.368z可以看出，G（Z）的零点为-0.718（单位圆内）、极点为1（单位圆上）、0.368（单位圆内），故W=O,v=0（单位圆上除外）,w=l o针对阶跃输入进行设计，故P=1。于是可设(Z)=ZTe'o(l)=CO=I解得c0=k闭环脉冲传递函数为(Z)=ZT中,(Z)=I-(Z)=I-ZTD(Z) =(z)l-0.368z,c(z)G(z) 0.632(1-Z1)ZT（图略）Y(z)=R(Z)(Z)=ZT+Z"2+z3+.1-z六、采用逐点比较法插补直线OP,起点坐标0（0,0）,终点坐标P（5,-4）,规定以表格形式给出插补计算过程，并画出插补运动轨迹。（10分）解：插补运算过程如下步数误差鉴别坐标进给误差计算终点鉴别初始化F=O=5+4=91F=O+xF=F-yp=-4=-I=82F<0-yF=F÷xp=l=-1=73F>0+XF=F-yp=-3=-1=64F<0-yF=F+Xp=2=-1=55FX)+xF=F-yp=-2=-1=46F<0-yF=F+xp=3=-1=37Fx)+xF=F-yp=-1=-1=28F<0-yF=F+xp=4=-1=19F>0+XF=F-yp=O=-1=OEnd(l-z,)(l-0.368z1)z2-1.368z+0.368此时系统欧）特性方程为,K(0.368Z+0.624)