62 习题第4章 常规及复杂控制技术.pdf

第1页：控制系统的设计要素

控制系统的设计要素

题目

第四章常规及复杂控制技术(共142题)附注：教学目标通过本章的学习，学生应达到如下基本要求：1、熟悉控制系统的性能指标；2、掌握数字控制器的连续化设计技术；3、掌握数字控制器的离散化设计技术；4、熟悉纯滞后控制技术；5、熟悉串级控制技术；6、熟悉前馈-反馈控制技术；7、熟悉解耦控制技术；8、熟悉模糊控制技术。一、填空题(共64题)T1、控制系统的设计问题由三个基本要素组成，它们是、和。

答案

模型、指标、容许控制

知识点

控制系统的设计要素

参考页

P101

学习目标

1（熟悉控制系统的性能指标）

难度系数

1

题型

填空T2、控制系统的性能指标最常见的有、及。

第2页：动态性能指标

动态性能指标

题目

在控制系统中，常用的时域动态性能指标有。开环频域指标有、；闭环频域指标有。

答案

超调量%、调节时间TS、峰值时间TP、幅值裕度h、相角裕度γ、谐振频率ωp、谐振峰值MP

知识点

动态性能指标

参考页

P1011（熟悉控制系统的性能指标）

难度系数

1

题型

填空T5、对于实际的系统，控制作用总是受到一定的限制。考虑到控制作用的限制条件如u≤Um，则表示受到限制，在系统中表示放大器的饱和，阀门的全开或全关等。

学习目标

1（熟悉控制系统的性能指标）

第3页：对控制作用的限制

对控制作用的限制

知识点

对控制作用的限制

参考页

P102

学习目标

1（熟悉控制系统的性能指标）

难度系数

3

题型

填空T8、将数字控制器的连续化设计步骤选项，正确的步骤是。1.求出与D(s)对应的差分方程；2.设计假想的模拟控制器D(s)；3.将D(s)离散化为D(z)；4.根据差分方程编制相应程序，并校验设计结果；5.正确地选择采样周期T

答案

25314

第4页：增量型PID与位置型PID

增量型PID与位置型PID

题型

填空T11、在阀门控制中，若要求只输出阀门开度的每次变化部分的控制量，需要采用PID控制算式。

答案

增量型

知识点

增量型PID与位置型PID

参考页

P108

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

第5页：增量型PID与位置型PID

增量型PID与位置型PID

题型

填空T15、在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的，此时控制器应采用。如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于，此时控制器应采用。

答案

位置、数字PID位置式控制算法、上次控制量的增加、数字PID增量式控制算法

知识点

增量型PID与位置型PID

参考页

P108

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

第6页：数字PID控制器的改进

数字PID控制器的改进

题型

填空T19、目前，常用的四种改进的数字PID控制器结构是。

答案

积分分离PID、不完全微分PID、带死区的PID、消除积分不灵敏区的PID。

知识点

数字PID控制器的改进

参考页

P109

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

第7页：数字PID控制器的改进

数字PID控制器的改进

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

题型

填空T23、在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，以消除由于频繁动作所引起的振荡，有时采用的PID控制器为。

答案

带有死区的PID控制系统

知识点

数字PID控制器的改进

参考页

P113

第8页：数字PID控制器的参数整定

数字PID控制器的参数整定

参考页

P114

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

题型

填空T27、在计算机控制系统PID控制器设计中，采样周期的选择的次要考虑的因素中有一条是，依据“控制算法的类型”，当采用PID算式时，积分作用和微分作用与采样周期T的选择有关。选择采样周期T太，将使微分积分作用不明显。

答案

小

知识点

数字PID控制器的参数整定

第9页：数字PID控制器的参数整定

数字PID控制器的参数整定

题目

⌠⌡模拟≥∫⌠⌡0∫2⌠⌡0控制度=e(t)dt∫≥∫e2(t)dt⌠⌡DDC、DDC比模拟控制效果越差

知识点

数字PID控制器的参数整定

参考页

P114

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

题型

填空T31、所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入，且闭环脉冲传递函数具有的形式。N−1−2−N12Φ(z)=φz+φz+…+φz

答案

在最少个采样周期内达到无静差的稳态、

第10页：最少拍有纹波控制器的设计

最少拍有纹波控制器的设计

参考页

P120

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

3

题型

填空T34、假设开环脉冲传递函数G(z)有u个零点b1、b2、…、bu和v个极点a1、a2、…、av在z平面的单位圆上或圆外。其相对应的连续被控对象Gc(s)中d个采样周期的纯滞后。并设设G'(z)是G(z)中不含单位圆上或圆外的零极点部分，则广义对象的传递函数可表示为。

答案

G(z)=G(z)z'iu··i−di=1−1i=1v−1(1−az)(1−bz)

知识点

最少拍有纹波控制器的设计

第11页：最少拍无纹波控制器的设计

最少拍无纹波控制器的设计

参考页

P127

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

3

题型

填空T37、最少拍无波纹系统的设计要求的约束条件里，除了满足最少拍有波纹的一切设计要求外，还必须保证。

答案

控制器包含广义被控对象所有零点

知识点

最少拍无纹波控制器的设计

第12页：振铃的消除

振铃的消除

参考页

P134

学习目标

4（熟悉纯滞后控制技术）

难度系数

2

题型

填空T41、消除振铃的方法是。

答案

参数选择法；消除振铃因子法

知识点

振铃的消除

第13页：串级控制的结构和原理

串级控制的结构和原理

知识点

串级控制的结构和原理

参考页

P

学习目标

5（熟悉串级控制技术）

难度系数

2

题型

填空T45、对于串级控制系统，不管串级控制有多少级，计算的顺序总是进行。

答案

从最外面的回路向内

第14页：前馈-反馈控制结构

前馈-反馈控制结构

题目

在过程控制中，常采用前馈与反馈控制相结合的控制结构，这样既能发挥前馈控制，又能保留反馈控制。

答案

对扰动的补偿作用、对偏差的控制作用

知识点

前馈-反馈控制结构

参考页

P

学习目标

6（熟悉前馈-反馈控制技术）

难度系数

2

题型

填空T49、解耦控制的主要目标是。

第15页：习题与答案 第15页

习题与答案 第15页

答案

客观世界的个事物之间普遍存在着联系，描写事物之间联系

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

1

题型

填空T52、关系的分类包括。

第16页：习题与答案 第16页

习题与答案 第16页

题型

填空T55、传递性关系的定义是：。

答案

一个X中的关系R，若对所有的x，y，z∈X，且有xRy，yRz，则必有xRz，则称R具有传递性关系。

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

2

第17页：模糊控制原理

模糊控制原理

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

题型

T59、模糊控制系统通常由、五部分组成。

答案

模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置、被控对象

知识点

模糊控制原理

第18页：模糊控制原理

模糊控制原理

题目

通过模糊决策所得到的输出是模糊量，要进行控制必须经过清晰化接口将其转换成精确量。其清晰化的方法有。

答案

最大隶属度法、加权平均原则、中位数判决法

知识点

模糊控制原理

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

2

题型

填空T63、模糊控制器设计步骤：。A．模糊控制器的结构设计B、模糊控制器论域及比T因子的确定C、编写模糊控制器的算法程序D、清晰化E、双输入单输出模糊控制器设计F、模糊规则的选择和模糊推理。

第19页：控制系统的设计要素

控制系统的设计要素

题目

二、选择题(共36题)T1、控制系统的设计问题由三个基本要素组成，它们是模型、指标和。A.容许控制B.控制对象C.被控参数D.系统结构

答案

A

知识点

控制系统的设计要素

参考页

P101

学习目标

1（熟悉控制系统的性能指标）

难度系数

1

题型

选择T2、控制系统的设计问题由三个基本要素组成，它们是、指标和容许控制。D.系统结构A.参数B.控制对象C.模型

第20页：动态性能指标

动态性能指标

题目

在下列常用指标中，不属于控制系统的频域动态性能指标的是。D.谐振峰值A.峰值时间B.幅值裕度C.相角裕度

答案

A

知识点

动态性能指标

参考页

P101

学习目标

1（熟悉控制系统的性能指标）

难度系数

1

题型

选择T7、对于实际的系统，控制作用总是受到一定的限制。考虑到控制作用的限制条件如u≤Um，则表示受到限制，如在系统中表示放大器的饱和，阀门的全开或全关等。A.控制能量B.消耗的燃料C.消耗的时间D.控制量的幅度

第21页：后向差分法

后向差分法

答案

B

知识点

后向差分法

参考页

P103

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

题型

选择T11、若在计算机控制系统中，执行机构采用的是步进电机，此时PID控制器的控制量的计算，应采用数字PID控制算法A.位置式B.加速度式C.速度式D.增量式

第22页：数字PID控制器的改进

数字PID控制器的改进

参考页

P109

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

题型

选择T15、以下不是改进的数字PID控制器的是。A.积分分离PID控制C.消除积分灵敏区的PID控制

答案

C

知识点

数字PID控制器的改进

第23页：PID调节器工作原理

PID调节器工作原理

知识点

PID调节器工作原理

参考页

P103

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

2

题型

选择T19、在PID调节系统中，若想增强微分作用，正确的作法是。A.加大系数TIB.加大系数KPC.加大系数KID.加大系数T

答案

B

第24页：数字控制器的离散化设计步骤

数字控制器的离散化设计步骤

答案

B

知识点

数字控制器的离散化设计步骤

参考页

P119

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

2

题型

选择T23、如果针对速度输入函数进行设计，为了跟踪输入，稳态过程中Gc(s)的输出也必须是速度函数，为了产生这样的速度输出函数，Gc(s)中必须至少有个积分环节，使得控制信号u(k)为常值(包括零)时，Gc(s)的稳态输出是所要求的速度函数。A.B.2C.3

第25页：模糊控制原理

模糊控制原理

题型

选择T26、以下选项中，不属于二维模糊推理的方法的是。A.Mamdani极小运算法B.Smith方法C.代数乘积运算法D.Tsukamoto方法

答案

B

知识点

模糊控制原理

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

2

第26页：模糊控制器设计

模糊控制器设计

知识点

模糊控制器设计

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

2

题型

选择三、简答题(共36题)T1、对于控制作用的限制，列出常采用的3种限制条件和适用场合。

答案

(1)控制量的幅度限制，即u≤Um。如放大器的饱和，阀门的全开或全关等。(2)控制能量限制，即12udt≤J≥0∫。如当用电机驱动负载时，大小将直接影响电机发热的程度，因此需对控制能量加以限制。∫(3)消耗的燃料限制，即≥0udt≤J2。在飞行器的控制中常常有这样的限制。

第27页：数字PID控制器的设计

数字PID控制器的设计

题目

因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

知识点

数字PID控制器的设计

参考页

P107

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

3

题型

简答T4、给出数字PID位置型控制算法和数字PID增量型控制算法的算式。

答案

数字PID位置型控制算法⌠⌡⌡∫TkTe(k)−e(k−1)u(k)=KP⌠e(k)+T∑e(i)+TDIi=0数字PID增量型控制算法Δu(k)=u(k)−u(k−1)=KP[e(k)−e(k−1)]+KIe(k)+KD[e(k)−2e(k−1)+e(k−2)]其中：KP=1σ称为比例增益；KI=KPT/TI称为积分系数；KD=KPTD/T称为微分系数

第28页：增量型PID

增量型PID

参考页

P108

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

3

题型

简答T6、请画出数字PID增量型控制算法流程图。

答案

其中：Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)TDq=K2PTTTTDI1P0P2Tq=−K(1+)q=K(1+T+TD)

知识点

增量型PID

第29页：数字PID控制器的改进

数字PID控制器的改进

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

4

题型

简答T8、何为积分不灵敏区？为了消除积分不灵敏区，通常采用什么措施？

答案

数字PID的增量型控制算式中的积分项输出为：IIIPTΔu(k)=Ke(k)=KTe(k)由于计算机字长的限制，当运算结果小于字长所能表示的数的精度，计算机就作为“零”将此数丢掉。当计算机的运行字长较短，采样周期T也短，而积分时间TI又较长时，ΔuI(k)容易出现小于字长的精度而丢数，此积分作用消失，这就称为积分不灵敏区。为了消除积分不灵敏区，通常采用以下措施：①增加D/A和A/D转换位数，加长运算字长，这样可以提高运算精度。②当积分项ΔuI(k)连续n次出现小于输出精度ε的情况时，不要把它们作为“零”舍掉，而是把n它们一次次累加起来，即SI=∑ΔuI(i)，直到累加值SI大于ε时，才输出SI，同时把累加单元清零。i=1

知识点

数字PID控制器的改进

参考页

P109

第30页：数字PID控制器的改进

数字PID控制器的改进

题目

所以⌡⌡∫≥dtD⌠tdtTIfde(t)1Tdu(t)+u(t)=Ke(t)+e(t)dt+TP⌠0对上式进行离散化，可得不完全微分PID位置型控制算式u(k)=u(k−1)+(1−)u'(k)⌡∫P⌠式中u(k)=Ke(k)+∑TTTDke(k)−e(k−1)e(i)+TIi=0⌠，⌡'fTf=。T+T这样，微分作用得以延伸，PID控制器的微分部分得到改进。

知识点

数字PID控制器的改进

参考页

P109

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

4

题型

简答T10、简单阐述开关控制(Bang-Bang控制)系统。

答案

在工程上，设u(t)≤1都只取±1两个值，而且依照一定法则加以切换，使系统从一个初始状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短，这种类型的最优切换系统，称为开关控制(Bang-Bang控制)系统。

第31页：数字PID控制器的参数整定

数字PID控制器的参数整定

难度系数

4

题型

简答T12、选择采样周期需要考虑哪些因素?

答案

(1)首先要考虑的因素香农采样定理给出了采样周期的上限。T≤π/ωmax其中ωmax为被采样信号的上限角频率。采样周期的下限为计算机执行控制程序和输入输出所耗费的时间，系统的采样周期只能在Tmin与Tmax之间选择。(2)其次要考虑以下各方面的因素①给定值的变化频率②被控对象的特性③执行机构的类型④控制算法的类型⑤控制的回路数

知识点

数字PID控制器的参数整定

参考页

P114

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

第32页：数字PID控制器的参数整定

数字PID控制器的参数整定

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

3

题型

简答T14、试叙述扩充临界比例度法整定PID参数的步骤。

答案

①选择一个足够短的采样周期，具体地说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的十分之一以下。②用选定的采样周期使系统工作。只保留比例作用，然后逐渐减小比例度δ（δ=1/KP)，直到系统发生持续等幅振荡。记下使系统发生振荡的临界比例度δk及系统的临界振荡周期Tk。③选择控制度。④根据选定的控制度，查参数整定表，求得T、KP、TI、TD的值。

知识点

数字PID控制器的参数整定

参考页

P114

第33页：数字PID控制器的改进

数字PID控制器的改进

答案

微分的作用是加快调整速度。由于微分只存在于瞬间，因而有时会使系统产生震荡，而使调节品质下降。为了避免震荡，在一些系统中采用不完全微分算法，它的基本思想是使微分作用漫漫减弱，以避免由于微分突然下降到0而产生震荡。

知识点

数字PID控制器的改进

参考页

P109

学习目标

2（掌握数字控制器的连续化设计技术）

难度系数

4

题型

简答T17、数字控制器的离散化设计步骤是什么?

第34页：最少拍控制器的设计

最少拍控制器的设计

参考页

P119

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

2

题型

简答T19、何为最少拍控制？

答案

所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，且闭环脉冲传递函数具有以下形式Φ(z)=φz−1+φz−2+…+φz−N12N式中N是可能情况下的最小正整数。这一形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内达到稳态。

知识点

最少拍控制器的设计

第35页：最少拍有纹波控制器的设计

最少拍有纹波控制器的设计

题目

−1q⌠⌡−1⌠⌡i=1∫v−j（1）若j≤q，则Φe(z)=1−Φ(z)=⌠·(1−aiz)⌠(1−z)F1(z)⌠⌡−1−1j⌠⌡i=1∫v−j（2）若j＞q，则Φe(z)=1−Φ(z)=⌠·(1−aiz)⌠(1−z)F1(z)

知识点

最少拍有纹波控制器的设计

参考页

P125

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

4

题型

简答T21、最少拍有纹波控制器设计中，结合选择系统的闭环脉冲传递函数时必须满足的约束条件，阐述闭环脉冲传递函数Φ(z)的结构组成。

答案

由式1Φ(z)G(z)1−Φ(z)D(z)=可以看出，为了避免使G(z)=G(z)'u·i·i−di=1−1i=1v−1(1−az)z(1−bz)在单位圆外或圆上的零点、极点与D(z)的零点、极点对消，同时又能实现对系统的补偿，误差脉冲传递函数Φ(z)的结构组成必须满足下面的条件：Φ(z)的零点中，必须包含G(z)在z平面单位圆外或圆上的所有零点，即Φ(z)=z⌠·(1−biz)⌠F2(z)−d∫u−1⌡i=1⌡式中，F2(z)是关于z-1的多项式，且不含G(z)中的不稳定零点bi。为了使Φ(z)能够实现，F2(z)应具有以下形式：F2(z)=f21z-1+f22z-2+…+f2nz-n

第36页：最少拍无纹波控制器的设计

最少拍无纹波控制器的设计

题目

Φ(z)=zB(z)F2(z)=z⌠·(1−biz−1−d−d∫ω)⌠F2(z)。这样，闭环脉冲传递函数中的z-1的幂次增高，⌡i=1⌡系统的调整时间就增长了。且增加的拍数等于G(z)在单位圆内的零点数。

知识点

最少拍无纹波控制器的设计

参考页

P128

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

4

题型

简答T23、结合图示的单回路控制系统，解释施密斯预估控制原理，并给出带施密斯预估器的控制系统结构图，分析补偿结果。其中D(s)表示调节器的传递函数，用于校正GP(s)部分；GP(s)e表示被控对象−τs的传递函数，GP(s)为被控制对象中不包含纯滞后部分的传递函数，e−τs为被控制对象纯滞后部分的传递函数。

答案

施密斯预估控制原理是：与D(s)并接一个补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。这−τs个补偿环节称为预估器，其传递函数为GP(s)(1−e)，τ为纯滞后时间，补偿后的系统框图如图所示。由施密斯预估器和调节器D(s)组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其传递函数为D(s)P1+D(s)G(s)(1−e−τs)D'(s)=，经补偿后的系统闭环传递函数为Φ(s)=PP−τs=e1+D(s)G(s)e1+D(s)G(s)'−τsD'(s)G(s)e−τsD(s)G(s)PP由此可说明，经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响，因为式中的e−τs在闭环控制回路之外，不影响系统的稳定性，拉氏变换的位移定理说明，e−τs仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间τ，控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为GP(s)时完全相同。

第37页：达林(Dahlin)算法

达林(Dahlin)算法

参考页

P131

学习目标

4（熟悉纯滞后控制技术）

难度系数

5

题型

简答T24、简述达林算法的设计目标。

答案

达林算法的设计目标是使整个闭系统所期望的传递函数Φ(s)相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即e−τsΦ(s)=Tτs+11并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象GC(s)的纯滞后时间τ相同。

知识点

达林(Dahlin)算法

第38页：达林(Dahlin)算法设计控制器

达林(Dahlin)算法设计控制器

题目

简述考虑振铃现象影响时，达林算法设计数字控制器的一般步骤。

答案

(1)根据系统的性能，确定闭环系统的参数Tτ，给出振铃幅度RA的指标；(2)基于振铃幅度RA与采样周期T的关系，解出给定振铃幅度下对应的采样周期，如果T有多解，则选择较大的采样周期；(3)确定纯滞后时间τ与采样周期T之比(τ/T)的最大整数N；(4)求广义对象的脉冲传递函数G(z)及闭环系统的脉冲传递函数Φ(z)；(5)求数字控制器的脉冲传递函数D(z)。

知识点

达林(Dahlin)算法设计控制器

参考页

P136

学习目标

4（熟悉纯滞后控制技术）

难度系数

3

题型

简答T27、简述串级控制系统中，副回路给系统带来的优点。

第39页：串级控制的主、副回路控制器选型

串级控制的主、副回路控制器选型

知识点

串级控制的主、副回路控制器选型

参考页

P

学习目标

5（熟悉串级控制技术）

难度系数

3

题型

简答T6、前馈控制完全补偿的条件是什么？前馈和反馈相结合有什么好处？

答案

前馈控制完全补偿的条件是Gn(s)+Dn(s)G(S)=0。如果能将扰动因素测量出来，预先将其变化量送到系统中进行调整，这样在被调量改变之前就能克服这些扰动的影响。这种扰动的预先调整作用就称为前馈。若参数选择得合适，前馈控制可取得良好的控制效果。但实际上，前馈控制环节的参数不易选得那么准确，而且一个实际系统的扰动也不只一个，因此反馈控制还是不可少的。主要扰动引起的误差，由前馈控制进行补偿；次要扰动引起的误差，由反馈控制予以抑制，这样在不提高开环增益的情况下，各种扰动引起的误差均可得到补偿，从而有利于同时兼顾提高系统稳定性和减小系统稳态误差的要求。

第40页：模糊控制技术

模糊控制技术

题目

与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？

答案

模糊控制的优点：1模糊控制可以应用于具有非线性动力学特征的复杂系统。2模糊控制不用建立对象精确的数学模型。3模糊控制系统的鲁棒性好。4模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法。

知识点

模糊控制技术

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

2

题型

T31、简述模糊化接口的作用，并举T说明模糊化过程。

第41页：模糊化接口、清晰化接口

模糊化接口、清晰化接口

参考页

P

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

1

题型

简答T33、简述模糊化接口、清晰化接口在模糊控制器中的作用。

答案

模糊化接口的作用是将模糊控制器的确定量输入转换成一个模糊矢量，进而用于模糊控制。清晰化接口的作用是将模糊决策所得到的模糊输出转化成精确量从而进行控制。清晰化接口的方法有三种，选择隶属度大的原则，加权平衡原则，中位数判决。

知识点

模糊化接口、清晰化接口

第42页：模糊控制器设计

模糊控制器设计

学习目标

8（熟悉模糊控制技术）

难度系数

2

题型

简答T36、简述模糊控制器设计的一般方法。

答案

设计一个模糊控制系统的关键是设计模糊控制器的设计，设计一个模糊控制器需要选择模糊控制器的结构，选取模糊规则，确定模糊化和清晰化方法，确定模糊控制器的参数，编写模糊控制算法程序。

知识点

模糊控制器设计

参考页

P

第43页：最少拍控制器的设计

最少拍控制器的设计

题目

Φ(z)eez→1z→1z→1B(z)(1−z−1)q=lim(1−z−1)e(∫)=lim(1−z−1)E(z)=lim(1−z−1)R(z)Φ(z)由于B(z)没有(1-z-1)因子，因此要使稳态误差e(∞)为零，必须有eΦ(z)=1−Φ(z)=(1−z−1)qF(z)即有eΦ(z)=1−Φ(z)=1−(1−z−1)qF(z)这里F(z)是关于z-1的待定系数多项式。显然，为了使Φ(z)能够实现，F(z)中的首项应取为1，即F(z)=1+f1z−1+f2z−2+…+fpz−p可以看出，Φ(z)具有z-1的最高幂次为N=p+q，这表明系统闭环响应在采样点的值经N拍可达到稳态。特别当p=0时，即F(z)=1时，系统在采样点的输出可在最少拍(Nmin=q拍)内达到稳态，即为最少拍控制。因此最少拍控制器设计时选择Φ(z)为eΦ(z)=1−Φ(z)=1−(1−z−1)q于是，单回路单位负反馈控制系统的最少拍控制器D(z)为1Φ(z)1−(1−z−1)qD(z)==G(z)1−Φ(z)G(z)(1−z−1)q

知识点

最少拍控制器的设计

参考页

P120

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

4

题型

计算T2、如图所示的计算机控制系统中，被控对象的传递函数和零阶保持器的传递函数分别为s(s+1)10G(s)=csTs和H(s)=1−e。采样周期T=1s，试针对单位速度输入函数设计最少拍有纹波系统，画出数字控制器和系统的输出波形。

答案

首先求取广义对象的脉冲传递函数

第44页：习题与答案 第44页

习题与答案 第44页：D=0,u=0,v=1,j=1,q=2,且j＜q，故有m=u+d=0n=v−j+q=2对单位速度输入信号，选择−12−1−1⌠−1⌡11⌠⌡−1∫−+(1−z)1−z1−0.3679z=10(1−z)⌠⌠2⌡⌡∫10⌡⌡z−1s(s+1)×⌠=(1−z)Zss(s+1)G(z)=Z⌠∫1−e−Ts10=(1−z−1)21−⌡Φ(z)=1−Φ(z)=(1−az1)(1−z−1)qF(z)∫v−j⌡i=1⌠·i⌠e−2−1−1⌡i=1⌡Φ(z)=z⌠·(1−biz)⌠F2(z)=f21z+f22z−d∫u1−Φ(z)=1−f21z−fz=(1−z)−1−2−12221−f21z−1−f22z−2=1−2z−1+z−2即解之，得f21=2,f22=−1Φ(z)=2z−1−z−2故1Φ(z)(1−z−1)(1−0.3679z−1)(2z−1−z−2)D(z)==G(z)1−Φ(z)3.679z−1(1+0.718z−1)(1−z−1)2−1−12(1−z−1)2=z=0.5434(1−0.5z−1)(1−0.3679z−1)(1−z−1)(1+0.718z−1)进一步求得Tz−1E(z)=Φe(z)R(z)=(1−z)−1−2−2−3−4Tz−1Y(z)=R(z)Φ(z)=(2z−z)=2z+3z+4z+…(1−z−1)2=0.54z−1−0.32z−2+0.40z−3−0.12z−4+0.25z−5+…由此，可画出数字控制器和系统的输出波形，见图a和b。(1−z−1)(1+0.718z−1)−10.5434(1−0.5z−1)(1−0.3679z−1)U(z)=E(z)D(z)=z

第45页：最少拍有纹波控制器的设计

最少拍有纹波控制器的设计

知识点

最少拍有纹波控制器的设计

参考页

P125

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

5

题型

计算题T3、如图所示的计算机控制系统中，被控对象的传递函数和零阶保持器的传递函数分别为s(s+1)10G(s)=csTs和H(s)=1−e。采样周期T=1s，试针对单位速度输入函数，设计最少拍无纹波系统，并绘出数字控制器和系统的输出波形图。

答案

首先求取广义对象的脉冲传递函数−1−1=3.679z(1+0.718z)(1−z−1)(1−0.3679z−1)由G(z)的表达式和Gc(s)知，满足无纹波设计的必要条件，且D=0,q=2,v=1,w=1,j=1,且j＜q，故有m=ω+d=1n=v−j+q=2对单位速度输入信号，选择−12−1−1⌠2−1⌡11⌠⌡−1∫−+(1−z)1−z1−0.3679z=10(1−z)⌠⌠⌡⌡∫10⌡⌡z−1s(s+1)×⌠=(1−z)Zss(s+1)G(z)=Z⌠∫1−e−Ts10111−1−1q−12−1∫v−j⌡i=1⌡Φe(z)=1−Φ(z)=⌠·(1−aiz)⌠(1−z)F(z)=(1−z)(1+fz)−1−1−2⌡⌡i=1Φ(z)=z⌠·(1−biz)⌠F2(z)=(1+0.718z)(f21z+f22z)−d∫ω−1

第46页：最少拍无纹波控制器的设计

最少拍无纹波控制器的设计

题目

[11∫f∫∫22=−0.718f[22∫f/1−2f11=−(f22+0.718f21)/f21=1.4081−Φ(z)=1−(1+0.718z−1)(fz−1+fz−2)=(1−z−1)2(1+fz−1)212211即1-fz-1-(f+0.718f)z-2-0.718fz-3=1+(f-2)z-1+(1-2f)z-2+fz-321222122111111f11−2=−f21f11=0.592=−0.825故有Φ(z)=(1+0.718z−1)(1.408z−1−0.852z−2)Φ(z)=(1−z−1)2(1+0.592z−1)e1Φ(z)G(z)1−Φ(z)D(z)==1.41z−2+3z−3+4z−4+5z−5+…U(z)=Y(z)=R(z)Φ(z)−1−1−2=(1−z−1)(1−0.3679z−1)×(1+0.718z−1)(1.408z−1−0.825z−2)3.679z−1(1+0.718z−1)(1−z−1)2(1+0.592z−1)=(1−0.3679z−1)(1.408−0.825z−1)3.679(1−z−1)(1+0.592z−1)=0.272(1−0.3679z−1)(1.408−0.825z−1)(1−z−1)(1+0.592z−1)Tz−1Y(z)=R(z)Φ(z)=(1+0.718z)(1.408z−0.825z)(1−z−1)2=0.38z−1+0.02z−2+0.09z−3+0.09z−4+…数字控制器和系统的输出波形如图a，b所示3.679z−1(1+0.718z−1)=−1−−1−2×(1−z−1)(1−0.3679z−1)×(1+0.718z)(1.408z0.825z)Tz−1(1−z−1)2G(z)G(z)

知识点

最少拍无纹波控制器的设计

参考页

P127

学习目标

3（掌握数字控制器的离散化设计技术）

难度系数

5

题型

计算题

第47页：史密斯(Smith)预估控制

史密斯(Smith)预估控制

题目

已知广义被控对象为1−2sss+1××e1−e−TsG（s）=其中，T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s，应用施密斯预估器方法确定数字控制器。

答案

不含纯滞后的广义对象脉冲函数为0.632z−1111−1−1]=s(s+1)1−0.368zs+]=(1−z)Z[sG0(z)=Z[G0(s)]=Z[1−e−Ts广义对象脉冲传递函数为−4=1−0.368z−10.632z−3G(z)=G0(z)z不考虑纯滞后，闭环系统理想脉冲传递函数为0.5s+110Φ(s)=，进而Φs0.5s+1]=1−0.135z−110.865z−10(z)=Z[1−e−Ts001−0.368z−11−z−1[1−Φ(z)]G(Z)Φ(z)求得D0(z)=0=1.369于是的施密斯预估器如下1−0.368z−1001−0.315z−1−0.685z−5D(z)D(z)=0=1.3691+(1−z−N)D(z)G(z)

知识点

史密斯(Smith)预估控制

参考页

P131

学习目标

4（熟悉纯滞后控制技术）

难度系数

5

题型

计算题T5、已知控制系统的被控对象的传递函数为，采样周期T＝1s，若选闭环系统的时间常数，试用大林算法设计数字控制器。若出现振铃现象，修正数字控制器，消除振铃现象。

第48页：达林(Dahlin)算法

达林(Dahlin)算法

题目

e−s2e−sΦ(s)==0.5s+1s+2进而−1�1−e−s2e−s�0.865z−2=Φ(z)=Z�s�s+21−0.368z��被控装置广义脉冲传递函数0.154z−2(1+0.610z−1)1−e−Tse−sG(z)=Z[s(2s+1)(s+1)]=(1−0.368z−1)(1−0.607z−1)则1Φ(z)5.617(1−0.368z−1)(1−0.607z−1)D(z)==G(z)1−Φ(z)(1+0.610z−1)(1−0.368z−1−0.865z−2)5.617(1−0.368z−1)(1−0.607z−1)=(1+0.610z−1)(1+0.763z−1)(1−1.131z−1)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的两个因子中令z＝1来消除振铃现象，即1Φ(z)5.617(1−0.368z−1)(1−0.607z−1)D(z)==G(z)1−Φ(z)(1+0.610)(1+0.763)(1−1.131z−1)=1.979(1−0.368z−1)(1−0.607z−1)1−1.131z−1

知识点

达林(Dahlin)算法

参考页

P133

学习目标

4（熟悉纯滞后控制技术）

难度系数

5

题型

计算题T6、已知一个控制系统的被控对象传递函数为e−sG0(S)=1+s

第49页：达林(Dahlin)算法

达林(Dahlin)算法

题目

1简述达林（Dahlin）算法的基本原理。2用达林算法设计出它的数字控制器D(z)。（设采样周期T为1秒，期望一阶惯性环节时间常数τ选1秒）3说明设计的D(z)，应该整定的参数是什么？4设计的D(z)是否会出现振铃？为什么？

答案

（1）在选择闭环Z函数时，采用相当于连续一阶惯性环节的来代替最少拍多项式。如果对象有纯滞后，则M(z)还应该包含同样的纯滞后环节。（2）G(z)=z−1(1−e−1)=0.632z−2(z−e−1)1−0.368z−1M(z)=z−1(1−)z−1=0.632z−21−z−11−0.368z−1−1−21M(z)1−0.368z−1D(z)=�=G(z)1−M(z)1−0.368z−0.632z3需整定的参数是C，改变C可得到不同的控制效果4不会出现振铃响应，因为采样周期T＝1的选择使滞后入=1为T的整数倍，对于对象为一阶惯性的纯滞后G0(z)而言，没有在负实轴或第二、三象限的零点，故不会引起振铃。

知识点

达林(Dahlin)算法

参考页

P133

学习目标

4（熟悉纯滞后控制技术）

难度系数

5

题型

计算题