74 春季计算机控制技术(A卷)参考答案.pdf

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一、简答题（共70分）1、解释计算机控制系统工作的三个基本步骤。（3分）实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出2、解释计算机控制系统的发展趋势。（4分）综合化、扁平化、智能化、网络化3、系统误差的特点的是什么？（3分）在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。4、数字控制系统的结构包括哪三种分类？（3分）开环，闭环，半闭环5、何为最少拍控制？（3分）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−N12N6、选择采样周期需要考虑哪些因素？（5分）(1)首要因素香农采样定理给出了采样周期的上限。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。(2)次要因素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。7、何为共模干扰？常用的抑制方式有哪几种？（5分）所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。①变压器隔离②光电隔离③浮地屏蔽④采用仪表放大器提高共模抑制比8、解释SCADA和HMI的含义。（2分）HMI（HumanMachineInterface）广义的解释就是“使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口”。凡是具有系统监控和数据采集功能的软件，都可称为SCADA(SupervisorControlandDataAcquisition)软件。9、解释DCS、FCS、PCS、MES、ERP的含义。（5分）集散控制系统，DCS现场总线控制系统、FCS建立企业资源管理系统ERP（EnterpriseResourcesPlanning）生产执行系统MES（ManufacturingExecutionSystem）生产过程控制系统PCS（ProcessControlSystem）10、何为现场总线？（3分）现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通讯网络。11、解释数字控制器的直接设计步骤？（4分）1）根据控制系统的性能指标要求和其它约束条件，确定所需的闭环脉冲传递函数Φ(z)。⌠⌡⌡sZ[H(s)G(s)]=ZA(z)2）根据G(z)==B(z)∫1−e−TsCGC(s)⌠，求广义对象的脉冲传递函数G(z)。G(z)1−Φ(z)3）根据D(z)=1Φ(z)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。

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mn(n≥m)求取控制量u(k)的递推计算公式u(k)=∑bie(k−i)−∑aiu(k−i)。i=0i=1,U(z)nm4）根据D(z)=E(z)=1+∑aiz−i∑biz−ii=0无源I/V变换电路，其中R2为精密电阻，阻值250Ω，用于将电流转换为电压信号；D为钳位二极管，限定V不高于5.2v；R1和C组成滤波电路。有源I/V变换电路，R2为精密电阻，阻值250Ω，通过取样电阻R2，将电流变为电压信号。通过调整Rf的值，得到对应的电压输出。13、请分别画出8位D/A转换器的双极性电压输出电路，并推导出输出电压与输入数字量之间的关系式。（4分）VOUT1为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有OUT1REF2n×DV=−VVOUT2为双极性输出，且可推导得到OUT112OUT2REF−1)REF2n−1(DRRV=−(R3V+R3V)=VCR2RD1IVi=112、请分别画出一路有源I/V变换电路和一路无源I/V变换电路图，并分别说明各元器件的作用?（6分）+5VVCR1R2+-AI+-ARfR4R3R514、三相步进电机有哪几种工作方式？分别画出每种工作方式的各相通电顺序和电压波形图。（6分）对于三相步进电机则有单相三拍(简称单三拍)方式、双相三拍(简称双三拍)方式、三相六拍工作方式。单三拍工作方式各相的通电顺序为：A→B→C→A→…，各相通电的电压波形：ABC双三拍工作方式各相的通电顺序为：AB→BC→CA→AB→…，各相通电的电压波形：ABC三相六拍工作方式各相的通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A→…，各相通电的电压波形

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15、什么叫积分分离，其作用是什么？（5分）在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。特别对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。为此，可采用积分分离措施，即偏差e(k)较大时，取消积分作用；当偏差e(k)较小时才将积分作用投入。亦即当e(k)β时，采用PD控制；当e(k)≤β时，采用PID控制。积分分离阈值β应根据具体对象及控制要求确定。若β值过大，达不到积分分离的目的；若β值过小，一旦被控量y(t)无法跳出各积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差16、写出数字PID增量型、数字PID位置型控制算法的表达式。（4分）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17、什么叫做介质访问控制技术？在目前的局部网络中，采用哪几种传输访问控制方式？（5分）如何合理使用信道，合理分配信道，使得各结点既充分利用信道的空间时间传送信息，也不至于发生各信息间的互相冲突，即合理解决信道的分配的技术。传输访问控制方式有：冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA／CD)；令牌环(TokenRing)；令牌总线(TokenBus)。二、计算题（共30分）1、若要加工第二象限逆圆弧AB，起点A(0，5)，终点B(-5，0)。要求：(1)按逐点比较法插补进行列表计算；(2)画出走步轨迹图，并标明进给方向和步数。[8分]（1）插补计算过程如下表（4分）终点判断坐标计算偏差计算坐标进给偏差判别步数Nxy=10x0=0,y0=5F0=0起点Nxy=9x1=x0-1=4,y1=0F1=F0-2x0+1=-9-xF0=01Nxy=8x2=4,y2=y1+1=1F2=F1+2y1+1=-8+yF1<02Nxy=7x3=4,y3=y2+1=2F3=F2+2y2+1=-5+yF2<03Nxy=6x4=4,y4=y3+1=3F4=F3+2y3+1=0+yF3<04Nxy=5x5=x4-1=3,y5=3F5=F4-2x4+1=-7-xF4=05Nxy=4x6=3,y6=y5+1=4F6=F5+2y5+1=0+yF5<06Nxy=3x7=x6-1=2,y7=4F7=F6-2x6+1=-5-xF6=07Nxy=2x8=2,y8=y7+1=5F8=F7+2y7+1=4+yF7<08Nxy=1X9=x8-1=1,y9=5F9=F8-2x8+1=1-xF8>09Nxy=0X10=x9-1=0,y10=5F10=F9-2x9+1=0-xF9>010（2）根据上表，可作出走步轨迹如图所示。（4分）

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s2pG(s)=1s1−e−TsH(s)=解：双线性变换法：D(z)=D(s)2z−1Tz+1s=其中被控对象的传递函数Gp(s)和零阶保持器的传递函数H(s)分别为系统的采样周期为T=1秒，设计单位速度输入下的最少拍无纹波控制系统，要求：1求出数字控制器D(z)。2求出数字控制器输出u(k)的递推算式。3分别画出u(k)和系统输出y(k)的波形。[16分]解：（1）首先求取广义对象的脉冲传递函数−12⌠⌡⌡z−1(1+z−1))Z⌠⌡3⌠⌡=−12sss2(1−z)G(z)=Z⌠×=(1−z∫1−eTs1∫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=2,w=1,j=2,且j≤q，故有m=ω+d=1n=v-j+q=2对单位速度输入信号，选择111⌡−1−1q−12−1∫v−j⌡i=1Φe(z)=1−Φ(z)=⌠·(1−aiz)⌠(1−z)F(z)=(1−z)(1+fz)2、已知连续控制器的传递函数D(s)=1+0.2s0.1s设采样周期为T=0.2s，试用双线性变换法分别写出该控制器的数字式位置算式和数字式增量算式。[6分]H(s)pG(s)D(z)y(t)u(k)e(k)＋－－r(t)−1�u(z)−z−1u(z)=3e(z)−z−1e(z)1+0.22z−1D(z)=U(z)=0.2z+1=3−z0.12z−1E(z)1−z−10.2z+1数字式位置算式u(k)=u(k−1)+3e(k)−e(k−1)数字式增量算式Δu(k)=u(k)−u(k−1)=3e(k)−e(k−1)3、某计算机控制系统如下图所示

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Φ(z)=z22221−1−1−d⌠⌠∫·z−2)(1−bz)F(z)=(1+z)(fz−1+f⌡i=1⌡iω[11∫f∫∫22=−f[22∫f即：/1−2f11=−(f22+f21)故有/f21=1.251−Φ(z)=1−(1+z−1)(fz−1+fz−2)=(1−z−1)2(1+fz−1)212211f11−2=−f21f11=0.75=−0.75Фe(z)=(1-z-1)2(1+0.75z-1)Ф(z)=(1+z-1)(1.25z-1-0.75z-2)D(z)==G(z)1−Φ(z)(1+0.75z−1)1Φ(z)2(1.25−0.75z−1)=1.25z−2+3z−3+4z−4+5z−5+…−1−1−2Tz−1Y(z)=R(z)Φ(z)=(1+z)(1.25z−0.75z)(1−z−1)2−1−1U(z)2.5−1.5z−1（2）D(z)==�u(z)=−0.75zu(z)+2.5e(z)−1.5ze(z)E(z)1+0.75z−1则递推算式u(k)=−0.75u(k−1)+2.5e(k)−1.5e(k−1)（3）