计算机控制系统作业答案
作业一
第一章
1.1什么是计算机控制系统？画出典型计算机控制系统的方框图。 参考答案：
答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制. 控制系统中的计算机是由硬件和软件两部分组成的.硬件部分: 计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备组成; 软件部分: 软件是各种程序的统称，通常分为系统软件和应用软件。
1.2.计算机控制系统有哪几种典型的类型？各有什么特点。 参考答案：
计算机控制系统系统一般可分为四种类型：
①数据处理、操作指导控制系统；计算机对被控对象不起直接控制作用,计算机对传感器
产生的参数巡回检测、处理、分析、记录和越限报警，由此可以预报控制对象的运行 趋势。
②直接数字控制系统；一台计算机可以代替多台模拟调节器的功能，除了能实现PID 调
节规律外, 还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解 藕控制，以及自适应、自学习,最优控制等复杂的控制.
③监督计算机控制系统；它是由两级计算机控制系统：第一级DDC 计算机, 完成直接数字控制功能；第二级SCC 计算机根据生产过程提供的数据和数学模型进行必要的运算，给 DDC 计算机提供最佳给定值和最优控制量等。
④分布式计算机控制系统。以微处理机为核心的基本控制单元，经高速数据通道与上一级监督计算机和CRT 操作站相连.
1.3.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？
参考答案：
计算机控制系统与连续控制系统主要区别：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计
算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象
图1.3-2 典型的数字控制系统
给
进行调节和控制.
与采用模拟调节器组成的控制系统相比较，计算机控制系统具有以下的优点：(1)控制规律灵活，可以在线修改。
(2)可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标.
(3)抗干扰能力强，稳定性好。
(4)可以得到比较高的控制精度。
(5)能同时控制多个回路，一机多用，性能价格比高。
(6)便于实现控制、管理与通信相结合，提高工厂企业生产的自动化程度.
(7)促进制造系统向着自动化、集成化、智能化发展。
第二章
2.1. 计算机控制系统有哪四种形式的信号？各有什么特点?
参考答案：
在计算机控制系统中，通常既有连续信号也有离散信号，这些信号一般是信
息流,而不是能量流.可分为四种形式：
⑴连续模拟信号：时间和信号的幅值都是连续的。
⑵阶梯模拟信号：时间是连续的，信号的幅值是阶梯形的。
⑶采样信号：时间是离散的，信号的幅值是连续的脉冲信号。
⑷数字信号：信号的时间以及幅值都是离散的，且幅值经过了量化处理。
2.2. 采样信号的频谱和原连续信号的频谱有何不同？
参考答案：
采样信号的频谱和原连续信号的频谱的区别：
①通常，连续信号带宽是有限的，频率的极限值wmax, 它的频谱是孤立的.
采样信号的频谱是以ωs为周期的无限多个频谱所组成.
②∣y(jw)∣和∣y*(jw) ∣形状相似。幅值只差一个比例因子1/T(又称为采样增
益).
2.3.计算机控制系统中的保持器有何作用，简述零阶保持器的特点。
参考答案：
保持器的原理是根据现在时刻或过去时刻输入的离散值,用常数、线性函数或
抛物函数形成输出的连续值。
零阶保持器有如下特性：
①低通特性：保持器的输出随着信号频率的提高，幅值迅速衰减。
②相位滞后持性：信号经过零阶保持器会产生相位滞后，它对控制系统的稳定性是
不利的
2.4.试求下例函数的Z变换：(采样周期为T)
⑴f(t)1(t T)
=-⑵
9t t0 f(t)
0t0
≥
?
=?
<
?
参考答案：
1()1
F z z =- 2
9()(1)
Tz F z z =
-
⑶k 1
a k 1,2,3,f (k )0
k 0
-?=???=?
≤? ⑷at e sin 2t
t 0f (t)0
t 0
-?≥=?
参考答案： ()()
z F z a z a =
- 2
2sin 2()2cos 2aT
aT
aT
ze
T F z z ze
T e
---=
-+
2.5.设函数的La 氏变换如下，.试求它们的Z 变换:
参考答案： ⑴ s 3F(s)(s 2)(s 1)
+=
++ ⑵ 2
1F (s )
(s 5)=+
22()T
T
z z F z z e
z e
---=+
-- 552
()()
T T
Tze F z z e
--=
-
⑶ 3
1F(s)s
=
⑷ 2
10F(s)s (s 1)
=
+
2
3
(1)()2(1)
T z z F z z +=
- 2
1010(1)
()(1)
(1)()
T
T
Tz e
z F z z z z e ---=
-
---
（5） 2
10F(s)s 16=+
2
2.5s i n 4
()2cos 41
z
T F z z z T =-+
2.6已知函数的Z 变换如下，.试求它们的y(kT): 参考答案：
⑴ 2
z Y (z )z 1
=
- ⑵ 2
z Y (z )
(z 1)(z
2)
=--
1(1)()2
2
k
y kT -=
-
()21k
y k T k
=--
⑶ 2
2z
Y (z)(z 1)(z 2)
=
++ ⑷ 1Y (z )
z (z 0.2)
=-
()2(1)4(2)k
k
y kT =--+- ()25(0.2
k
y k T =
⑸ 2
0.6z Y (z )z 1.6z
0.6
=
++ ⑹ 1
1
1
1
13z
3z
Y (z)(10.5z )(10.8z )
-----+=
--
() 1.5(0.6) 1.5(1)k
k
y kT =--- 3531()0.50.8
3
6
k
k
y kT =-
+
⑺ 412
z
Y (z)(1z )
--=- ⑻ aT
aT
2
T e
z Y (z)(z e
)
--=
-
()3y kT k =- ()akT
y kT kTe
-=
2.7 求下列函数的初值和终值： 参考答案： ⑴ 2.7z F(z)z 0.8
=- ⑵ 2
2
1.6z z F(z)z 0.8z 0.5
-=
-+
(0) 2.7()0
y y =∞=
(0)1.6
()0
y y =∞=
作业二
第三章
3.1 已知差分方程x (kT)ax (kT T)1(kT)--= ，又知x(kT)0(k 0);1a 1=<-<<.试用
Z 变换法求x(kT)和x (∞).
参考答案：
1()11()1k
a x kT a
x a
-=
-∞=
-
3.2 已知2
2
z
F(z)z 1.2z 0.2
=++ ,试用长除法和Z 反变换法求解f(kT).
参考答案：
1
2
3
4
()1 1.2 1.24 1.248 1.2496f kT z
z
z
z
----=-+-+-???
(0.2)5()(1)4
4
k
k
f kT -=-
+
-
3.3已知差分方程y(k 1)2y(k )0,y(0)1++== ⑴ 用递推法求y(k)的前三项。 ⑵ 用反变换法求解y(k).
参考答案： （1）(1)2(2)4(3)8y y y =-==-
（2） ()(2)k
y kT =-
3.4 用Z 变换法求解下例差分方程: 参考答案：
⑴ k
f (k 1)f (k )
a ,f (0)0
++== ()(2)k y kT =-
⑵ f (k 2)3f (k 1)
2f (k )+
-++=其中f (0)f (1)==，且k 0< 时
f (k )0=; 0k 0
r(k )1
k 0,1,2,
=???
?
()12k f kT k =--+
⑶ y(k )2y(k 1)k 1+-=- 其中 y(0)1=
10(2)13
()9
k
k y kT --+=
3.5 利用劳斯判据，决定下列单位负反馈系统闭环稳定时，K 的取值范围. ⑴ k K (0.1z
0.08)
G (z )(z 1)(z 0.7)
+=--
参考答案：
03.75K <<
(2) k K (0.1z 0.08)G (z)z(z 1)(z 0.7)+=--
参考答案：
01.23K <<
3.6 已知下列系统的特征方程，试判别系统的稳定性。 ⑴ 2
z 1.5z 90
++= 参考答案：
系统不稳定。
⑵ 32z 2z 2z 0.50-+-= 参考答案：
系统不稳定。
⑶ 32z 1.5z 0.25z 0.40--+= 参考答案：
系统稳定。
3.7. 设离散系统的框图如图所示，试确定闭环稳定时K 的取值范围. （其中T=1s,K1=2 T 1=1)
题图3.7 单位反馈闭环系统框图
参考答案：
20.736(
1.717)
()(1)(0.368)
(0.736 1.368)(0.368 1.264)000.5
z H G z z z z z K K K +=
--+-++=<<
3.8 用长除法或Z 反变换法或迭代法求下列闭环系统的单位阶跃响应。 ⑴ c 2
z 0.5G (z )3(z z
0.5)
+=-
+
参考答案：
11()()(2)()0.5(2)3
6
y kT r kT T r kT T y kT T y kT T =
-+
-+-+-
即：157()(2)(3)3
6
6
y T y T y T ==
=
???
⑵ c 2
0.5z
G (z )z z 0.5
=
-+
参考答案： 1
2
3
4
5
6
7
()0.5 1.25 1.25 1.1250.9375(0)0,()0.5,(2)1,(3) 1.25,(4) 1.25,(5) 1.125(6)1,(7)0.9375,Y z z
z
z
z
z
z
z
y y T y T y T y T y T y T y T -------=+++++++???
========???
⑶ c 0.05(z
0.904)
G (z )(z 1)(z
0.819)
0.05(z
0.904)
+=--++
参考答案：
()0.05()0.045(2) 1.769()0.864(2)y kT r kT T r kT T y kT T y kT T =-+-+---
(0)0,()0.05,(2)0.183,(3)0.376,y y T y T y T ====???
3.9 开环数字控制系统如图所示，试求Y(z )、y(0)、y(∞).已知：1E (s)s
=
⑴ 数字调节器: u(k)u(k 1)e(k 1)=--+- 被控对象： 1G p (s )
s
=
⑵ 数字调节器: u(k 1)0.5e(k 1)0.95e(k)0.995u(k)+=+-+
被控对象： p 1G (s )(s 1)(s
2)
=++
参考答案： （1） 2
()()(0)0
(1)(1)
Tz Y z y y z z =∞=∞=+-
（2） 20.50.95
()[]2(1)2()0.9
95()45
(0)
T
T z z
z z Y z z z e
z e
z y y
---
=-+----
∞=-=
3.10 设系统如图所示，试求系统的闭环脉冲传递函数。
参考答案： 1212()()()1()()
G z G z G z G z G z =+
3.11 设系统如图所示，试求:
⑴系统的闭环脉冲传递函数.
⑵判定系统的稳定性。
⑶分别求系统对单位阶跃输入和单位斜坡输入时的稳态误差。
参考答案：
（1）2
1.70.3()0.70.3
B z G z z z +=
++
（2）系统稳定。
（3）单位阶跃输入 0ss e =
单位斜坡输入时 0.5ss e =
第四章
4.1 已知系统的运动方程，试写出它们的状态方程和输出方程： ⑴ (3)
(2)
y
5y
y 2y u 2u ?
?
+++=+
参考答案： []1
1223312
3010000112
1
531
0x x x x u x x x y x x ?????????????????????=+????????????????----?
?????
??
??
????=??????
⑵ (3)
(2)
y
3y
2y u ?
++=
参考答案：
[]1223312
3010000100
2
311
0x x x u x x x y x x ??????????????????=+????????????????--?
?????
????????=??????
⑶ (3)
(2)
(2)
y
3y
2y y u 2u u
?
?
+++=+
+
参考答案： []1
1223312
3010100111
2
321
0x x x x u x x x y x x ?????
????????????????=+-????????????????---?
?????
????????=??????
4.2 已知下列系统的传递函数, 试写出它们的状态方程和输出方程： ⑴ 2
3
2
s 2s 5G (s)3s 6s 9s 15
++=+++
参考答案： 1
12233123010000105
3
215213
3
3x x x x u x x x y x x ?????????????????????=+????????????????---?
?????
??
??
??????
=?
?????????
⑵ 3
2
5s 2G (s)s 3s 2s 5
+=+++
参考答案：
[]1223312
3010000105
2
312
5
0x x x u x x x y x x ??????????????????=+????????????????---?
?????
????????=??????
4.3 已知系统的传递函数3
2
2s 1G (s)s 7s 14s 8
+=
+++ , 试写出其状态方程,使状态方程为对
角阵。
参考答案：
1
1223312
3100102010
411373
26x x x x u x x x y x x ???????-??????????????=-+????????????????-?
?????
??????????=-
-??????????
4.4 已知系统的传递函数2
3
22s 6s 5G (s)s 4s 5s 2
++=
+++ , 试写出其状态方程,使状态方程为若当
标准型。
参考答案：[]1
1223312
3110001010
21111x x x x u x x x y x x ???????-??????????????=-+????????????????-?
?????
??
??
????
=??????
4.5已知下列离散系统的差分方程为： ⑴ y (k 2)3y (k 1)2y (k )++++= ⑵ y (k 2)
5y (k 1)
3y (k )u (k
1)
+
+++=++ 输出为y(k),, 试分别写出它们的状态方程和输出方程. 参考答案：
（1）
[]112212()01()0()()23()4()()1
0()x kT T x kT u kT x kT T x kT x kT y kT x kT +????????=+????????+--????????
??=????
（2）
[]112212()01()1()()35()3()()1
0()x kT T x kT u kT x kT T x kT x kT y kT x kT +????????=+????????+---????????
??=????
4.6 已知离散系统脉冲传递函数2
2
z 2z 1G (z)z 5z 6
++=
++ ,试分别用直接程序法和分式展开法求
系统的离散状态方程.
参考答案： 直接程序法
[]112212()01()0()()65()1()()5
3()
()x kT T x kT u kT x kT T x kT x kT y kT u kT x kT +????????=+????????+--????????
??=--+????
分式展开法
[]112212()20()1()()03()1()()1
4()
()x kT T x kT u kT x kT T x kT x kT y kT u kT x kT +-????????
=+????????+-????????
??=-+????
4.7 求解下系统的时间相应。已知：001X X (t)340?
????
=+δ????--????
, 初始状态X(0)=0 参考答案：
1421()33()44t x t x t e -??
????=????-??
??
4.8 设系统的状态方程：X (k 1)FX (k )Gu (k )+=+ y (k )
C X (
k = []011F ,G ,C 10
0.1611????
===
????--????
已知输入：u(k)=1 ,(k ≥0) 初始状态: 12x (0)1X (0)x (0)1????
==?
???-????
试求：（1）系统的状态转移矩阵F k (2) 状态方程的解X(k);
(3) 系统的输出y(k). 参考答案： （1）
4(0.2)(0.8)5(0.2)5(
0.8)
33
()0.8(0.2)0.8(0.8)
(0.2)4(0.8)33k k k k
k
k k k k
kT F
φ??------?
??
?==--+---+-???
??
?
（2）
12() 3.185(0.8) 2.83(0.2) 1.389() 1.956(0.8)0.567(0.2)0.389k k
k k
x kT x kT ??
---+??=????--+-+????
（3）
1()()3.185(
0.8)2.83(
0.2)1.389
k
k
y kT x kT ==---+
4.9 已知离散系统的状态空间表达式，[]1
0.5 1.2X (k 1)X (k )u (k )0.2
10.5y(k )1
0X (k )
??
??+=+?
???????
= 初始状态X(0)=0
试求系统的Z 传递函数: Y (z)G (z)U (z)
=
参考答案： 2
()1.20.95
()()
20.9
Y z z G z U z z z -
==
-+
4.10 已知离散系统的状态方程:
0.40.6
0.6X (k T
T )X (k T )u (k T )
0.60.60.4-????
+=+??
??
??
??
试判断系统的稳定性。 参考答案：
系统稳定。
作业三
第五章
5.1 已知连续系统的传递函数: (1) 2G (s)(s 1)(s 2)
=
++; (2) s a G (s)s(s b)
+=
+
试用冲击不变法﹑阶跃不变法﹑零极点匹配法﹑双线性变换法、差分变换法，将上述传
递函数转换为等效的Z 传递函数. 取采样周期T=0.1s. 参考答案：
（1） 冲击不变法
222()T
T
z z G z z e
z e
--=-
--
（2） 阶跃不变法 2
2
2
()(1)
(1)
bT
a Tz
b a z a b z G z b z b
z b
z e
---=+
+
---
5.2 已知比例积分模拟调节器D(s)=Kp+Ki/s ,试用后向差分法和双线性变换法求数字调节
器D （z ）及其控制算法。 参考答案： 后向差分法
()1
i p K T z D z K z =+
-
双线性变换法 (1)
()2(1)
i p K T z D z K z +=+-
5.3 已知Z 传递函数z 0.7G (z )z 0.2
+=
- ,试分析其频率特性，并判断它是低通滤波器还是高通
滤波器. 参考答案：
1
1
0.7()0.2
sin sin ()()cos 0.7
cos 0.2
j T j T
j T
j T
e G e
e
T T G e
tg
tg
T T ωωωωωω?ωωω--+=
-=
=--+-
具有高通特性。
5.4 已知系统的差分方程为: y(k)0.8y(k 1)x(k)2x(k 1)=-++- , 其中x (k)为输入序列，y (k) 为输出序列. 试分析其频率特性. 参考答案：
1
1
2()0.8
sin sin ()()cos 2
cos 0.8
j T
j T
j T
j T
e G e
e
T T G e
tg
tg
T T ωωωωωω?ωωω--+=
-=
=--+-
具有高通特性。
5.5 已知低通滤波器0.5266z D (z )z 0.4734
=- , 求D （z ）的带宽ωm .. 取采样周期T=2ms.
参考答案：
695
/m s ω=弧度
5.6 已知广义对象的Z 传递函数0.05(z 0.7)H G (z)(z 0.9)(z 0.8)
+=
-- ,试设计PI 调节器
D(z)=Kp+Ki/(1-z -1)，使速度误差e ss =0.1 ，取采样周期T=0.1s.
参考答案：
10.235
()2.1151D z z
-=+-
5.7 已知10.15s D (s)0.05s
+=,写出与它相对应的PID 增量型数字控制算法。
参考答案：
()20()3()3(()()()u k T T e k T e k T e k T
T
u k T u k T T u k T ?=+
--??
=-
+??
第六章
6.1 试述在最少拍设计中，系统的闭环Z 传递函数Gc(z)和误差Z 传递函数Ge(z)的选择原
则。 参考答案：
最少拍设计中，系统的闭环Z 传递函数Gc(z)和误差Z 传递函数Ge(z)的选择原则： (1)为了保证D(z)的可实现性，应选择Gc(z)含有HG(z)的Z-r 因子.
(2)为了保证D(z)的稳定性，应选择Gc(z)具有与HG(z)相同的单位圆上(除Z ＝l 外)和单位圆外的零点。
(3)为了保证系统的稳定性，应选择Ge(Z)含有 的因子，pi 是HG(z)的 不稳定的极点。
因为： 只能用Ge(z)的零点来抵消HG(z)中不稳定的极点.
⑷为了使调节时间最短(最少拍)，应选择Ge(z)中含有(1-Z-1)m 因子 (m ＝l ，2，3)是典型输入信号Z 变换R(z)中分母的因子。
⑸保持Ge(z)与Gc(Z)有相同的阶次.
6.2 最少拍控制系统有哪几种改进设计方法。
参考答案：
c e G (z)1G (z)
=-1i (1p z )--c e G (z)D(z)HG (z)G (z)=
最少拍控制系统改进设计方法有：
调节器的设计方法的改进:惯性因子法，延长节拍法，换接程序法.
6.3 已知不稳定的广义对象：11
2.2z
H G (z)1 1.2z
--=
+, 试设计单位阶跃作用下的最少拍调节
器。
参考答案： 0.21.2
() 2.2(1)
z D z z -+=-
6.4 已知的广义对象Z 传递函数: 1
1
1
1
1
0.265z (1 2.78z )(10.2z )
H G (z)(1z )(10.286z )
-----++=
--
试设计单位阶跃作用下的最少拍无波纹调节器.
参考答案： 1
1
2
0.83(10.286)()10.780.12z D z z
z
----=++
6.5 设系统的结构如下图所示，被控对象d 10
W (s)s(10.1s)(10.05s)
=
++ ,采样周期
T=0.2s , 试设计单位阶跃作用下的最少拍调节器D(z).
参考答案：
111
1
1
1
1
1
1
1
0.761(1 1.133)(10.047)()(1)(10.018)(10.135)
0.616(10.018)(10.135)()(10.531)(10.047)
z z z H G z z z z z z D z z z ----------++=
-----=
++
6.6 已知被控对象1G (s)s(s 2)
=
+ ,采用零阶保持器，采样周期 T=0.1s .试用W 变换法设
计数字调节器，要求相位裕度γ=50°,幅值裕度Kg>10dB,速度稳态误差系数K v =5s
-1
.
参考答案：
1
1
0.018(1)
()(1)(0.819)
510.622()()110.305(1)
21.92(10.851)()(10.714)
K K K z G z z z w G w D w w w w z D z z --+=--+=
=
++
-=
-
6.7 已知被控对象的传递函数10s
e
G (s)100s 1
-=
+ ，取采样周期 T=5s . 试用大林算法设计数
字调节器D(z),期望的闭环传递函数为10s
c e
G (s)20s 1
-=+ .
参考答案：
微型计算机控制技术学习心得 转眼间，一个学期又过去了。微机原理与控制技术课程已经结束了。通过从大三下学期的微机原理与接口技术到这学期的微机原理与控制技术的学习，回想起来受益匪浅，主要是加深了对计算机的一些硬件情况和运行原理的理解和汇编语言的编写，期间也听老师讲过，微机原理这门课程是比较偏硬件一点的。正是因为这一点我还是对它比较喜欢的，因为它和我的专业方向“机电工程”有很大的联系，在机电工程领域很多场合要应用到微机，而且是微机原理是考研复试面试时必考问的专业课，因为我要考研，本着一定要考上的心态，因此对该课程的学习还是有浓厚的兴趣和动力的。下面谈谈这期学习该课程的心得与体会：总体介绍下这门课程的轮廓吧（也就是教学大纲）： 一、课程性质与设置目的 （一）课程性质 微型计算机控制技术是高等院校计算机应用专业本科教学中的一门选修专业课，是从微型计算机原理到微型计算机控制，从理论到实际的必经桥梁，是着重解决和处理工程实际问题的一门课程。在该课程的教学过程中，将课堂教学与实验教学有机结合，注意培养同学分析问题、解决问题的方法和能力。 该课程主要介绍微型计算机应用在工业控制中的各种技术，重点讲述微型机用于实时控制中的软件、硬件设计方法，以及它们之间的结合问题。课程注重理论联系实际，从工程实际出发，在设计方法，即实验技术、操作运行、系统调试等方面对学生进行训练，为学生的毕业设计及将来的实际工作奠定基础。（二）教学目的 通过本课程的学习，可使我们对微型机在工业过程控制和智能化仪器方面的应用有个比较全面的了解，为以后的工作和毕业设计打下基础。 二、下面我对该门课程的教学内容做了一个详细的总结 1.第1章微型计算机控制系统概述 2.教学要点 1.微型计算机控制系统的组成 2.微型计算机控制系统的分类 3.微型计算机控制系统的发展 3.教学内容 通过对本章的学习，应当对微型计算机控制系统有一个完整的概念，具体掌握以下几方面的内容。 4. 1.了解微型计算机控制系统的组成。 2.学习并掌握微型计算机控制系统的分类 及各系统之间的区别。
计算机控制系统设计性实验报告 学生姓名:学号： 学院:自动化工程学院 班级: 题目:
设计性实验撰写说明 正文：正文内容层次序号为： 1、1.1、1.1.1 2、2.1、2.1.1……。 1、选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。 2、方案论证(设计理念)：说明设计原理（理念）并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。 3、过程论述：对设计工作的详细表述。要求层次分明、表达确切。 4、结果分析：对研究过程中所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。 5、结论或总结：对整个研究工作进行归纳和综合。 6、设计心得体会。 课程设计说明书（报告）要求文字通顺，语言流畅，无错别字，用A4纸打印并右侧装订。
《计算机控制系统》设计性实验 一、通过设计性实验达到培养学生实际动手能力方法及步骤： 对系统设计方法可以从“拿到题目”到“进行分析”再到“确定解决方案”最后到“具体系统的设计的实现”的整个过程进行全方位的启发。让学生掌握对不同的控制系统设计方法和基本思想，从工程角度对待设计题目，尽量做到全面认识理解工程实际与实验室环境的区别，逐步引入工程思想，提高学生设计技巧和解决实际问题的能力。 1、了解和掌握被控制对象的特性； 2、选择合理的传感器（量程、精度等）； 3、计算机控制系统及接口的设计（存储器、键盘、显示）； 4、制定先进的、合理的控制算法； 5、结合控制系统的硬件系统对软件进行设计； 6、画出系统硬件、软件框图； 7、系统调试。 二、具体完成成品要求： 1、对传感器、A/D、D/A、中央处理器、显示、键盘、存储器的选型大小等； 2、实现系统硬件原理图用Protel或Proteus、MATLAB软件（框图）仿真设计； 3、达到课题要求的各项功能指标； 4、系统设计文字说明书； 5、按照学号循环向下作以下7个题目。 三、系统控制框图： 控制系统硬件框图
第一章计算机控制系统概述 习题与思考题 1.1什么是计算机控制系统？计算机控制系统较模拟系统有何优点？举例说明。 解答：由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，被称为计算机控制系统。与模拟系统相比，计算机控制系统具有设计和控制灵活，能实现集中监视和操作，能实现综合控制，可靠性高，抗干扰能力强等优点。例如，典型的电阻炉炉温计算机控制系统，如下图所示： 炉温计算机控制系统工作过程如下：电阻炉温度这一物理量经过热电偶检测后，变成电信号（毫伏级），再经变送器变成标准信号（1-5V或4-20mA）从现场进入控制室；经A/D 转换器采样后变成数字信号进入计算机，与计算机内部的温度给定比较，得到偏差信号，该信号经过计算机内部的应用软件，即控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制双向晶闸管对交流电压（220V）进行PWM调制，达到控制加热电阻两端电压的目的；电阻两端电压的高低决定了电阻加热能力的大小，从而调节炉温变化，最终达到计算机内部的给定温度。 由于计算机控制系统中，数字控制器的控制算法是通过编程的方法来实现的，所以很容易实现多种控制算法，修改控制算法的参数也比较方便。还可以通过软件的标准化和模块化，这些控制软件可以反复、多次调用。又由于计算机具有分时操作功能，可以监视几个或成十上百个的控制量，把生产过程的各个被控对象都管理起来，组成一个统一的控制系统，便于集中监视、集中操作管理。计算机控制不仅能实现常规的控制规律，而且由于计算机的记忆、逻辑功能和判断功能，可以综合生产的各方面情况，在环境与参数变化时，能及时进行判断、选择最合适的方案进行控制，必要时可以通过人机对话等方式进行人工干预，这些都是传统模拟控制无法胜任的。在计算机控制系统中，可以利用程序实现故障的自诊断、自修复功能，使计算机控制系统具有很强的可维护性。另一方面，计算机控制系统的控制算法是通过软件的方式来实现的，程序代码存储于计算机中，一般情况下不会因外部干扰而改变，因此计算机控制系统的抗干扰能力较强。因此，计算机控制系统具有上述优点。 1.2计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？ 解答：计算机控制系统典型结构由数字控制器、D/A转换器、执行机构和被控对象、测量变送环节、采样开关和A/D转换环节等组成。 被控对象的物理量经过测量变送环节变成标准信号（1-5V或4-20mA）；再经A/D转换器采样后变成数字信号进入计算机，计算机利用其内部的控制算法运算后得到一个控制信号的数字量，再经由D/A转换器将该数字量控制信号转换成模拟量；控制信号模拟量作用于执行机构触发器，进而控制被控对象的物理量，实现控制要求。 1.3应用逻辑器件设计一个开关信号经计算机数据总线接入计算机的电路图。
计算机控制系统试卷一答案 一、简答题（每小题5分，共50分） 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ 答 (1) 周期采样指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。 (2) 同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。 (5) 随机采样若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 3、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K P可以减小静差，但是K P过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 (2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数T I大，则积分作用弱，反之强。增大T I将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。 (3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？ 答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜z i｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。 5、为什么会出现比例和微分饱和现象？ 答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，其中计算值的多余信息没有执行就遗失了，从而影响控制效果。
微型计算机控制技术课 后答案第二版潘新民 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
第一章1.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分作用 (1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。 (3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能. (4)检测与执行机构:a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量.b. 执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。 4、操作指导、DDC和SCC系统工作原理如何它们之间有何区别和联系 (1)操作指导控制系统：在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到操作指导的作用 (2)直接数字控制系统(DDC系统)：DDC(Direct Digital Control)系统就是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给微机，微机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。DDC系统是闭环系统，是微机在工业生产过程中最普遍的一种应用形式。 (3)计算机监督控制系统(SCC系统)：SCC(Supervisory Computer Control)系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等。 SCC是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。 第二章 2 采样周期越小越好吗为什么 答：不是。若采样间隔太小（采样频率太高），则对定长的时间记录来说其数字系列就很长，计算工作量迅速增大，可能产生较大的误差。
南京理工大学 动力工程学院 实验报告 实验名称最少拍 课程名称计算机控制技术及系统专业热能与动力工程 姓名学号 成绩教师任登凤
计算机控制技术及系统 一、 实验目的及内容 通过对最少拍数字控制器的设计与仿真，让自己对最少拍数字控制器有更好的理解与认识，分清最少拍有纹波与无纹波控制系统的优缺点，熟练掌握最少拍数字控制器的设计方法、步骤，并能灵巧地应用MATLAB 平台对最少拍控制器进行系统仿真。 （1） 设计数字调节器D(Z)，构成最少拍随动控制系统，并观察系统 的输出响应曲线； （2） 学习最少拍有纹波系统和无纹波系统，比较两系统的控制品质。 二、实验方案 最少拍控制器的设计理论 r (t ) c(t ) e*(t) D (z) E (z) u*(t) U (z) H 0(s )C (z) Gc (s ) Φ(z) G(z) R(z) 图1 数字控制系统原理图 如图1 的数字离散控制系统中，G C (S)为被控对象，其中 H(S)= (1-e -TS )/S 代表零阶保持器，D(Z)代表被设计的数字控制器，D(Z)的输入输出均为离散信号。 设计步骤:根据以上分析 1）求出广义被控对象的脉冲传递函数G (z ) 2）根据输入信号类型以及被控对象G (z )特点确定参数q, d, u, v, j, m, n 3）根据2）求得参数确定)(z e Φ和)(z Φ 4）根据 )(1) ()(1)(z z z G z D Φ-Φ= 求控制器D (z ) 对于给定一阶惯性加积分环节，时间常数为1S ，增益为10，采样周期T 为1S 的对象，其传递函数为：G C (S) =10/S(S+1)。 广义传递函数： G(z)=Z [])()(s G s H c ?=Z ?? ?????--)(1s G s e c Ts =10(1-z -1 )Z ??????+)1(12s s =3.68×) 368.01)(1() 717.01(1 111------+z z z z
《计算机控制系统》第一次作业答案 你的得分：100.0 完成日期：2018年09月10日01点40分 说明：每道小题选项旁的标识是标准答案。 一、单项选择题。本大题共20个小题，每小题2.0 分，共40.0分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.计算机与计算机或智能设备之间进行通信地的连线，称为（） A.内部总线 B.外部总线 C.PCI总线 D.ISA总线 2.分散型控制系统综合的四C技术其中有（）。 A.分散控制 B.集中控制 C.控制技术 D.信息处理 3.通过一个信息帧传送的信息字段，是通讯中的实质性内容，也就是（）。 A.应用层 B.消息层 C.物理层 D.链路层 4.Bitbus的电气接口采用的是平衡传送的（）标准。 A.RS-232 B.RS-485 C.RS-422 D.IEE-488 5.按字符传送数据的方法称为（）。 A.同步传送 B.异步传送 C.网络传送 D.远传 6.外界干扰的扰动频率越低，进行信号采集的采样周期应该越（）。 A.长 B.短 C.简单 D.复杂 7.所谓实时，是指信号的输入、计算和输出都要在（）的时间范围内完成。 A.微秒级 B.纳秒级 C.毫秒级 D.一定 8.数字量输入通道主要由（）、输入调理电路、输入地址译码等组成。
A.输入缓冲器 B.输入锁存器 C.输出缓冲器 D.输出锁存器 9.A/D转换器的主要技术指标中，（）是指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。 A.分辨率 B.线性误差 C.量程 D.转换时间 10.将采样信号转换成数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是（）。 A.D/A转换器 B.A/D转换器 C.计算机 D.单片机 11.在通信线路上传输信息时，用于提高传输质量的方法中，改善信道的电性能，使误码 率降低的方法称为（）。 A.差错控制技术 B.检验错误 C.纠正错误 D.自动纠错 12.数据传输通常用的方式中，用单线传输信号，以地线作为信号的回路，接收器是用单 线输入信号的方式称作（）。 A.串行传输方式 B.不平衡方式 C.并行传输方式 D.平衡传输方式 13.在数字滤波技术当中，应视具体情况选择不同的数字滤波方法，其中（）适用于偶然 性的脉冲干扰。 A.平均值滤波 B.中位值滤波 C.惯性滤波法 D.加权平均值滤波法 14.多变量控制系统解耦的条件是系统的闭环函数矩阵Φ(s)为（）。 A.解耦矩阵 B.对称矩阵 C.对角线矩阵 D.补偿矩阵 15.一个10位的A/D转换器，其量化精度约为（），若其孔径时间为10微妙， 如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正旋波模拟信号的最大频率为 16HZ 。 A.1% B.0.5% C.0.2% D.0.1%
计算机控制系统复习题及答案
《计算机控制系统》课程复习资料 一、简答题： 1.什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？各有什么作用。 2.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？ 3.计算机控制系统中的保持器有何作用，简述保持器的特点? 4.简述PID 调节器的作用，有哪几种改进型数字PID 算法？ 5.计算机控制系统有哪四种形式的信号？各有什么特点? 6.简要说明什么是计算机控制系统？模拟调节器与数字调节器有何区别? 二、分析和计算题： 1.已知一系统的闭环脉冲传递函数为-1 -1 -2 0.1z Y(z)Gc(z)== 1-0.4z +0.8z R(z) ,其中输入为单 位阶跃信号,求输出y(KT)。 2.已知一系统的闭环脉冲传递函数为-1 -1 0.53+0.1z Gc(z)=1-0.37z 当输入为单位阶跃信号 时, 求输出y(KT)及y(∞)。 3.用长除法或Z 反变换法或迭代法求闭环系统2 z +0.5Gc(z)=8(z +0.1z -0.12) 的单位阶 跃响应。 4.已知低通数字滤波器0.5266z D(z)= z -0.4734 ,求D （z ）的带宽ωm;并求当输入E(z)为 阶跃信号时数字滤波器的控制算法。取采样周期T=2ms 。 5.设系统如图所示，试求: ①系统的闭环脉冲传递函数。
②判定系统的稳定性。 ③分别求系统对单位阶跃输入和单位斜坡输入时的稳态误差。 _ 6.设函数的La 氏变换为2 5F(s)= s (s +4) ，试求它的Z 变换F(z)。 7.数字控制系统如图所示,求当K=10,T=1s,a=1时，分别求当输入为单位阶跃、单位斜单位抛物线函数时的稳态误差。 8.已知单位负反馈系统的开环脉冲传递函数为 Gk(z)=K(0.1z+0.08)/[(z-1)(z-0.7)],问当K 为何值时系统稳定。 9.已知系统单位负反馈的开环传递函数为:z +0.8Gk(z)= z(z -1)(z -0.7) 问:K 为何值时系统稳定? 10.已知单位反馈系统的广义对象的Z 传递函数为: -1 -1 -1 -1 -1 0.26z (1+2.78z )(1+0.2z ) W1(z)= (1-z )(1-0.286z ) ,试按最少拍无波纹设计原则设计单位阶跃 输入时,计算机的调节模型D(z),并求其控制算法。 11.已知连续系统的传递函数G(s)=(s+1)/[s(s+2)]试用冲击不变法求其等效的Z 传递函数. 12.已知离散系统的Z 传递函数：22 z 2z 1Y(z) G(z)z 5z 6U(z) ++==++,试求离散系统的状态
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精品文档 实验一过程通道和数据采集处理 为了实现计算机对生产过程或现场对象的控制，需要将对象的各种测量参数按 要求转换成数字信号送入计算机；经计算机运算、处理后，再转换成适合于对生产 过程进行控制的量。所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连 接通道，该通道称为过程通道。它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量 输入通道、数字量输出通道。 模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号变换成数字信 号送入计算机，主要有多路转化器、采样保持器和 A/D 转换器等组成。模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为连续的电压或电流信 号，主要有 D/A 转换器和输出保持器组成。 数字量输入通道：控制系统中，以电平高低和开关通断等两位状态表示的 信号称为数字量，这些数据可以作为设备的状态送往计算机。 数字量输出通道：有的执行机构需要开关量控制信号 ( 如步进电机 ) ，计算机 可以通过 I/O 接口电路或者继电器的断开和闭合来控制。 输入与输出通道 本实验教程主要介绍以 A/D 和 D/A 为主的模拟量输入输出通道， A/D 和D/A的 芯片非常多，这里主要介绍人们最常用的 ADC0809和 TLC7528。 一、实验目的 1．学习 A/D 转换器原理及接口方法，并掌握ADC0809芯片的使用 2．学习 D/A 转换器原理及接口方法，并掌握TLC7528 芯片的使用 二、实验内容 1．编写实验程序，将－ 5V ~ +5V 的电压作为 ADC0809的模拟量输入，将 转换所得的 8 位数字量保存于变量中。 2．编写实验程序，实现 D/A 转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。 三、实验设备 + PC 机一台， TD-ACC实验系统一套， i386EX 系统板一块 四、实验原理与步骤 1．A/D 转换实验 ADC0809芯片主要包括多路模拟开关和 A/D 转换器两部分，其主要特点为：单 电源供电、工作时钟 CLOCK最高可达到 1200KHz 、8 位分辨率， 8 +个单端模拟输 入端， TTL 电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。 TD-ACC教学系统中的 ADC0809芯片，其输出八位数据线以及 CLOCK线已连到控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK(1MHz) 上。其它控制线根据实验要求可另外连接(A 、B、C、STR、/OE、EOC、IN0～ IN7) 。根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图 1.1-1 所示 的实验线路图。
计算机控制系统试卷四答案 班级：姓名：学号：成绩： 一、简答题（每小题3分，共30分） 1. 使用光电隔离器件时，如何做到器件两侧的电气被彻底隔离？ 答：光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。 2. 给出多通道复用一个D/A转换器的原理示意图。 答： 3.什么是信号重构？ 答：把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆过程。 4.写出零阶保持器的传递函数，引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？ 答：零阶保持器的传递函数为 1e () Ts H s s - - =。零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递函数的极点。 5.阶跃响应不变法的基本思想是什么？ 答：阶跃响应不变法的基本思想是：离散近似后的数字控制器的阶跃响应序列与模拟控制器的阶跃响应的采样值一致。 6.如何消除积分饱和现象？ 答：减小积分饱和的关键在于不能使积分项累积过大。因此当偏差大于某个规定的门限值时，删除积分作用，PID控制器相当于一个
PD调节器，既可以加快系统的响应又可以消除积分饱和现象，不致使系统产生过大的超调和振荡。只有当误差e在门限ε之内时，加入积分控制，相当于PID控制器，则可消除静差，提高控制精度。 7.给出常规的直接设计法或离散化设计法的具体设计步骤。 答：直接设计法或称离散化设计法的具体设计步骤如下： (1)根据已知的被控对象，针对控制系统的性能指标要求及其它约束条件，确定理想的闭环脉冲传递函数() Φz。 (2)确定数字控制器的脉冲传递函数D(z)；根据D(z)编制控制算法程序。 8.采用状态反馈任意配置闭环系统极点的充分必要条件是什么？ 答：采用状态反馈任意配置闭环系统极点的充分必要条件是系统状态完全能控。 9.说出实施信号隔离的主要方法。 答：信号隔离方法主要有变压器隔离和光电隔离，变压器隔离适用于模拟信号隔离，光电隔离则特别适合数字信号的隔离。 10.故障诊断中的状态估计方法的基本思想是什么？ 答：故障诊断中的状态估计方法的基本思想是：首先重构被控过程的状态，通过与可测变量比较构成残差序列，再构造适当的模型并用统计检验法，从残差序列中把故障诊断出来。因此，这就要求系统可观测或部分可观测，通常用各种状态观测器或滤波器进行状态估计。 二、已知系统框图如下所示：T=1s (15分) 试求闭环离散系统的闭环脉冲传递函数，并判别系统的稳定性。
《微型计算机控制技术》学科复习总结★第一部分选择题 ?使用说明：本部分对应考试题型的选择题部分，注意看选项答案，莫只记选项！ ★★1. RS-232-C串行总线电气特性规定逻辑“1”的电平是（C）（1分） A. 0.3V以下 B. 0.7V以上 C. -3V以下 D. +3V以上2．下面关于微型计算机控制技术的叙述，正确的是( D )。 A．微型计算机控制技术只能用于单片机系统 B．任何控制系统都可以运用微型计算机控制技术 C．微型计算机控制技术不能用于自动化仪表 D．微型计算机控制技术可用于计算机控制系统及自动化仪表3. 计算机监督系统(SCC)中，SCC计算机的作用是( B )。 A．接收测量值和管理命令并提供给DDC计算机 B．按照一定的数学模型计算给定值并提供给DDC计算机 C．当DDC计算机出现故障时，SCC计算机也无法工作 D．SCC计算机与控制无关 4．关于现场总线控制系统，下面的说法中，不正确的是( C )。 A．省去了DCS中的控制站和现场仪表环节 B．采用纯数字化信息传输 C．只有同一家的FCS产品才能组成系统 D．FCS强调“互联”和“互操作性” 5. 闭环控制系统是指（B） A.系统中各生产环节首尾相连形成一个环 B.输出量经反馈环节回到输入端，对控制产生影响 C.系统的输出量供显示和打印 D.控制量只与控制算法和给定值相关 6. 多路开关的作用是（A） A.完成模拟量的切换 B. 完成数字量的切换 C.完成模拟量与数字量的切换 D. 完成模拟量或数字量的切换 7. 采样-保持电路的逻辑端接+5V，输入端从2.3V变至2.6V，输出端为（A）
江南大学物联网工程学院 《计算机控制系统》 实验报告 实验名称实验二微分与平滑仿真实验 实验时间2017.10.31 专业班级 姓名学号 指导教师陈珺实验成绩
一、实验目的与要求 1、了解微分对采样噪音的灵敏响应。 2、了解平滑算法抑制噪音的作用。 3、进一步学习MATLAB 及其仿真环境SIMULINK 的使用。 二、仿真软硬件环境 PC 机，MATLAB R2012b 。 三、实验原理 如图微分加在正反馈输入端，计算机用D(Z)式进行微分运算。R 为阶跃输入信号，C 为系统输出。由于微分是正反馈，当取合适的微分时间常数时，会使系统响应加快。若微分时间常数过大，则会影响系统稳定性。 四、D(Z)设计 1、未平滑时的D(Z) 用一阶差分代替微分运算： )1()()()(1--==Z T T Z X Z Y Z D D 式中T Ｄ为微分时间常数，T 为计算机采样周期。 2、平滑后的D(Z) 微分平滑运算原理如图： 取Y ＊(k)为四个点的微分均值，有 )331(6)()()( )33(6 )5 .15.05.05.1(4)( 321321221*-----------+==∴--+=-+-+-+-= Z Z Z T T Z X Z Y Z D X X X X T T X X X X X X X X T T K Y D K K K K D K K K K D x t + ○R
五、SIMULINK仿真结构图 七、思考题 1、微分噪音与采样噪音和采样周期T有什么关系?与微分时间常数有什么关系? 2、平滑后系统输出有无改善?是否一定需要平滑?
计算机控制系统试卷一答案 班级：姓名：学号：成绩： 一、简答题（每小题5分，共50分） 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。 答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ 答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。 (2) 同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样 如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。 (5) 随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 3、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K P可以减小静差，但是K P过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量
振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 (2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数T I大，则积分作用弱，反之强。增大T I将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。 (3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4、采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。 答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关K的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则K闭合，由A1、A3组成跟随器，并向C H端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则K断开，外接电容保持K断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至Aout。 5、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？ 答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜z i｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。 6、为什么会出现比例和微分饱和现象？ 答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，
《计算机控制系统》实验手册 上海海事大学电气自动化系施伟锋 上海海事大学电气自动化实验中心李妮娜 目录 1《计算机控制系统》实验指导(Matlaｂ版) (2) 实验一数字PID参数的整定 (3) 实验二Ｓmith算法的运用..........................................５实验三二阶对象数字控制系统设计..............................７实验四达林控制算法的运用 (9) 2 《计算机控制系统》实验指导(DSP版） (11) 实验一实验系统介绍与CＣS软件使用入门 (11) 实验二数字I/O实验—交通灯实验 (26) 实验三PWM输出实验１——直流电机控制实验 (30) 3 《计算机控制系统》课程设计指导（Ｍatlab版）………3３ 4 《计算机控制系统》课程设计指导（DSＰ版) (35) 5 《计算机控制系统》课程设计报告或小论文格式 (40)
《计算机控制系统》实验指导 （Ｍaｔlab 版) 一、实验课程教学目的与任务 通过实验设计或计算机仿真设计，使学生了解和掌握数字ＰＩD控制算法的特点、了解系统PID参数整定和数字控制系统的直接设计的基本方法,了解不同的控制算法对被控对象的控制特性，加深对计算机控制系统理论的认识，掌握计算机控制系统的整定技术，对系统整体设计有一个初步的了解。 根据各个实验项目,完成实验报告(用实验报告专用纸)。 二、实验要求 学生在熟悉ＰC机的基础上，熟悉ＭAＴLAＢ软件的操作，熟悉Ｓiｍuli ｎk工具箱的软件编程。通过编程完成系统的设计与仿真实验，逐步学习控制系统的设计,学习控制系统方案的评估与系统指标评估的方法。 计算机控制系统主要技术指标和要求: 根据被控对象的特性,从自动控制系统的静态和动态质量指标要求出发对调节器进行系统设计，整体上要求系统必须有良好的稳定性、准确性和快速性。一般要求系统在振荡２~3次左右进入稳定;系统静差小于3％~5%的稳定值（或系统的静态误差足够小）；系统超调量小于３0％~５0%的稳定值;动态过渡过程时间在3~5倍的被控对象时间常数值。 系统整定的一般原则: 将比例度置于交大值,使系统稳定运行。根据要求,逐渐减小比例度,使系统的衰减比趋向于４：１或10：1。若要改善系统的静态特性,要使系统的静差为零,加入积分环节,积分时间由大向小进行调节。若要改善系统的动态特性,增加系统的灵敏度,克服被控对象的惯性,可以加入微分环节,微分时间由小到大进行调节。PID控制的三个特性参数在调节时会产生相互的影响，整定时必需综合考虑。系统的整定过程是一个反复进行的过程，需反复进行。
第1章习题 B 习题 B1-1 举例说明2-3个你熟悉的计算机控制系统，并说明与常规连续模拟控制系统相比的优点。 B1-2 利用计算机及接口技术的知识，提出一个用同一台计算机控制多个被控参量的分时巡回控制方案。 B1-3 题图B1-3是一典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图。由雷达测出目标的高低角、方位角和斜距，信号经滤波后，由模拟式计算机计算出伺服系统高低角和方位角的控制指令，分别加到炮身的高低角和方位角伺服系统，使炮身跟踪指令信号。为了改善系统的动态和稳态特性，高低角和方位角伺服系统各自采用了有源串联校正网络和测速反馈校正，同时利用逻辑电路实现系统工作状态的控制(如偏差过大时可断开主反馈，实现最大速度控制，当偏差小于一定值后实现精确位置控制)。试将其改造为计算机控制系统，画出系统原理结构图。 题图B1-3典型模拟式火炮位置控制系统的原理结构图 B1-4水位高度控制系统如题图B.1-4所示。水箱水位高度指令由W1 电位计指令电压u r确定，水位实际高度h由浮子测量，并转换为电位计W2 的输出电压u h。用水量Q1 为系统干扰。当指令高度给定后，系统保持给定水位，如打开放水管路后，水位下降，系统将控制电机，打开进水阀门，向水箱供水，最终保持
水箱水位为指令水位。试把该系统改造为计算机控制系统。画出原理示意图及系统结构图。 题图B1-4 水箱水位控制系统原理示意图 B1-5 题图B1-5为一机械手控制系统示意图。将其控制器改造为计算机实现，试画出系统示意图及控制系统结构图。 题图B1-5机械手控制系统示意图 B1-6题图B1-6为仓库大门自动控制系统示意图。试将其改造为计算机控制系统，画出系统示意图。 题图B1-6 仓库大门自动控制系统示意图
《计算机控制系统》课程复习资料 一、简答题： 1.什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？各有什么作用。 2.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？ 3.计算机控制系统中的保持器有何作用，简述保持器的特点? 4.简述PID调节器的作用，有哪几种改进型数字PID算法？ 5.计算机控制系统有哪四种形式的信号？各有什么特点? 6.简要说明什么是计算机控制系统？模拟调节器与数字调节器有何区别? 二、分析和计算题： 1.已知一系统的闭环脉冲传递函数为 -1 -1-2 0.1z Y(z) Gc(z)== 1-0.4z+0.8z R(z) ,其中输入为单位阶跃信号,求输出 y(KT)。 2.已知一系统的闭环脉冲传递函数为 -1 -1 0.53+0.1z Gc(z)= 1-0.37z 当输入为单位阶跃信号时, 求输出y(KT)及y(∞)。 3.用长除法或Z反变换法或迭代法求闭环系统 2z+0.5 Gc(z)= 8(z+0.1z-0.12) 的单位阶跃响应。 4.已知低通数字滤波器 0.5266z D(z)= z-0.4734 ,求D（z）的带宽ωm;并求当输入E(z)为阶跃信号时数字滤波器 的控制算法。取采样周期T=2ms。 5.设系统如图所示，试求: ①系统的闭环脉冲传递函数。 ②判定系统的稳定性。 ③分别求系统对单位阶跃输入和单位斜坡输入时的稳态误差。 6.设函数的La氏变换为 25 F(s)= s(s+4) ，试求它的Z变换F(z)。 7.数字控制系统如图所示,求当K=10,T=1s,a=1时，分别求当输入为单位阶跃、单位斜单位抛物线函数时的稳态误差。 8.已知单位负反馈系统的开环脉冲传递函数为 Gk(z)=K(0.1z+0.08)/[(z-1)(z-0.7)],问当K为何值时系统稳定。
１、什么就是计算机控制系统？它由哪几部分组成？ 计算机控制系统就就是利用计算机来实现生产过程自动控制得系统。它就是工业控制机构生产过程得大部分组成，工业控制机就是指生产过程控制得特点与要求而设计得计算机,它包括硬件与软件部分,生产过程包括被控对象,测量变送，执行机构,电气开关等。 2、计算机控制系统得典型形式有哪些？各有什么优缺点？ 计算机控制系统得典型形式：(1)操作指导控制系统。优点:结构简单，控制灵活与安全,缺点就是由人工操作,速度受到限制，不能控制多个对象.(2)直接数字控制系统(ＤＤC),实时性好,可靠性高与适应性强.（３）监督控制系统（SSC），就是生产过程始终处于最优工况。 (4)分型控制系统（DCS)，分散控制，集中操作，分级管理.（５)现场总线控制系统（FＣＳ)，降低成本,提高可靠性，可实现真正得开放式互连系统结构 3、实时，在线方式与离线方式得含义就是什么？ 实时就是指信号得输入,计算与输出都要在一定得时间范围内完成,即计算机对输入信息以足够快得速度进行控制，超出这个时间就失去控制时机，控制也就失去意义.在线方式：在计算机控制系统中，生产过程与计算机直接连接,并受计算机控制得方式。离线方式:生产过程不与计算机相连且不受计算机控制，而就是靠人进行联系并作相应操作得方式. ４、工业控制机有哪几部分组成？ 工业控制机包括硬件与软件两部分。硬件包括：主机(CPU、RＡM、ROＭ）板,人-—机接口，外部总线与内部总线，系统支持板，磁盘系统通信接口，输入、输出通道.软件包括系统软件、支持软件与应用软件。 5、什么就是总线，内部总线与外部总线？ 总线就是一组信号线得集合，它定义了各引线得信号、电机、机械特性,使计算机内部各组成部分之间以及不同得计算机之间建立信号联系,进行信息传送与通信。内部总线：就就是计算机内部功能模板之间进行通信得总线,它就是构成完整得计算机系统得内部信息枢纽，但按功能仍要分为数据总线DＢ，地址总线ＡB,控制总线ＣB，电源总线ＰB。外部总线就是计算机与计算机之间或计算机与其她智能设备之间进行通信得连接。 6、什么就是接口,接口技术与过程通道？ 接口就是计算机与外部设备交换信息得桥梁，它包括输入接口与输出接口,接口技术就是研究计算机与外部设备之间如何交换信息得技术,过程通道就是在计算机与生产过程之间设置得信息传送与转换得连接通道，它包括ＡI、AＯ、ＤＩ、DO。 7、采用７4LS244与74LＳ２73与PＣ总线工业控制机接口，设计8路数字量（开关量)输入接口与8路数字量(开关量）输出接口,请画出接口电路原理图,并分别编写数字量输入与数字量输出程序。 8、用8位A/D转换器ＡDＣ080９通过８255A与PC总线工业控制机接口,实现８路模拟量采集。请画出接口原理图，并设计出8路模拟量得数据采集程序 9、有源I／V变换:设输入为4~2０mA得电流，对应输出为1~5Ｖ，输入电阻Ｒi=２50Ω，试确定I/V变换电路及电路参数，画出电路原理图. 10、什么就是采样过程、量化、孔径时间？ 采样时指按一定得时间间隔T，把时间上连续与幅值上也连续得模拟信号转变成在时间刻０、Ｔ、2T···ＫＴ得一连串脉冲输出信号得过程，所谓量化就就是采用一组数码(二进制码)来逼近离散模拟信号得幅值，将其转换为数字信号,将采样信号转换为数字信号得过程称为量化过程,孔径时间，在模拟量输入通道中，Ａ／D转换器将模拟信号转换为数字量总需要一定得时间，完成一次A/D转换所需得时间. 11、采样保持器得作用就是什么？就是否所有得模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？
计算机控制系统自测题目及答案 计算机控制系统概述 习题参考答案 1.计算机控制系统的控制过程是怎样的? 计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤： (1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 (2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。 (3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。 2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？ (1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。 (2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。 (3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。 3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 由四部分组成。 图1.1微机控制系统组成框图
(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。 (2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容；还应有按钮，完成系统的启、停等功能；操作台还要保证即使操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。 (4)检测与执行机构 a.测量变送单元：在微机控制系统中，为了收集和测量各种参数，采用了各种检测元件及变送器，其主要功能是将被检测参数的非电量转换成电量，例如热电偶把温度转换成mV信号；压力变送器可以把压力转换变为电信号，这些信号经变送器转换成统一的计算机标准电平信号(0～5V或4～20mA)后，再送入微机。 b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构，它是微机控制系统中的重要部件，其功能是根据微机输出的控制信号，改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。例如，在温度控制系统中，微机根据温度的误差计算出相应的控制量，输出给执行机构(调节阀)来控制进入加热炉的煤气(或油)量以实现预期的温度值。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电机及可控硅元件等进行控制。 4.微型计算机控制系统软件有什么作用？说出各部分软件的作用。 软件是指能够完成各种功能的计算机程序的总和。整个计算机系统的动作，都是在软件的指挥下协调进行的，因此说软件是微机系统的中枢神经。就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。 (1)系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。对用户来说，系统软件只是作为开发应用软件的工具，是不需要自己设计的。 系统软件包括： a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等； b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序； c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等； d.信息处理：指文字翻译、企业管理等。 (2)应用软件:它是面向用户本身的程序，即指由用户根据要解决的实际问题而编写的各种程序。 应用软件包括： a.过程监视程序：指巡回检测程序、数据处理程序、上下限检查及报警程序、操作面板服务程序、数字滤波及标度变换程序、判断程序、过程分析程序等； b.过程控制计算程序：指的是控制算法程序、事故处理程序和信息管理程序，其中信息管理程序包括信息生成调度、文件管理及输出、打印、显示程序等；