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微机控制技术第四章部分习题答案标准化文件发布号：（9312-EUATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-9、已知被控对象的传递函数为)11.0(10)(+=s s s G c 采样周期s T 1=，采用零阶保持器。
要求：（1）针对单位速度输入信号设计最少拍无纹波系统的D(z)，并计算输出响应)(k y 、控制信号)(k u 和误差)(k e 序列，画出它们对时间变化的波形。
（2）针对单位阶跃输入信号设计最少拍有纹波系统)(z D ，并计算)(k y 、)(k u 、)(k e序列，画出它们对时间变化的波形。
【解】（1）首先求取广义对象的脉冲传递函数)1)(1()111.01(9)1111)1(10)(1(101110)1()11.0(10)1()11.0(11)(110111110121112121----------------+=-+----=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+•-=z e z z z z e z z z z s s s Z z s s Z z s s e Z z G Ts 由)(z G 的表达式和)(s G c 知，满足无纹波设计的必要条件，且q j j w v q d ≤=====且,1,1,1,2,0故有21=+-==+=q j v n d w m 对单位速度输入信号，选择)1()1()()1()1()(1)(111211111----=-+-=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=Φ-=Φ∏z f z z F z z a z z q j v i i e))(111.01()()1()(2221211211---=--++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=Φ∏z f z f z z F z b z z w i i d)1()1())(111.01(1)(1111212221211-----+-=++-=Φ-z f z z f z f z z即：⎪⎩⎪⎨⎧-=+-=--=-22112122112111111.0)111.0(212f f f f f f f ，故有⎪⎩⎪⎨⎧-===990.0890.1110.0222111f f f)111.01()1()(121--+-=Φz z z e)990.0890.1)(111.01()(211----+=Φz z z z)111.01()1()990.0890.1)(105.41(111.0)111.01()1()990.0890.1)(111.01()1)(1()111.01(91)(1)()(1)(121115121211110111---------------+--⨯-=+--+•--+=Φ-Φ•=z z z z z z z z z z e z z z z z z G z D ++++=-+-=Φ=---------543221121154389.1)990.0890.1)(111.01()1()()()(z z z z z z z z Tz z z R z Y +•++=+--=Φ=-------3211212110111.0)111.01()1()1()()()(z z z z z z Tz z z R z E e +++=--⨯-=Φ==--------321121151.01.021.0)1()99.089.1)(105.41(111.0)()()()()()(z z z z z z z z G z z R z G z Y z U （2）)(z G 同（1）题对单位阶跃输入信号，由)(z G 的表达式和)(s G c 知，满足有纹波设计的必要条件，且q j j u v q d ≤=====且,1,0,1,1,0故有10=+-==+=q j v n d u m 对单位阶跃输入信号，选择)1()()1()1()(1)(11111---=--=-⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=Φ-=Φ∏z z F z z a z z q j v i i e121211)()1()(-=--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=Φ∏z f z F z b z z u i i d)1(1)(11121---=-=Φ-z z f z故有121=f)1()(1--=Φz z e1)(-=Φz z)111.01(9)105.41()1()1)(1()111.01(91)(1)()(1)(11511110111----------+⨯-=-•--+=Φ-Φ•=z z z z z e z z z z z z G z D +++=-=Φ=-=---321111)()()(z z z zz z z R z Y +•+•==--=Φ=---1011011)1()1(1)()()(z z z z z z R z E e ++-=+⨯-=Φ==-----211150014.00124.0111.0)111.01(9105.41)()()()()()(z z z z z G z z R z G z Y z U10、被控对象的传递函数为21)(s s G c =采样周期s T 1=，采用零阶保持器，针对单位速度输入函数，按以下要求设计： （1）用最少拍无纹波系统的设计方法，设计)(z Φ和)(z D ；（2）求出数字控制器输出序列)(k u 的递推形式；（3）画出采样瞬间数字控制器的输出和系统的输出曲线。
稳定性。
原理：模拟量开关AS闭合时，进入采样状态（跟踪），由于A1输出阻抗小，A1输出端给电容快速充电，输出跟随输入变化；模拟开关AS断开时，进入保持状态，由于A2输入阻抗大，输入电流几乎为0，保持输出端的电压值不变。
不是，对于输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。
补充：模拟量输入通道由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。
(1)I/V变换：提高了信号远距离传递过程中的抗干扰能力，减少了信号的衰减，为与标准化仪表和执行机构匹配提供了方便。
(2)多路转换器：用来切换模拟电压信号的关键元件。
(3)采样保持器：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。
在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。
(4)A/D转换器：模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量，能够完成这一任务的器件，称为之模/数转换器(Analog/Digital Converter，简称A/D转换器或ADC)。
采样保持器有什么作用？试说明保持电容的大小对数据采集系统的影响。
答：采样保持器的作用：A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。
在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。
这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。
保持电容对数据采集系统采样保持的精度有很大影响。
保持电容值小，则采样状态时充电时间常数小，即保持电容充电快，输出对输入信号的跟随特性好，但在保持状态时放电时间常数也小，即保持电容放电快，故保持性能差；反之，保持电容值大，保持性能好，但跟随特性差。
补充：A/D转换器的结束信号有什么作用？根据该信号在I/O控制中的连接方式，A/D 转换有几种控制方式？它们在接口电路和程序设计上有什么特点？答：A/D转换器的结束信号的作用是用以判断本次AD转换是否完成。
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案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。
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案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。
书后习题参考答案第一章习题1答：微型计算机控制系统是利用计算机（通常采用工业控制计算机，简称工控机）来实现生产过程自动控制的系统，它由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和被控对象两大局部组成。
微型计算机控制系统是实时系统，也是在线系统。
2答：计算机做控制器用。
控制系统中引进计算机，可以充分运用计算机强大的运算、逻辑判断和记忆等功能。
只要运用微处理器的各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。
微处理器执行该程序，就能实现对被控参数的控制。
输入信息来自于各种传感器，输出信息用于驱动执行机构。
3答：如果计算机能够在工艺要求的时间范围内及时对被控参数进行测量、计算和控制输出，那么称为实时控制。
实时的概念不能脱离具体过程，一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。
4答：微型计算机控制系统硬件一般包括：计算机主机、输入/输出（I/O）接口、I/O通道、传感器及变送器、执行机构、人机联系设备（如键盘和显示器）、网络通信接口和电源等。
它们通过微处理器的系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）构成一个完整的系统。
计算机的输入/输出通道，又称过程通道。
为了实现计算机对生产过程的控制，必须在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道，这就是过程输入/输出通道。
过程通道一般可分为：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5答：操作指导控制系统：优点是结构简单，控制灵活和平安。
缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能控制多个对象。
直接数字控制系统：优点是实时性好、可靠性高和适应性强，可控制多个回路。
缺点是修改控制器参数不方便。
监督控制系统：优点是能自动改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作的微型计算机中的给定值, 从而使生产过程始终处于最优工况。
集散控制系统：优点是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
缺点是不同厂商的设备不能通用。
现场总线控制系统：具备集散控制系统的优点，因为采用标准总线设计，不同厂商设备通用性好，组网方便。
习题一1，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？答:CPU，接口电路及外部设备组成。
CPU,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.接口电路，微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
外部设备:这是实现微机和外界进行信息交换的设备2，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。
答：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。
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。
3，常用工业控制机有几种？它们各有什么用途？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？答：(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，这时计算机就起到了操作指导的作用。
(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。
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案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。
第一章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。
(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。
图微机控制系统组成框图(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)。
第二章 第三章第十二章 输入输出接口技术和输入输出通道何谓I/O 接口？在计算机控制系统中为什么要有I/O 接口电路？ 答：是主机和外围设备之间交换信息的连接部件。
2. 一个微处理机（CPU ）采用程序控制查询方式时，管理50个键盘显示中断，要求将各终端打入的任一字符在显示器上立即显示出来。
已知CPU 查询每个终端并完成每一字符的接收和处理时间需200μs ，若程序员以每秒打10个字符的速度同时连续打入字符，问CPU 是否能按要求，可靠的管理全部50个终端？又问CPU 最多能管理多少个这种终端？ 答：5003. 在本章第二节，查询式I/O 方式应用举例中，假设X 、Y 、Z 三轴服务子程序的执行时间分别为100μs 、150μs 、120μs ，主程序执行时间（执行查询指令等）为80μs ，试估算不造成控制失误三轴所能达到的最高速度是多少？（速度以脉冲/s 计算） 答：27024. 某微机实时控制系统有1#、2#、3#三个外围设备。
由一个CPU 进行管理，已知各外围设备的最短响应时间和服务时间分别是：C1=5ms S1=300μs C2=8ms S2=1.3ms C3=1ms S3=400μs问若采用查询方式是否能可靠管理这三个外围设备？为什么？若不行的话，试提出改进方答：不行。
可采用中断嵌套的方式解决。
6. 计算机与外围设备交换信息有哪几种控制方式？它们各有什么优缺点》 答：见教材7. 某8086 最大模式系统中，需扩展8255A 、8253和DAC0832芯片各一片。
采用74LS138 译码器，若已指定给各芯片的地址范围是：8255A E0H 、E2H 、E4H 、E6H 、 8253 E1H 、E3H 、E5H 、E7H 、 DAC0832 F0H试设计接口扩展的译码电路（除74LS138 外, 可增加必要的其他逻辑电路芯片。
8某8088最大模式系统中，需扩展8255A 四片，指定各芯片的地址范围分别是90~93H 、94~97H 、98~9BH 、9C~9FH, 采用74LS 译码器，试设计接口地址译码电路。
4.4 纯滞后控制技术在工业过程(如热工、化工)控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对象具有纯滞后性质。
对象的这种纯滞后性质常引起系统产生超调或者振荡。
纯滞后：由于物料或能量的传输延迟引起的滞后现象；容量滞后：由于惯性引起的滞后。
比如发酵过程，不是纯滞后。
4.4 纯滞后控制技术无延时有延时4.4.1 史密斯(Smith)预估控制1.史密斯(Smith)预估控制（1）．施密斯预估控制原理①原理分析：对于一个单回路系统4.4.1 史密斯(Smith)预估控制②施密斯预估控制原理是：与D (s )并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。
这个补偿环节称为预估器，其传递函数为，τ为纯滞后时间。
)1)((s P e s G τ−−组成的补偿回路称为纯滞后4.4.1 史密斯(Smith)预估控制经补偿后，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，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。
seτ−seτ−4.4.1 史密斯(Smith)预估控制（2）具有纯滞后补偿的数字控制器分析一种具有纯滞后补偿的数字控制器，该数字控制器由两部分组成：一部分是数字PID控制器(由D(s)离散化得到)；一部分是施密斯预估器。
u(k)是PID数字控器的输出，yτ(k)是施密斯预估器的输出。
从图中可知，必须先计算传递函数Gp(s)的输出m(k)后，才能计算预估器的输出：yτ(k)=m(k)-m(k-N)。
施密斯预估器)(sGτ4.4.1 史密斯(Smith)预估控制①施密斯预估器¾滞后环节使信号延迟。
在内存中专门设定N个单元存放信号m(k)的历史数据，存贮单元个数N由下式决定。
N=τ/T；(τ—纯滞后时间；T—采样周期)¾数据依次递推。
每采样一次，把m(k)记入0单元，同时把0单元原来存放数据移到1单元，1单元原来存放数据移到2单元…，依此类推。
从单元N输出的信号，就是滞后N个采样周期的m(k-N)信号。
许多工业对象可近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的4.4.1 史密斯(Smith)预估控制纯滞后补偿控制算法步骤(假设对象为一阶关系纯滞后)：①②③④(假设对象为一阶关系纯滞后)：4.4.1 史密斯(Smith)预估控制③计算偏差e 2(k )：e 2(k )=e 1(k )-y τ(k )④计算控制器的输出u (k )[][])2()1(2)()()1()()1()()1()(222222−+−−++−−+−=+−=k e k e k e K k e K k e k e K k u k u k u k u D I P Δ[]()(1)(1)(1)y k ay k b u k u k N ττ=−+−−−−由上式求差分方程为4.5 串级控制技术串级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制技术。
当PID控制应用于单回路控制一个被控量时，其控制结构简单，控制参数易于整定。
但是，当系统中同时有几个因素影响同一个被控量时，如果只控制其中一个因素，将难以满足系统的控制性能。
串级控制针对上述情况，在原控制回路中，增加一个或几个控制内回路，用以控制可能引起被控量变化的其它因素，从而有效地抑制了被控对象的时滞特性，提高了系统动态响应的快速性。
4.5 串级控制技术何谓“串级”在DDC 系统中，有多个调节器（控制器）串接，前一级的控制输出就是后一级的输入设定值即。
这种DDC 系统称为“串级”控制系统。
例如，双环直流可逆调速系统中的速度调节器和电流调节器。
炉温控制系统中温度调节器和煤气流量调节器。
均采用串级控制的结构。
亦称“双环系统”或“多环系统”。
)()(12k u k r =4.5 串级控制技术当煤气管道中的压力恒定时，管道阀门对应一定的煤气流量，上述控制关系较为简单，控制时只需根据e(t)=r1(t)－y1(t)，然后用PID进行控制即可。
但当煤气同时向其它炉子供应时，管道中的压力可能波动，因此对于同样的阀位，煤气的流量随压力波动而变化，从而对炉温造成扰动。
而压力的波动到炉温的变化要经过管道的传输、炉膛的燃烧等一系列环节，这些环节具有惯性和纯滞后，从而使炉温的偏差加大，调节时间加长。
单回路负反馈控制难以获得理想的控制效果。
采用煤气流量（或压力）和出口温度相结合的串级控制结4.5 串级控制技术炉温控制系统4.5 串级控制技术炉温和煤气流量的串级控制结构图控制目的：使炉温保持恒定。
单回路控制：只对炉温的偏差进行控制。
串级控制：对煤气流量和炉温的偏差均进行控制。
4.5 串级控制技术采用串级控制具有优点等效副对象的时间常数小于原时间常数，因此串级系统的响应速度快；等效副对象的放大系数小于原放大系数，因此允许主回路放大系数适当增大，提高了系统的静态精度及抗干扰能力；副回路有较强的抑制扰动的能力；系统对负荷变化的适应能力更强。
4.5 串级控制技术串级控制系统的应用范围(1) 抑制控制系统的扰动利用副回路动作速度快、抑制扰动能力强的特点。
注意要将扰动包含在副回路中。
(2) 用来克服对象的纯滞后对象的纯滞后较大时，若用单回路控制，则过渡时间长，超调量大，参数恢复缓慢，控制质量较差。
采用串级控制可克服纯滞后的影响，改善系统的控制性能。
4.5 串级控制技术(3) 用来减少对象非线性的影响采用串级控制，把非线性对象包含在副回路中，由于副回路是随动系统，能适应操作条件和负荷的变化，自动改变副控调节器的给定值，使系统具有良好的控制性能。
注意：设计此类系统应尽可能把主对象和副对象的时间常数拉开，以减少副回路参数波动对主回路的影响，从而取得良好的控制效果。
与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的参数作为主变量。
¾主变量的选择¾副变量的选择（1）在保证副回路时间常数较小的前提下，使其纳入主要的和更多的干扰。
串级控制系统的设计4.5 串级控制技术（2）应使主、副对象的时间常数匹配副回路工作频率12)10~3(dd ωω=为确保串联系统不产生共振，一般取主回路工作频率（3）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性4.5 串级控制技术4.5 串级控制技术2. 数字串级控制算法计算原则：不管串级控制有多少级，计算的顺序总是从最外面的回路向内进行。
4.5 串级控制技术计算步骤：(1).计算主回路的偏差e 1(k )：e 1(k )=r 1(k )-y 1(k )(2).计算主回路控制器D 1(z )的输出u 1(k )u 1(k )=u 1(k -1)+Δu (k )Δu (k )=K P 1[e 1(k )-e 1(k -1)]+K I 1e 1(k )+K D 1[e 1(k )-2e 1(k -1)+e 1(k -2)](3).计算副回路的偏差e 2(k )：e 2(k )=u 1(k )-y 2(k )(4).计算副回路控制器D 2(z )的输出u 2(k )4.5 串级控制技术说明(1)主、副回路采样周期一般不同，称为异步采样。
在许多串级控制系统中，主、副回路对象特性相差悬殊，如流量和温度串级控制系统中，流量对象的响应速度比较快，温度对象的响应速度较慢。
在这种串级系统中，若主、副回路的采样周期选择得相同，则：4.5 串级控制技术¾若按快速的流量对象特性选择采样周期，计算机采样频繁，计算工作量大，因而降低了计算机的使用效率；¾若按慢速的温度对象特性选择采样周期，则会降低副回路的控制性能，削弱副回路抑制扰动的能力，起不到应有的作用。
¾因此，主、副回路应根据对象特性选择相应的采样周期，称为异步采样调节。
4.5 串级控制技术(2)主、副回路控制算法的选择对主回路调节器，为了减少静态误差，提高控制精度，常用PI调节器；若副回路以外惯性环节较多或副回路以外存在主要扰动，可用PID或PI调节器。
对副回路调节器，主要任务是考虑快速性，尽快消除扰动，不要求无差，可选用P、PD调节器。
若主、副回路工作频率相差很大，也可考虑采取PI调节器。
4.5 串级控制技术3.副回路微分先行串级控制算法为了防止主控制器输出(也就是副控制器的给定值)过大而引起副回路的不稳定，同时，也为了克服副对象惯性较大而引起调节品质的恶化，在副回路的反馈通道中加入微分控制，称为副回路微分先行。
4.5 串级控制技术副回路微分先行的串级控制算法：(1).计算主回路的偏差e1(k)：e(k)=r1(k)-y1(k)1(2).计算主控制器的输出u1(k)：u(k)=u1(k-1)+Δu1(k)14.5串级控制技术(3).计算微分先行部分的输出y 2d (k ):(4).计算副回路的偏差e 2(k )：e 2(k )=u 1(k )-y 2d (k )(5).计算副控制器的输出u 2(k )：u 2(k )=u 2(k -1)+Δu 2(k )2122232()(1)()(1)d d y k y k y k y k φφφ=−+−−4.6 前馈-反馈控制技术前馈与反馈的比较(1) 控制方式反馈：按偏差计算控制量，进行闭环调节控制；前馈：按扰动计算补偿量，进行开环控制。
(2) 控制效果反馈：按输出偏差进行闭环调节，对各种扰动均有抑制作用，控制作用落后于扰动的作用；前馈：按指定扰动进行开环校正，只对指定扰动有抑制作用，对其它未被引入前馈控制器的扰动量无任何补偿作用。
4.6 前馈-反馈控制技术(3) 优势互补反馈为主：抑制各种扰动。
前馈为辅：完全补偿指定扰动。
(4) 前馈控制系统的主要特点¾是一个开环系统¾应用前提是扰动可测¾只能针对某一特定的干扰实施控制¾较少单独使用，一般结合反馈控制，构成前馈-反馈（Feed forward-Feedback)控制4.6 前馈-反馈控制技术1.前馈控制的结构和原理G n(s)是被控对象扰动通道的传递函数；D n(s)是前馈控制器的传递函数；G(s)是被控对象控制通道的传递函数；n, u, y分别为扰动量、控制量、被控量。
则应使扰动引起的前馈—反馈控制结构图4.6 前馈-反馈控制技术系统特点(1) 一个前馈量，多个反馈量。
(2) 反馈控制回路采用串级控制（PID，PI）。
(3) 主回路的主控制器控制量、前馈控制器控制量之和作为副回路设定值的校正量。
(4) 能及时克服进入前馈回路和串级副回路的干扰对被控量的影响。
(5) 前馈控制的输出不直接作用于执行机构，降低了对执行机构动态响应性能的要求。
4.6 前馈-反馈控制技术6）在对主要扰动进行前馈控制的基础上，设置负反馈控制，从而将其它次要的扰动通过负反馈控制给与补偿，即简化了控制系统，又提高了控制性能；7）前馈控制具有控制及时，负反馈控制具有控制精度高的特点，两者结合使前馈—负反馈控制得到较好的互补。
