复杂控制系统习题课
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第一章课后参考答案1-1简述计算机控制系统的控制过程。
计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤:1)实时数据采集:对被控量进行采样测量,形成反馈信号;2)实时控制计算:根据反馈信号和给定信号,按一定的控制规律,计算出控制量;3)实时控制输出,向执行机构发出控制信号,实现控制作用。
1-2什么是实时性?有哪些因素影响系统的实时性?硬件:1)控制器计算速度2)传感器采集速度3)执行器反应时间4)A/D、D/A转换速度软件:1)操作系统调度2)中断响应处理方式(包括定时器)3)延时函数的设置实时性:即信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内即时完成的,超出这个时间就会失去控制时机,控制也就失去了意义。
1-3计算机控制系统的硬件由哪几部分组成?各部分作用是什么?计算机的硬件主要包括主机、输入输出通道和外部设备。
主机:主机是计算系统的核心,通过接口向系统的各个部分发出各种指令,对被控对象进行检测和控制。
输入输出通道:输入输出通道是计算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计算机可以接收的数字信号,过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据,转化成可以对生产对象进行控制的的信号。
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。
外部设备:外部设备是实现计算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,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,还应有按键或开关,完成系统的启、停等功;操作台还要保证操作错误也不会造成恶劣后果,即应有保护功能。
1-4计算机控制系统的软件由哪几部分组成?各部分作用是什么?计算机控制系统软件分为系统软件、应用软件及数据库。
系统软件是有计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说,系统软件只是用来开发应用软件的工具,不需要自己设计。
第一章绪论1-1 试比较开环控制系统和闭环控制系统的优弊端.解答: 1 开环系统(1)长处 :构造简单,成本低,工作稳固。
用于系统输入信号及扰动作用能早先知道时,可获得满意的成效。
(2)弊端:不可以自动调理被控量的偏差。
所以系统元器件参数变化,外来未知扰动存在时,控制精度差。
2闭环系统⑴长处:不论因为扰乱或因为系统自己构造参数变化所惹起的被控量偏离给定值,都会产生控制作用去消除此偏差,所以控制精度较高。
它是一种按偏差调理的控制系统。
在实质中应用宽泛。
⑵弊端:主要弊端是被控量可能出现颠簸,严重时系统没法工作。
1-2什么叫反应?为何闭环控制系统常采纳负反应?试举例说明之。
解答:将系统输出信号引回输入端并对系统产生控制作用的控制方式叫反应。
闭环控制系统常采纳负反应。
由1-1 中的描绘的闭环系统的长处所证明。
比如,一个温度控制系统经过热电阻(或热电偶)检测出目前炉子的温度,再与温度值对比较,去控制加热系统,以达到设定值。
1-3试判断以下微分方程所描绘的系统属于何种种类(线性,非线性,定常,时变)?2 d 2 y(t)3 dy(t ) 4y(t ) 5 du (t ) 6u(t )(1)dt 2 dt dt(2) y(t ) 2 u(t)(3)t dy(t) 2 y(t) 4 du(t) u(t ) dt dtdy (t )u(t )sin t2 y(t )(4)dtd 2 y(t)y(t )dy (t ) (5)dt 2 2 y(t ) 3u(t )dt(6)dy (t ) y 2 (t) 2u(t ) dty(t ) 2u(t ) 3du (t )5 u(t) dt(7)dt解答: (1)线性定常(2)非线性定常 (3)线性时变(4)线性时变(5)非线性定常(6)非线性定常(7)线性定常1-4 如图 1-4 是水位自动控制系统的表示图, 图中 Q1,Q2 分别为进水流量和出水流量。
控制的目的是保持水位为必定的高度。
1. 某温度控制系统的给定值为300°C ,在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如图所示,试分别求出该系统最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。
2、某PID 控制器,当比例度P =80%,TI=2min,TD=0,若在t=t0时刻输入一幅值为1mA 的阶跃信号,设控制器的起始工作点为6mA ,试计算控制器的输出,并绘制其输出波形图。
16 13 51. PI 调节器输入在0时刻输入一系列的信号,其[0 2)时刻的输出如下图所示(其中调节器的初始输出为0。
1)PI 调节器的比例度和积分时间常数分别是多少?(注意单位)2)试绘制完整[0 5]时刻的u(t)输出曲线?(在每个不连续间断点处注明坐标)某水槽液位控制系统如下图所示。
已知(横截面积)1000A =cm 2,(出水阀的阻力系数)0.03R =s/cm 3,调节阀为气关式,其(控制阀)静态增益28v K =cm 3.mA,液体变送器静态增益1m K =mA/cm.1) 画出该系统基于稳态工作点的传递方框图?2)控制器为比例控制器,比例带40δ=%,试分别求出扰动56d Q ∆=cm 3/s 以及定值阶跃变化r ∆=0.5mA 时,被控量h 的残差?3) 当控制器比例带120δ=%,其他条件不变,被控量h 的残差又是多少?比较(2)和(3)计算结果,总结δ值对系统残差又是多少?4)液位控制器改用PI 控制器后,被控量h 的残差又是多少?有两个串联在一起的双容水槽如下图所示,其间的连通管具有阻力,因此两者的水位是不同的。
来水首先进入水槽1,然后再通过水槽2流出。
水流入量i Q 由调节阀控制,流出量o Q 由用户根据需要改变,被调节量是水槽2的水位2H 。
其中1F 、2F 为两个水槽的截面积,1R 、2R 为线性化水阻,Q 、H 均以各个量的稳态值为起算点。
1)列出该串联双容过程的微分方程组(6分)2)求传递函数()()2i H s Q s (5分)。
《控制系统建模与仿真》课程习题(1)一、“投针实验”的历史价值在人类数学文化史中,对圆周率 精确值的追求吸引了许多学者的研究兴趣。
在众多的圆周率计算方法中,最为奇妙的是法国物理学家布丰(Boffon)在1777年提出的“投针实验”。
试回答下列问题:1、试对“投针实验”的机理给出一种直观形象的物理解释?2、有人说“布丰/ Boffon(投针实验)是仿真技术的奠基者”,为什么?3、试用MATLAB语言编制“投针实验”的仿真程序,仿真证明之。
二、自平衡式两轮电动车的安全问题近年来,自平衡式两轮电动车产品成为“抢眼”的代步工具,但也出现很多问题(如上图所示);试根据你所了解的情况就“平衡车产品是否可以合法上路?”问题,给出你的意见与建议。
提示:可从“技术、安全、法律、可持续”等方面,有理有据地展开讨论。
参考书:张晓华《控制系统数字仿真与CAD》 (第4版) 机械工业出版社 2020张晓华《系统建模与仿真》(第2版)清华大学出版社 2016《控制系统建模与仿真》课程习题(2)一、一阶直线倒立摆系统的建模问题对于教材中图2-7所示的一阶直线倒立摆系统,基于牛顿定律所建立的数学模型(如教材的图2-8所示),试问:这个数学模型是否正确,给出你的分析与证明。
提示:(1)基于MATLAB仿真进行模型验证(参见教材第四章第三节);(2)应用“拉格朗日方程”方法建模,进行结果对比。
二、一阶直线双倒立摆系统的可实现问题如下图所示的一阶直线双倒立摆系统,试问:能否通过控制力F实现“在保持两杆不倒的条件下,使小车在直线X方向的位置任意移动”?提示:(1)建立系统数学模型;(2)应用现代控制理论的“能控性定理”进行分析。
参考书:张晓华《控制系统数字仿真与CAD》 (第4版) 机械工业出版社 2020张晓华《系统建模与仿真》(第2版)清华大学出版社 2016《控制系统建模与仿真》课程习题(3)一、水箱液位控制系统设计问题如下图所示的“水箱液位系统”,试回答下列问题:1、试给出含有(控制器+传感器)的“水箱液位控制系统”方案;2、试依据“流体力学”的基本概念,建立系统的数学模型;3、若使系统液位控制实现稳态无静差,试给出PID控制器设计方案;二、水箱液位控制的拓展问题试回答下述问题:1、某人在上述“水箱液位控制系统”中,采用单片机作控制器,程序设计为“增量式PI控制算法”,如果控制系统在“阶跃给定”下存在稳态误差,试问这种情况是否合理?为什么?2、对于上图所示的“水箱液位系统”,在下排水出口处流体呈“紊流”状态,试证明:其流量与液位高度的关系为Q=K∙√H。
1-1 什么是计算机控制系统?画出一个实际计算机控制系统原理结构图,并说明一个计算机控制系统由哪些部分组成及各部分的作用。
利用计算机参与控制的系统称为计算机控制系统。
1-2 简述计算机控制系统的控制过程。
实时数据采样实时计算控制量实时控制实时管理1-3 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围完成的,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:生产过程和计算机系统直接连接,并接受计算机直接控制的方式称为在线或联机方式。
(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的方式叫做“脱机”方式或“离线”方式。
1-4 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?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。
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。
(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)。
(4)生产过程装置a.测量变送单元:为了测量各种参数而采用的相应检测元件及变送器。
b.执行机构:要控制生产过程,必须有执行机构。
1.5 计算机控制系统的软件由哪几部分组成?各部分的作用是什么?就功能来分,软件可分为系统软件、应用软件及数据库。
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。
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。
《过程控制系统》习题解答课件《过程控制系统》习题解答1-2 与其它⾃动控制相⽐,过程控制有哪些优点?为什么说过程控制的控制过程多属慢过程?过程控制的特点是与其它⾃动控制系统相⽐较⽽⾔的。
⼀、连续⽣产过程的⾃动控制连续控制指连续⽣产过程的⾃动控制,其被控量需定量控制,⽽且应是连续可调的。
若控制动作在时间上是离散的(如采⽤控制系统等),但是其被控量需定量控制,也归⼊过程控制。
⼆、过程控制系统由过程检测、控制仪表组成过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表和电⼦计算机等⾃动化技术⼯具,对整个⽣产过程进⾏⾃动检测、⾃动监督和⾃动控制。
⼀个过程控制系统是由被控过程和检测控制仪表两部分组成。
三、被控过程是多种多样的、⾮电量的现代⼯业⽣产过程中,⼯业过程⽇趋复杂,⼯艺要求各异,产品多种多样;动态特性具有⼤惯性、⼤滞后、⾮线性特性。
有些过程的机理(如发酵等)复杂,很难⽤⽬前过程辨识⽅法建⽴过程的精确数学模型,因此设计能适应各种过程的控制系统并⾮易事。
四、过程控制的控制过程多属慢过程,⽽且多半为参量控制因为⼤惯性、⼤滞后等特性,决定了过程控制的控制过程多属慢过程;在⼀些特殊⼯业⽣产过程中,采⽤⼀些物理量和化学量来表征其⽣产过程状况,故需要对过程参数进⾏⾃动检测和⾃动控制,所以过程控制多半为参量控制。
五、过程控制⽅案⼗分丰富过程控制系统的设计是以被控过程的特性为依据的。
过程特性:多变量、分布参数、⼤惯性、⼤滞后和⾮线性等。
单变量控制系统、多变量控制系统;仪表过程控制系统、计算机集散控制系统;复杂控制系统,满⾜特定要求的控制系统。
六、定值控制是过程控制的⼀种常⽤⽅式过程控制的⽬的:消除或减⼩外界⼲扰对被控量的影响,使被控量能稳定控制在给定值上,使⼯业⽣产能实现优质、⾼产和低耗能的⽬标。
1-3 什么是过程控制系统,其基本分类⽅法有哪些?过程控制系统:⼯业⽣产过程中⾃动控制系统的被控量是温度、压⼒、流量、液位、成分、粘度、湿度和pH等这样⼀些过程变量的系统。
过程控制系统课后习题(总6页)--本页仅作为文档封面,使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第二章1什么是对象特性为什么要研究对象特性答:研究对象特性是设计控制系统的基础;为了能使控制系统能安全投运并进行必要的调试;优化操作。
2什么是对象的数学模型静态数学模型与动态数学模型有什么区别答:对对象特性的数学描述就叫数学模型。
静态:在输入变量和输出变量达到平稳状态下的情况。
动态:输出变量和状态变量在输入变量影响下的变化情况。
3建立对象的数学模型有什么意义答:1,控制系统的方案设计;2控制系统的调试和调节器参数的确定;3制定工业过程操作优化方案;4新型控制方案及控制策略的确定;5计算机仿真与过程培训系统;6设计工业过程的故障检测与诊断系统。
4建立对象的数学模型有哪两种方法答:机理建模和实验建模。
机理建模:由一般到特殊的推理演绎方法,对已知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理,根据对象或生产过程的内部机理,经过合理的分析简化而建立起描述系统各物理量动静态性能的数学模型。
实验建模步骤:1确定输入变量与输出变量信号;2测试;3对数据进行回归分析。
5反应对象特性的参数有哪些各有什么物理意义他们对自动控制系统有什么影响答:K—放大系数。
对象从新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。
T—时间参数。
时间参数表示对象受到输入作用后,被控变量的变化快慢。
桃—停滞时间。
输入发生变化到输出发生变化之间的时间间隔。
6评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些各自的定义是什么单项性能指标主要有:衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。
衰减比:等于两个相邻的同向波峰值之比n;过渡过程的最大动态偏差:对于定值控制系统,是指被控参数偏离设定值的最大值A;超调量:第一个波峰值y与最终稳态值y之比的百分数;残余偏差C:过渡过程结束后,被控参数所达到的新稳态Y与设定值之间的偏差。