第一章
1．微型计算机控制系统与连续控制系统的主要异同点是什么？
答：将续控制系统中的控制器用微型计算机来代替，就可以构成微型计算机系统。控制系统中引入微型计算机后，控制规律便可由程序实现，微型计算机执行相应的程序，实现对被控参数的控制。在连续控制系统中，系统的控制规律是由硬件电路实现的，改变控制规律就要改变硬件；而在微型计算机控制系统中，控制规律是通过程序实现，改变控制规律只需改变程序。在微型计算机控制系统中，微型计算机的输入和输出都是数字信号，而变换发送单元送出的信号，以及大多数执行机构所能接收的信号，都是模拟信号。因此，系统中需要有A/D转换器和D/ A转换器。连续控制系统不断地测量，经过反馈及补偿后，对生产过程产生连续不断的控制。
微型计算机控制系统是采样控制系统。微型计算机每隔一个采样周期T会对被控参数进行一次测量，根据一定控制规律算出控制量后，去控制生产过程。在两次采样时刻之间，微型计算机对被控参数不进行测量，其输出控制量自然也保持不变。当用一台微型计算机控制多个参数时，微型计算机按巡回测量控制方式工作。
2.从微型计算机参与控制的方式上，微型计算机控制系统可分为哪几类？各有什么特点？
答:可分为数据采集系统（DAS）、直接数字控制系统（DDC）、监督算机控制系统（SCC）、分散型控制系统（DCS）、现场总线控制系统(FCS)、计算机集成制造系统(CIMS)。
数据采集系统（DAS）：数据采集系统中微型计算机通过模拟量、开关量输入通道进行数据采集，将采集到的数据进行分析处理，以实现生产过程中的集中监视及实现生产过程的操作指导。该系统中的微型计算机不直接参与生产过程控制，不会对生产过程产生直接影响。
直接数字控制系统（DDC）：微型计算机通过模拟量输入通道、数字量输入通道进行数据采集，然后按照一定的控制规律进行实时决策，最后通过模拟量输出通道、数字量输出通道输出控制信号，实现对生产过程的直接控制。由于该系统中夺得微型计算机直接参与生产过程的控制，故要求微型计算机系统实时性好、可靠性高和环境适应性好。
监督计算机控制系统（SCC）：SCC系统是一种两级微型计算机控制系统，其
中DDC级微型计算机完成生产过程的直接数字控制；SSC级微型计算机则根据生产过程的工作状况和已定的数学模型，进行最优化分析计算，产生最优给定值，交由DDC级微型计算机执行。
分散型控制系统（DCS）：DCS系统利用多台微型计算机，采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上而下分为过程控制级、控制管理级、生产管理级等若干级，形成分布式控制。
现场总线控制系统(FCS):FCS系统广泛应用于工业生产过程自动化领域的新型计算机控制系统。现场总线控制系统是利用现场总线实现各智能现场设备之间、个现场设备和控制装置之间互联,形成一个数字式、双向传输、多分支结构和多点通信的通信网络。
计算机集成制造系统(CIMS):是在信息技术、自动化技术及有关生产技术基础上,建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的中和自动化系统。它将企业的生产、经营、管理、计划、销售等环节和企业人力、财力、设备等生产要素集成起来,进行统一控制,从而求得生产活动的最优化。
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？ 答：微型计算机控制系统的硬件主要由主机(控制器)、过程输入输出通道(设备)、操作设备、常规外部设备、系统支持功能等组成。
图微型计算机控制系统的基本组成
(1)主机：由微机处理器、内存储器和系统总线构成的主机是控制形同的核心。主机根据过程输入通道发送来的、反映生产过程工况的各种信息和已定的控制规律,作出相应的决策,并通过过程输出通道发出控制命令,达到预定的控制目的。
主机所产生的控制是按照人们预先安排好的程序进行的。能实现过程输入、控制和输出等功能的程序预先已存放入内存,系统起动后,中央处理器逐条取出并执行,产生预定控制作用。
(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)操作设备:是微型计算机控制系统中人机交互的关键设备。操作设备一般由液晶显示器、键盘、开关和指示灯等构成。操作员通过操作设备可以及时了解被控过程的运行状态及相关参数,对控制系统发出各种控制命令,并且通过操作设备修改控制方案和程序。
(4)常规外部设备:指键盘、终端、打印机、绘图机、U盘等微型计算机输入输出设备。
(5)通信设备:企业信息化的需求要求生产过程的数据和企业管理信息系统之间的信息需实时交换,基于DCS和FCS的微型计算机控制系统中,个微型计算之间也需要通信,因此,通信设备已成为微型计算机控制系统的一个重要部分,通过通信设备课完成微型计算机控制系统的信息交换。
(6)系统支持功能:包含监控定时器、电源掉电检测、保护重要数据的后背存储体、实时日历钟、总线匹配。
4．工业控制微型计算机与主要用于科学计算方面的微型计算机有何异同点？ 答：工业控制微型计算机与主要用于科学计算方面的信息处理机是两类不同用途的计算机。二者都是以微型计算机为核心所构成的装置。与信息处理计算机相比，工控机具有可靠性高、环境适应性强、可维护性好、硬件配置上的可装配性和可扩充性好、丰富的过程输入/输出能力、应用软件丰富等特点。 5．何谓微型计算机系统的实时性？如何保证微型计算机系统的实时性？ 答：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。实时性指标涉及一系列时间延迟，如仪表延迟、输入延迟、运算处理延迟、输出延迟等。另外，中断是微型计算机控制系统实现实时控制的一个十分重要的功能。 6．简述DDC和SCC系统的工作原理。
答：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。其原理框图如下图所示。
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。其原理框图如下图所示。
7．进一步查阅资料，了解计算机控制系统的发展趋势。
答：大规模及超大规模集成电路的发展，提高了计算机的可靠性和性能价格比，从而使计算机控制系统的应用也越来越广泛。为更好地适应生产力的发展，扩大生产规模，以满足对计算机控制系统提出的越来越高的要求，目前计算机控制系统的发展趋势有以下几个方面：a.普及应用可编程序控制器 b.采用集散控制系统 c.研究和发展智能控制系统
第二章
1．在模拟量输入输出通道中，采样保持器起何作用？是否在所有的模拟量输入输出通道中都需要采样保持器？为什么？
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。
不是在所有的模拟量输入输出通道中都需要采样保持器。当被测信号变化缓慢时，若A/D转换器转换时间足够短，则可以不加采样保持器。
2．A/D转换器的转换速度主要根据系统模拟量输入点数和输入模拟量的最高频率来选择。现假设模拟量输入点数为8，最高信号频率分别为2kHz和10kHz，则A/D转换器的转换速度最低各为多少？
答：当最高信号频率为12KHz1时A/D转换器的转换速度至少为：
??32.25?s2?2KHz8 当最高信号频率为10KHz时A/D转换器的转换速度至少为
3．A/D转换器的分辨率和线性误差两技术指标含义上有何不同？
答：分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。线性误差是指A/D转换器的理想转换特性应该是线性的，但实际转换特性并非如此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线性误差。
4．设计一块PC总线或其他总线的32路单输入12位A/D转换模板。A/D转换器选AD574A，所需的多路开关、运算放大器、采样保持器和其他器件自选，要考虑总线驱动。转换结束后用中断方式通知主机，系统分配给该模板的地址为2C8H～2CFH（或另行分配）。 1）设计该模板的硬件原理图。
2）设计数据采集程序，系统每隔一个采样周期T=2s，对32路输入巡回采样一遍，采集到得数据送以BUFE为首地址的内存缓冲区中。
3）计算出该模块的最高数据采集频率（各器件的有关参数可通过查阅手册得到）。 解：1）硬件原理图如下图所示：
11??6.25?s2?10KHz8
2）AD574 PROC NEAR MOV CX,32
MOV BL,00000000B LEA SI,BUF
NEXTCH:MOV DX,212H
MOV AL,BL OUT DX,AL NOP NOP
OR AL,01000000B OUT DX,AL NOP
AND AL,B OUT DX,AL MOV DX,210H POLING:IN AL,DX TEST AL,80H JNZ POLING MOV AL,BL
OR AL,00010000B MOV DX,212H OUT DX,AL
OR AL,01000000H OUT DX,AL MOV DX,210H IN AL,DX AND AL,0FH MOV AH,AL INC DX IN AL,DX MOV [SI],AX INC SI INC SI INC BL
LOOP NEXTCH
MOV AL,00111000B MOV DX,212H OUT DX,AL RET
AD574 END
3）AD574速度： 25μs; AD625速度： 40ns LF398速度: 10μs CD4051速度：500 ns
故该模块的最高数据采集频率为40K.
5.设ADC0809与CPU的连接如图2-45所示。要求用查询方式采样来自IN4通道的输入信号，采样100点，采样数据存入ADBUF缓冲区，试编程实现。 解：
编程：
OUT 84H,AL MOV R1，#64H
LOOP: DEC R1 WAIT: IN AL,70H
TEST AL,01H JZ WAIT IN R0,60H DEC R0
CJNE R1,#00H,LOOP
6.试设计一个数据采集电路，要求该电路能对8路模拟信号进行连续巡回检测，电压转换范围0～10V，相对精度%，采样间隔为1s，按此要求画出巡回检测系统的电路原理图，并回答以下问题：
1）在该电路中A/D转换器至少应采用多少位的？
2）该电路的A/D转换器转换完成，采用何种方式了解？ 3）编写启动A/D转换器及读取转换结果的程序段。 4）画出实现8路巡回采样的程序流程图。 解：电路图如下：
1）7位
2）STS，A/D转换器转换结束标志 3）启动：OR AL,01000000B OUT DX,AL NOP
读转换结果：MOV DX,210H POLING:IN AL,DX
TEST AL,80H JNZ POLING MOV AL,BL
OR AL,00010000B MOV DX,212H OUT DX,AL
OR AL,01000000H OUT DX,AL MOV DX,210H IN AL,DX AND AL,0FH MOV AH,AL INC DX IN AL,DX MOV [SI],AX
4）程序流程图：
7.某热处理炉温度变化范围为0～1350℃，经温度变送器变换为1～5V电压送至ADC0809.当T=kT时，ADC0809的转换结果为6AH，问此时的炉内温度为多少度？
解：炉内温度T?5V?(6?16?10)?1350?C?558.9?C
285V8．编制一个能完成中值加均值滤波的子程序，设m=8,8个采样值排序后，取中间的四个采样值平均。采样值为12位2进制数。
MOV CX,8 DEC CX
LOP1： MOV DX,CX LOP2： MOV AX,DATA[BX]
CMP AX,DATA[BX+2] JBE CONTI
XCHG AX,DATA[BX+2]
MOV DATA[BX],AX
CONTI: ADD BX,2
LOOP LOP2 MOV CX,DX MOV BX,0 LOOP LOP1 MOV CX,3 MOV AX,DATA[BX+4]
LOP3： ADD BX,2
ADC AX,DATA[BX+4] LOOP LOP3 MOV DL,4 DIV DL
9．DAC0832用做波形发生器。试根据图2-46中的接线，分别写出产生锯齿波、三角波和方波的程序，产生的波形如图2-47所示。
解：三角波程序： MOV AL,0
LOP1： MOV DX,230H
OUT DX,AL
MOV INC CMP JB
LOP2： MOV
OUT MOV MOV DEC CMP JA JMP
方波程序：
MOV
START: MOV
OUT MOV OUT MOV
LOP1： NOP
NOP LOOP XOR JMP
锯齿波程序：
MOV
START: MOV
OUT MOV OUT INC JMP
DX,AL AL
AL,FFH LOP1 DX,230H DX,AL DX,240H DX,AL AL AL,0 LOP2 LOP1
AL,FFH DX,230H DX,AL DX,240H DX,AL CX,0
LOP1 AL,FFH START
AL,0 DX,230H DX,AL DX,240H DX,AL AL START
10.欲利用两片DAC0832控制执行机构实现X-Y绘图仪功能。设所测待绘曲线的数据分别存入ARRAY1和ARRAY2数据区中，数据区中长度为30H，请编程实现将ARRAY1和ARRAY2两片数据区中的数据分别从1#和2#DAC0832同时绘出，控制X-Y绘图仪绘出所测曲线（DAC0832与总线接口电路如图2-48所示，设1#和2#DAC0832的端口输入寄存器地址为320H、321H，DAC寄存器地址为323H）。
MOV MOV
LOP1： MOV
MOV OUT MOV MOV OUT MOV OUT INC LOOP
CX,30H BX,0
AL,ARRAY1[BX] DX,320H DX,AL
AL,ARRAY2[BX] DX,321H DX,AL DX,323H DX,AL BX LOP1
第三章
1．数字滤波与模拟滤波相比有什么特点?
答：①数字滤波不需要硬件设备,可靠性高,稳定性好,各回路之间不存在阻抗匹配等问题。②数字滤波用程序实现,多个输入通道可以“共用”同一个滤波程序,不需要增加硬件设备,降低了成本。③对于不同的的干扰,通过修改数字滤波器只能改变硬件相比更加灵活和方便。数字滤波能对频率很低(如的干扰进行处理,克服了模拟滤波器受电容容量的限制,频率不能太低的缺陷。
2.常用的数字滤波方法有几种?它们各有什么优缺点?
答：有八种,分别是算术平均值滤波、加权算术平均值滤波、滑动平均值滤波、中值滤波、防脉冲干扰的算术平均值滤波、程序判断滤波、惯性滤波、复合数字滤波。
算术平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用,采用算术平均值滤波后,信噪比提高了n倍,但它对脉冲性干扰的抑制效果不够理想,不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。
加权算术平均值滤波它适用于系统纯延迟时间常数τ较大而采用周期较短的情况。一般是月薪的采样值赋以较大的比例,增加新采样值在滤波结果中的比例,尽量真实地反映系统所受干扰的影响情况。但采用加权算术平均值滤波方法需要测试不同过程的纯延迟时间常数τ,并不断计算各加权系数,增加了计算量,降低了控制速度,因而其实际应用不如算术平均值滤波方法广泛。
滑动平均值滤波方法对周期性干扰有良好的抑制作用,既少占用时间,又能达到较好的滤波效果,但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差,不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差,因此不适用于干扰计较严重的场合,而适用于高频振荡系统。
中值滤波对于不掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉冲性干扰比较有效,如电网的波动、变送器的临时故障等。对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此方法能收到良好的滤波效果,但对流量、速度等快速变化的被测参数一般不易采用。
防脉冲干扰的算术平均值滤波兼有算术平均值滤波和中值滤波的优点,对快变和慢变参数都有抑制干扰的作用,有利于提高采样的真实性,单运算工作量大,会影响系统的实时性。当采样点数为3时,它便是中值滤波。在实际应用中,为了
加快测量计算速度,n一般不能太大。
程序判断滤波对抑制带有随机性的干扰较为有效,具体应用时的关键问题是最大变化量△x的选取大小,对不同的对象特性,使用不同的采样周期、系统不同的给定输入形式(阶跃、等速或加速),都能影响到△x值的选择。但△x的确定不够灵活,必须根据现场的情况不断更新值,不能反映采样点数n>3时各采样值受干扰的情况,因而其应用受到一定的限制。
惯性滤波具有较大惯性的低通滤波功能,当目标参数变化很慢的物理量时,效果很好,单带来了相位滞后,滞后相位角度的大小与α的选择有关。改方法不能滤除频率高于采样频率的1/2的干扰信号。除惯性滤波外,同样可用软件来模拟高通滤波和带通滤波
复合数字滤波滤波效果好,结果更接近理想值,但成本高。
3.算术平均值滤波、加权算术平均值滤波及滑动平均值滤波三者的区别是什么?
算术平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用,采用算术平均值滤波后,信噪比提高了n倍,但它对脉冲性干扰的抑制效果不够理想,不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。
加权算术平均值滤波它适用于系统纯延迟时间常数τ较大而采用周期较短的情况。一般是月薪的采样值赋以较大的比例,增加新采样值在滤波结果中的比例,尽量真实地反映系统所受干扰的影响情况。但采用加权算术平均值滤波方法需要测试不同过程的纯延迟时间常数τ,并不断计算各加权系数,增加了计算量,降低了控制速度,因而其实际应用不如算术平均值滤波方法广泛。
滑动平均值滤波方法对周期性干扰有良好的抑制作用,既少占用时间,又能达到较好的滤波效果,但对偶然出现的脉冲性干扰抑制作用差,不易消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差,因此不适用于干扰计较严重的场合,而适用于高频振荡系统。
4.标度变换在工程上有什么意义?在什么情况下使用标度变换?
答：标度变换在工程上意义：为了能直接诶显示或打印被测工程量值，必须将它们转换成为有量纲的数值。
对于一般的线性仪表来说，参数值与A/D 转换结果之间是线性关系时使 用线性标度变换公式；有时微型计算机从模拟量输入通道得到的有关过程参数的数字信
号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系，则其标度变换公式应使用非线性标度变换公式。
5.数字控制器的连续化设计步骤是什么？ ⑴求出模拟控制器的传递函数D(s); ⑵选择合适的采样周期;
⑶将D(s)离散化,求出数字控制器的脉冲传递函数D(z); ⑷检验系统的闭环特性是否满足系统设计条件;
⑸讲D(z)变为差分方程或状态空间表达形式,并编制计算机程序实现; ⑹用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编程是否正确;
⑺用计算机对系统进行控制,将硬件和软件结合起来,进行现场调试。
6. 数字控制器的离散化设计步骤是什么？ 计算机控制系统框图如图4—1所示。
图4—1计算机控制系统框图
由广义对象的脉冲传递函数可得闭环脉冲传递函数，可求得控制器的脉冲传递函数D(z)。
数字控制器的直接设计步骤如下：
(1)根据控制系统的性质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)。
(2)求广义对象的脉冲传递函数G(z)。 (3)求取数字控制器的脉冲传递函数D(z)。 (4)根据D(z)求取控制算法的递推计算公式。
7.某系统的连续控制器设计为
D?s??U(s)1?T1s ?E(s)1?T2s2z?1?代入，则 Tz?1试用双线形变换法、前向差分法、后向差分法分别求取数字控制器D(Z)。 解： 双线形变换法：把s?2z?1?Tz?1??T?2T1?z?T-2T1 D?z??D?z?|2z?1?s??2z?1?T?2T2?z?T?2T2Tz?11?T2?Tz?1z-1前向差分法：把z?代入，则
Tz?11?T11?T1sT?T1z?T?T1 ????Dz?Ds|z?1??s?1?T2s1?Tz?1T2z?T?T2T2Tz?1 后向差分法：把s?代入，则
Tz1?T1D?z??D?s?|z?11?T1sTz?T1z?T?T1 ??1?T2s1?Tz?1T2z?T?T22Tz1?T1s?z?1Tz8.在PID调节器中系数pk、ik、dk各有什么作用？它们对调节品质有什么影响？
系数pk为比例系数，提高系数pk可以减小偏差，但永远不会使偏差减小到零，而且无止境地提高系数pk最终将导致系统不稳定。比例调节可以保证系统的快速性。
系数ik为积分常数，ik越大积分作用越弱，积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但单纯的积分也有弱点，其动作过于迟缓，因而在改善静态品质的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间加长。积分调节可以消除静差，提高控制精度。
系数dk为微分常数，dk越大微分作用越强。微分调节主要用来加快系统的相应速度，减小超调，克服振荡，消除系统惯性的影响
9.什么是数字PID位置型控制算法和增量型控制算法？试比较它们的优缺点。
为了实现微机控制生产过程变量，必须将模拟PID算式离散化，变为数字PID算式，为此，在采样周期T远小于信号变化周期时，作如下近似(T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分接近)：
k?edt?T?e(j)0j?0tdee(k)?e(k?1)?dtT
于是有：
Tu(k)?Kp{e(k)?Ti?e(j)?j?0kTd[e(k)?e(k?1)]}T
u(k)是全量值输出，每次的输出值都与执行机构的位置(如控制阀门的开度)一一对应，所以称之为位置型PID算法。
在这种位置型控制算法中，由于算式中存在累加项，因此输出的控制量u(k)不仅与本次偏差有关，还与过去历次采样偏差有关，使得u(k)产生大幅度变化，这样会引起系统冲击，甚至造成事故。所以实际中当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，可以采用增量型PID算法。当控制系统中的执行器为步进电机、电动调节阀、多圈电位器等具有保持历史位置的功能的这类装置时，一般均采用增量型PID控制算法。
?u(k)?Kp{[e(k)?e(k?1)]?TTe(k)?d[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]}TiT
与位置算法相比，增量型PID算法有如下优点：
(1)位置型算式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差；而在增量型算式中由于消去了积分项，从而可消除调节器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果。
(2)为实现手动——自动无扰切换，在切换瞬时，计算机的输出值应设置为原始阀门开度u0，若采用增量型算法，其输出对应于阀门位置的变化部分，即算式中不出现u0项，所以易于实现从手动到自动的无扰动切换。
(3)采用增量型算法时所用的执行器本身都具有寄存作用，所以即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。
10.有哪几种改进的数字PID控制器？?
答:有四种：（1）积分分离PID控制算法（2）不完全微分PID控制算法（3）带死区的PID控制算法（4）消除积分不灵敏区的PID控制
11. 什么叫积分饱和？它是怎么引起的？通常采用什么方法克服积分饱和？ 解：（1）如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除静差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作，这就叫积分饱和。
（2）1、当偏差产生跃变时，位置型PID算式的输出将急剧增大或减小，有可能超过执行机构的上（下）限，而此时执行机构只能工作在上限。
2、系统输出需要很长时间才达到给定值，在这段时间内算式的积分项将产生一个很大的积累值。
3、当系统输出超过给定值后，偏差反向，但由于大的积分积累值，控制量需要相当一段时间脱离饱和区。因此引起系统产生大幅度超调，系统不稳定。
（3）常用的改进方法：积分分离法和抗积分饱和
12. 简述扩充临界比例度法、扩充响应曲线法整定PID参数的步骤。 扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：
(1)选择一个足够短的采样周期T，例如被控过程有纯滞后时，采样周期T取滞后时间的1/10以下，此时调节器只作纯比例控制，给定值r作阶跃输入。 (2)逐渐加大比例系数Kp，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Ts，并记下此时的比例系数Kp，将其记作临界振荡增益Ks。此时的比例度为临界比例度，记作?s?1。 Ks(3)选择控制度，所谓控制度是数字调节器和模拟调节器所对应的过渡过程的误差平方的积分之比。
(4)根据控制度，查表求出T、Kp、Ti和Td值。
(5)按照求得的整定参数，投入系统运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到获得满意的控制效果为止。 扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：
(1)断开数字调节器，让系统处于手动操作状态。将被调量调节到给定值附近并稳定后，然后突然改变给定值，即给对象输入一个阶跃信号。
(2)用仪表记录被控参数在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图所示。
(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ、被控对象的时间常数Tc，以及它们的比值Tc/τ。
(4)由τ、Tc、Tc/τ值，查表，求出数字控制器的T、Kp、Ti和Td。
13. 采样周期的选择需要考虑那些因素？
(1)从调节品质上看，希望采样周期短，以减小系统纯滞后的影响，提高控制精度。通常保证在95%的系统的过渡过程时间内，采样6次～15次即可。
(2)从快速性和抗扰性方面考虑，希望采样周期尽量短，这样给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致产生过大的延时。
(3)从计算机的工作量和回路成本考虑，采样周期T应长些，尤其是多回路控制时，应使每个回路都有足够的计算时间；当被控对象的纯滞后时间τ较大时，常选T=（1/4~1/8）τ。
(4)从计算精度方面考虑，采样周期T不应过短，当主机字长较小时，若T过短，将使前后两次采样值差别小，调节作用因此会减弱。另外，若执行机构的速度较低，会出现这种情况，即新的控制量已输出，而前一次控制却还没完成，这样采样周期再短也将毫无意义，因此T必须大于执行机构的调节时间。
14. 什么是最小拍数字控制系统？在最少拍数字控制系统的设计中应当考虑哪些因素？
答：最小拍数字控制系统就是一种时间最优控制。 在最少拍数字控制系统的设计中应当考虑的因素： (1) 最少拍数字控制器的输入：3种典型的输入型号； (2) 闭环误差脉冲传递函数的初步确定； (3) 种输入信号下的误差序列。 (4) 最少拍数字控制器的稳定性设计； (5) 最少拍控制系统的局限性；
15.什么是振铃现象？如何消除振铃现象？
所谓振铃现象是指数字控制器的输出u(k)以接近二分之一的采样频率大幅度上下摆动。它对系统的输出几乎是没有影响的，但会使执行机构因磨损而造成损坏。 消除振铃现象的方法： （1）参数选择法
对于一阶滞后对象，如果合理选择期望闭环传递函数的惯性时间常数T0和采样周期T，使RA≤0，就没有振铃现象。即使不能使RA≤0，也可以把RA减到最小，最大程度地抑制振铃。 （2）消除振铃因子法
找出数字控制器D(z)中引起振铃现象的因子(即z=-1附近的极点)，然后人为地令其中的z=1，就消除了这个极点。根据终值定理，这样做不影响输出的稳态值，但却改变了数字控制器的动态特性，从而将影响闭环系统的动态响应。
16.与PID控制和直接数字控制相比，模糊控制具有哪些优点？
（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
17.已知模拟调节器的传递函数为
D?s??1?0.17s
1?0.085s试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式，设采样周期T=。
D?s??U?s?1?0.17s? E?s?1?0.085sdu?t?de?t??e?t??0.17dtdt
则U?s??0.085SU?s??E?s??0.17SE?s? ?u?t??0.085?u?k??0.085把T=代入得
u?k??u?k?1?e?k??e?k?1??e?k??0.17 TT1.425u?k??0.425u?k?1??4.5e?k??3.5e?k-1?
位置型u?k??3.1579e?k??2.4561e?k?1??0.2982u?k?1?
增量型?u?k??u?k??u?k?1??3.1579e?k??2.4561e?k?1??0.7018u?k?1?
18.被控对象的传递函数为
Gc?s??1e?s
s?1采样周期T=1s，要求：采用大林算法设计数字控制器D?z?，并求取u?k?的递推形式。
解:采用大林算法设计数字控制器
取T=1S,??1,K=1,T1=1,L=?/T=1,设期望闭环传递函数的惯性时间常数T0= 则期望的闭环系统的脉冲传递函数为
?1?e?Tse?LTs?z?2?1?e?2? GB?z??Z?????1?2T0s?1?1?ze?s广义被控对象的脉冲传递函数为
?1?e?sTK1?z-2?1?e?1??LTs??1-1?1HGC?z??Z??e???1?z?zZ??? ?1?1?1?T1s?s1?s?1?ze?s?则
计算机控制技术答案_黄勤
