2020 计算机控制系统(上海海事大学) 最新满分章节测试答案

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本课程起止时间为:2020-03-02到2020-06-30
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【作业】第二章 信号转换与z变换 第二章 信号转换与z变换 作业

1、 问题:简述两种外推装置组成的保持器
评分规则: 【
】

2、 问题: 简述慢过程中采样周期的选择。
评分规则: 【 解答：对于惯性大，反应慢的生产过程，采样周期T要选长一些，不宜调节过于频繁。虽然T越小，复现原连续信号的精度越高，但是计算机的负担加重。因此，一般可根据被控对象的性质大致地选用采样周期。
】

3、 问题: 简述慢过程中采样周期的选择。
评分规则: 【 解答：对于惯性大，反应慢的生产过程，采样周期T要选长一些，不宜调节过于频繁。虽然T越小，复现原连续信号的精度越高，但是计算机的负担加重。因此，一般可根据被控对象的性质大致地选用采样周期。
】

【作业】第一章 计算机控制系统概述 第一章 计算机控制系统概述 作业

1、 问题: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。
评分规则: 【 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，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。
】

2、 问题:2. 计算机控制系统由哪几部分组成？各部分的作用如何？
评分规则: 【 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。
】

3、 问题:3.计算机控制系统涉及哪些理论问题？
评分规则: 【 （1）信号变换问题；（2）对象建模与性能分析；（3）控制算法设计；（4）控制系统仿真分析；（5）控制系统实现技术
】

【作业】第三章 计算机控制系统数学描述与性能分析 第三章 计算机控制系统数学描述与性能分析 作业

1、 问题:一般来说，计算机控制系统的稳定性与采样周期的关系为：采样周期越小，系统稳定性越高；采样周期越大，系统稳定性越差，甚至变成不稳定。试对此进行详细分析。
评分规则: 【 计算机控制系统因其控制对象是连续系统，它的等效离散化后的闭环系统z传递函数模型与采样周期的选取有关，其极点分布也必然与采样周期的选取有关，因此采样周期的大小是影响计算机控制系统稳定性的一个重要因素。同一个计算机控制系统，取某个采样周期系统是稳定的，然而改换成另一个采样周期，系统有可能变成不稳定。采样周期对系统稳定性的影响主要是由于计算机控制系统中采样保持器引起的，若不考虑采样保持器的影响，则采样周期对计算机控制系统的稳定性影响有限，因为此时采样周期不是影响系统稳定性的唯一因素。若考虑采样保持器的影响，则采样周期越小，系统稳定性越高；采样周期越大，系统稳定性越差，甚至变成不稳定。
】

2、 问题:离散系统的稳定性判据除了书中介绍的方法外，还有哪些？各自有何特点？
评分规则: 【 （1）直接求特征方程的根来判别稳定性（2）根轨迹法判别稳定性根轨迹法特点：1）z平面极点的密集度很高（因为无限大的s左半平面映射到优先的单位圆内），z平面上两个很接近的极点对应的系统性能却有较大的差别，因此要求根轨迹的计算精度较高。2）在s平面中，临界放大系数是由根轨迹与虚轴的交点求得，z平面的临界放大系数则由根轨迹于单位圆的交点求得。3）在离散系统中，只考虑闭环极点位置对系统性能的影响是不够的，还需考虑零点对动态响应的影响。
】

3、 问题:试从理论上分析采样周期与系统稳态误差之间的关系。
评分规则: 【 当采样开关后有零阶保持器时，对象与零阶保持器法一起离散后，系统的稳态误差与采样周期T之间没有必然的联系。如果被控对象中包含与其类型相同的积分环节（即I型系统—被控对象中要求有1个积分环节；II型系统—被控对象中要求有2个积分环节，依次类推），则系统稳态误差只与系统的类型、放大系数和信号的形式有关，而与采样周期T无关；反之，如果被控对象中不包含足够多的积分环节，则稳态误差将与采样周期有关，采样周期越小，系统的稳态误差相应也就减小。 当采样开关后无零阶保持器时，系统的稳态误差将随采样周期T的增大而增大。
】

4、 问题:减小或消除系统的稳态误差有哪些方法，试分析之。
评分规则: 【 为了减小或消除系统的稳态误差，我们可以采用以下几点措施：（1）增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益。然而，此方法是有限制的，我们不能无限增大系统开环增益，因为当开环增益增大到一定程度时，必然会影响系统的稳定性，而这并不是我们所希望看到的。另外，增大扰动点之后的前向通道增益，却并不能改变系统对扰动的稳态误差。（2）在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节。可以消除系统在特定输入信号形式和特定扰动作用形式下的稳态误差。（3）采用串级控制抑制内回路扰动。当系统内存在多个扰动信号且控制精度要求较高时，一采用串联控制方式，可以显著控制内回路的扰动影响，与单回路控制系统相比，串级控制系统对二次扰动的抑制能力有很大的提高。（4）采用前馈补偿法，这一方法既可以是系统有较高的稳态精度，又可有良好的动态性能。
】

【作业】第四章 数字控制器的模拟化设计方法 第四章 数字控制器的模拟化设计方法 单元作业

1、 问题:对具有大的纯滞后被控对象，采用常规的PID控制算法会产生什么现象？
评分规则: 【 采用常规的PID控制会使系统稳定性变差，甚至产生振荡。
】

2、 问题:减小或消除系统的稳态误差有哪些方法，试分析之。
评分规则: 【 为了减小或消除系统的稳态误差，我们可以采用以下几点措施：（1）增大系统开环增益或扰动作用点之前系统的前向通道增益。然而，此方法是有限制的，我们不能无限增大系统开环增益，因为当开环增益增大到一定程度时，必然会影响系统的稳定性，而这并不是我们所希望看到的。另外，增大扰动点之后的前向通道增益，却并不能改变系统对扰动的稳态误差。（2）在系统的前向通道或主反馈通道设置串联积分环节。可以消除系统在特定输入信号形式和特定扰动作用形式下的稳态误差。（3）采用串级控制抑制内回路扰动。当系统内存在多个扰动信号且控制精度要求较高时，一采用串联控制方式，可以显著控制内回路的扰动影响，与单回路控制系统相比，串级控制系统对二次扰动的抑制能力有很大的提高。（4）采用前馈补偿法，这一方法既可以是系统有较高的稳态精度，又可有良好的动态性能。
】

3、 问题:在PID调节器中，参数Kp、Ki、Kd各有什么作用？他们对调节品质有什么影响？
评分规则: 【 (1) 比例系数KP的作用与对系统性能的影响对稳态特性的影响：在系统稳定的情况下，稳态误差与KP成反比关系，加大比例作用系数KP，可以减小稳态误差，提高控制精度，反之减小控制精度。但是，加大KP不能完全消除稳态误差。对动态特性的影响：比例作用系数KP加大，会使系统的动作灵敏、响应速度加快。KP偏大，振荡次数变多，调节时间加长；当KP太大时，系统会趋于不稳定。若KP太小，又会使系统的响应缓慢。
(2) 积分时间常数TI的作用与对系统性能的影响对稳态特性的影响：积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度；但若TI太大，积分作用太弱，将不能减小稳态误差。对动态持性的影响：积分时间常数TI偏小，积分作用强，由于积分具有迟后的特性，系统振荡次数较多；TI太大，对系统性能的影响减小。当时间常数TI合适时，动态过渡过程的性能比较理想。
(3) 微分时间常数TD的作用与对系统性能的影响 微分控制的作用反映偏差信号的变化率与一定的趋势，通过微分控制能够预先控制偏差，产生超前的校正作用，可用于改善系统动态特性。如减少超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度等。仅当TD偏大时，超调量较大，调节时间较长。当TD偏小时，同样超调量和调节时间也都较大。只有TD取得合适，系统动态过程的调节才能得到比较满意的效果。
】

4、 问题:试述扩充临界比例度法整定PID参数的方法。
评分规则: 【 扩充临界比例度法整定PID参数的步骤：① 选择一合适的足够小的采样周期。② 投入纯比例控制，逐渐增大比例系数Kp，使控制系统处于临界振荡，记下此时的临界比例系数Kτ和临界振荡周期Tτ。③ 选择控制度在1.05~2.0之间。④ 查表选择相应的经验公式，求取采样周期T、比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td。⑤ 按求得的参数运行系统，观察动态过程，用试凑法适当调整有关整定参数，达到满意的控制效果。
】

5、 问题:试述扩充响应曲线法整定PID参数的方法。
评分规则: 【 扩充响应曲线法整定PID参数的步骤：① 断开数字PID控制器，使系统在手动状态下工作，人为改变手动信号，给被控对象一个阶跃输入信号。② 用仪表记录被控参数的变化过程，即对象的阶跃响应曲线。③ 在响应曲线上的拐点处作切线，找出对象纯滞后时间τ及等效时间常数Tm。④ 选择控制度在1.05~2.0之间。⑤ 查表选择相应的经验公式，求取控制参数T、Kp、Ti和Td。⑥ 按求得的参数运行系统，观察动态过程，用试凑法适当调整有关整定参数，达到满意的控制效果。
】

6、 问题:试述试凑法整定PID参数的方法。
评分规则: 【 试凑法整定PID参数的步骤：① 系统只投入比例部分。将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到系统反应快、超调小的响应曲线，衰减比在4:1至10：1之间。② 如果比例调节时系统静差不能满足要求，则需加入积分环节。先置积分时间常数Ti为较大值，将第一步整定得到的比例系数略缩小，系统稳定运行，再减小积分时间常数，使静差消除。并反复调整，得到满意的过渡过程指标。③ 若此时系统的动态过程仍不能令人满意，则可加入微分环节，构成PID调节器。先置微分时间为最小值，在第二步整定基础上，增大微分时间同时相应改变比例系数与积分时间常数，逐步试凑直至过渡过程指标满意。
】

7、 问题:在数字PID中，采样周期T的选择要考虑哪些因素？
评分规则: 【 1)要满足香农定理。2)采样周期要小，离散系统接近连续系统。3)采样周期应比对象的时间常数小得多。4)采样周期应远小于对象扰动信号周期，一般使二者成整数倍关系。5)当系统纯滞后占主导地位时，尽可能使纯滞后时间等于采样周期的整数倍。6)如果执行器的响应速度比较慢，采样周期要大一些，过小的采样周期将失去意义。7)对单回路而言，采样周期的下限是完成采样、运算和输出三件工作所需的总时间。
】

8、 问题:什么叫积分饱和作用？它是怎样引起的，如何消除？
评分规则: 【 在PID控制算法中，由于积分累加算出的控制量超出限制范围，但实际控制量只能取限定值而非计算值，因此出现了饱和作用，它是由积分累加引起，故称为积分饱和作用。例如计算获得的控制量大于上界值时，控制量只能取上界值而不是计算值，使得被控对象输出量的增长比没有限制时要慢，偏差将持续较长的时间保持在正值，使积分项有较大的累积，产生了积分饱和。消除积分饱和可以采取①积分分离式PID控制算法和②变速积分PID控制算法。积分分离式PID控制算法，其基本思想是大偏差时，不进行积分作用，以免积分作用使系统稳定性变差；小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高控制精度。变速积分PID控制算法，其基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢，反之则越快。
】

9、 问题:比较PID位置型控制算法和增量型控制算法的优缺点。
评分规则: 【 ①增量型算法不需要做偏差累加计算，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。②增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小，而位置型算法的输出是控制量的全量输出，一旦控制指令误动作影响大。③采用增量型算法，由于算式中不出现u0项，则易于实现手动到自动的无冲击切换。④增量型算法需要有记忆和累加功能的执行器配合控制。
】

【作业】第五章 数字控制器的直接设计方法 第五章 数字控制器的直接设计方法 作业

1、 问题:直接数字控制器设计中，是否允许数字控制器有在单位圆外的极点？为什么？
评分规则: 【 数字控制器可以有单外圆外的极点，但是该不稳定的极点不能是被控对象不稳定的零点。因为“零极点不能对消”的概念中，指被控对象不稳定的零点不能由控制器不稳定的极点来对消，否则将出现控制器输出的控制量发散的现象，从而导致系统不稳定；因此单单控制器中有不稳定的极点，但是该极点不是被控对象的零点时，控制量不会发散，即闭环控制系统是稳定的。
】

2、 问题:试分析PID控制器、Smith预估控制器之间的相互关系。
评分规则: 【 （1）PID控制器对于滞后时间较小的系统控制效果较好，因为其中靠“微分环节的预测”效果毕竟有限；（2）Smith预估算法对于大滞后控制系统效果显著，是对主控制算法的一种补偿控制。
】

3、 问题:什么是数字直接设计方法？
评分规则: 【 把计算机控制系统中的被控对象等连续单元首先离散化，把整个系统转换为离散系统，然后根据采样理论，用离散化的方法设计数字控制器，称为数字直接设计法。
】

4、 问题:什么是最少拍系统？设计最少拍系统必须满足哪些要求？
评分规则: 【 最少拍控制就是要求闭环系统对于系统输入在最少个采样周期时间内达到无静差的稳态，使系统输出在最短的时间跟踪输入。设计最小拍系统必须满足如下要求：1）系统的稳定性：闭环系统和数字控制器都是稳定的。2）系统的准确性：对输入信号，在达到稳态后，系统在采样点的输出准确跟踪输入，不存在静差。3）系统的快速性：在各种使系统在有限拍（采样周期）内达到稳态，系统准确跟踪输入信号所需的采样周期数应为最少。 4）物理可实现性：数字控制器D(z)必须在物理上可以实现。
】

5、 问题:最少拍系统有哪些局限性？对输入函数的适应性如何？
评分规则: 【 最少拍系统的局限性：① 最少拍系统对不同输入信号的适应性较差；② 最少拍系统对系统参数变化的适应性较差。对输入函数的适应性：以不同的输入设计的最少拍控制器不能相互适应。
】

6、 问题:已知被控对象的传函为，采样周期T=1s，采用零阶保持器，单位负反馈系统。要求：（1）针对单位阶跃输入信号设计最少拍无纹波系统的D(z)，并计算输出响应y(kT)、控制信号u(kT)和误差e(kT)序列。（2）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y(kT)、控制信号u(kT)和误差e(kT)序列。
评分规则: 【