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计算机控制系统试题答案.doc
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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 A
2
作为比较器来控制开关 S 的通
断,若 IN
+
的电压高于 IN
-
的电压,则 S 闭合,由 A
1
、A
3
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 S 断
开,外接电容保持 S 断开时刻的电压,并经 A
3
组成的跟随器输出至
out
A
。
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,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。
7. 什么是振铃现象?如何消除振铃现象?
答:所谓振铃(Ringing)现象,是指数字控制器的输出以二分之
一采样频率大幅度衰减的振荡。有两种方法可用来消除振铃现象。第
一种方法是先找出
D
(
z
)中引起振铃现象的因子(
z
=-1 附近的极点),
然后令其中的
z
=1,根据终值定理,这样处理不影响输出量的稳态值。
第二种方法是从保证闭环系统的特性出发,选择合适的采样周期
T
及
系统闭环时间常数
T
c
,使得数字控制器的输出避免产生强烈的振铃现
象。
8. 什么是嵌入式系统?如何理解嵌入式系统的定义?
答:目前国内普遍被认同的嵌入式系统定义是:以应用为中心、
以计算机技术为基础,软、硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠
性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常,从以下
几个方面来理解嵌入式系统的定义:
(1)以应用为中心是指嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向
应用的。
(2)嵌入式系统以计算机技术为基础,是计算机技术、通信技术、
半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术,甚至传感器等先
进技术和Internet网络技术与具体应用对象相结合后的产物。这一点
就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的
知识集成系统。
嵌入式系统可以根据实际系统的需要对软、硬件进行剪裁以适应
实际系统在功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求。说明嵌
入式系统存在着一个较为通用的软、硬件内核。这个内核往往是几 kB
到几十 kB 之间的微内核,正是由于微内核的存在,才使得嵌入式系
统能够根据实际应用系统的需要在软、硬件方面得以顺利地裁剪或扩
充。
9. 简述网络控制系统的特点。
答:网络控制系统通常具备下述特点:
(1) 非定常性。数据到达的时刻不再是定常和有规则的, 更不能
再用简单的采样时间来刻画。
(2) 非完整性。由于数据在传输中可能发生丢失和出错,数据不
再是完整的,当然数字控制中也可能有类似的现象,但在网络控制中
发生的可能性要大得多。
(3) 非有序性。由于网络传输时间的不确定,先产生的数据可能
迟于后产生的数据到达远程控制系统。因此, 数据到达的次序可能不
再遵守原有的时间顺序。
(4) 非确定性。由于数据到达的随机性,整个控制过程已不再是
一个确定性的系统,而是一个随机系统。
10. 简述故障诊断技术所包含的内容。
答:故障诊断主要包括以下几个方面的内容。
(1) 故障的特征提取
通过测量用定量和定性的信息处理技术获取反映系统故障的特
征描述。
(2) 故障的分离与估计
根据获得的故障特征确定系统是否出现故障以及故障的程度。
(3) 故障的评价和决策
根据故障分离与估计的结论对故障的危害及严重程度做出评价,
近而决策出是否停止任务的进程以及是否需要维修更换故障元部件。
二、已知系统的差分方程为 (10 分)
)2()1()( ���� krkyky
输入信号是
�
�
�
�
�
�
00
01
)(
k
k
kr
初始条件为
1)0( �y
,试写出输出脉冲序列
( )y k
。
解:
1)0( �y
1)0()1()1( ����� yry
2)1()0()2( ��� yry
1)2()1()3( ���� yry
2)3()2()4( ��� yry
1)4()3()5( ���� yry
…
三、设被控对象传递函数为
)1(
)(
p
�
�
ss
K
sG
,在对象前接有零阶保持器,
试求广义对象的脉冲传递函数。 (10 分)
解:广义对象传递函数
)1(
e1
)(
�
�
�
�
ss
K
s
sG
Ts
对应的脉冲传递函数为
[ ]
1
1 1
2 1 2 1 1
1 1
1 1
1 e
( ) ( )
( 1)
1 1 1
(1 ) (1 )
( 1) (1 ) 1 1 e
e e 1
(e 1) 1
e 1
(1 )(1 e )
Ts
T
T T
T
T
T
K
G z G s
s s s
Tz
K z K z
s s z z z
T
K T z z
T
z z
-
-
- -
- - - -
- -
- - -
-
- - -
é ù
-
= =
ê ú
+
ë û
é ù
é ù
= - = - - +
ê ú
ê ú
+ - - -
ë û
ë û
é ù
+ -
+ - -
ê ú
+ -
ë û
=
- -
Z Z
Z
四、已知被控对象传递函数为
)11.0)(18(
20
)(
��
�
ss
sG
试用“二阶工程最佳”设计法确定模拟控制器
G
c
(
s
),并用后向差分
法给出等效的数字控制器形式。(10 分)
解:经动态校正后系统的开环传递函数为
)11.0)(18(
20
)()()()(
cc0
��
��
ss
sGsGsGsΦ
应选择
G
c
(s)为 PI 控制器,其基本形式为
sT
s
sG
I
c
1
)(
�
�
�
为使 PI 控制器能抵消被控对象中较大的时间常数,可选择
8�
�
则有
0 c
I
I
8 1 20 1
( ) ( ) ( )
(8 1)(0.1 1)
(0.1 1)
20
s
Φ s G s G s
T
T s s s
s s
+
= = =
+ +
+
根据二阶工程最佳设计法则,应有
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黑色的迷迭香
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