计算机控制技术简答.docx

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计算机控制技术简答

1.（本题6分）说明动态显示与静态显示的的特点及各自的用途。

答：

动态显示是每一时刻只有一位在显示，而且按照一定的周期循环显示，由于

循环周期比较快，所以人眼看到的仍然是一个多位同时显示。

静态显示是各位一

起显示。

动态显示用于仿真器，而静态显示则用于工业过程控制和智能化仪表。

3.（本题6分）平均滤波有几种？

并说明各自的特点。

答：

平均滤波有三种：

算术平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波。

算术平均

滤波每一次采样值所占的比例均相等；加权平均滤波则每次采样值所占的比例不

等，可以突出某些部分，使其所占的比例增大，但各次采样的系数总和为ΣCi=0；

而滑动平均滤波则是每次只更新一个采样值，因而采样速度快。

4.（本题6分）在微型机控制系统中，如何将非线性参数线性化？

答：

经实验得出正确的参数曲线，根据精度要求取点，精度要求高处多取点，其

他地方少取点，相临两点连线，用直线代替曲线，在保证精度的前提下实现非线

性参数分段线性化。

1.（本题5分）简要说明多路开关的主要特点。

2.（本题5分）PID调节系统中，微分调节起何作用？

为什麽在有些系统中采用不完全微分算式，它与常规算式有哪些区别？

3.（本题5分）PWM控制意味着什么？

它有什么作用？

微型机控制系统中是怎样实现的？

4.（本题5分）说明算术平均滤波、加权平均滤波和滑动平均滤波之间的区别以及各自的用途。

答：

半导体多路开关的特点是：

（答5条即可）

（1）采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排；

（2）直接与TTL（或CMOS）电平相兼容；

（3）内部带有通道选择译码器，使用方便；

（4）可采用正或负双极性输入；

（5）转换速度快，通常其导通或关断时间在1ms左右，有些产品已达到几十到几百纳秒（ns）；

（6）寿命长，无机械磨损；

（7）接通电阻低，一般小于100W，有的可达几欧姆；

（8）断开电阻高，通常达109W以上。

2.答：

微分的作用是加快调整速度。

由于微分只存在于瞬间，因而有时会使系统产生震荡，而使调节品质下降。

为了避免震荡，在一些系统中采用不完全微分算法，它的基本思想是使微分作用漫漫减弱，以避免由于微分突然下降到0而产生震荡。

3.答：

PWM是脉冲宽度调速系统，它用来控制马达的转速和方向。

其方法是通过改变对电机的通电时间达到调整电机转速的目的。

具体作法是，首先根据电机转速的要求，确定占空比，即通电时间与通电周期之比，再按照通、断电时间送出控制模型，使电机按要求的转速运转。

方向是通过改变4个开关的通电状态来实现的。

4.答：

算术平均滤波每一次采样值所占的比例均相等；可用于任何场合，如压力、流量等。

加权平均滤波则每次采样值所占的比例不等，可以突出某些部分，使其所占的比例增大，但各次采样的系数总和为∑Ci=0；这种滤波主要用于那些想突出采样的某些部分的场合。

而滑动平均滤波则是每次只更新一个采样值，因而采样速度快。

此滤波主要用于实时性要求比较快的场合。

1.（本题5分）多位LED显示器显示方法有哪两种？

两种显示都需要解决的问题是什麽？

怎样解决？

2.（本题5分）根据转换结束信号EOC的不同接法，能构成哪几种A/D工作方式？

具体怎样接线？

3.（本题5分）手动后援是控制系统中的一个环节，在系统运行时它有何作用？

在手动与自动之间进行切换时要求什麽？

4.（本题5分）抖动、重键都是键盘设计中经常遇到的问题，用什麽方法可以解决？

1.答：

一种是动态显示，另一种是静态显示。

两种显示方式都需要解决的问题是将待显示的字符变成LED显示码，即译码。

可以用硬件译码器实现，也可以用软件程序完成。

2.答：

根据转换结束信号EOC的不同接法，能构成的工作方式有：

  ①查询方式：

EOC接一根口线。

  ②中断方式：

EOC接中断申请线INT0或INT1。

  ③延时等待方式

3.答：

手动后援是控制系统中的一个环节，对于连续工作的系统，当自动调节出现问题时，可暂时用手动的办法维持工作，待问题解决后，再恢复自动控制，保证工作的连续性。

在手动与自动之间进行切换时要求尽量平稳，最好是无扰动切换。

4.答：

抖动是键盘工作中的常见现象，它将影响计算机对按键的查询工作的准确性。

常采用的防抖措施有：

①软件延时程序（一般为10--20毫秒）。

②硬件防抖电路：

双稳态电路及滤波电路。

1、扩充临界比例度法确定PID调节参数的步骤是什么？

（5分）

（1）选择一个足够短的采样周期Tmin。

（2）求出临界比例度

和临界振荡周期

。

（3）选择控制度。

（4）根据控制度，求出T、KP、KI、和KD值。

（5）按照上面的方法求得的参数，加到系统中运行，观察控制效果，再适当调整参数，直到得到满意的控制效果。

（每条1分）

2、继电器控制接口电路如右图所示，说明其工作过程以及光电耦合器、二极管的作用。

（5分）

答：

工作过程：

当开关量输出端PC0输出高电平时，经过反相驱动器7404变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，同时使晶体管T导通，因而使继电器K的线圈通电，继电器触点闭合，使交流220V电源接通。

反之，当开关量输出端PC0输出低电平时，继电器触点断开。

光耦的作用：

光电隔离抗干扰的作用；二极管VD的作用：

保护晶体管T，使继电器断开动作迅速。

（工作过程3分，作用2分）

3、什么是带有不灵敏区的PID控制，有何工程意义？

（5分）

答：

带有不灵敏区的PID控制，即人为设置控制不灵敏区e0，当偏差│e（k）│＜│e0│时，△u（k）取0，控制器输出保持不变。

当偏差│e（k）│≥│e0│时，△u（k）以PID规律参与控制。

在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的系统振荡和设备磨损。

在一些精度要求不太高的场合，可以采用带有不灵敏区的PID控制。

（定义正确3分，工程意义正确2分）

4、简述数字滤波技术中加权平均滤波的方法。

（4分）

答：

在算术平均滤波程序中，n次采样值在最后的结果中所占的比重是相等的，这样虽然消除了随机干扰，但有用信号的灵敏度也随之降低。

为了提高滤波效果，将各个采样值取不同的比重，然后再相加求平均值，这种方法称为加权平均滤波。

（2分）一个n项加权平均式为：

式中C0、C1、···Cn-1均为常数项，应满足下列关系：

。

（2分）

5、LED显示器的显示方法有几种，各有什么特点？

（4分）

答：

LED显示器有两种显示方式：

静态显示：

由微机一次输出显示后，能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。

优点：

占用机时少，显示可靠；缺点：

使用元件多，线路复杂，成本较高。

（2分）

动态显示：

微机用扫描的方式定时轮流点亮各个LED显示器，显示器件分时工作，每次只有一个器件显示。

由于人视觉的暂留现象，仍感到所有的器件都在显示。

优点：

使用元件少，价格低；缺点：

占用机时长。

（2分）

1、什么是串模干扰，抑制的方法有哪些？

串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰信号。

高通,低通,带通滤波器。

尖峰型串模干扰民为主要干扰源时,用双积分A/D转换器，

采用双绞线作信号引线（减少电磁感应）

2、什么是共模干扰，抑制的方法有哪些？

所谓共模干扰,是指A/D转换器两个输入端公有的干扰电压。

抑制方法:

变压器隔离光电隔离浮地屏蔽

3、什么是长线传输干扰，抑制的方法有哪些？

长线传输干扰是指:

长线传输受到外界干扰,具有信号延时,高速度变化的信号在长线中传输时,还会出现波反射现象。

抑制方法:

终端匹配始端匹配

4、计算机控制系统的CPU抗干扰措施常采用哪些措施？

①Watchdog（俗称看门狗）②电源监控（掉电检测及保护）③复位

5、MAX1232的主要功能有哪些？

（1）电源监控

（2）按钮复位输入（3）监控定时器

6、计算机控制系统中有哪些类型的地线？

有模拟地线,数字地线,安全地线,系统地线,交流地线

7、何谓数字程序控制？

数控系统由哪四大部分组成？

就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的控制方式。

由输入装置、输出装置、控制器和插补器等四大部分组成。

8、什么是插补器？

常用哪两种形式？

插补计算的宗旨是什么？

用于完成插补计算，就是按给定的基本数据（如直线的终点坐标,圆弧的起、终点坐标等），插补（插值）中间坐标数据，从而把曲线形状描述出来的一种计算。

直线插补、二次曲线插补

宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。

9、

（1）第一象限直线逐点比较法插补的原理是什么？

从直线的起点（即坐标原点）出发，当Fm≥0时，沿＋x轴方向走一步；当Fm＜0时，沿＋y方向走一步；当两方向所走的步数与终点坐标（xe,ye）相等时，发出终点到信号，停止插补。

（2）第一象限圆弧的插补原理？

10、

（1）画出三相步进电机分别在三种工作方式下的电压波形图。

（2）微机如何控制x轴、y轴电机的？

并写出三种工作方式下的输出字表。

11、数字PID位置式和增量式算法的各自特点是什么？

增量算法不需要做累加,位置算法要用到过去的误差的累加值,容易产生大的累加误差；

增量算法得出的是控制量的增量,而位置算法的输出是控制量的全量输出,误动作影响大；

采用增量算法,易于实现手动到自动的无冲击切换。

12、数字PID控制算法中，Kp、Ti、Td的物理调节作用分别是什么？

Kp为比例增益,能减小误差,但不能消除稳态误差,但Kp加大会引起系统不稳定。

Ti为积分时间常数。

只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差。

但积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。

Td为微分时间常数。

可以减小调整时间,从而改变系统的动态性能。

13、最少拍控制算法本质上是什么算法，为什么？

最少拍控制算法本质上是时间最优控制算法,因为最少拍控制算法是以系统的快速性为主要性能指标。

14、最少拍控制算法的局限性是什么？

最少拍控制器对典型输入信号的适应性较差；

15、已知模拟调节器的传递函数为

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=0.2s。

则

把T=0.2S代入得

位置型

增量型

16、已知模拟调节器的传递函数为

试写出相应数字控制器的位置型PID算法和增量型PID控制算式，设采样周期T=0.2s。

解：

因为

所以

故位置型PID控制器

故增量型PID控制器

17、已知某控制系统模拟控制器的传递函数为

若采样周期T=1S,试写出相应数字控制器的位置型和增量型控制算式。

并比较两种算法特点。

将T=1代入上式，得

18、简述应如何选择计算机控制系统中采样周期？

答：

（1）首先确定采样周期的上下限：

上限根据采样定理来确定；下限根据计算机执行程序和输入输出所耗费的时间来确定。

（2）其次要考虑的因素有：

①给定值的变化率；②被控对象的特性；③执行机构的类型；④控制算法的类型；⑤控制回路数。

19、什么叫积分饱和？

它是怎么引起的？

如何消除？

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

20、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

。

（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。

21、数字控制器的离散化设计步骤是什么？

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。

22、等效离散化设计方法存在哪些缺陷？

答：

等效离散化设计方法存在以下缺陷：

（1）必须以采样周期足够小为前提。

在许多实际系统中难以满足这一要求。

（2）没有反映采样点之间的性能。

特别是当采样周期过大，除有可能造成控制系统不稳定外，还使系统长时间处于“开环”、失控状态。

因此，系统的调节品质变坏。

（3）等效离散化设计所构造的计算机控制系统，其性能指标只能接近于原连续系统（只有当采样周期T=0时，计算机控制系统才能完全等同于连续系统），而不可能超过它。

因此，这种方法也被称为近似设计。

23、什么是信号重构？

答：

把离散信号变为连续信号的过程，称为信号重构，它是采样的逆过程。

24、写出零阶保持器的传递函数，引入零阶保持器对系统开环传递函数的极点有何影响？

答：

零阶保持器的传递函数为

。

零阶保持器的引入并不影响开环系统脉冲传递函数的极点。

25、已知某连续控制器的传递函数为

试用双线性变换法求出相应的数字控制器的脉冲传递函数

，并给出控制器的差分形式。

其中

。

解：

令

控制器的差分形式为

26、被控对象的传递函数为

采样周期T=1s，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）最少拍无纹波系统的设计方法，设计

和

；

（2）求出数字控制器输出序列

的递推形式。

解：

广义对象的脉冲传递函数

将T=1S代入，有

最少拍无纹波设计步骤：

1）根据广义对象的传递函数确定参数

N（分母多项式的幂次）

M（分子多项式的幂次）

d=N-M延时

w在所有零点的总数（不包括无穷远的零点）

v在z平面的单位圆上或圆外极点的个数

j在z平面的单位圆上极点的个数

q（输入类型）

已知N=2，M=2

所以d=0

w=1

v=2，j=2；

q=2（单位阶跃输入）

2）确定F1（z）和F2（z）的幂次m和n

所以：

3）确定Фe（z）

4）确定Ф（z）

5）根据关系

使等式两边同幂次的系数相等，解出F1和F2中的系数。

解得：

所以：

6）求控制器D（z）

二、名词解释（合计30分，每题5分）

1.采样过程按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，变成在时刻0、T、2T、…kT的一连串脉冲输出信号的过程。

2.地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。

”

3.数字程序控制就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械（如各种加工机床）按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制

4.数据是描述客观事物的数、字符，以及所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的集合。

5.积分饱和如果执行机构已到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管计算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

1.什么是干扰，干扰来源，抗干扰措施。

答：

就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。

外部干扰和内部干扰。

硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。

2.逐点比较法插补原理。

答：

所谓逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。

3.简述数字滤波技术，其算法有哪些?

答：

所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。

故实质上它是一种程序滤波。

算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法。

4.数字控制器算法的工程实现分为哪六部分？

答：

包括给定值处理、被控量处理、偏差处理、控制算法的实现、控制量处理、自动手动处理。

5.数字控制器的连续化设计步骤？

答：

设计假想的连续控制器、选择采样周期T、将DS离散化为Dz、设计由计算机实现的控制算法、校验五个步骤。

2、名词解释（共30分，每题6分）

1.接口过程通道量化自动校准HMI

2.接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁。

3.过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。

4.所谓量化，就是采用一组数据来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。

5.自动校准是指在系统开机后或每隔一定时间自动测量基准参数，然后计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。

6.HMI就是使用者与机器间沟通、传达及接收信息的一个接口。

1.什么是计算机控制系统？

它的工作原理是怎样的？

2.什么是共模干扰？

如何抑制？

3.直线插补计算过程有哪几个步骤？

4.程序设计通常分为哪五个步骤？

5.如何消除积分饱和？

计算机控制系统就是利用计算机来实现生产过程自动控制的系统。

从本质上看，计算机控制系统的工作原理可纳为以下三个步骤：

实时数据采集、实时控制决策、实时控制输出

共模干扰时指A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压。

其抑制方法：

变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽、采用仪表放大器提高共模抑制比。

偏差判别、坐标进给、偏差计算、终点判断

问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计

对计算出的控制量u（k）限幅，同时，把积分作用切除掉。

信号调理有源I/V变换积分分离模糊集合软件陷阱

名词解释

为了将外部开关量信号输入到计算机、必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理。

主要是利用有源器件运算放大器、电阻来实现将变送器输出的标准电流信号变换成标电压信号。

在PID控制中，为了提高控制性能，当偏差e（k）较大时，取消积分作用（采用PD控制）；当偏差e（k）较小时才将积分作用投入（采用PID控制）。

在人类思维中，有许多模糊的概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延的集合。

就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。

四、简答题（合计20分，每题5分）

1、什么叫共模干扰，其抑制方法有哪些？

共模干扰也称共态干扰，是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。

抑制方法有：

变压器隔离、光电隔离、浮地隔离、采用仪表放大器提高共模抑制比。

2、在计算机控制系统中，一般有哪几种地线？

模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地五种。

3、简述逐点比较法插补

刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看点在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。

如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走……如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。

4、设加工第二象限直线OA，起点为O（0，0），终点坐标为A（-4，6），试用直线插补法在图

（2）上做出走步轨迹图（标明方向）。