《计算机控制系统》复习辅导

2007 年 3 月

【复习要求】

第一章　计算机控制系统概述

1 ．了解计算机控制系统的发展概况。

2 ．理解连续控制系统与计算机控制系统的区别及计算机控制系统的结构特点。

3 ．了解计算机控制系统的分类方法及分析设计方法。

第二章 计算机控制系统中的信号

1 ．了解计算机控制系统内信号的种类及特性。

2 ．理解信号的采样过程和恢复条件，熟记采样定理。

3 ．掌握零阶保持器的工作原理，熟记零阶保持器的传递函数。

4 ．一般了解模拟信号整量化的概念和方法。

第三章　计算机控制系统的数学描述及分析方法

1 ．理解 z 变换的定义，熟悉 z 变换及 z 反变换的计算方法，正确理解和运用 Z 变换的基本定理。

2 ．了解线性定常差分方程的迭代解法，熟练掌握运用 Z 变换求解线性定常差分方程的方法。

3 ．理解脉冲传递函数的定义，熟悉脉冲传递函数的推导步骤，掌握由离散系统动态结构图求系统脉冲传递函数的方法。

4 ．理解 S 平面和 Z 平面的映射关系，理解离散系统稳定性定义及稳定条件，并能熟练运用判据判别离散系统的稳定性。

5 ．理解单位阶跃函数作用下系统的性能指标，熟练掌握计算离散系统采样时刻稳态误差的方法

6 ．理解离散系统频率特性的物理意义、定义及其数学本质。

第四章　计算机控制系统的模拟化设计

1 ．掌握各种离散化方法的基本特点。

2 ．能正确运用离散化方法进行计算。

3 ．掌握模拟化设计计算机控制系统的步骤。

4 ．掌握数字 PID 控制器的基本算式。

第五章 计算机控制系统的离散域设计

1 ．掌握 Z 平面根轨迹设计法

2 ．掌握 W 平面设计法

3 ．掌握解析设计法

第六章　控制算法的编排实现及量化效应

1 ．了解和掌握将控制算法传递函数 变换为计算机能进行计算的表达式的几种主要方法。

2 ．复习和进一步巩固计算机内数的定点二进制表示的方法及特性。

3 ．了解和掌握有限字长二进制数的主要特性 , 包括数的整量化特性 ' 溢出特性 ' 量化误差的统计特性以及二进制数的动态范围等。

4 ．了解计算机控制系统中不同运算及信号变换的量化及溢出现象。

5 ．了解和掌握利用调整及分配增益来配置比例因子的方法 ( 利用浮动定位格式来配置比例因子的方法不要求初学者掌握 ) 。

6 ．了解变量量化效应的确定性分析方法及统计分析方法，并通过具体实例的分析计算了解变量量化效应与算法的结构编排及采样周期的关系。

7 ．通过具体实例的分析，了解变量量化可能产生的非线性效应现象。

8 ．了解和掌握控制算法系数量化对控制算法特性（主要是指零极点）的关系。

第七章　计算机控制系统的工程实现（一）

1 ．了解计算机控制系统硬件的组成和各部分功能

2 ．了解计算机控制系统的外部设备及接口

3 ．了解计算机控制系统实时控制程序设计

第八章　计算机控制系统的工程实现（二）

1 ．了解计算机控制系统中的传感器与执行机构

2 ．了解采样频率的选择

3 ．了解计算机控制系统中的抗干扰

4 ．了解系统故障及可靠性

【综合练习】

一、填空题

1 ．模拟信号的              过程是一个单位脉冲序列被模拟信号进行幅值调制的过程。

2 ．为了近似恢复原信号 e (t) ，必须在系统中引入（ 1 ）               ，（ 2 ）                  ，

  （ 3 ）                       。

3 ．离散系统稳定的充要条件是系统的特征根必须全部位于 Z 平面的                ，只要有个根在             ，系统就不稳定。对于实际系统来说，处于稳定边界也称为系统             。

4 ．双线性变换置换公式为              ，特点有                、               、                   和             等。

5 ．在计算机控制系统中，           、            以及          将会产生变量的量化现象。

6 ．常用的两种整量化的方法是                     和                    。

二、问答题

1 ．试述前置滤波器的作用。

2 ． 二阶离散系统稳定的充要条件是什么？

3. 试述连续控制系统与计算机控制系统的根本区别。

4．简述信号恢复的条件。为了实现近似恢复信号，需在系统中引入什么装置。

三、计算题

1 ．求该系统的开环传递函数。

2 ．已知采样系统，单位反馈，开环脉冲传函 ，计算在 r(t)=1(t) 时，系统稳态误差。

3 ．已知 D （ S ） = ， T=0.4s, 试用零极点匹配法离散化。

4 ．已知 D （ S ） = ， T=0.5s, 试用零极点匹配法离散化。

四、设计题

已知被控对象为 ，采样周期 T=1s ，试设计一个在单位斜坡作用下的有波纹最少拍系统。

【综合练习答案】

（供参考）

一、填空题

1 . 采样  

2 ．前置滤波        后置滤波        零阶保持器

3 ． 单位圆内     单位圆外       不稳定

4 ．      无频率混叠现象        稳态增益不变     串联性质    分子分母同阶

5 ． A / D 、 D /A 变换器

6 ．截尾量化      舍入量化

二、问答题

1 ．（ 1 ）滤掉连续信号频谱中高于 /2 的部分，防止采样后的混叠现象发生

（ 2 ）滤除原信号中的高频干扰分量

2 ．特征方程 A （ Z ）满足：

（ 1 ） <1       (2) >0       (3) >0

3 ．在连续控制系统中的控制器是模拟式的，所处理的信号在时间上和幅值上都是连续的，而在计算机控制系统中由于控制器由数字机代替，而数字机只能处理数字信号，所以必须引入 A/D 、 D/A 变换器，用以完成对其它模拟设备的接口。

4 ．信号恢复的条件：

1) 原信号的频谱 必须是有限谱；

2) 采样频率 必须满足采样定理；

必须用理想低通滤波器滤掉 中所有派生的高频分量。

引入装置：前置滤波器、后置滤波器、零阶保持器 。

三、计算题

1 ．开环传递函数： G （ Z ） =G 1 (z) • G 2 (z)=Z[   

                        Z[G 2 (s)]=

2 ．征方程 A(z)=1+G(z)=0

则

系统稳定的充要条件：

该系统稳定。

当系统在 r(t)=1(t) 的作用下

3 ．零点： s= - 1   极点： s= - 5

按 匹配，得   D(z)=

  按 ∣ z=0 = ∣ z=1 确定

  D(z)

4 ．极点： s=-1/4

D(z)=

D(s)

D(s)

D(z)

D(z)

四、设计题

1. 对象离散化

2. 设计有波纹最少拍系统

按闭环特性，得

协调因子应取为：

解得：

最后求得

3. 计算 D(z)

检验

也即误差系列为

e （ 0 ） =0 ， e （ T ） =1 ， e （ 2T ） = e （ 3T ） = … =0

也就是从第二拍开始，系统的误差为 0 ，

同样表明，从第二拍开始按单位斜坡变化。