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1、计算机控制系统试卷三及答案一、简答题（每小题 4 分，共 40 分）1. 简述开关量光电耦合输入电路中，光电耦合器的作用。答：开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。2. 回答下述电路中克服共模干扰的工作原理。答：平时，开关 S1i(i=1,2,.,n)处于闭合状态， Ci 的电压跟踪 Vi 的输入值，开关 S2i(i=1,2,.,n)处于断开状态。需检测 Vi 时，则令 S1i 断开 ,S2i 闭合，放大器 A 的输出经采样保持器送至 A/D 转换器化为数字量，然后开关再恢复平时的状态。在采样、转换过程中，放大器 A 不与任何模拟量信号输入共地，电容 Ci 的电
2、压均为差模电压，这样就克服了共模电压的影响。3. 什么是采样或采样过程？答：采样或采样过程， 就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。4. 线性离散系统的脉冲传递函数的定义是什么？答：线性离散系统的脉冲传递函数定义为零初始条件下， 系统或环节的输出采样函数 z 变换和输入采样函数 z 变换之比。5. 何为积分饱和现象？答：在标准 PID 位置算法中， 控制系统在启动、 停止或者大幅度提降给定值等情况下，系统输出会出现较大的偏差，这种较大偏差，不可能在短时间内消除，经过积分项累积后，可能会使控制量 u(k) 很大，甚至超过执行机构的极限 umax。另外，当负误差的绝对值
3、较大时，也会出现 uumin 的另一种极端情况。显然，当控制量超过执行机构极限时，控制作用必然不如应有的计算值理想， 从而影响控制效果。这类现象在给定值突变时容易发生， 而且在起动时特别明显， 故也称“起动效应”。6. 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
4、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。7. 何为最少拍设计？答：最少拍设计，是指系统在典型输入信号 (如阶跃信号，速度信号，加速度信号等 )作用下，经过最少拍 (有限拍 )，使系统输出的稳态误差为零。8. 给出单输入单输出线性定常离散系统的能控性和能观性与其脉冲传递函数之间的关系。答：单输入单输出线性定常离散系统完全能控和完全能观的充分必要条件是脉冲传递函数不存在零、极点相消。如果存在着零、极点相消，系统或者是不完全能控，或者是不完全能观，或者既不完全能控又不完全能观。9. 嵌入式处理器可分为哪几种类型？答：嵌入式处理器又可
5、以分为以下四类：(1) 嵌入式微控制器 MCU （MicroController Unit ）(2) 嵌入式微处理器 MPU（MicroProcessor Unit）(3) 数字信号处理器 DSP（Digital Signal Processor）(4) 嵌入式片上系统（ System on Chip，SoC）10.针对实际系统可能发生的故障，通常从哪几个方面对故障进行分类？答：实际系统可能发生的故障是多种多样的， 可以从下面几个方面对故障进行分类：(1) 从故障发生的部位看，分为传感器故障、执行器故障和受控对象故障。(2) 根据故障性质，分为突变故障和缓变故障。(3) 从建模角度出发，可分为
6、乘性故障和加性故障。(4) 从故障间的相互关系，分为单故障和多故障、独立故障和局部故障。二、已知系统框图如下所示：T=1s(15 分)y* (t)r(t)T1 e Ts1ss(s 1)y(t)试写出离散系统的动态方程。解：所给系统的脉冲传递函数为Y ( z)1 e Ts1G( z)Z G ( s) Zs(s 1)R( z)s(1 z 1)Z1(1 z 1 )z 11s2 ( s 1)(1 z 1 )21 z0.368 z1(10.718z 1 )0.368z 10.264 z 2(1 z 1 )(10.368 z 1)1 1.368z 10.368z 2令 X ( z)U (z)进而 X (z
7、) 1.368 z 1 X (z)1 1.368z10.368z 2则 Y (z)(0.368 z 10.264z 2 ) X ( z)11 1 e 1z 10.368z 2 X ( z)U ( z)X1 (z)z 2 X ( z)于是得如下状态方程取z 1 X ( z)X 2 (z)zX1 ( z)x1 ( k 1)x2 (k)x2 (k1)0.368x1 (k ) 1.368x2 (k) u(k)y(k)0.264x1 (k )0.368x2 (k )写成矩阵形式为x1 (k 1)01x1 ( k)0x2 (k1)0.3681.368x2 ( k)u( k)1y(k)0.2640.368x
8、1 ( k)x2 ( k)三、已知广义被控对象为（15 分）G(s)1 e Ts1e 2ss( s1)其中， T=1s。期望的闭环脉冲传递函数中的时间常数取为Tc=0.5s, 应用大林算法确定数字控制器。解：广义对象脉冲传递函数为G ( z) ZG (s)1e Ts1e4TsZss1(1z1) z410.632 z 5Z1 0.368z 1s(s 1)闭环系统理想脉冲传递函数为( )1 e Tse 4Ts0.865z 5 zZ0.5s 11 0.135z 1s得大林控制器如下D (z)( z)z1.3691 0.368 z 1z 5 z G(1 0.135z 10.8651( )四、已知被控对
9、象（15 分）0.512x(k 1)0x( k)u(k )0.252y(k)10 x( k)设计一个特征值为 z1,20.5j0.25 的全维状态观测器，并画出相应的状态变量结构图。解：能观性矩阵 QoC10 满秩，故系统能观测，可设计CA0.51状态观测器。令输出误差反馈矩阵Hh1h2观测器期望特征方程为(zz1 )( zz2 )( z0.5j0.25)( z0.5j0.25)z2z0.31250观测器特征方程为zI ( A HC ) z2(h1 0.5) zh20.25 0比较上面两式，可得 h10.5, h20.0625(状态变量图略 )。五、已知某系统连续控制器的传递函数（15 分）D
10、 (s)2(s1)(s2)试分别用阶跃响应和脉冲响应不变法求D( s) 的等效数字控制器， 并写出相应的差分方程表达式。其中采样周期T1s 。解： 1.阶跃响应不变法1e Ts112121D( z) ZsD (s)(1z )Zs ( s1)(s 2)1 z 11 e 1 z 11 e 2 z 1=0.399z 10.148 z 21.503z 10.553z 20.05z31由 D ( z)U ( z) 可推得数字控制器的差分方程形式如下E( z)u(k)1.503u(k1)0.553u(k2)0.05u(k3)0.399e(k1)0.148e(k2)2. 脉冲响应不变法D( z) TZ D (s)211Z1 e 1z 11 e 2 z 1( s 1)( s 2)0.233z 1=10.05 z 21 0.503z由 D ( z)U ( z) 可推得数字控制器的差分方程形式如下E( z)u(k)0.503u(k1)0.05u(k2)0.233e( k1)