《计算机控制理论》考试题

2010级《计算机控制理论》考试题

专业：姓名：学号：

（一）简答题

1.计算机控制系统的硬件主要包括哪几个部分？

答：计算机的硬件系统由主板机、内部在线和外部在线、人机接口、磁

盘系统、通信接口、输入输出通道。

2.什么是数字滤波？常用的数字滤波方法有哪些，分别适用于什么场合？

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。

常用的数字滤波方法有：平均值滤波法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法、加权平均值滤波法。其中平均值滤波法适用于周期性干扰，中位值滤波法和限幅滤波法适用于高频及低频的干扰信号，加权平均值

滤波法适用于纯迟延较大的被控对象。

3.前馈控制的基本思想是什么，给出其完全补偿的条件。

答：前馈控制则是按扰动量进行控制的，当系统出现扰动时，特别是系统滞后严重时扰动量直接产生校正作用，以抵消扰动的影响，这是

一种开环控制形式，在控制算法和参数选择合适的情况下，可以达

到很好的精度。

完全补偿条件：若要使前馈作用完全补偿扰动作用，则应使扰动引起

的被控量变化为零，即Y（s）=0。

4.输入输出通道中经常会遇到什么干扰？如何进行抑制？

答：（1）串模干扰。若常态干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频常态干扰；若常态干扰频率比被测信号频率低，则

采用输入高通滤波器来抑制低频常态干扰；若常态干扰频率落在被

测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器较为适宜；当尖峰型常态干

扰成为主要干扰源时，用双斜率积分式A/D转换器可以削弱常态干

扰的影响。在常态干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应

尽可能早地进行前置放大，或者尽可能早地完成A/D变换或采取隔

离和屏蔽等措施。从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑

制常态干扰；采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且

使各个小环节的感应电动势呈反向抵消。

（2）共模干扰。进行抑制的方法有变压器隔离、光电隔离、浮地隔离。

采用仪表放大器提高共模抑制比。

（3）长线传输干扰。长线传输干扰的抑制方法是采用终端阻抗匹配或始

端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限

度。

5. 什么是DCS 和FCS ，FCS 相对于DCS 有哪些改进？

答：DCS ：分布式控制系统（Distributed Control System ）也称集散控

制系统。

FCS ：现场总线控制系统（Fieldbus Control System ）。

1） FCS 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用

现场总线控制网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互联。

2） 把DCS 控制站的功能化整为零，分散的分配给现场仪表，从而构成

虚拟控制站，实现彻底的分散控制。

3） FCS 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场总线设备既可以连也

可以互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS 控制层的封闭性和专

用性。

4） FCS 的通信网络为开放式互连网络，既可以同层网络互连，也可以与

不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库。

5） FCS 的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。

（二）写出数字PID 控制算法的位置式和增量式两种标准算法并简要回答下列问

题：

数字PID 控制算法的位置式：0()(1)()[()()]k P D i I T e k e k u k K e k e k T T T

=--=++∑ 增量式：10(1)(2)(1)[(1)()]k P D i I T e k e k u k K e k e i T T T

-=----=-++∑ 1. 积分分离法克服位置式PID 积分饱和作用的原理。

答：当被控量和给定值偏差大时，取消积分控制，以免超调量过大；当被

控量和给定值接近时，积分控制投入，消除静差。亦即：

当|()|

e k≤β时，采用PID控制。其积分分

e k>β时，采用PD控制；当|()|

离阀值应根据具体对象及控制要求确定，若β过大，达不到积分分离的目的；若β值过小，一旦被控量()

y k无法跳出各积分分离区，只进行PD控制，就会出现误差。

2.PID参数Kc、Ti、Td对系统的动态特性和稳态特性有何影响，简述试凑

法进行PID参数整定的步骤？

答： Kc增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降；

Ti i增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢；Td 增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱。

试凑法PID参数整定的步骤：

1）首先只整定比例部分。

2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计者的需要，则要求加入积分环节。

3）若使用比例积分控制器消除了静差，但动态过程经反复调整仍不满足需要，则可加入微分环节，构成比例积分微分控制器。

3.采样周期的选择应综合考虑哪几个因素？

答：（1）首先要考虑的因素：香农采样定理给出采样周期的上限；

T≤π/ω。

max

（2）其次要考虑一下各方面的因素：

1）给定值变化频率：加到被控对象的给定值变化频率越高，采样频率应越高。

2）被控对象的特性：若被控对象是慢速的热工或化工对象时，采样周期一般取得较大；若被控对象是较快速的系统时，采样周期应

取得较小。

3）执行机构的类型：执行机构动作惯性大，采样周期应该大一些，否则执行机构来不及反映数字控制器输出值的变化。

4）控制算法的类型：当采用PID算法时，积分作用和微分作用与采样

周期T 的选择有关。

5）控制的回路数：控制的回路数n 与采样周期T 有下列关系：1n

j j T T =≥∑

（三）什么是预测控制的三要素？常见的预测控制的方案有哪些？

答：预测控制的三要素有模型预测、滚动优化、反馈校正。

在预测控制算法中，需要一个描述对象动态行为的基础模型，称为预 测模型。它应具有预测的功能，即能够根据对象的历史信息和选定的未来输入，

预测其未来输出值。这里强调的只是模型的功能，而不是其结构形式。因此，预

测控制打破了传统控制中对模型结构的严格要求，不但可以采用传递函数、状态

方程这类传统的参数模型，也可以采用阶跃响应、脉冲响应这类没有结构化的非

参数模型，为在复杂工业过程中简化建模提供了方便。

预测控制是一种优化控制算法。在控制的每一步，它向未来有限步的输出

提出优化要求，并利用预测模型展现出不同控制作用下未来的情景，以此来确定

最优的控制输入。这通常涉及到一个有限参数的非线性规划问题。这一优化过程

不是离线进行，而是反复在线进行即滚动向前推移的。由于每一步的优化都建立

在实际的基础上，因而能弥补模型失配、时变、干扰等不确定因素对于优化的影

响，要比传统的最优控制具有更好的鲁棒性。

预测控制在进行滚动优化时，强调优化基点应与系统实际一致，这是通过

反馈校正实现的，即在每一步检测实际输出，并与模型输出比较构成误差信息，

然后，以此修正对未来输出的预测值。这种闭环预测在一定程度上考虑了模型以

外的种种不确定因素对系统输出的影响，因而在优化过程中，可以比仅基于模型

的开环预测提供更接近实际的输出预侧值。

常见的预测控制的方案有：动态矩阵控制DMC ，模型算法控制MAC ， 广义

预测控制。

（四）智能控制的几个重要分支是什么？各有何特点？

答：1、模糊控制。模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规

则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立

被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简

单，便于应用。

2、神经网络控制。神经网络控制室一种基本上不依赖于精确数学模型的先进控制方法，比较设用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和学习能力。

3、专家控制。专家控制利用先验知识和在线信息，具备实时推理和决策的能力，能对时变系统、非线性系统和易受到各种干扰的受控过程给出有效地控制决策，并通过增加知识量来不断改善控制系统的性能，它能够取代熟练操作个人完成程序性任务，运行方便可靠。

4、预测控制。预测控制室一类算法的统称，基本思想都是采用工业生产过程中较易测取的对象阶跃响应或脉冲响应等非参数模型，从中去除一系列采样时刻的数值作为描述对象动态特性的信息，由此预测未来的控制量及响应，从而构成预测模型，形成预测控制。

5、遗传算法控制。遗传算法以决策变量的编码作为运算对象，直接以适应度作为搜索信息，无需导数等其它辅助信息，使用多个点的搜索信息，具有隐含并行性，使用概率搜索技术，而非确定性规则。

6、分层递阶控制。根据分级管理系统中十分重要的“精度随智能提高而降低”的原理而分级分配的。

7、自适应控制。是一个根据环境变化能调节自身特性的反馈控制系统，以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。

8、鲁棒控制。是一个着重控制可靠性研究的控制器的设计方法，适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以估测。

9．学习控制。学习控制能够通过与控制对象和环境的闭环交互作用，根据过去获得的经验信息，逐步改进控制系统的性能。