计算机控制系统(第二版)李元春主编第二章习题答案
计算机控制系统课后习题答案
1-1 什么是计算机控制系统？画出一个实际计算机控制系统原理结构图，并说明一个计算机控制系统由哪些部分组成及各部分的作用。
利用计算机参与控制的系统称为计算机控制系统。
1-2 简述计算机控制系统的控制过程。
实时数据采样实时计算控制量实时控制实时管理1-3 实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：生产过程和计算机系统直接连接，并接受计算机直接控制的方式称为在线或联机方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制的方式叫做“脱机”方式或“离线”方式。
1-4 计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
(4)生产过程装置a.测量变送单元：为了测量各种参数而采用的相应检测元件及变送器。
b.执行机构：要控制生产过程，必须有执行机构。
1.5 计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分的作用是什么？就功能来分，软件可分为系统软件、应用软件及数据库。
系统软件：它是由计算机设计者提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
系统软件包括：a.操作系统：即为管理程序、磁盘操作系统程序、监控程序等；b.诊断系统：指的是调节程序及故障诊断程序；c.开发系统：包括各种程序设计语言、语言处理程序(编译程序)、服务程序(装配程序和编辑程序)、模拟主系统(系统模拟、仿真、移植软件)、数据管理系统等；d.信息处理：指文字翻译、企业管理等。
计算机控制技术(第2版)部分课后题答案
第一章1、计算机控制系统是由哪几部分组成的？画出方框图并说明各部分的作用。
答:计算机控制系统由工业控制机、过程输入输出设备和生产过程三部分组成；框图P3。
1）工业控制机主要用于工业过程测量、控制、数据采集、DCS操作员站等方面。
2）PIO设备是计算机与生产过程之间的信息传递通道，在两者之间起到纽带和桥梁的作用。
3）生产过程就是整个系统工作的各种对象和各个环节之间的工作连接。
2、计算机控制系统中的实时性、在线方式与离线方式的含义是什么？为什么在计算机控制系统中要考虑实时性？（1）实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定时间内对外来事件做出反应的特性；在线方式是生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式；离线方式是生产过程不和计算机相连，并不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。
（2）实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，加快程序执行速度；在一定的周期时间对所有事件进行巡查扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。
3.计算机控制系统有哪几种典型形式？各有什么主要特点？（1）操作指导控制系统（OIS）优点：结构简单、控制灵活和安全。
缺点：由人工控制，速度受到限制，不能控制对象。
（2）直接数字控制系统(DDC) （属于计算机闭环控制系统）优点：实时性好、可靠性高和适应性强。
（3）监督控制系统（SCC）优点：生产过程始终处于最有工况。
（4）集散控制系统优点：分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
（5）现场总线控制系统优点：与DOS相比降低了成本，提高了可靠性。
（6）PLC+上位系统优点：通过预先编制控制程序实现顺序控制，用PLC代替电器逻辑，提高了控制是现代灵活性、功能及可靠性。
第二章1、什么是工业控制计算机？它们有哪些特点？答：工业控制计算机是将PC机的CPU高速处理性能和良好的开放式的总线结构体系引入到控制领域，是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。
计算机控制系统习题参考答案
4) 集散控制系统：分散控制，集中操作，分级管理，综合协调，实现高级复杂的控制。 系统成本较高，且各厂商的 DCS 有各自的标准，不能互联。
2
计算机控制系统习题参考答案
5) 现场总线控制系统：分散控制，环境适应性强，维护简易，成本低，可靠性高，并且 在同一国际标准下可实现真正的开放式互联系统结构。
1) 增量型算法无需累加，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小；而位置型
算法要用到过去误差的所有累加值，容易产生大的累加误差。
2) 增量型算法得出的是控制量的增量，误动作影响小；而位置型是控制量的全量输出，
误动作影响大。
3) 增量型算法可实现手动到自动的无冲击切换。
4-4 什么叫积分饱和作用？它是怎样引起的，如何消除？ 如果执行机构已到达极限位置，仍不能消除静差时，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。 在控制过程的起动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时，短时间内系统的 输出会出现很大的偏差，这些偏差经过积分项累加，有可能使控制量超出执行机构的极 限位置，因而不能按照控制量的要求动作，产生饱和效应，使系统输出出现较大的超调 和长时间的波动。 消除方法：可采用积分分离式 PID 控制算法，其基本思想是大偏差时，去掉积分作 用，以免积分作用使系统稳定性变差；小偏差时，投入积分作用，以便消除静差，提高 控制精度。亦可采用变速积分 PID 控制算法，其基本思想是设法改变积分项的累加速度，
1)
f(t)=a mt
* -k mT -1 2mT -2 Z [ f(t) ] =Z f (t) = ∑ f(kT)z =1+a z +a z +... k=0 ∞
计算机控制系习题与答案李元春习题答案
第二章习题案
2.5 光电耦合器的注意事项：
,
则0对f(t)进行周。期采即样在且采任样角意频t率0时刻时，，连续信函号数f(t)可以由采样
1这1 种方函案数的的表设示积计为简分：洁、或可。靠函性高数，的在转强换精度度为、线1性。度、根温据度漂移函、数通道的数等这可个以满性足要质求，的情对况下任，意应优连先考续虑函采用数；
1信52号光采电样唯耦定一合f理(确器t:)如定的和果，注任连亦意续即事意信项号：整可f(t以)数具无有k失有有真限地频恢谱 复 ，f( 其tf)。最(t高)频(率t为k, T )则d对f( tt)进f行(周k期T 采)样其且中采样，角频T率为采时样，周连续期信号。f(t)可以由采样
第二章习题答案
2.1 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常 需要进行开关量信号的输入。
2.2 把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O 接口送入计算机。
2.3 在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关（如对电磁阀 的控制）或启/停（如各种交、直流电机的控制），某些控制算法（如 脉宽调制方法，最优控制中的乒乓控制算法等）也需要控制执行机构 在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0≤t≤T)，这些控制可通过计算 机开关量输出通道来实现。
第二种方案是多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采 样保持放大器来实现，如图2.34所示。这个方案是由计算机通过多路模 拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样保持放大器，并由 保持电容对模拟量信号进行保持。该方案优点是成本较低，缺点是电路 结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和 保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减， 需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。此方案适用 于输出通道不多且对速度要求不高的场合。
最少拍数字控制器的设计 (2)
摘要本次设计针对一阶惯性积分系统在单位速度信号输入作用下进行最少拍数字控制器的设计，验证了最少拍控制器的优点，并对最少拍算法进行理论分析，分别设计出最少拍有纹波和无纹波数字控制器，利用 MATLAB 仿真平台对设计的最少拍数字控制器进行系统仿真研究，并对有纹波和无纹波系统进行对比研究。
关键词最少拍控制；无纹波控制器；有纹波控制器；Matlab仿真目录摘要 (1)第一章最少拍有纹波控制器设计 (3)1.1设计原理 (3)1.2设计举例 (5)第二章最少拍无纹波控制器设计 (5)2.1 设计原理 (5)2.2 设计举例 (6)第三章基于Matlab的最少拍控制的实现 (7)3.1 输入单位阶跃信号 (7)3.2 输入单位速度信号 (8)3.3 输入单位加速度信号 (9)参考文献 (10)致谢 (11)离散控制系统最少拍控制最少拍系统控制设计是指系统在典型输入信号（如单位阶跃输入信号、单位速度输入信号、单位加速度输入信号等）作用下，经过最少拍（有限拍），使系统输出的稳态误差为零。
最少拍控制系统也称为最少拍无差系统、最少拍随动系统，实际上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统的调节时间最短或者尽可能的短。
可以看出，这种系统对闭环脉冲传递函数的要求是快递性和准确性。
最少拍控制系统的设计与被控对象的零极点位置有很密切的关系。
第一章 最少拍有纹波控制器设计1.1设计原理由系统闭环脉冲传递函数可以看出，在Φ（z ）中，D(z)和G （z ）总是成对出现的。
只有当广义对象稳定[即G （z ）在z 平面单位圆上和单位圆外没有极点]且不包含纯滞后环节时，上述方法才是可行的，否则，不允许D （z ）与G （z ）发生零极点对消。
这是因为，简单地利用D （z ）的零点去对消G （z ）不稳定极点，虽从理论上来说可以得到一个稳定的闭环系统，但这种稳定是建立在零极点完全对消的基础上的。
当系统参数产生飘逸，或者对象辨识有误差时，这种零极点对消就不可能准确实现，从而引起闭环系统不稳定。
计算机控制系统第二版李元春主编第四答案
4.17 解： G(z) Z [1 esT K ] Z [1 es 1 ]
s s(s a)
s s(s 1)
(1
z 1 )Z
1 [ s2
1 s
1] s 1
(1
z
1
)(
(1
z 1 z1
)2
1 1 z1
1 1 e1z1 )
0.368z 0.264 z2 1.368z 0.368
闭环脉冲传递函数 (z) 0.368z 0.264
可知 bn1 b0 故不稳定。 ⑶可得朱利判据表为
1 3.5 3.5 1 1 3.5 3.5 1 00 0 可知 (1)w(z) 0 故系统不稳定。
z 1
第四章习题答案
⑷可得朱利判据表为
0.002 1 1
0.8028 0.3555
0.8 1.4 1.4016 0.3992 1.722
0.4 0.4 0.3992 1.4016 1.5244
z2 z 0.632
Y (z)
(z)
R(z)
0.368z 0.264 z2 z 0.632
z
z 1
1
2
0.368z1 0.264z2 z1 1.632z2 0.632
z
3
应用长除法
y(k) 0.368 (t T ) (t 2T ) 1.4 (t 3T )
第四章习题答案
4.18解：Y (z)
G(z)R(z)
z2
z z 0.5
z
z 1
z2
z3 2z2 1.5z 0.5
z1 2z2 2.5z3
y(k) (t T ) 2 (t 2T ) 2.5 (t 3T )
(图略）
《计算机控制技术》习题参考答案(完整版)
《计算机控制技术》（机械工业出版社范立南、李雪飞）习题参考答案第1章1．填空题(1) 闭环控制系统，开环控制系统(2) 实时数据采集，实时决策控制，实时控制输出(3) 计算机，生产过程(4) 模拟量输入通道，数字量输入通道，模拟量输出通道，数字量输出通道(5) 系统软件，应用软件2．选择题(1) A (2) B (3) C (4) A (5) B3．简答题(1) 将闭环自动控制系统中的模拟控制器和和比较环节用计算机来代替，再加上A/D转换器、D/A转换器等器件，就构成了计算机控制系统，其基本框图如图所示。
计算机控制系统由计算机（通常称为工业控制机）和生产过程两大部分组成。
工业控制机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，它包括硬件和软件两部分。
生产过程包括被控对象、测量变送、执行机构、电气开关等装置。
(2)操作指导控制系统：其优点是控制过程简单，且安全可靠。
适用于控制规律不是很清楚的系统，或用于试验新的数学模型和调试新的控制程序等。
其缺点是它是开环控制结构，需要人工操作，速度不能太快，控制的回路也不能太多，不能充分发挥计算机的作用。
直接数字控制系统：设计灵活方便，经济可靠。
能有效地实现较复杂的控制，如串级控制、自适应控制等。
监督计算机控制系统：它不仅可以进行给定值的控制，还可以进行顺序控制、最优控制、自适应控制等。
其中SCC+模拟调节器的控制系统，特别适合老企业的技术改造，既用上了原有的模拟调节器，又可以实现最佳给定值控制。
SCC+DDC的控制系统，更接近于生产实际，系统简单，使用灵活，但是其缺点是数学模型的建立比较困难。
集散控制系统：又称分布式控制系统，具有通用性强、系统组态灵活，控制功能完善、数据处理方便，显示操作集中，调试方便，运行安全可靠，提高生产自动化水平和管理水平，提高劳动生产率等优点。
缺点是系统比较复杂。
计算机集成制造系统：既能完成直接面向过程的控制和优化任务，还能完成整个生产过程的综合管理、指挥调度和经营管理的任务。
计算机控制系统习题及部分解答 (1)
∑ (2) f * (t) = (kT )e−akTδ (t − kT ) k=0
2-2 已知 f(t) 的拉氏变换式 F(s) ，试求采样信号的拉氏变换式 F* (s)（s(s +1)
(2) F (s) =
1
(s +1)(s + 2)
解：
(1) 首先进行拉氏反变换，得 f (t) = 1 − e−t ；
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW+ws)*i)); G11=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW-ws)*i)); G12=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW+2*ws)*i)); G21=[g0];
g0=(1/T)*5*abs(1/(10+(GW-2*ws)*i)); G22=[g0];
计算。采样幅频曲线可以用如下 MATLAB 程序绘图：
T=0.1;
%采样周期
ws=2*pi/T;
%采样频率
num=50;
%每个采样周期的计算点数
step=ws/num;
%计算步长
Wmax=150;
%画图显示的频率范围
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第二章习题答案
2.8 实现多路的模拟量信号输出，一般有以下两种方案。 第一种方案是为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。这种方案的 优点是转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会 影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。但是，如果模拟量 信号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的 D/A转换器时，这一问题尤为严重。 第二种方案是多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采 样保持放大器来实现，如图2.34所示。这个方案是由计算机通过多路模 拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样保持放大器，并由 保持电容对模拟量信号进行保持。该方案优点是成本较低，缺点是电路 结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和 保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减， 需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。此方案适用 于输出通道不多且对速度要求不高的场合。
2.15 解：将系统的开环传递函数写成
G( s)
K s 5
2
1 1 2 s [ s 32 ] 0.25 0.04
从而：T1＝0.25秒，1＝0.04秒，1＝2/32秒0.196秒。得min＝0.04 秒。 2.16 答案略。
第二章习题答案
2.9 完成采样操作的装置称为采样开关。 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 (2) 同步采样 (3) 非同步采样 (4) 多速采样 (5) 随机采样
第二章习题答案
2.10 函数有下列性质 ： (t t0 )dt 1 。即在任意t0时刻， 函数 的积分或函数的强度为1。根据函数的这个性质，对任意连续函数 f(t)和任意整数k有
受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过 一定频率以下的脉冲信号。因此，在传送高频信号时，应该考虑光电 隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。
③ 输出端工作电流 光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生 损坏。一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备， 因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。
f (t ) (t kT )dt f (kT ) 其中，T为采样周期。
从上式可以看出， (t-kT) 可以把f(t)在kT时刻的值提取出来，也就是 说，函数具有采样功能。
函数的几何图示
(t-kT)函数的几何图示
第二章习题答案
2.11 函数表示为： (t kT ) 1。k为任意整数。那么理想采样开关可以
第二章习题答案
2.13 推导略。零阶保持器在奈奎斯特频率以外的增益不为零，在相位上 相当于引入T/2的时间延迟，因此其性能劣于理想低通滤波器，信号恢 复效果也稍差。 2.14 随着保持器的阶数增加，信号恢复的效果越好，但带来的问题是实 现复杂、相移增大，所以计算机控制系统中很少采用高阶保持器。高阶 保持器主要用于没有闭环控制要求的通讯信号处理等领域。
第二章习题答案
2.4 把计算机输出的数字量转换成模拟量。 2.5 光电耦合器的作用：从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平 往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有 可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计 算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。
第二章习题答案
2.6 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换 器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在 A/D转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于“采样”状态， 跟踪输入信号变化；进行A/D转换之前使其处于“保持”状态，则在 A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值；转换结束后， 又使其变为“采样”状态。2.6节中的“采样”指抽取连续信号在离散 时间瞬时值的序列过程。
光电耦合器的用法：下图为原理图。当输入侧(即发光二极管)流过一 定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当 撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光路 来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。
第二章习题答案
2.5 光电耦合器的注意事项： ① 输入侧导通电流 要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流， 以使发光二极管发光。不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型 的导通电流IF=10mA。 ② 频率特性
第二章习题答案
2.1 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常 需要进行开关量信号的输入。
Hale Waihona Puke 2.2 把从控制对象检测到的模拟信号，转换成二进制数字信号，经I/O 接口送入计算机。
2.3 在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关（如对电磁阀 的控制）或启/停（如各种交、直流电机的控制），某些控制算法（如 脉宽调制方法，最优控制中的乒乓控制算法等）也需要控制执行机构 在一定时间T内全负荷工作一段时间t(0≤t≤T)，这些控制可通过计算 机开关量输出通道来实现。
第二章习题答案
2.7 多路A/D转换器电路有几种常见方案，各有什么优、缺点？ 采用集成多路A/D转换器，或选择内含集成多路A/D转换器的微处 理器。这种方案的设计简洁、可靠性高，在转换精度、线性度、温度 漂移、通道数等可以满足要求的情况下，应优先考虑采用；但也应注 意有时各模拟量输入互相串扰的问题。 每个模拟量输入配置一个A/D转换器。当系统中模拟量输入较多 时，硬件费用会迅速增加、可靠性降低，一般不采用这种方案，仅在 考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。 采取多路模拟量输入复用一个A/D转换器的方案。
第二章习题答案
2.5 光电耦合器的注意事项： ④ 输出端暗电流 这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值 越小越好。在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起 的误触发，并予以处理。 ⑤ 隔离电压
它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。
⑥ 电源隔离 光电隔离器件两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输入隔离还是 输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须保证被隔离部分之间电气 完全隔离，否则就起不到隔离作用了。
描述为理想单位脉冲函数序列：
T (t )
k
(t kT )
2.12 采样定理: 如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为 max , 则对f(t)进行周期采样且采样角频率 s 2max 时，连续信号f(t)可以由采 * 样信号 f * (t ) 唯一确定，亦即 f (t ) 可以无失真地恢复f(t)。 从理论上讲，采样频率越高就越能如实反映被采样的连续信号的特 征信息。但是，从计算机控制系统角度来讲，选取过高的采样频率会使 系统对硬件的要求过高，造成成本攀升，并且还会使干扰对系统的影响 明显上升。因此，应该综合考虑计算机控制系统中采样周期的选择问题。