第三章：计算机控制系统的控制算法
计算机控制系统课后习题答案1
第一章课后参考答案1-1简述计算机控制系统的控制过程。
计算机控制系统的控制过程可以归纳为以下三个步骤：1)实时数据采集：对被控量进行采样测量，形成反馈信号；2)实时控制计算：根据反馈信号和给定信号，按一定的控制规律，计算出控制量；3）实时控制输出，向执行机构发出控制信号，实现控制作用。
1-2什么是实时性？有哪些因素影响系统的实时性？硬件：1）控制器计算速度2）传感器采集速度3）执行器反应时间4）A/D、D/A转换速度软件：1）操作系统调度2）中断响应处理方式（包括定时器）3）延时函数的设置实时性：即信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内即时完成的，超出这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
1-3计算机控制系统的硬件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机的硬件主要包括主机、输入输出通道和外部设备。
主机：主机是计算系统的核心，通过接口向系统的各个部分发出各种指令，对被控对象进行检测和控制。
输入输出通道：输入输出通道是计算机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成计算机可以接收的数字信号，过程输出通道把计算机输出的控制命令和数据，转化成可以对生产对象进行控制的的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
外部设备：外部设备是实现计算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，其中操作台应具备显示功能，即根据操作人员的要求，能立即显示所要求的内容，还应有按键或开关，完成系统的启、停等功；操作台还要保证操作错误也不会造成恶劣后果，即应有保护功能。
1-4计算机控制系统的软件由哪几部分组成？各部分作用是什么？计算机控制系统软件分为系统软件、应用软件及数据库。
系统软件是有计算机生产厂家提供的专门用来使用和管理计算机的程序。
对用户来说，系统软件只是用来开发应用软件的工具，不需要自己设计。
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 ∞
微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的?计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.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，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，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：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”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，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型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？由四部分组成。
图1.1微机控制系统组成框图(1)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。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)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。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
计算机控制课程设计
计算机控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握计算机控制系统的基础理论知识，包括控制系统的组成、工作原理和性能指标；2. 使学生了解常见传感器的工作原理，并能运用所学知识分析传感器的选用原则；3. 让学生掌握计算机控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。
技能目标：1. 培养学生运用计算机编程软件（如MATLAB）进行控制系统仿真的能力；2. 培养学生设计简单的计算机控制系统硬件电路，并进行调试的能力；3. 提高学生运用所学知识解决实际计算机控制问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制技术产生浓厚的兴趣，激发学生的学习热情；2. 培养学生具备团队协作精神，学会与他人共同探讨、分析和解决问题；3. 增强学生的创新意识，培养学生在面对实际问题时敢于尝试、勇于突破的精神。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为计算机控制技术的实践性课程，旨在培养学生的实际操作能力和创新能力。
学生处于高年级阶段，已具备一定的专业基础知识和实践能力。
教学要求注重理论与实践相结合，强调学生的动手实践能力和解决实际问题的能力。
二、教学内容1. 计算机控制系统概述- 控制系统基本概念- 控制系统发展历程- 计算机控制系统的优势与应用2. 控制系统硬件组成- 控制器硬件结构- 传感器及其接口技术- 执行器及其接口技术3. 计算机控制算法- PID控制算法原理- 模糊控制算法原理- 其他先进控制算法介绍4. 控制系统仿真与设计- MATLAB/Simulink软件介绍- 控制系统仿真模型搭建- 控制系统硬件设计及调试5. 实际案例分析与讨论- 典型计算机控制系统案例分析- 学生分组讨论实际控制问题- 创新性控制系统设计实践教学内容安排与进度：第一周：计算机控制系统概述第二周：控制系统硬件组成第三周：计算机控制算法第四周：控制系统仿真与设计第五周：实际案例分析与讨论教材章节及内容列举：第一章：计算机控制系统概述（涵盖教学内容1）第二章：控制系统的硬件与接口技术（涵盖教学内容2）第三章：计算机控制算法（涵盖教学内容3）第四章：控制系统的仿真与设计（涵盖教学内容4）第五章：计算机控制系统应用案例（涵盖教学内容5）三、教学方法本课程采用以下多样化的教学方法，以充分激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：用于讲解计算机控制系统的基本概念、原理和算法等理论知识。
《计算机控制技术》教学大纲
《计算机控制技术》课程标准（执笔人：韦庆审阅学院：机电工程与自动化学院）课程编号：0811305英文名称：Computer Control Techniques预修课程：计算机硬件技术基础B、自动控制原理B、现代控制理论学时安排：36学时，其中讲授32学时，实践4学时。
学分：2一、课程概述（一）课程性质地位本课程作为《自动控制理论》的后续课程，是控制科学与工程、机械工程及其自动化和仿真工程专业本科学员理解和掌握计算机控制系统设计的技术基础课。
（二）课程基本理念本课程作为一门理论与工程实践结合紧密的技术基础课，结合自动控制原理技术、微机接口技术，以学员掌握现代化武器装备为目的。
本课程既注重理论教学，也注重教学过程中的案例实践教学环节，使学员在掌握基本理论的基础上，通过了解相关实际系统组成，综合培养解决工程实际问题的能力。
（三）课程设计思路本课程主要包括计算机控制原理和计算机控制系统设计两大部分。
在学员理解掌握自动控制原理的基础上，计算机控制原理部分主要介绍了离散系统的数学分析基础、离散系统的稳定性分析、离散系统控制器的分析设计方法等内容；计算机控制系统设计部分结合实际的项目案例，重点介绍了计算机控制系统的组成、设计方法和步骤、计算机控制原理技术的应用等内容。
二、课程目标（一）知识与技能通过本课程的学习，学员应该了解计算机控制系统的组成，理解计算机控制系统所涉及的采样理论，掌握离散控制系统稳定性分析判断方法，掌握离散控制系统模拟化、数字化设计的理论及方法，掌握一定的解决工程实际问题的能力。
（二）过程与方法通过本课程的学习和实际系统的演示教学，学员应了解工程实际问题的解决方法、步骤和过程，增强积极参与我军高技术武器装备建设的信心。
（三）情感态度与价值观通过本课程的学习，学员应能够提高对计算机控制技术在高技术武器装备中应用的认同感，激发对自动化武器装备技术的求知欲，关注高技术武器装备技术的新发展，增强提高我军高技术武器水平的使命感和责任感。
计算机操作系统第三章
计算机操作系统第三章1.⾼级调度与低级调度的主要任务是什么？为什么要引⼊中级调度？⾼级调度主要功能是根据某种算法，决定将外存上处于后备队列中的哪⼏个作业调⼊内存，为它们创建进程，分配必要的资源，并将它们放⼊就绪队列。
低级调度主要功能是根据某种算法，决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，并由分派程序将处理机分配给被选中的进程。
引⼊中级调度的主要⽬的是，提⾼内存利⽤率和系统吞吐量。
使那些暂时不能运⾏的进程不再占⽤内存资源，将它们调⾄外存等待，把进程状态改为就绪驻外存状态或挂起状态。
2.处理机调度算法的共同⽬标是什么？批处理系统的调度⽬标⼜是什么？共同⽬标：资源利⽤率，公平性，平衡性，策略强制执⾏。
批处理系统的调度⽬标：平均周转时间短，系统吞吐量⾼，处理机利⽤率⾼。
3.何谓作业、作业步和作业流？作业：作业是⼀个⽐程序更为⼴泛的概念，它不仅包含了通常的程序和数据，⽽且还应配有⼀份作业说明书，系统根据该说明书来对程序的运⾏进⾏控制。
在批处理系统中，是以作业为基本单位从外存调⼊内存的。
作业步：通常，在作业运⾏期间，每个作业都必须经过若⼲个相对独⽴⼜相互关联的顺序加⼯步骤才能得到结果。
我们把其中的每⼀个加⼯步骤称为⼀个作业步。
各作业步之间存在着相互联系，往往是上⼀个作业步的输出作为下⼀个作业步的输⼊。
作业流：是指若⼲个作业进⼊系统后依次存放在外存上形成的输⼊作业流，在操作系统的控制下，逐个作业进程处理，于是形成了处理作业流。
4.在什么情况下需要使⽤作业控制块JCB，其中包含了哪些内容？每当⼀个作业进⼊系统时，便由“作业注册”程序为该作业建⽴⼀个作业控制块JCB。
再根据作业类型，将它放到相应的作业后背队列中等待调度。
通常在JCB中包含的内容有：作业标识、⽤户名称、⽤户账户、作业类型(CPU繁忙型、I/O繁忙型、批量型、终端型)、作业状态、调度信息(优先级、作业运⾏时间)、资源请求(预计运⾏时间、要求内存⼤⼩等)、资源使⽤情况等。
于海生---微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
!(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.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，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，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：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”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，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型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—由四部分组成。
图微机控制系统组成框图(1)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。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)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。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
计算机控制技术课后习题详解答案
第一章计算机控制系统概述习题参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.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，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，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：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”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，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型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由四部分组成。
(1)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。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
图微机控制系统组成框图(2)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。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(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)。
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i0
e(k
1) e(k T
2)]
将式（3.54）减去式（3.52）得：
（3-54）
u(k) u(k) u(k 1)
KP
e(k
)
e(k
1)
T TI
e(k
)
TD T
e(k
)
2e(k
1)
e(k
2)
（3-55）
KP e(k) e(k 1) KIe(k) KD e(k) 2e(k 1) e(k 2)
式中 u(k) —— 第k次采样时计算机运算的控制量增量。
3.3数字PID调节器参数的整定
1．积分分离PID控制算法 在实际过程控制系统中，执行元件自身的机械物理特
性决定了其受控范围是有限的，同时D/A转换器所能表示 的数值范围也是有限的，因此要求计算输出的控制量及其 变化率应满足
umin u umax , u umax （3-57）
1.模拟化设计方法一般步骤： 第一步：用连续系统的理论确定控制器D（S）； 第二步：用合适的离散化方法由D(S)求出D（S）； 第三步：检查系统性能是否符合设计要求； 第四步：将D（Z）变为差分方程或者状态空间表达形式， 并编制计算机程序，需要时间尚可采取。 第五步：用混合仿真的方法检查系统的设计与程序编制是 否正确。
（4）设计由计算机实现的控制算法
de ei1 ei , du ui1 ui
dt
T dt
T
上式用时域表示为：
s z 1, z 1 Ts T
（5）校验 控制器D（Z）设计完并求出控制算法后，须检验设
计计算机系统闭环特性是否符合设计要求，这一步可由 计算机控制系统来验证。
计算机控制系统的控制算法
制作人：杨福俊
本章主要内容
3.1数字控制器的模拟化设计方法 3.2数字PID控制器 3.3数字PID调节器参数的整定 3.4数字控制器的离散化设计方法 3.5复杂控制技术
3.1数字控制器的模拟化设计方法
模拟化设计方法的假设是认为采样频率足够高（相对 于体统的工作频率），以至于采样保持所引进的附加误差 可以忽略，则系统的连续部分可以采用连续系统来代替。
1 TI s
TD s
2．数字PID控制算法
（1）模拟PID控制算法的离散化处理
t kT
u(t) u(kT )
e(t) e(kT )
dt T
0t
e(t)dt
T
k
e(iT
)
T
k
e(i)
i0
i0
de(t) dt
e(kT )
e[(k T
de(t) dt
（3-49）
r(t) —— y(t)的给定值
e(t) —— 控制器的输入，即偏差：e(t)=r(t)-y(t)
u(t) —— 控制器的输出
Kp —— 比例系数 TI —— 积分时间常数 TD —— 微分时间常数
PID控制器的传递函数为：
D(s)
U (s) E(s)
KP
1
i0
式中 T —— 采样周期（两次采样的时间间隔）
k —— 采样序号，k=0,1,2,…
KP —— 比例系数 TI —— 积分时间常数 TD —— 微分时间常数 u(k) —— 第 k 次采样时计算机运算的控制量
e(k) —— 第 k 次采样时的偏差量
e(k-1)—— 第 k-1 次采样时的偏差量
3.2数字PID控制算法
1.模拟PID控制器
模拟PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器，它将给定值r(t)与实际 输出值y(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性 组合形成控制量，对被控对象进行控制。
PID控制器的微分方程为：
式中
u(t)
y(t)
K—P—e(t系) 统T1I 的0t e输(t)出dt TD
式中
umin —— 执行机构能接受的控制量的最小值
umax —— 执行机构能接受的控制量的最大值
umax —— 执行机构能接受的控制量变化率的最大值
对标准数字PID控制算法中积分项进行约束，可以防止 积分饱和现象的发生，方法之一是进行积分分离。
积分分离PID控制算法的基本思想是：在系统偏差 e(k)
香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采 样频率。在计算机控制体统中，完成信号恢复功能一般由 零阶保持器H（S）来实现。
其传递函数为：
H
0
(s)
1
eTs s
（3-17）
（3）将D（S）离散化为D（Z） 数字控制器D（Z）的一般形式为下式，其
中n大于等于m，各系数为实数，且有N个极 点和m个零点。
2.模拟化设计具体步骤 （1）假象的连续控制器D（S） 设计的第一步就是找一种近似的结构，来
设计一种假象的连续控制器D（S），这时候 我们的结构图可以简化为：
r(t) + e(t)
u(t)
y(t)
-
D(s)
G(s)
已知G（S）来求D(S)的方法由很多种，比如频率特性法、
根轨迹法等。
（2）选择采样周期T
（3-58）
式中β
是积分分离系数，取值如下：
1, 0,
较大时，取消积分作用，只用PD控制，以免积分作用使系统 的稳定性变差，超调量加大；当系统输出量接近给定值，
e(k) 小于某个阈值时才引入积分作用，采用PID控制，利用
积分作用最终消除静差，提高控制精度。即：
u(k)
KP[e(k)
T TI
k
e(i) TD
i0
e(k) e(k T
1) ]
1)T ]
e(k) e(k T
1)
e(k ) T
则式（3-49）进行离散化处理后得到：
(3-51)
u(k)
K P [e(k )
T TI
k
e(i)
i0
TD
e(k) e(k T
1) ]
或
（3-52）
k
u(k) KPe(k) KI e(i) KD[e(k) e(k 1)] （3-53）
△e(k)—— 本次测量值偏差与上次测量值偏差的差，
在给定值不变时，可表示为相邻两次测量值之差。
KI
KPT TI
———— 积分系数
KD
KPTD T
———— 微分系数
（2）两种数字PID控制算法的比较
由式（3-52）可以写出第k-1次采样时的控制量：
u(k
1)
KP[e(k
1)
T TI
k 1