1、第一章1. 計算機系統由哪些部分組成？并畫出方框圖。解：若將自動控制系統中控制器的功能用計算機或數字控制裝置來實現，就構成了計算機控 制系統，其基本框圖如圖1-1所示。因此，簡單說來，計算機控制系統就是由各種各樣的計 算機參與控制的一類系統。被控戢圖1-1計算機控制系統基木原理圖在計算機控制系統中，控制規律是用軟件實現的，計算機執行預定的控制程序就能實現 對被控參數的控制。控制器與執行機構之間是DA轉換器，負責將數字信號轉換成模擬信號; AD轉換器則相反將傳感器采集的模擬信號，轉換成數字信號送給控制器。2. 計算機控制系統是怎樣分類的？按功能和控制規律可分為幾類？ 解：計算機控制系統與其所控制

2、的對彖、采取的控制方法密切相關。因此，計算機控制系統 的分類方法很多，可以按照系統的功能、控制規律或控制方式等進行分類。按功能及結構分類：操作指導控制系統、直接數字控制系統、監督控制系統、集散 控制系統、現場總線控制系統、工業以太網控制系統、綜合自動化系統。按照控制規律分類：程序和順序控制、比例積分微分控制（簡稱PID控制）、最少拍控制、 復雜規律的控制、智能控制。3. 計算機控制系統的主要特點有哪些？解：主要有以下特點：1. 數字模擬混合的系統。在連續控制系統中，各處的信號是連續模擬信號。而在計算 機控制系統中，除仍有連續模擬信號外，還有離散信號、數字信號等多種信號。因此，計算 機控制系統是

3、模擬和數字的混合系統。2. 靈活方便、適應性強。一般的模擬控制系統中，控制規律是由硬件電路實現的，控 制規律越復雜，所需要的模擬電路往往越多，如果要改變控制規律，一般就必須更改硬件電 路。而在計算機控制系統中，控制規律是由軟件實現的，計算機執行預定的控制程序就能實 現對被控參數的控制，需要改變控制規律時，一般不對硬件電路作改動，只要改變控制程序 就可以了。3. 可實現復雜控制規律。計算機具有豐富的指令系統和很強的邏輯判斷功能，能夠實 現模擬電路不能實現的復雜控制規律。4. 離散控制。在連續控制系統中，給定值與反饋值的比較是連續進行的，控制器對產 生的偏差也是連續調節的。而在計算機控制系統中，計

4、算機每隔一定時間間隔，向A/D轉 換器發出啟動轉換信號，并對連續信號進行采樣獲得離散時間信號，經過計算機處理后，產 生的控制時間信號通過D/A將離散信號轉換成連續時間信號輸出，作用于被控對象。因此, 計算機控制系統并不是連續控制的，而是離散控制的。5. 可以采用分時控制。在連續控制系統中，一般是一個控制器控制一個回路。而在計 算機控制系統中，由于計算機具有高速的計算處理能力，一個數字控制器經常可以采用分時 控制的方式，同時控制多個回路。6. 易于實現管控一體化。采用計算機控制系統可實現控制信息的全數字化，易于建立 集成企業經營管理、生產管理和過程控制于一體的管控一體化系統。即建立集成了生產過程

5、 控制系統PCS、生產執行系統MES和企業資源管理系統ERP的綜合自動化系統。4. 計算機控制系統的主要性能指標有哪些？ 解.1. 穩定性穩定性是對控制系統最重要的要求之一。一個控制系統只有穩定，才有可能工作，也才 能談得上控制性能的好壞與優劣。因此，對于計算機控制系統來說，穩定性分析同樣是一個 重要的方面。通常采用控制理論中的離散系統穩定性分析方法（如變換域的勞斯判據）來分 析計算機控制系統的穩定性，用穩定裕量（即相角裕屋和幅值裕量）來衡量計算機控制系統的 穩定程度。2. 能控性與能觀性能控性和能觀性是現代控制理論中兩個非常重要的概念，它們從控制系統狀態的控制能 力和狀態的觀測能力兩個方面揭

6、示了控制系統的兩個基本問題。3. 動態指標動態指標能夠比較直觀地反映控制系統的動態過渡過程特性。在經典控制理論的時域分 析中用時域指標來衡量控制系統動態性能的好壞，常用指標有：延遲時間、上升時間f,.、 峰值時間.、調節時間J、超調量b%在實際應用中，常用的動態性能指標為上升時間、 調節時間和超調量。通常用tr和tp評價系統的初始響應速度，用ts評價系統的總體響應速 度和平穩程度，用b%評價系統的平穩性。當利用頻率特性進行控制系統的分析和設計時，常用頻域指標來衡量控制系統動態性能 的優劣。在用開環對數頻率特性設計控制系統時，常用靜態速度誤差系數K、.、相角裕量/、 幅值裕量/和開壞截止頻率等指

7、標；而用閉壞頻率特性設計控制系統時，常采用靜態速 度誤差系數K、閉環諧振峰值M,.、閉環諧振頻率血和閉壞頻帶寬度，等指標。4. 穩態指標穩態指標是控制系統控制精度或抗干擾能力的一種度量，常用穩態誤差乞來表征。通 常在階躍函數、斜坡函數或加速度函數作用下進行測定或計算，耳,表示系統的穩態輸出量 與期塑值兒之間的差值，是系統對于跟蹤給定信號準確性的定量描述。希望乞$越小越 好。5. 積分型指標在現代控制理論中，經常使用綜合性指標來衡量控制系統的性能。積分型指標是主要的 綜合性指標之一，它主要以誤差級f）對時間的不同積分來表征，有誤差平方的枳分、時間乘 誤差（或乘誤差絕對值）平方的積分、時間平方乘誤

8、差（或乘誤差絕對值）平方的積分、誤差絕 對值的積分以及加權二次型性能指標等。5. 控制對象對控制性能有何影響？解：假設控制對彖的特性歸結為對象放人系數K,”和擾動放人系數、慣性時間常數7；和 丁八 純滯后時間常數r和幾，而控制系統的性能采用超調量b%、調節時間/八 和穩態誤 差匕等來表征。根據控制理論知識可以得出如下結論：1. 放人系數對控制性能的影響擾動通道的放大系數K”越小，穩態誤差乞,也越小，控制精度就越高，故希望K”盡可 能小；而由于K”,完全可以由數字調節器的比例系數Kp來補償，所以K”,對系統的性能沒 有影響。2. 慣性時間常數對控制性能的影響當7；加犬或慣性環節的階次增加時，可以

9、減少超調量b%；而7；越小，系統的反應就 越靈敏，控制也就越及時，控制性能就越好。3. 純滯后時間對控制性能的影響擾動通道的純滯后時間幾對控制系統的性能沒有影響，只是使輸出量兒(/)沿時間軸平 移了幾；而控制通道的純滯后時間r使控制系統的超調量b%增人，調節時間J延長，純 滯后時間r越人，控制性能就越差。6. 綜合自動化系統的體系結構？解：綜合自動化系統是以經濟指標為目標，以生產過程優化運行、優化控制與優化管理為核心技 術，實現在線成本的預測、控制和反饋校正，以形成生產成本控制中心，保證生產過程的優 化運行；實施生產全過程的優化調度、統一指揮，以形成生產指揮中心，保證生產過程的優 化控制；實現

10、生產過程的質量跟蹤、安全監控，以形成質量管理體系和設備保證體系，保證 生產過程的優化管理。因此，綜合自動化系統一般來說是一個多層次遞階的集成控制系統, 通常分為如圖1-2所示的ERP/MES/PCS/三層模型結構，即劃分為考慮生產過程問題的生產過 程控制系統PCS (Process Control System)：考慮企業層面經營管理問題的企業資源計劃ERP (Enterprise Resource Planning)系統以及同時考慮生產與管理結合問題的中間層 生產執 行系統MES (Manufacturing Execution System,又稱制造執行系統)三個層次。企業資源計劃ERP(

11、Enterprise Resource Planning)生產執行系統MES、(Manufacturing Execution System)過程控制系統PCS(Process Control System)圖1-2綜合自動化系統分層模型7. 計算機控制技術所涉及的整個知識結構框架?系統知識層知識領域：系統與工程控制知識層控制與智能傳感與檢測模型與仿真執行與驅動計算與處理通借與網絡知識單元：多變量系統、非線性系統.分布參數系統.離散事件 系統、大系統、復雜系統、運動控制系統、繼承自動化系統.管 理信息系統.系統工程、運籌學.最優化.智能系統、機器人系 統、多智能體等等知識領域，數理與機電基礎基

12、礎知識層知識單元：數學.力學、物理、化學.現代生物學.生命科學. 腦科學.思維科學、系統科學、管理科學.電工電子基礎.機械 基礎.計算機原理、計算機語言.微機原理等等圖13計算機控制技術所涉及的整個知識結構框架8信息網絡對控制網絡的推動作用？9 計算機控制系統的發展動向主要表現在哪幾個方面？1. 結構網絡化以網絡為依托，采取縱向分層、橫向分散的策略，將控制區域內的各種設備連接在一起， 使各組成部分協調工作，共同完成控制、管理和決策功能。2. 控制分散化將控制功能下放到現場設備，現場進行數據的處理和管理，大大提高了系統的實時性和 可靠性。同時，通過網絡將各個現場設備連接成一個有機的整體，又保證了

13、上層決策系統可 以得到人量豐富的現場信息，便于進行適當而及時的決策，提高了系統的有效性和效率。3. 節點智能化控制器、傳感器、變送器、執行器等現場設備成為具有誤差補償、故障診斷、功能自治 等特征的網絡化智能節點，使控制系統具備遠程系統調試、在線設備管理、實時生產監控、 故障自動修復等能力，以適應降低控制系統使用和維護成本、提高系統可靠性和易用性的要 求。4. 系統集成化每種現場總線往往有自己的技術特點與應用領域，2007年10月各國IEC委員會投票通過的現場總線國際標準IEC 61158第四版中納入了 18種總線類型，多種總線共存已經成為不爭的事實。從系統結構來看，實際應用中經常集成多種現場總

14、線、工業無線技術共同構建控制系統。從系統組成來看，經常采用集成生產過程控制系統、生產制造執行系統、企業資源計劃系統的多層次遞階控制系統。習題二1 計算機控制系統的數學描述分為幾類？解：計算機控制系統的描述方法可分為:一是將連續的被控對彖離散化一一等效的離散系統 數學模型，然后在離散系統的范疇內分析整個閉環系統：二是將數字控制器等效為一個連續 環節，然后采用連續系統的方法來分析與設計整個控制系統。一般來說，前一種方法使用較 為普遍。本章即根據前一種方法，介紹計算機控制系統數學描述的建立過程。至于后一種方 法可參考連續系統控制理論的建立過程。2.采樣信號的物理意義是什么？解：對連續時河信號采樣的物

15、理意義可以有兩種解釋。其一為連續時間信號被單位脈沖序列作了 離散時間調制；其二為單位脈沖序列被連續時間信號作了幅值加權。這兩種解釋是等價的, 如圖2 J所示。連續時間信號被尬位脈沖序列作了離散時間調制吃位脈沖序列被連續時間信號進行了幅值加權 圖采樣信號的物理總義3. 采樣定理與信號復現的關系是什么？ 解：采樣定理從理論上指明了從采樣信號xt)中恢復原連續時間信號x(t)的條件，可以注 意到，信號的復現需要通過一個理想的低通濾波器才可以實現。同時，對于頻譜豐富的時間 信號，頻譜成分的上限頻率是不存在的。而工程上采用的將采樣信號恢復為連續信號的裝置 稱為保持器。所以，保持器是可以起到近似低通濾波器

16、作用的工程器件。實現信號恢復與保 持所依據的是信號定值外推理論。4設采樣周期為T,試求以卜連續時間系統被控對彖的脈沖傳遞函數。(l)G(s)=Ks(s + a)(2)G(s)=K(s + 3)(s + b)(3)G(s)=1 一尹Ks (s + 曰)(s + b)(1 - e)zaz - 1) (z -小)解：1、ZG(s) = z人=s(s + a)5.己知G($) = _GO = 纟一，試分別求出他們中間沒有采樣開關隔開時，和中間有采 s s + a樣開關隔開時的脈沖傳遞函數。1 11o解：有采樣開關：G(Z) = /-/=s s + a無采樣開關：宓)片士= ()6.設有閉環采樣控制系統

17、如圖2-27所示，試求出該系統閉脈沖傳遞函數。g =q q(z)解：=以刀以刀1 + q&7. 設釆樣控制系統的特征方程如下所示，試確定相應系統的漸進穩定性。(1) z3 + 5才 + 3z + 2 = 0(2) 2 + 9z3 + 3z3 + 9z + 1 = 0(30 - 1. 5z2 - 2八 3 = 0(40 - 1. 55z3 + 0. 5才一 0. 5z + 1 = 0(50 - 2z3 + z2 - 2z + 1 = 0解： &設采樣控制系統的特征方程為z+股+1.5収-伙+ 1) = 0,試決定為保證系統穩定k 的取值范圉。解:(1 + 2. 53 + (3 - 0. 5攵)訐 + (3 - 2. 5K)w 一 0. 5K = 0W3W21+2.5K3-0.5K3-2.5K-O.5K1 + 2. 5& 3 - 2.5k3 - 0. 5A 0.5k3 0. 5RWO -0.5k所以:-0.4K09. 討論系