微机控制技术复习题(2015年夏)2

一、 填空题：

1、8位D/A转换器的分辩率是。

2、数字调节器与模拟调节器相比更能实现控制规律。

3、计算机具有 分时 控制能力，可实现多回路控制。

4、为了实现最少拍有波纹控制，闭环脉冲传递函数Φ(Z ) 中应包含G (Z ) 的或圆外 零点，为了实现最少拍无波纹控制， 闭环脉冲传递函输Φ(Z ) 中应包含G (Z ) 的 所有 零点。

5、按最少拍原则设计的系统是最优系统。

6、最少拍无波纹与最少拍有波纹系统相比其闭环脉冲传递函数Φ(Z ) 中Z

一些，调整时间 长 一些。

7、大林把这种控制量以 ”。

8、分析结果表明：U (Z ) 与R (Z ) 间的脉冲传递函数表达式中，包含有Z 平面单位圆内近-1 的负实数极点，则会产生 振铃现象 。

9、如果按大林提出的简单修正算法来防止振铃现象，则对系统的稳态输出 但

对系统的动态性能 有 影响。

11、计算机输出控制量的保持一般有两种方案，一种是 一个输出通道设置一个D/A转换

器的结构形式（数字量保持方案） ，一种是 多个输出通道公用一个D/A转换器的

结构形式（模拟量保持方案），前者与后者相比D/A转换器 使用数量多 。

12、常用的A/D转换器有 计数器式 ， 双积分式 ， 逐次逼近式 。

13、为了消除稳态误差，Φe (Z ) 的表达式中须含有因式-1）q

二、简述与计算题：

1、计算机控制系统的输入和输出都有保持器，它们的作用有什么不同？

答：输入时信号变化频率较高而D/A转化速率又不高以至于孔径误差影响转换精度时或者要

求同时（还是有先后的不过要求间隔尽量小事而已）同样多个过程参量的情况下，加保持器

是为了保证模拟信号采样的精确度。输出时加保持器是为了是执行部件在两个输出信号的间

隔时间内任然能得到输出信号，通过保持器将前一采样控制时刻的输出信号保持下来，直到-1的阶次要

下一个擦有那个控制时刻的到来重新得到新的输出信号这样执行部件就得到了连续的输出

控制。输入保持其对变化的信号进行快速的采样保持输入模拟信号不变，输出保持器是将上

一个采样时刻的输出保持到下一个采样时刻，重新有新的采样输出。

2、离散系统稳定的充要条件是什么？

答：闭环脉冲传递函数所有极点都在Z 平面单位圆内。

3、简述在数字PID 控制算法中，防止积分整量化误差的方法，并写出PID 算法的程序流程

框图。

答：方法：（1）扩大计算机运算字长，提高计算精度。这种方法实质是使处理机最低有效位

对应的数字量相应减小，提高了计算的分辨率，使得整量化重可能丢掉的部分得以保留。（2）

当积分项k1e(k)

行运算，余数刃保留下来，作为下一步累加的基数值。

4、请给出闭环数字控制系统的基本结构，并画出直接数字机控制系统的方框图。P5

控制器，执行结构，被控对象，检测装置

1+Z -1

5、离散系统闭环脉冲传递函数为Φ(Z ) =，说明其稳定性。 1-1Z -1+0⋅24Z -2

6、某4位A/D转换器满刻度值为5V ，采用逐次逼近方式，现输入3.45V 模拟电压，试分析

其逐次逼近的转换过程，并列表、画图表示。P11

7、大林算法有何特点？采用大林算法设计的系统，其闭环传递函数Φ(S)具有以下哪种形

式

答：1. 被控对象模型不确定性、参数随时间的漂移性以及含有纯滞后环节。2. 对快速要求是

次要的，其主要指标是系统无超调或超调很小，并且允许有较大的调整时间

K Ke -τs

A． Φ(S ) = B. Φ(S ) = (T 1S +1)(T 2S +1) (T 1S +1)(T 2S +1)

K Ke -τs

C. Φ(S ) = D. Φ(S ) = T τS +1T τS +1

8、数字控制器的模拟化设计法是怎样的一种设计法，这种设计方法的缺点是什么？

答：在一定条件下，把计算机控制系统近似地看成模拟系统，用连续系统的理论

来进行动态分析和设计，再讲设计结果变成数字计算机的控制算法。

缺点：采样保持频率足够高，满足香浓定理外，还要求采样周期对系统性能影响

不大，当系统为多回路控制时，难以满足要求。模拟调节器调节能力有限，当控

制系统较为复杂时，就难以甚至无法实现。

C (Z ) 的表达式。 R (Z )

9、已知系统方块图如图所示。试写出G(z)= r （t ）

r （t C *(t ) a) b) C *(t )

10、简述在数字PID 控制算法中，产生积分饱和的原因？克服积分饱和的积分分离法有何特

点？画出流程图。

（P96）答：是由于积分项的存在使控制器输出不断增加，结果造成

u(k)>umax ,u(k)

运算的“饱和”，这种饱和成为“积分饱和”。

11、何为带死区的PID 控制？画出其运算程序流程图（P100）

12、已知某连续控制器的传递函数为D （S ）=25，试用双线性变换法求相应的数2S +2S +1

(s +1) U (s ) ， T=1秒 =s E (s ) 字控制器的脉冲传递函数D （Z ），并写出控制器输出U （K ）的表达式。（设T=1S） 13、 已知PI 控制器的传递函授数D (s ) =5

1）求D(z)=？

2）求U (k)表达式

3）写出U (k)编程的流程图。

14、用零阶保持法求慣性环节D (S ) = 5的差分方 程。 4S +1

15、何谓A/D转换器的孔径时间？若有一个10位的A/D转换器，要求转换精度为1%，孔

径时间为50微秒，则容许转换的正弦波模拟信号的最大频率为多少？

16、某连续控制器的传递函数为D (S ) =1+0⋅1S ，现用数字PID 算法来实现它，试分别写0⋅02S

出其相应的位置型和增量型PID 算法表达式，设采样周期T=1S。

17、二自由度PID 控制与一自由度PID 控制相比有什么不同，有什么优缺点？

(P101)答：一自由度PID 控制中，抑制外扰和目标跟踪值两特性是矛盾的，这是

由于只能设定一种PID 参数；而二自由度就是使目标值跟踪特性为最优的PID

参数和使外扰抑制特性为最优的PID 参数，能分别独立地进行整定，使两特性同

时达到最优。优点：提高了系统设计的自由度，改善了系统的品质。

18、说明史密斯纯滞后补偿原理，并说明这种补偿方法的最终目的是什么？

(P98)答：原理：与D(s)并接一补偿环节Gp(s)（1-e^-τs ），用来补偿被控对

象中的纯滞后部分。 目的：消除纯滞后部分对控制系统的影响。

19、什么是量化过程和量化单位？为什么会产生量化误差，怎样来减小量化误差？

(P54)答： 量化过程：用一组数码(如二进制码) 来逼近离散模拟信号的幅值，将

其转换成数字信号的过程。

量化单位q ：量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。

由于量化后的数值是以量化单位为单位逼近模拟量得到的，所以总存在量化误

差。在采样过程中我们可以通过提高采样频率，选择足够的字长来减小量化误差。

20、计算机控制系统中的模拟量输入、输出通道各由哪几部分组成，各部的功用是什么？(P49)

模拟量输入通道：信号处理装置、采样单元、采样保持器、数据放大器、A/D转换器和控制

电器

模拟量输出通道：D/A转换器、输出保持器、多路切换开关、低通滤波电路和功放电路

21、什么是微分先行PID 祘法？它有几种型式，各适用于什么场合？

(P100) 答：微分先行PID 算法是将微分运算放在前面进行。它有两种结构：一

种是对输出量先行微分（图A ），适用于给定量频繁升降的场合；另一种是对偏

差先行微分（图B ），适用串级控制的副控回路。

2 S (S +a ) 22、按一定性能指标要求对某控制系统综合较正后求得其串联校正装置为D (S ) =

1） 试按模拟调节规律离散化的方法实现此调节规律的数字控制器算式；

2） 画出该数字控制器的程序框图。

23、何为D/A转换器的单极性、双极性输出？给出DAC0832双极性输出的电原理图P65-P66

24、当D/A转换器的输出方式为电流输出时，输出电流的大小受控于负载还是输入的数字

量？不加运放直接从D/A转换器输出电流是否可行？为什么？答：数字量 不行，因为大部

分CMOS D/A转换器当输出电压不为零时不能正确动作。

25、什么是PID 归一参数整定法？其中人为假定哪些约束条件，给出对应的调节器D (Z ) 表

达式。(P106) T K p T I T D

26、在设计数字控制器 D (Z ) 时，如果G(Z ) 中有单位圆上和圆外的零极点，常常用D (Z ) 的

相应极零点抵消之，以保证系统稳定，这种做法受否可行？

二、 判断题：

1、对于输入信号为单位斜坡时设计的最少拍无差系统，输入单位加速度时就不再是最少拍

无差系统。（对）

2、按最少拍原则设计的系统是时间最优系统，因此，只要采样周期足够小，系统进入稳态

的时间就足够短，这在实际中是不可实现的。（错）

3、W 变换法设计系统的步骤是先令 G (Z ) 中的Z=e

设计系统。（错） j ωT （或e sT ），从而应用频率法分析和

4、离散系统稳定的充分必要条件是闭环脉冲传递函数Φ(Z ) 的所有极点都在Z 平面上单位

圆的内部。（对）

5、数字控制器 D (Z ) 在物理上的可实现性要求其当前的输出与将来的输入无关。（对）

6、采样周期T 的选择原则之一是：根据被控对象的特性，快速系统的T 应取大，反之，应

取小。（错）

7、所谓二自由度PID 控制，就是使目标值跟踪特性为最优的PID 参数和使外扰抑制特性为

最优的PID 参数能分别地进行整定，使两特性同时达到最优。（对）

8、带死区的PID 控制中，当不希望调节动作过于频繁时，可减小死区宽度。（错）

9、对于带纯滞后环节的控制系统，使用史密斯纯滞后补偿原理后，可以消除其纯滞后环节

对系统稳定性的影响。（对）

10、在实际控制系统系统中，当PID 控制器输出的控制量直接控制步进电动机时，应采用

增量式PID 控制。（对）

11、防止积分整量化误差的方法主要是为了避免在进行PID 运算时，积分项不能始终起作

用。（对）

12、模拟调节器相对于数字调节器更容易实现复杂控制规律。（错）

13、最少拍无差有波纹系统是指最短时间进入稳态后输入与输出完全相等。（对）

14、一般地说，如果输入A/D转换器的信号变化很快，采样精度要求较高， 就应在A/D转

换前加入采样保持器。（对）

15、串行通信与串行D/A转换是一回事，都是将并行数据串行输出。（错）

16、一般来说，采用双端输入的差动运算放大器、或光耦器件有利于抑制共模干扰。（对）

17、对于带纯滞后环节的控制系统，使用史密斯纯滞后补偿原理后，可以将纯滞后部分等效

于反馈环之外，消除其纯滞后环节对系统稳定性的影响。（对）

18、如果按大林提出的简单修正算法来消除振铃现象，则对系统的稳态输出无影

响，但对动态性能有影响。（对）

19、模拟调节器相对于数字调节器更容易实现复杂控制规律。（错）

20、逐次逼近式A/D转换器与计数器式A/D转换器相比，后者转换速度更快。（错）

21、进入I/O通道的干扰按其对电路的作用形式，通常可分为串模和共模干扰。（对）

22、在选择PID 参数时，引出控制度的概念，当控制度等于“2”时，数字控制

器与模拟控制器的控制效果相当。（错）

23、要使二阶系统输出获得理想动态品质，其闭环幅频满足的条件是A (ω) =1, 相

频满足的条件是Φ(ω) =0o 。（对）

24、A/D转换器的分辨率与转换精度是一回事，分辨率高，则转换精度也高。（错）

25、对于斜坡输入信号设计的最小拍无差系统，对于其它输入信号仍然是最小拍无差的。

（错）

26、大林把控制量u (k ) 以二分之一的采样频率振荡的现象称为“振铃现象”。（对）

27、最少拍有波纹系统的缺陷之一是输出在采样点上的值与输入不相等。（错）

28、要实现最少拍无波纹控制，在被控对象G c (s ) 含有足够积分环节的前提下，

Φ(z ) 还应包含G (z ) 的单位圆上和单位圆外的零点。（错）

29、为了实现最少拍无差控制，Φe (Z ) 的表达式中需含有G (Z ) 的全部极点。（对）

四、设计题：

e -1⋅50S

（一）已知控制系统如图，被控对象的传递函数为：G c (S ) =，采样周期T=1 2.5S +1

S ，试用大林算法求数字控制器D （Z ），如有振铃现象，则消除之，然后再求D （Z ）。e -S

设Φ(S ) =， T τ=2S T τS +1

要求求出：1、G （Z ）=？；2、φ（Z ）=？；3、D （Z ）=？；

4、U （Z ）=？；5、C （Z ）=？。

注：此题如果G c (s ) 中时间常数及指数选的不合适，则会出现单位园外的零点，不会

产生振铃现象。因此指数不是整数倍只能说有可能产生指数振铃现象。 C (Z ) 1-e -TS 1⋅（二）设控制系统如图示，其中G (S ) =，试设计一最少拍无波纹系统，S S +1

设采样周期T=1S。输入信号分别为： 单位阶跃 R (Z ) =

1、 试求系统广义对象的Z 传递函数 1 -1(1-Z )

2、 试设计上述输入下的最少拍无纹波系统的D （Z ）（要求小数点后两位即可）

3、 求数字控制器的输出U （K ）并画出输出波形（要求计算出前四位即可）

4、求系统的输出C （K ）并画出输出波形（要求计算出前四位即可）

C (Z ) （三）计算机控制系统如图所示，其中K=5,Tc=1，采样周期T=1秒 ,输入信号分别为： 单

TZ -1

位速度，或 R (Z ) = (1-Z -1) 2

1、试求系统广义对象的Z 传递函数

2、试设计上述输入下的最少拍无纹波系统的D （Z ）（要求小数点后两位即可）

3、求数字控制器的输出U （K ）并画出输出波形（要求计算出前四位即可）

4、求系统的输出C （K ）并画出输出波形（要求计算出前四位即可）

1-e -TS

（四）计算机控制系统如图所示，零阶保持器的传递函数为, 对象的传递函数为S

510, 采样周期T=1S ,输入信号分别为： 单位阶跃 R (Z ) = -11-Z S (S +1)

1、试求系统广义对象的Z 传递函数

2、试设计上述输入下的最少拍有纹波系统的D （Z ）（要求小数点后两

）

3、求数字控制器的输出U （Z ）（要求计算出前四位即可）

4、求系统的输出C （Z ）（要求计算出前四位即可）

补充填空题：

1、常用的I/O控制方式是

2、微型计算机控制系统中解决中断优先级的办法是，

雏菊链法 ， 专用硬件方式 。

3、满足实时控制要求的使用条件是外围设备的最短响应时间 。

4

5、I/O接口的编址方式为

6、提高CPU 总线驱动能力是因为 平偏高活‘1’电平偏低，造成系统工作不稳定，不可靠，抗干扰能力差，严重时甚至损坏

器件 。

7、输入端采样保持器与输出端模拟保持器相比，原理是但前者保

持时间 短 ，而后者 长 。

8、D/A转换器按工作方式分为 ，前者转换速度而后者转换速度 慢 。

9、如果按大林提出的简单修正算法来防止振铃现象，则对系统的稳态输出 无 影响，但

对系统的动态性能 有 影响。

10、同样位数的D/A转换器，在双极性输出幅值与单极性幅值相同的情况下，前者分辨

率

11、逐次逼近式A/D转换器与计数器式A/D转换器相比，转换速度

12、进入I/O通道的干扰按其对电路的作用形式，通常可分为和

13、当执行元件为步进电机时，PID 控制器宜采用

14、在选择PID 参数时，引出控制度的概念，当控制度等于

与模拟控制器的控制效果相当。

15、按二阶工程设计法设计数字控制器时，要使二阶系统输出获得理想动态品质，其闭

环系统满足的条件是 模：A(W)=1 、 相位移：Φ（w ）=0 ，此时推出的开环传

递函数为 积分惯性环节 ，且相位裕量大于 45度 。

16、对于快速随动系统采样周期应选得，而对于被控对象惯性较大的系统

采样周期应选得 大 。

17、对最少拍控制系统设计的具体要求是： 准确性要求对典型的参考输入信号，在到达稳态后，系统的采样点的输出值能准确跟踪输入信号且无静差 快速性要求在各种系统在有限拍内到达稳态的设计中系统准确跟踪输入信号所需要的采样周期应为最少 ； 稳定性要求数字控制器D(Z)必须在物理上可实现且闭环系统须是稳定

的 。

18、物理上可实现的系统其控制器当前的输出只与 与当前输入的信号 ， 以前的输入信号 ，以前的输出信号 有关，而与 将来的输入信号 无关。

19、最少拍有纹系统的缺陷之一是输出在采样点之间