计算机控制技术

1、学习计算控制系统需要的相关知识有哪些？

答案：

数学基础知识：高等数学、复变函数、矩阵理论等

专业基础知识：自动控制原理、微机原理、电力电子技术、Matlab编程基础等

 

2、计算机控制系统是什么？

答案：

计算机控制系统就是由计算机参与并作为核心环节的自动控制系统，即应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

1、计算机控制系统的主要研究内容是什么？

答案：

主要从信号变换、对象建模与性能分析、控制算法设计、控制系统仿真、控制系统实现等5个方面系统讲述计算机控制系统分析和设计的基本理论和方法。

 

2、计算机控制系统的主要特点是什么？

答案：

结构混合：控制器是离散的，而被控对象一般是连续的；

信号混合：包括模拟信号、离散模拟信号、数字信号等。

 

3、计算机控制系统的性能指标主要有哪些？

答案：

计算机控制系统的性能指标主要有稳定性、稳态指标、动态指标、综合指标等。

 

4、计算机控制系统的基本类型有哪些？

答案：

计算机控制系统的基本类型主要有：操作指导型计算机控制系统、直接数字控制系统、计算机监督控制系统、集中式计算机控制系统、集散控制系统、总线控制系统、控制网络系统等。

1、计算机控制实验的基本要求是什么？

答案：

对课本中所涉及的计算机控制系统的相关理论进行仿真和控制实验研究，包括基础型实验，扩展型实验和研究型实验。

 

2、计算机控制系统中典型的被控对象类型有哪些？

答案：

有快过程和慢过程两种，快过程如电机调速运动控制系统，慢过程如炉温控制系统。

 

3、实验平台的“功能一体化”是何含义？

答案：

主要指计算机仿真与实际闭环控制的一体化，将仿真控制算法直接下载到控制器中，不必二次编程。

 

4、实验平台的“结构网络化”是何含义？

答案：

指被控对象与控制器之间通过远程网络联系起来，使实验者可以通过普遍存在的广域网络完成各种实验，并可以通过实时图像监视被控对象的运行过程。

 

5、实验平台的“场所便利化”是何含义？

答案：

指被控对象和控制系统小型化，安全性高、成本低，便于使用者携带和使用，在家中和宿舍等场所即可完成各种实验。

 

1、系统常规的性能指标一般包括哪些内容？
答案：
稳定性指标，稳态指标和暂态指标，有时还包括系统的抗干扰指标。
2、简述系统稳定性的基本概念
答案：
一个系统稳定是指该系统在平衡状态下，受到外部扰动作用而偏离平衡状
态，当扰动消失后，经过一段时间，系统能够回到原来的平衡状态。
线性系统的稳定性是由系统本身固有的特性决定的， 而与系统外部输入信号
的有无和强弱无关。
3、连续系统稳定性的条件是什么？
答案：
系统的特征方程的所有特征根， 亦即系统传递函数的所有极点都分布在 s 平
面的左半平面， s 平面的虚轴为稳定边界。
4、判断连续系统稳定的方法有哪些？
答案：
（1）代数判据：劳斯判据，胡尔维茨判据等
（2）根轨迹方法
（3）频率域方法：奈奎斯特判据，波特图法等

1、什么是稳态误差？系统的稳态误差与哪些因素有关？
答案：
稳态误差指系统过渡过程结束到达稳态以后， 系统参考输入与系统输出之间
的偏差。稳态误差是衡量计算机控制系统准确性的一项重要指标，一般与系统的
结构和参考输入有关。

1、 典型计算机控制系统的设计方法主要有哪几种？
答案：
主要设计方法或思路有两种： 一是利用我们比较熟悉并且积累了丰富经验的
各种模拟系统设计方法（也称连续域设计方法）设计出令人满意的模拟控制器，
然后将其离散化成数字控制器，这就是数字控制器的模拟化设计方法；二是首先
把模拟被控对象等连续部分离散化，然后直接在离散域设计数字控制器，这就是
所谓的离散化设计（直接设计）方法。
2、数字控制器为什么可以采用模拟化的设计方法？
答案：
在合理选择 A/D、 D/A 等环节的基础上，只要选择足够小的采样周期 T，计
算机控制系统就可以近视为连续系统， 计算机控制系统的设计就可以引用连续控
制系统的设计方法，设计出模拟控制器 D(s)后，对其进行离散化得到数字控制器
D(z)，由计算机实现数字控制器 D(z)。

3、改进的数字 PID 控制算法中积分分离作用是什么？
答案：
许多控制系统在开始启动、停车或较大幅度改变给定信号时，控制器的输入
端都会产生较大的偏差（系统的给定和输出信号之间的偏差），如果采用 PID 控
制器， 则 PID 控制算法中积分项经过短时间的积累就将使控制量u(k)变得很大甚
至达到饱和（执行机构达到机械极限），这时的控制系统处于一种非线性状态，
不能根据控制器输入偏差的变化按预期控制规律来正确地改变控制量。 由于积分
项很大，一般要经过很长时间误差才能被减下来，因此系统会产生严重的超调。
这种现象是实际控制系统所不能容忍的，必须加以改进。

1、控制器设计中“零极点不能对消”是何含义？
答案：
含义有两方法：
（1）被控对象不稳定的极点不能用控制器不稳定的零点来对消，否则当被
控对象的模型参数发生变化时，控制系统将不稳定（系统输出发散）；
（2）被控对象不稳定的零点不能用控制器不稳定的极点来对消，否则控制
器的输出将发散，控制系统将不稳定。
2、什么是“纹波”现象？原因为何？
答案：
“纹波”是指当控制系统到达稳态后，系统的输出在采样点之间围绕参考输
入波动的现象。
造成纹波现象的原因是：控制系统到达稳态后，控制器的输出不稳定，仍然
呈现出一种衰减震荡的现象。

1、如何解决最小拍控制器的“纹波”问题？
答案：
在被控对象模型中包含足够多积分环节的前提下， 将被控对象所有的零点都
放在在给定的闭环系统传递函数模型的零点因子式中， 从而使系统达到稳态后使
控制器的输出为常值。
2、解释“阻尼因子法”？
答案：
阻尼因子法的基本思路是：在最小拍控制系统设计的基础上，通过在系统的
闭环脉冲传递函数中，引入附加的极点因子，又称为阻尼因子，使系统输出偏差
不立即为 0，而是呈现一定的阻尼衰减特性，逐渐归 0。这样的话，系统输出响
应的过渡过程时间将会有一定程度的增加， 但整个系统的输出响应特性显得比较
平稳，对不同输入信号的适应性也会有所改善。

1、大林算法控制器设计时，给定闭环系统传递函数模型离散化时为何要加入零
阶保持器？答案：
（1）加入零阶保持器，能够保证离散前后的闭环系统的阶跃响应相等
（2）不加零阶保持器，只能保证离散前后的闭环系统的脉冲响应相等
2、何为“振铃”现象？原因为何？
答案：
“振铃”现象指数字控制器的输出以 1/2 采样频率大幅度衰减振荡的现象。
造成纹波现象的原因是：闭环系统的控制量传递函数模型 Wu(z)有或有接近
于 z=-1 的极点，将引起输出序列 u(k)的振荡。

1、消除或者削弱“振铃”现象有哪些方法？各方法有何特点？
答案：
（1）找出控制器模型中的振铃因子，并令其中的 z=1，使该振铃因子式变
成一个常值项。该方法可以消除振铃现象，但是改变了控制器的结构，引起系统
动态性能的变化；
（2）合理选择给定的闭环系统传递函数模型中的时间常数和系统的采样周
期，可以达到削弱振铃现象的目的。该方法不改变系统的动态性能，但是不能消
除振铃现象。
2、如何理解“分数时滞”问题？
答案：
课程中的“分数时滞”问题是指：按照经典大林算法所设计的控制器模型，
是基于纯滞后时间是采样周期整数倍的前提条件的； 当被控对象的纯滞后时间发
生变化，是采样周期的非整数倍时，整个闭环系统的稳定性将会变差，甚至使系
统不稳定。
分数时滞影响系统稳定性的原因在于闭环系统的特征根是分数时滞的函数，
分数时滞的变化将会使闭环系统特征根的位置发生变动， 从而影响了系统的稳定
性能。
解决方法是通过合理选择给定的闭环系统的时间常数与系统采样周期， 保证
闭环系统的决定稳定性。

1、什么是极点配置设计方法？
答案：
根据给定的闭环系统极点得到性能期望的特征方程， 再根据闭环系统的结构
推导得到实际的闭环系统特征方程，脉冲传递函数模型，然后令二者恒等，即可
实现极点配置的目的。
2、为何研究状态反馈，而不是输出反馈？
答案：
状态反馈可以实现闭环极点的任意配置，而输出反馈不能，一般来说，输出
反馈是是状态反馈的特例。
3、什么是系统能控性和能观性？
答案：
能控性: 是系统控制作用对系统行为控制影响的可能性；
能观性: 指由系统输出量能否完全确定系统状态的可能性。
系统的能控性和能观性是系统的一种内在行为， 分别反映系统控制作用和系
统状态以及系统输出量之间的特征关系，都是由系统本身的结构和参数决定的。

1、建立离散系统的状态空间模型有何途径？
答案：
有三种途径：（1）由连续系统状态空间模型求取；（2）由差分方程求取；（3）
由脉冲传递函数求取。
2、连续系统能控能观，对应的离散系统特性如何？
答案：
受采样周期的影响，一个能控能观的连续系统，其对应的离散系统不一定能
控能观；反之，一个能控能观的离散系统，其对应的连续系统一定能控能观。
3、差分方程、脉冲传递函数与离散状态空间模型的对应关系为何？
答案：
一般来说，差分方程与脉冲传递函数是一一对应的关系，而二者与离散状态
空间模型不一一对应；一种形式的差分方程和脉冲传递函数模型，可以有无数种
形式的离散状态空间模型与之对应。

1、开环观测器存在什么问题？
答案：
（1）系统本身不稳定时无法使用；（2）估计状态逼近真实状态的速度无法调整。
2、为何要研究降阶观测器？
答案：
由于系统的状态变量中， 有一部分可以测量得到， 因此对于该部分状态变量，
不必再进行状态估计，在系统无测量噪声的条件下，可以直接使用。
3、三种观测器的选择条件为何？
答案：
无测量噪声时，选用降阶观测器，否则选用全阶观测器。对于全阶观测器，
若计算时间与采用周期处于同一数量级，则选用预报观测器，否则选用现时观测
器。

简述控制极点和观测器极点的作用。
答案：
闭环系统的性能主要取决于控制极点， 亦即控制极点应是闭环系统的主导极
点；而观测器极点的引入通常将使系统性能变差。
3、什么是分离性原理？
答案：
调节系统控制器包括控制规律和状态观测器两部分，二者可以分开设计，合
起来使用，闭环系统的稳定性不变。
4、随动系统控制器的设计思路是什么？
答案：
在调节系统控制器设计的基础上，设计随动系统的控制器。具体步骤为：
（1）设计调节系统控制器：控制规律和观测器；
（2）在调节系统控制器中以适当的方式引入参考输入，构成随动系统控制
器。
其中适当的方式是指：调节系统与随动系统的闭环系统特征方程相同。

ref：

https://www.icourse163.org/learn/NEU-1001765003?tid=1465480462#/