自动控制综合设计-无人驾驶汽车计算机控制系统范文大全

第一篇：自动控制综合设计-无人驾驶汽车计算机控制系统

自动控制综合设计

——无人驾驶汽车计算机控制系统

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目 录

一 设计的目的及意义

二 智能无人驾驶汽车计算机控制系统背景知识

三 系统的控制对象

四 系统总体方案及思路 系统总体结构 2 控制机构与执行机构 3 控制规律 系统各模块的主要功能 5 系统的开发平台 6 系统的主要特色

五 具体设计 系统的硬件设计 2 系统的软件设计

六 系统设计总结及心得体会

一 设计目的及意义

随着社会的快速发展，汽车已经进入千家万户。汽车的普及造成了交通供需矛盾的日益严重，道路交通安全形势日趋恶化，造成交通事故频发，但专家往往在分析交通事故的时候，会更加侧重于人与道路的因素，而对车辆性能的提高并不十分关注。如果存在一种高性能的汽车，它可以自动发现前方障碍物，自动导航引路，甚至自动驾驶，那将会使道路安全性能得到极大提高与改善。本系统即为实现这样一种高性能汽车而设计。

二 智能无人驾驶汽车计算机控制系统背景知识

智能无人驾驶汽车是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能汽车的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆已经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。

通过对车辆智能化技术的研究与开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全通畅、高效。对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性。智能车辆的主要特点是以技术弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶。

三 系统的控制对象

（1）系统中心控制部件（单片机）可靠性高，抗干扰能力强，工作频率最高可达到25MHz，能保障系统的实时性。

（2）系统在软硬件方面均应采用抗干扰技术，包括光电隔离技术、电磁兼容性分析、数字滤波技术等。

（3）系统具有电源实时监控、欠压状态自动断电功能。（4）系统具有故障自诊断功能。

（5）系统具有良好的人性化显示模块，可以将系统当前状态的重要参数（如智能车速度、电源电压）显示在LCD上。

（6）系统中汽车驱动力为500N时，汽车将在5秒内达到10m/s的最大速度。

四 系统总体方案及思路 系统总体结构

整个系统主要由车模、模型车控制系统及辅助开发系统构成。

智能车系统的功能模块主要包括：控制核心模块、电源管理模块、路径识别模块、后轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、速度检测模块、电池监控模块、小车故障诊断模块、LCD数据显示模块及调试辅助模块。每个模块都包括硬件和软件两部分。硬件为系统工作提供硬件实体，软件为系统提供各种算法。控制机构与执行机构

智能车主要通过自制小车来模拟执行机构，自制小车长为34.6cm，宽为24.5cm，重为1.2kg，采样周期为3ms，检测精度为4mm。

控制机构中，主控制核心采用freescale16位单片机MC9S12DG128B。系统在CodeWarrior软件平台基础上设计完成，采用C语言和汇编语言混合编程，提供强大的辅助模块，包括电池检测模块、小车故障诊断模块、LCD数据显示模块以及调试辅助模块。在路径识别模块，系统利用了freescaleS12系列单片机提供的模糊推理机。控制规律

因为系统电机控制模块控制小车的运动状态，其在不同阶段特性参数变化很大，故采用数字PID控制器，该控制器技术成熟，结构简单，参数容易调整，不一定需要系统的确切数字模型。系统各模块的主要功能

控制核心模块：使用freescale16位单片机MC9S12DG128B，主要功能是完成采集信号的处理和控制信号的输出。

电源管理模块：对电池进行电压调节，为各模块正常工作提供可靠的电压。路径识别模块：完成跑道信息的采集、预处理以及数据识别。后轮电机驱动模块：为电机提供可靠的驱动电路和控制算法。转向舵机控制模块：为舵机提供可靠的控制电路和控制算法。速度检测模块：为电机控制提供准确的速度反馈。

电池监控模块：对电池电量进行实时监控，以便科学的利用，保护电池。小车故障诊断模块：对小车故障进行快速、准确的诊断。LCD数据显示模块：显示系统当前状态的重要参数。调试辅助模块：使得小车调试更加方便。系统的开发平台

系统软件开发平台采用CodeWarrior for S12，CodeWarrior是Metrowerks公司的，专门面向Freescale所有的MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具，CodeWarrior for S12是面向以HC12或S12为CPU的单片机嵌入式应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。系统的主要特色

（1）系统中引用了模糊推理机

模糊推理机是freescaleS12单片机一个重要的内部资源，利用模糊推理的三个步骤——模糊化、模糊逻辑推理、反模糊化，可以从路径传感信号，推理出精确的控制量。

（2）系统中采用了数字滤波技术

数字滤波技术可靠性高、稳定性好、具有很强的灵活性、可以根据不同的干扰情况，随时修改滤波程序和滤波方法。

五 具体设计 系统的硬件设计

系统硬件系统框图如下：

以下按各模块来分别设计本硬件电路：（1）电源管理模块

电源管理模块的功能对电池进行电压调节，为各个模块正常工作提供可靠的工作电压。电源管理模块采用7.2V、2000mAh镍镉电池以及LM2576（5V），LM317（6V）稳压芯片构成。

（2）微处理器

微处理器是freescale公司推出的S12系列增强型的16位单片机MC9S12DG128，该系列单片机在汽车电子领域有着广泛的应用。

（3）路径识别模块

路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，其设计的好坏直接影响到智能车控制系统的性能。目前能够用于智能车辆路径识别的传感器主要有光电传感器和CCD/CMOS传感器。本设计红外发射管和红外接收管以及达林顿管ULN2803A作为路径识别的传感器。采用双排传感器的策略，第一排传感器专门用于识别路径以及记忆路径的各种特征点，第二排传感器专门用于识别起始位置与十字交叉路口，由于不同传感器的功能不一样，因此它们的布置与安装位置也是不同。传感器的设计主要包括传感器布局，传感器间隔距离，径向探出距离，信号的采集几部分构成。

（4）后轮驱动和速度检测模块

智能车前进的动力是通过直流电机来驱动的，本设计的驱动直流电机的型号为RS—380SH，输出功率为0.9W—40W。在实际生活中，我们可能遇到弯道，为了能使模型车在过弯道的时候能快速地把速度减下来，电机驱动部分采用了两块MC33886组成的全桥式驱动电路，可以控制电机的反转以达到制动的目的。

在闭环控制系统中，速度指令值通过微控制器变换到驱动器，驱动器再为电机提供能量。速度传感器再把测量的小车的速度量的实际值回馈给微控制器。以便微控制器进行控制。因此要对控制系统实行闭环控制，必须要有感应速度量的速度传感器。常用的有轴编码器，它主要用来测量旋转轴的位置和转速。

（5）转向舵机模块

凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。本设计采用的舵机型号为HS—925（SANWA），尺寸为39.4*37.8*27.8，重量56kg，工作速度0.11sec/60（4.8V），0.07sec/60（6.0V），堵转力矩6.1kg。一般来讲，舵机主要由以下基本分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。其中，直流马达提供了原始动力，带动减速齿轮组，产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，输出扭力也愈大，越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。在设计中，为了提高舵机的响应速度和工作力矩，采用6.0V工作电压。

（6）电源电压检测模块

智能车采用镍镉电池供电，由于镍镉电池具有记忆效应，对电池的不完全放电会认为降低电池的电容量，同时深度放电又会导致电池内部结构变化，造成对电池的永久损害，因此，在智能车控制系统中加入电源监控模块，当电池电压低于6V时及时自动报警，并切断电路，用来保护电池。本模块用到的主要器件为光电耦合芯片TLP521—2以及运算放大器LM324。

（7）液晶显示模块

为了完善智能车控制系统的功能，使其更加人性化，同时为了方便测试，在设计中，加入液晶显示模块，把智能车系统当前状态的一些重要参数显示出来。本模块用到的器件为LCD控制器HD44780。

（8）辅助调试模块（红外遥控）

在智能车调试阶段，小车经常出现启停的情况，例如高速行驶的小车有时因为异常情况冲出跑道，以这样的速度碰到周围的障碍物上，势必损坏小车的部件，这个时候就需要小车立刻停下来。为此，在智能车系统上添加红外遥控模块，当想启动小车或者想让小车停止时，只需要按下遥控器上的按键，就可以很方便实现小车的启停。本模块主要用红外接收器HS0038A和红外遥控器来进行遥控控制。

（9）故障诊断模块

小车的故障诊断模块原理很简单，就是利用单片机的SCIO口，通过RS—232接口与上位机连接起来，通过软件编程，小车不断的向上位机发送代码，通过故障代码就可以马上诊断出故障源。系统的软件设计

在智能车系统中，软件系统主要有以下几个部分：路径识别算法、后轮驱动电机控制算法、转向舵机控制算法、速度检测等。单片机系统需要接收路径识别电路的信号、车速传感器的信号，采用某种路径搜索算法进行巡线判断，进而控制转向伺服电机和直流驱动电机。控制策略的选择对于小车的行驶性能是非常重要的，控制小车的最终目的就是要使小车在平稳行驶的前提下，尽可能地以最快速度和最短的路线行驶。下面简要介绍各模块的软件算法。

（1）后轮驱动电机控制算法

电机控制算法的作用是接受指令速度值，通过运算向电机提供适当的驱动电压，尽快尽量平稳地使电机转速达到速度值，并维持这个速度值。换言之，一旦电机转速达到了指令速度值，即使遇到各种不利因素的干扰下，也应保持速度值不变。

因此我们采用数字控制器的连续化设计技术PID控制算法来控制本部分电路。

① 数学模型的设定

我们设定系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且认为汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动方向相反。这样，我们就可以用以下模型来仿真之。

根据牛顿运动定律，该系统的动态数学模型可表示为：

mabvuyu

我们对系统的参数进行设定，设汽车质量m=1000kg，比例系数b=50N*s/m，汽车驱动力u=500N。

根据系统的设计要求，系统中汽车驱动力为500N时，汽车将在5秒内达到10m/s的最大速度。同时我们可以将系统的最大超调量设计为10%，静态误差设计为2%。

② 系统的开环阶跃函数表示

为了得到系统的传递函数，我们进行拉普拉斯变换。假定系统的初始条件为零，则：

msV(s)bV(s)U(s)Y(s)V(s)

所以系统的传递函数为：

Y(s)1 U(s)msb运用MATLAB编程实现该传递函数模型： m=1000 b=50 u=500 num=[1] den=[m b] sys=tf(num,den)step(u*sys)title('系统开环节跃响应曲线')

从图上我们看出，系统不符合5秒的上升时间要求，故需要加上合适的控制器。

③ PID控制器的设计 PID控制器的传递函数为：

KDs2KpsKIKIU(s)1 D(s)Kp(1TDs)KpKDsE(s)TIsss我们运用凑试法来确定PID的各参数。

首先我们确定采样周期。采样周期的选择既不能过大也不能过小，过小会使采样频率较高，一方面会加重单片机的负担，另一方面两次采样值的偏差变化太小，数字控制器的输出值变化不大。同时采样周期也不能太大，太大会降低PID控制器的准确性，从而不能正常发挥PID控制器的功能。综上所述，我们首先选择T=0.2s来进行实验，如果效果不好，我们在对其进行微调。

然后我们进行比例控制器的设计。比例控制器一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。我们首先设定Kp=100，则程序与仿真图为：

nc=100;dc=1;dd=tf(nc,dc)dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin')sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1)step(500*syscld);title('比例控制器作用下的阶跃响应（驱动力为500N）')

从图中可以看出，系统静态值太高，而且上升时间也远远不能满足设计要求。我们改变汽车驱动力为10N，再次进行仿真，仿真结果如下（程序中只需改动step语句为step（10* syscld）即可）：

我们看到系统静态值虽然产生了较大幅度的下降，但仍然不能满足要求。我们再将Kp从100逐步增加，直至改为1500进行测试（程序改动为nc=1500），我们发现此时仿真静态值与静态误差以及上升时间已基本满足系统需求，从而我们完全可以通过继续增加比例系数来调节系统特性，进而理论上可以省去积分环节。但是随着比例系数的增加动态过程将让人不满意，其动态变化将过快，从而给驾驶人员带来身体上的不适（图二为比例系数增至5000时的仿真波形，我们发现在0.1s的时间内，汽车速度将从2m/s骤增至5m/s），所以我们从人性化角度考虑，增加积分环节：

图二 积分环节的加入可以调节系统的静态误差。我们设定Kp=1000，Ki=10,此时程序和仿真图形如下：

nc=[1000 10] dc=[1 0] dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);step(10*syscld，10);title('比例积分控制器作用下的阶跃响应')

我们可以看到，此时静态误差过大，我们调节积分系数为50（改变程序为nc=[1000 50]），再次仿真：

我们看到系统已基本实现设计要求，实际设计中可以不加入微分环节。鉴于此次设计为课程设计，为保证设计完整性，我们在加入微分环节来观察一下微分环节对系统性能的影响。

设Kd=10，则程序为： nc=[10 1000 50] dc=[1 0] dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,0.1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,0.1,'tustin');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);step(10*syscld,10);title('比例积分微分控制器作用下的阶跃响应')

我们发现此图与上图区别不明显，即微分作用不明显，我们将微分系数更改为500（程序更改为nc=[500 1000 50]）：

我们清楚的发现，系统初始值明显变大，即微分作用可以加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

当采样周期改为T=1s时，系统程序与仿真波形为： nc=[500 1000 50] dc=[1 0] dd=tf(nc,dc);dz=c2d(dd,1,'tustin')np=1;dp=[1000 50] g=tf(np,dp)gd=c2d(g,1,'tustin');sysold=dz*gd;syscld=feedback(sysold,1);step(10*syscld,10);title('比例积分微分控制器作用下的阶跃响应 T=1s')

我们可以看到效果远远不如T=0.1s时的情况。所以综上所述，我们设计的PID控制器的传递函数为：

D(s)U(s)1000s50，采样周期为T=0.1s。E(s)s然后，我们利用数字控制器的离散化设计步骤来设计本系统。通过前面的分

Y(s)1析，我们知道被控对象的连续传递函数为：。其中，m=1000，b=50。U(s)msb1eTs因为零阶保持器的传递函数为：H(s)。所以得到广义对象的脉冲传递

S函数为：

1eTs11G(z)Z[*](1z1)Z[]

s1000s50s(1000s50)11111

(1z1)Z[*]*(1z1)*20*Z[]

1000s(s1)1000ss120201(1e)z110.0488z1]*

[ 11505010.9512z1e20z1120对单位脉冲输入信号的十倍，R(z)下：

10，选择 (z)z1。仿真程序如11zG=tf([0,0.0488,0],[50,47.56,0],1,'variable','z^-1')H=tf([0,1,0],[1],1,'variable','z^-1')R=tf([10,0,0],[1,-1,0],1,'variable','z^-1')Y=R*H figure(1)impulse(Y)He=1-H E=He*R D=H/(G*(1-H))U=E*D figure(2)impulse(U)

从图中可以看出，在十倍的单位阶跃信号，采样周期为1s时，只需一拍输出就能跟踪输入，误差为零，非常好的达到了系统的设计要求。

然后，我们再看一下增量型PID控制器的效果： 当比例积分微分系数不变时，程序如下： kp=1000 ki=50 kd=500 G=tf(1,[0,1000,50])Gd=c2d(G,0.1,'z')[num,den]=tfdata(Gd,'v')u_1=0 u_2=0 y_1=0 y_2=0 e_1=0 e_2=0 q0=kp+ki*0.1+kd/0.1A q1=-kp-2*kd/0.1 q2=kd/0.1 for k=1:1:1000 t(k)=k*0.1 r(k)=10 y(k)=1-den(2)*y_1+num(2)*u_1 e(k)=r(k)-y(k)u(k)=q0*e(k)+q1*e_1+q2*e_2 u(k)=u_1+u(k)u_2=u_1 u_1=u(k)y_2=y_1 y_1=y(k)e_2=e_1 e_1=e(k)end plot(t,y)程序运行结果为：

我们可以清楚地看到，除超调量超过系统要求外，其余要求均符合系统初始条件，我们可以通过增加微分系数来减小超调，直至使其满足系统要求。

（2）路径识别模块的软件设计 路径识别模块的工作框图见下页。

智能车路径识别算法是智能车软件设计中最关键的一部分，智能车设计的大部分工作都是围绕它来展开的。路径识别算法概括起来有两种：一种是静态识别，所谓静态识别就是只根据小车的当前时刻的输入量来识别小车的位置；另一种是动态识别，所谓动态识别就是根据小车的当前时刻以及前面的N个时刻的信号输入量来识别小车的运动趋势。

路径识别主要运用MC9S12DG128B内部的模糊推理机运用模糊逻辑的基本知识来实现。

本模块也可以用数字PID控制算法来实现，鉴于后轮驱动电机控制算法已详细的运用了PID来讲述之，此处不再赘述。此处运用PID的思想即通过与数字地图比较偏差，从而不断调整小车路线，达到路径识别的功能。

（3）数字滤波技术

在电动机数字闭环控制系统中，测量值yk是通过系统的输出量进行采样而得到的。它与给定值r（t）之差形成偏差信号ek，所以，测量值yk是决定偏差大小的重要数据。测量值如果不能真实地反映系统的输出，那么这个控制系统就会失去它的作用。在实际中，对电动机输出的测量值常混有干扰噪声，用混有干扰的测量值作为控制信号，将引起误动作，在有微分控制环节的系统中还会引起系统震荡，危害极大。

在本系统设计中，采用了移动平均滤波法。移动平均滤波法没计算一次测量值，只需采样一次，所以大大加快了数据处理速度，非常适合于实时控制。

移动平均滤波法是将采样后的数据按采样时刻的先后顺序存放在RAM中，在每次计算前先顺序移动数据，将队列前的最先采样的数据移出，然后将最新采样的数据补充到队列的尾部，以保证数据缓冲区里总有n个数据，并且数据仍按采样的先后顺序排列。这时计算队列中各数据的算术平均值，这个算术平均值就是测量值yk，它实现了每采样一次，就计算一个yk。

（4）转向舵机控制算法

舵机控制是智能车系统中很重要的一个环节，舵机控制的好坏也直接影响了小车的控制效果，舵机的控制信号为20ms的脉宽调制信号，其中脉冲宽度从0.5ms—2.5ms，相对应舵盘的位置为0—180度，呈线性变化。也就是说，给它一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。

（5）速度检测软件设计

速度传感器采用红外对射式传感器，传感器感应出与速度相关的脉冲后，接下来就要识别这些脉冲。有两种方法可以识别，一种是通过测量脉冲的宽度来识别小车的速度，另一种是通过计算一定时间内的脉冲的个数来识别小车的速度。本设计采用后一种方法。在本设计中利用了MC9S12DG128B内部的两个资源，分别是RTI中断和输入捕捉中断：通过RTI中断，可以控制一定的时间，这段时间是固定的；通过输入捕捉中断，来计算捕获脉冲的个数，最后通过在这段时间内捕获的脉冲个数来反映小车速度的大小。

六 系统设计总结及心得体会

该智能车控制系统智能化程度较高，使用操作简单，性能可靠；采用专用单片机控制系统，提高系统工作可靠性；智能化程度较高，在一定程度下，基本不用人工操作；采用LCD液晶显示，人机交互化程度较高。总体而言，为一质量较高的设计。这次控制器的设计，引发了我的很多思考。对控制对象施以控制的要求，以及具体实现后，在现实生活中的可以用具体事物实现。这次设计让我在理论与实际之间的概念转换上得到很大的启发。还有就是任何一项设计的具体实现是需要我们的耐心和细心。

第二篇：计算机控制系统论文

计算机控制技术的应用

xx（沈阳工业大学 研究生学院，辽宁省 沈阳市110000）

摘要：随着科学技术的发展，人们越来越多的用计算机来实现控制。近年来，计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、CRT显示技术、通信与网络技术和微电子技术的高速发展，给计算机控制技术带来了巨大的发展，因此，设计一个性能良好的计算机控制系统是非常重要的。计算机控制系统包括硬件、软件和控制算法3个方面，一个完整的设计还需要考虑系统的抗干扰性能，使系统能长期有效地运行。本文的主要目的就是在浅析计算机控制技术原理的同时，对计算机控制系统的发展趋势进行描述。关键词：计算机控制技术；原理；应用

中图分类号：TP29

文献标识码：A

文章编号：

The application of computer control technology

xxxxx(Shenyang University of Technology Shenyang 110000)

Abstract: with the development of science and technology, more and more people use computer to realize control.In recent years, computer technology, automatic control technology, measurement and sensor technology, the CRT display technology, communication and network technology and the rapid development of modern microelectronics technology, computer control technology on the development, therefore, to design a good performance of the computer control system is very important.Computer control system includes three aspects: hardware, software and control algorithm, a complete design also need to consider the anti-jamming performance of the system, the system can run effectively for a long time.The main purpose of this article is on the principle of computer control technology of shallow at the same time, the development trend of computer control system is described.Key words: computer control technology;The principle;application

1.计算机控制系统组成

计算机控制系统的组成计算机控制系统由硬件和软件两大部分组成。而一个完整的计算机控制系统应由下列几部分组成：被控对象、主机、外部设备、外围设备、自动化仪表和软件系统。1.1硬件部分

计算机控制系统的硬件构成将自动控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了典型的计算机控制系统。计算机控制系统由计算机(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。1.2 软件部分

软件系统是控制机不可缺少的重要组成部分。只有在适当的软件系统支持下，控制视才能按设计的要求正常地工作。控制机的软件系统包括系统软件和应

用软件两大类。系统软件是用于计算机系统内部的各种资源管理、信息处理相对 外进行联系及提供服务的软件。例如操作系统、监控程序、语言加工系统和诊断 程序等。应用软件是用来使被控对象正常运行的控制程序、控制策略及其相应的 服务程序。例如过程监视程序、过程控制程序和公用服务程序等。应用软件是在 系统软件的支持下编制完成的，它随被控对象的特性和控制要求不同而异。通常 应用软件由用户根据需要自行开发。随着计算机过程控制技术的日趋成熟，应用 软件正向标准化、模块化的方向发展。标准的基本控制模块由制造厂家提供给用 户，用户只需根据控制的要求，经过简单的组态过程即可生成满足具体要求的专 用应用软件，大大方便了用户，缩短了应用软件的开发周期。提高了应用软件的 可靠性。

2.计算机控制系统的特点

（1）结构上：计算机控制系统中除测量装置、执行机构等常用的模拟部件之外，其执行控制功能的核心部件是数字计算机，所以计算机控制系统是模拟和数字部 件的混合系统。

（2）计算机控制系统中除仍有连续模拟信号之外，还有离散模拟、离散数字等 多种信号形式。

（3）由于计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号，从而使 计算机控制系统与连续控制系统在本质上有许多不同，需采用专门的理论来分析 和设计。

（4）计算机控制系统中，修改一个控制规律，只需修改软件，便于实现复杂的 控制规律和对控制方案进行在线修改，使系统具有很大灵活性和适应性。

（5）计算机控制系统中，由于计算机具有高速的运算能力，一个控制器（控制 计算机）经常可以采用分时控制的方式而同时控制多个回路。

（6）采用计算机控制，如分级计算机控制、离散控制系统、微机网络等，便于 实现控制与管理一体化，使工业企业的自动化程度进一步提高。

3.计算机控制系统的控制过程

（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行数据分析和处理，并按已定的控制 规律决定进一步的的控制过程。

（3）实时控制：根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任 务。

4.计算机控制系统的设计过程

计算机控制系统的设计过程计算机控制体系的软件和硬件的组织构造是根 据它联系的设备不一样，有所改变的，他们的组织结构大致是一样地，可以涉及 到系统设计，控制任务，软件设计等。4.1系统方案设计

我们依据体系设计任务书进行总体方案设计，对体系的软件，硬件它们的构 造再考察它的要求，推算出合适它的的系统，组成一个新的系统。再时间很紧张 的时候可以拿现场的配件组合，再设计费用不到位的时候工作人员可以组织自己 设计的模式，但是要注意化风好软件和硬件的价格及时间，控制体系结构它的概括微型的处理器、存储器、选择好接线口、传感器、硬件的设计与调试的基本内容。4.2控制任务

我们要对超控设备进行调研，研究，了解工作程序是再体系设计1前应该做好的事，只有理解了它的要求，理解了它要接收的任务，涵盖体系的终极目标，数据流量还有准确度，现场的要求，时间的控制，我们要严格按照计划说明操控，实现整个系统操作。4.3软件设计 计算机软件的设计要依据体系规划的总意见，确定体系下所要完成的各种功能及完成这些系统性能的推理和时差序关系，并用合理组成部件表格画出来。他们是根据体系组成表格不同的功能，分别规划出相应的控制体系所需要的软件。例如仿真的量输入和仿真量输出及数据处理还有互联和打字版处理格式等。每一种表格都可以单独进行实验调试，各种表格分别实验调试好以后，再按工作路线图推理和时间顺序关系将他们正确组合、互相连接、实验和调试。

4.4现场安装调试

首先要按设计计划合理组装装，对体系结构进行大体的演练和比较准确的演练，结合演练的结构数据重置体系的置和储存数据进行软硬件的调试，他们的构件组成都可以在演练数据下用对演练数据进行试研的办法同时进行，同时他们要进行统一的实验及推理，仿真物体是这个体系验证的最基本要求，而好的体系的数据调整实试要在现场进行。

5.计算机控制技术在自动化生产线上的应用

工业机器手臂的自动化的冲压生产线运行循环路线可以简单概括为：上下料机构板材冲压。钢板物料的传送、线头板料清洗涂油、钢板板物料料位置校正、第一台压床冲压、下料机器手臂提取物料、压床再次冲压、依设计流程传到下一个工序、机器人收取物料并裁剪、把它输送到下一台压床、下一台机器人接着提取物料、把物料放到输送装置上，工人开始按规定型号堆积板材。用工业机器人的自动化的生产线，会更加符合现再经济发展的需求及技术方面的创新。机器人手自动的化生产线适用于现在大规模的生产的各个行业，也适合已有生产线实现全自动的业再次更新，工程机器人自动的生产线通过改变不同的软件，它可应用于很多车型生产，它的可控制性能很好，工业机器人体系组成包括上下料结构、清洗涂油机体系对各种型号的冲床兼上下料体系、物料输送体系。各个分体系连接间的电气化操控是按照统一操做控制和删减控制的原则，他们再不同附件的操控系统中，他们是应用了机械与构建操控的很有代表性的一个组成，他们每个级别都应用不一样的互联网工程和软硬件控制，以达到不同的设计效果实现自动化。各部分操控体系采用具有现场总线形式的PtC操控方法，他有独立操控和智能操控的特点。为确保控制体系正常运转，我们在车间总的线路全部采用西门子Proflbus总线及di数字化的局域计算机网络的分布式包交换技术体系。每个监督控制结构的PiC之间及PiC与上～个机械间的联系全部采用了现代化的集成板的局域电脑互联网的分布式包交换技术，供监控体系相互联系时应用。冲床机的运动中枢应连接Ethetnet csrd与机器人的操控体系联网，操控体系与工业机器人的联系方式是通过Proflbus．DP的总路线连接的他们实现了信息的互换和连接。连接体系采用了HMI SIEMENS的触摸技术，在每一个可操控的部件上都放置一个显示屏，它应用了Proflbus的数据连接。各个部件都安装了信息指示灯和紧急开关，屏幕可看到系统信息及显示错误出现在那里，与这个设备有联系的的i＼O 信号在HMi上显示，他们以红灯和黄灯区分。系统如果发现哪里有情况，将会鸣笛警报，显示屏上将会出现问题出现在那里，以便维修人员查找。这个体系还有演练数字场景的能力，在磨拟演练中，它的压力和转动速度可能会影响到生产还有可能会发生操作控制与机械运转不同步的可能，体系是通机器人的离线程序控制的机器人的运行路线，来减少生产现场的实验休整周期。机器人冲压设备再生产中使用面很广，他改变了传统的劳动模式，改善了劳动条件及强度，确保了生产的安全，提高生产的进度及产品的合格率，它不但材料的生产流程还减少了浪费，节约了时间，缩小了生产成本，随着生产线的制作、调试设备的周期设计时间不断提前，机器人自动化生产线越来越为汽车主机厂所接受，成为冲压自动化生产线的主流。

6.竖炉球团计算机控制系统

结合球团生产的特点，将竖炉球团T艺分解为四组，即配料烘干组、润磨旁路组、造球组、竖炉组根据现场的实际情况。系统的控制设备主要分布在总控室和现场设备控制站，其中竖炉组控制箱全部放在总控室。按照竖炉自动系统的控制要求和各设备的功能，系统可分为四层，各层设备和功能如下。

第一层为处于系统底层—— 检测元器件与执行机构。该层主要有电动蝶阀、放散阀、各种仪器仪表、变频器以及快切阀等。主要完成生产设备的操作和工艺参数的监测，执行来自PLC的程序指令，并做出相应的操作或显示实时监测数据参数。

第二层为PLC控制层，包括CPU模块，PS模块，DI、DO、AI、AO模块，ET200M模块和各种网络通信接口适配器等 主要完成整个系统PLC站的控制网络集成，负责接收从设备层传送的信息、数据和上位机控制的命令，并将这些命令再反馈到设备层，完成中央信息层与设备层之间的信息、数据、命令传输及交换

第三层为中央信息层，即上位机控制层。监控上位机是j台研华IPC一610H工控机(配有Windowsxp操作系统，并安装STEP75．4西门子编程软件和组态软件)，一台为操作员站，一台为T程师站，另外一台作为操作员站和工程师站的热备；两台彩色喷墨打印机和相关网络通信设备等组成。通过上位机，操作人员可以远程控制现场各设备的运行，完成实时监测参数和现场设备运行状态的控制，历史数据的记录、查看，报警与故障的提示和处理等功能

第四层为网络和其他外部保护设备 工业以太网交换机、不间断电源(UPS)、信号避雷器和隔离器，用于发生断电、雷击或电磁干扰等情况，各种设备仍能安全稳定地运行且信号正确无误传送。

7.总结

计算机控制就是用计算机对一个动态对象或过程进行控制。在计算机控制系统中，用计算机代替自动控制系统中的常规控制设备，对动态系统进行调节和控制，这是对自动控制系统所使用的技术装备的一种革新。通过大量的阅读关于计算机控制的文章，了解到了计算机控制与我们密切相关，无处不在。也随着社会的发展，人们也越来使用计算机来控制，对与一些企业来说使用计算机控制，虽然技术或者一些仪器需要大量的资金，但是从长远方面来看，它节省了人力物力。从算机控制的技术应用的方面的考虑，我认为计算机控制的技术发展潜力还是很大的，值得我们去学习去研究。总之，随着计算机软件技术的逐渐发展，计算机的操作控制正逐步的进入到生产的各个领域。所以我们要不断创新改革，创作出一个更好的控制体系是非常有意义的。

参考文献

[1]谢国民、付华.电气传动自动化[J].2009年第2期第31卷第40页 [2]马菲.仪器仪表学报[J].2013年第1期

[3]王文成、张金山等.控制工程[J].2011年第2期 [4] 李峰李超等.测控技术[J].2013年32卷1期 [5] 唐星元.仪器仪表学报[J].2012年第1期 [6]杨文光.控制理论及应用[J].2011年第2期 [7]李元春.计算机控制系统

第三篇：自动控制实验报告一-控制系统的稳定性分析

实验一 控制系统的稳定性分析

一、实验目的

1．观察系统的不稳定现象。

2．研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。

二、实验仪器

1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台

三、实验内容

系统模拟电路图如图

系统模拟电路图 其开环传递函数为:

G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)

式中 K1=R3/R2，R2=100K，R3=0～500K；T=RC，R=100K，C=1f或C=0.1f两种情况。

四、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。3.在实验项目的下拉列表中选择实验三[控制系统的稳定性分析]

5.取R3的值为50K，100K，200K，此时相应的K=10，K1=5，10，20。观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。再把电阻R3由大至小变化，即R3=200k，100k，50k，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K值，并观察U2的输出波形。

五、实验数据 1模拟电路图

2．画出系统增幅或减幅振荡的波形图。C=1uf时： R3=50K K=5：

R3=100K

K=10

R3=200K

K=20：

等幅振荡：R3=220k:

增幅振荡：R3=220k： R3=260k:

C=0.1uf时：

R3=50k:

R3=100K:

R3=200K:

第四篇：计算机控制系统期末总结

流量：1~3s温度：10~20s

液位：5~10s压力：1~5s

成分：10~20s位置：10~50ms

电流环：1~5ms速度：5~20ms

1at/T

s(1/T)lnaz za

sazataT eze

p单位阶跃：limz→11+G(z)=K

单位速度：limz→1T

（1−Z−1）G(z)

T2

（1−Z−1）G(z)=K vT单位加速度：limz→1

前向差分：s=z−1T=T2Ka 后向差分：s=

1−Z−1

1+Z−11−Z−1T双线性变换：s=∗T2

冲击不变D(Z)=Z[D(S)]

阶跃响应D Z = Z [1−e−TSS]D(S)

−1−1有纹波：Φ(Z)=Z−m u+cq+v−1z−（q+v−1））i=1 1−biz（c0+c1z

−1−1无纹波：Φ(Z)=Z−m w+cq+v−1z−（q+v−1））i=1 1−biz（c0+c1z

Smith补偿器： 1−z−N G0(Z)补偿后系统特征方程：1+D0 Z G0 Z = 0 状态反馈：ZI-(A-BK)判可控Wc求K

全维 ：ZI-(A-HC)判可观 WO T 求HT

G Z = C(zI−A)−1B+D

外部干扰：电网波动、大功率用电设备的启停、高压设备和电磁开关形成的电磁场、传输电缆的共模干扰

内部干扰：分布电容或分布电感的耦合、多点接地点的电位差、长线传输的波反射 作用途径：传导耦合、静电耦合、电磁耦合、公共阻抗耦合共模干扰抑制：变压器的隔离、光电隔离、浮地屏蔽

第五篇：计算机控制系统作业参考答案

《计算机控制系统》作业参考答案

作业一

第一章

1.1什么是计算机控制系统？画出典型计算机控制系统的方框图。

答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制.控制系统中的计算机是由硬件和软件两部分组成的.硬件部分: 计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备组成;软件部分: 软件是各种程序的统称，通常分为系统软件和应用软件。

被控制量 给定值偏差控制量被控对象 调节器

_

测量环节 计算机(数字调节器)

图1.3-2 典型的数字控制系统

1.2.计算机控制系统有哪几种典型的类型？各有什么特点。

答：计算机控制系统系统一般可分为四种类型：

①数据处理、操作指导控制系统；计算机对被控对象不起直接控制作用,计算机对传感器产生的参数巡回检测、处理、分析、记录和越限报警，由此可以预报控制对象的运行趋势。

②直接数字控制系统；一台计算机可以代替多台模拟调节器的功能，除了能实现PID调节规律外, 还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解藕控制，以及自适应、自学习,最优控制等复杂的控制。

③监督计算机控制系统；它是由两级计算机控制系统：第一级DDC计算机, 完成直接数字控制功能；第二级SCC计算机根据生产过程提供的数据和数学模型进行必要的运算，给DDC计算机提供最佳给定值和最优控制量等。

④分布式计算机控制系统。以微处理机为核心的基本控制单元，经高速数据通道与上一级监督计算机和CRT操作站相连。

1.3.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？

答：计算机控制系统与连续控制系统主要区别：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制。与采用模拟调节器组成的控制系统相比较，计算机控制系统具有以下的优点：

(1)控制规律灵活，可以在线修改。(2)可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标.(3)抗干扰能力强，稳定性好。(4)可以得到比较高的控制精度。(5)能同时控制多个回路，一机多用，性能价格比高。

(6)便于实现控制、管理与通信相结合，提高工厂企业生产的自动化程度.(7)促进制造系统向着自动化、集成化、智能化发展。

第二章

2.1.计算机控制系统有哪四种形式的信号？各有什么特点? 答：在计算机控制系统中，通常既有连续信号也有离散信号，这些信号一般是信息流,而不是能量流。可分为四种形式：⑴ 连续模拟信号：时间和信号的幅值都是连续的。

⑵ 阶梯模拟信号：时间是连续的，信号的幅值是阶梯形的。⑶ 采样信号：时间是离散的，信号的幅值是连续的脉冲信号。

⑷ 数字信号：信号的时间以及幅值都是离散的，且幅值经过了量化处理。

2.2.采样信号的频谱和原连续信号的频谱有何不同？

答：采样信号的频谱和原连续信号的频谱的区别：

①通常，连续信号带宽是有限的，频率的极限值wmax, 它的频谱是孤立的。采样信号的频谱是以ωs为周期的无限多个频谱所组成。

②∣y(jw)∣和∣y*(jw)∣形状相似。幅值只差一个比例因子1/T(又称为采样增益)。

2.3.计算机控制系统中的保持器有何作用，简述零阶保持器的特点。

答：保持器的原理是根据现在时刻或过去时刻输入的离散值,用常数、线性函数或抛物函数形成输出的连续值。零阶保持器有如下特性：

①低通特性：保持器的输出随着信号频率的提高，幅值迅速衰减。

②相位滞后持性：信号经过零阶保持器会产生相位滞后，它对控制系统的稳定性是不利的。

2.4.试求下例函数的Z变换：(采样周期为T)答：

（1）f(t)1(tT)（2）f(t)9t0t0t0

F(z)1z1 F(z)9Tz(z1)at2

a（3）f(k)0k1k1,2,3,k0e（4）f(t)0sin2tt0t0

F(z)za(za)F(z)zez2ze2aTsin2Tcos2Te2aTaT

2.5.设函数的La氏变换如下，.试求它们的Z变换: 答：

（1）F(s)s3(s2)(s1)（2）F(s)1(s5)Tze(ze2

F(z)zze2T2zzeT5T5T F(z))2

（3）F(s)1s3（4）F(s)10s(s1)2

F(z)Tz(z1)23 F(z)10Tz210(1eT)zT

2(z1)（5）F(s)10

s216F(z)2.5zsin4T2

z2zcos4T12.6已知函数的Z变换如下，.试求它们的y(kT): 答：（1）Y(z)zz2 1ky(kT)12(1)2 2（3）Y(z)2z(z1)(z2)y(kT)2(1)k4(2)k（5）Y(z)0.6zz2 1.6z0.6y(kT)1.5(0.6)k1.5(1)k（7）Y(z)z4(1z1)2 y(kT)k3 2.7求下列函数的初值和终值：

答：（1）F(z)2.7z z0.8y(0)2.7y()0

(z1)(z1)(ze)2）Y(z)z(z1)2

(z2)y(kT)2k1k

（4）Y(z)1

z(z0.2)y(kT)25(0.2)k

1（6）Y(z)13z3z1(10.5z1)(10.8z1)y(kT)3530.5k310.8k6

（8）Y(z)TeaTz

(zeaT)2y(kT)kTeakT

2（2）F(z)1.6zzz2

0.8z0.5y(0)1.6y()0

（

作业二

第三章

3.1 已知差分方程x(kT)ax(kTT)1(kT)，又知x(kT)0(k0);1a1.试用Z变换法求x(kT)和x(∞)。

x(kT)1a11ak答：

x()1a

3.2 已知F(z)z22z1.2z0.21 ,试用长除法和Z反变换法求解f(kT)。

答：f(kT)11.2z(0.2)41.24z5421.248z31.2496z4

kf(kT)(1)

k3.3 已知差分方程y(k1)2y(k)0,y(0)1，⑴ 用递推法求y(k)的前三项。⑵ 用反变换法求解y(k)。

答：（1）y(1)2ky(2)4y(3)8

（2）y(kT)(2)

3.4 用Z变换法求解下例差分方程: 答：（1）f(k1)f(k)ay(kT)(2)kk,f(0)0

（2）f(k2)3f(k1)2f(k)r(k)其中f(0)f(1)0，且k0 时f(k)0;0r(k)1k0k0,1,2,k

f(kT)k12

（3）y(k)2y(k1)k1 其中 y(0)1

10(2)13k9ky(kT)

3.5 利用劳斯判据，决定下列单位负反馈系统闭环稳定时，K的取值范围。（1）Gk(z)K(0.1z0.08)(z1)(z0.7)K(0.1z0.08)z(z1)(z0.7)答：0K3.75

(2)Gk(z) 答：0K1.23

3.6 已知下列系统的特征方程，试判别系统的稳定性。

（1）z1.5z90 答：系统不稳定。（2）z2z2z0.50 答：系统不稳定。（3）z1.5z0.25z0.40 答：系统稳定。

3.7 设离散系统的框图如图所示，试确定闭环稳定时K的取值范围.（其中T=1s,K1=2 T1=1)32322_题图3.7 单位反馈闭环系统框图

答：

HG(z)20.736(z1.717)(z1)(z0.368)zz(0.736K1.368)(0.3681.264K)0

0K0.5

3.8 用长除法或Z反变换法或迭代法求下列闭环系统的单位阶跃响应。（1）Gc(z)z0.53(zz0.5)2

答：y(kT)13r(kTT)1316r(kT2T)y(kTT)0.5y(kT2T)56y(3T)76 即：y(T)

y(2T)

（2）Gc(z)答： 0.5zzz0.52

Y(z)0.5z1z21.25z31.25z41.125z5z60.9375z7y(0)0,y(T)0.5,y(2T)1,y(3T)1.25,y(4T)1.25,y(5T)1.125 y(6T)1,y(7T)0.9375,

（3）Gc(z)0.05(z0.904)(z1)(z0.819)0.05(z0.904)

答： y(kT)0.05r(kTT)0.045r(kT2T)1.769y(kTT)0.864y(kT2T)

y(0)0,y(T)0.05,y(2T)0.183,y(3T)0.376,

3.9 开环数字控制系统如图所示，试求Y(z)、y(0)、y(∞).已知：E(s)1s

（1）数字调节器: u(k)u(k1)e(k1)

被控对象： Gp(s)1s

（2）数字调节器: u(k1)0.5e(k1)0.95e(k)0.995u(k)

1(s1)(s2)被控对象： Gp(s)答：（1）Y(z)Tz(z1)(z1)z2(z1)2

y()y(0)0

（2）Y(z)[zzeTz2(ze2T)]0.5z0.95z0.995

y()45y(0)0

3.10 设系统如图所示，试求系统的闭环脉冲传递函数。

_

答：

G(z)G1(z)G2(z)1G1(z)G2(z)

3.11 设系统如图所示，试求:（1）系统的闭环脉冲传递函数。（2）判定系统的稳定性。

（3）分别求系统对单位阶跃输入和单位斜坡输入时的稳态误差。

_ 答：

（1）GB(z)1.7z0.3z0.7z0.32

（2）系统稳定。（3）单位阶跃输入

ess0

单位斜坡输入时

ess0.5第四章

4.1 已知系统的运动方程，试写出它们的状态方程和输出方程：（1）y(3)5y(2)y2yu2u 答：

x10x202x3y1101015x10x21ux33

0x10x2x3

（2）y(3)3y(2)2yu

答：

x10x200x3y1102013x10x20ux31

0x10x2x3 2uu

（3）y(3)3y(2)2yyu(2)答：

x10x201 x3y1102013x11x21ux32

0x10x2x3

4.2 已知下列系统的传递函数, 试写出它们的状态方程和输出方程：（1）G(s)答：

x10x205 x35323s2s53s6s9s15322

103012x1x2x3x10x20ux31

y13

（2）G(s)答： 5s2s3s2s532

x10x205 x3y2102013x10x20ux31

5x10x2x32s1s7s14s832

4.3 已知系统的传递函数G(s)答：

x11x200x31y332 , 试写出其状态方程,使状态方程为对角阵。

020004x11x21ux31

x17x26x3

4.4 已知系统的传递函数G(s)答：

x11x200x3y12s6s5s4s5s2322 , 试写出其状态方程,使状态方程为若当标准型。

110002x10x21ux31

1x11x2x3

4.5已知下列离散系统的差分方程为：（1）y(k2)3y(k1)2y(k)4u(k)

（2）y(k2)5y(k1)3y(k)u(k1)2u(k)输出为y(k)， 试分别写出它们的状态方程和输出方程。

答：

x1(kTT)0x2(kTT)2y(kT)113x1(kT)0u(kT)x2(kT)4（1）

x1(kT)0x2(kT)

（2）

x1(kTT)0x2(kTT)3y(kT)115x1(kT)1u(kT)x2(kT)3

x1(kT)0x2(kT)

4.6 已知离散系统脉冲传递函数G(z)态方程。

答：直接程序法

x1(kTT)0x2(kTT)6y(kT)515x1(kT)0u(kT)x2(kT)1z2z1z5z622 ,试分别用直接程序法和分式展开法求系统的离散状

x1(kT)3u(kT)x2(kT)

分式展开法

x1(kTT)2x2(kTT)0y(kT)103x1(kT)1u(kT)x2(kT)1

x1(kT)4u(kT)x2(kT)

4.7 求解下系统的时间相应。已知：X答：

1x1(t)34t3

ex2(t)440301X(t), 初始状态X(0)=0 40

4.8 设系统的状态方程：X(k1)FX(k)Gu(k)y(k)CX(k)

0F0.1611,G,C1110

已知输入：u(k)=1 ,(k≥0)x1(0)1X(0) 初始状态: 

x2(0)1试求：（1）系统的状态转移矩阵F；(2)状态方程的解X(k)；(3)系统的输出y(k)。

答：（1）

4(0.2)(0.8)3kk0.8(0.2)0.8(0.8)3kkk(kT)Fk5(0.2)5(0.8)3

kk(0.2)4(0.8)3kk

（2）

x1(kT)3.185(0.8)2.83(0.2)1.389 kkx2(kT)1.956(0.8)0.567(0.2)0.389kk（3）

y(kT)x1(kT)3.185(0.8)2.83(0.2)1.389

kk

1X(k1)4.9 已知离散系统的状态空间表达式，0.2y(k)10.51.2X(k)u(k)10.5，初始状态X(0)=0 0X(k)试求系统的Z传递函数: G(z)答：

G(z)Y(z)U(z)Y(z)U(z)

1.2z0.95z2z0.92

0.44.10 已知离散系统的状态方程: X(kTT)0.60.60.6试判断系统的稳定性。X(kT)u(kT)，0.60.4答：系统稳定。

作业三

第五章

5.1已知连续系统的传递函数:（1）G(s)2(s1)(s2)；（2）G(s)sas(sb)，试用冲击不变法﹑阶跃不变法﹑零极点匹配法﹑双线性变换法、差分变换法，将上述传递函数转换为等效的Z传递函数.取采样周期T=0.1s.答：

（1）冲击不变法 G(z)2zzeaT2zze2T

z(z1)abb2（2）阶跃不变法 G(z)Tz2bab2b(z1)zzebT

5.2 已知比例积分模拟调节器D(s)=Kp+Ki/s ,试用后向差分法和双线性变换法求数字调节器D（z）及其控制算法。

答：后向差分法 D(z)Kp

双线性变换法 D(z)Kpz0.7z0.2KiT(z1)2(z1)KiTzz1

5.3 已知Z传递函数G(z)答：

G(ejT ,试分析其频率特性，并判断它是低通滤波器还是高通滤波器。)eejTjT0.70.222

G(ejT

()tg1)(cosT0.7)sinT(cosT0.2)sinT22sinTcosT0.7tg1sinTcosT0.2

具有高通特性。

5.4 已知系统的差分方程为: y(k)0.8y(k1)x(k)2x(k1), 其中x(k)为输入序列，y(k)为输出序列.试分析其频率特性.答：

G(ejT)eejT20.822jT

G(ejT

2)(cosT2)sinT(cosT0.8)sinT2()tg1sinTcosT2tg1sinTcosT0.8

具有高通特性。

5.5 已知低通滤波器D(z)0.5266zz0.4734 , 求D（z）的带宽ωm..取采样周期T=2ms。

答： m695弧度/s

5.6 已知广义对象的Z传递函数HG(z)0.05(z0.7)(z0.9)(z0.8),试设计PI调节器D(z)=Kp+Ki/(1-z)，使

-1速度误差ess=0.1，取采样周期T=0.1s。答： D(z)2.115

5.7 已知D(s)10.15s0.05s0.2351z1 ,写出与它相对应的PID增量型数字控制算法。

答： u(kT)20Te(kT)3e(kT)3e(kTT)u(kT)u(kTT)u(kT)

第六章

6.1 试述在最少拍设计中，系统的闭环Z传递函数Gc(z)和误差Z传递函数Ge(z)的选择原则。

答：最少拍设计中，系统的闭环Z传递函数Gc(z)和误差Z传递函数Ge(z)的选择原则：（1）为了保证D(z)的可实现性，应选择Gc(z)含有HG(z)的Z-r因子。

（2）为了保证D(z)的稳定性，应选择Gc(z)具有与HG(z)相同的单位圆上(除Z＝l外)和单位圆外的零点。

1（3）为了保证系统的稳定性，应选择Ge(Z)含有(1piz)的因子，pi是HG(z)的不稳定的极点。因为： Gc(z)D(z)HG(z)Ge(z)只能用Ge(z)的零点来抵消HG(z)中不稳定的极点.m（4）为了使调节时间最短(最少拍)，应选择Ge(z)中含有(1-Z-1)因子(m＝l，2，3)是典型输入信号Z变换R(z)中分母的因子。（5）保持Ge(z)与Gc(Z)有相同的阶次。Gc(z)1Ge(z)

6.2 最少拍控制系统有哪几种改进设计方法。

答：最少拍控制系统改进设计方法有：

调节器的设计方法的改进:惯性因子法，延长节拍法，换接程序法。

6.3 已知不稳定的广义对象：HG(z)2.2z1111.2z, 试设计单位阶跃作用下的最少拍调节器。

答：D(z)0.2z1.22.2(z1)

6.4 已知的广义对象Z传递函数: HG(z)最少拍无波纹调节器。

答：

D(z)0.83(10.286z10.78z110.265z1(12.78z11)(10.2z11)(1z)(10.286z)，试设计单位阶跃作用下的)20.12z

6.5 设系统的结构如下图所示，被控对象Wd(s)位阶跃作用下的最少拍调节器D(z)。

10s(10.1s)(10.05s),采样周期T=0.2s , 试设计单_

答：

HG(z)0.761z(1z1

(11.133z11)(10.047z)(10.135z111)1

D(z))(10.018z1)

0.616(10.018z(10.531z1)(10.135z1))(10.047z)

6.6 已知被控对象G(s)1s(s2),采用零阶保持器，采样周期 T=0.1s.试用W变换法设计数字调节器，要求相位裕度γ=50°,幅值裕度Kg>10dB,速度稳态误差系数Kv=5s

-1。

_

答：

GK(z)0.018K(z1)(z1)(z0.819)5w(112w)1GK(w)D(w)10.622w10.305w

D(z)1.92(10.851z(10.714z1))

6.7 已知被控对象的传递函数G(s)e10s100s1e10s，取采样周期 T=5s.试用大林算法设计数字调节器D(z),期望的闭环传递函数为Gc(s)20s11。

答： D(z)

4.51(10.951z10.779z1)30.221z