计算机控制系统实时性的改善措施

第一篇：计算机控制系统实时性的改善措施

Hefei University

计算机控制技术

课程题目： 计算机控制系统实时性的改良措施

姓 名： 111 学 号: 11111

指导老师： 11111

摘要：实时系统是能够在确定的时间内执行计算或处理事务并对外部事件作出响应的计算机系统。对很多嵌入式系统来说，一个设计良好的实时操作系统(RTOS)可以让开发工程师掌握系统执行任何任务或响应任何关键事件的时间，满足系统实时性要求。为了理解RTOS如何通过系统调度策略实现实时性要求，本文介绍了抢占式调度、可抢占的内核、优先级继承和中断处理等概念。

Abstract: real-time system is able to the determination of the time or processing performs calculations and a response to external affairs events of the computer system.For many embedded systems for, a design good real-time operating system(RTOS)can let the development engineers grasp the system to carry out any task or response to any of the key events of the time, meet the system in real-time.In order to understand how RTOS through the system to realize real-time scheduling strategy, this paper introduces the pre-emptive scheduling, but the core of preemption, priority concepts such as inherit and interrupt handling.关键字：计算机、控制系统、实时性、措施

正文：

1.RT-Linux的系统结构

RT-Linux的基本思想就是使Linux运行在实时核心之下，见图1。RT—Linux是一个可加载的核心模块。一个小的RT-Linux实时内核同原来的Linux内核共同控制处理器。实时内核直接管理硬件中断，因此实时内核操纵着机器的响应时间，原来的Linux就无法影响实时任务了。在RT-Linux中设计了两类中断。软中断是正常的Linux中断，硬中断则是真正的实时中断，执行时几乎没有任何延迟。实现时，RT-Linux是通过在 Linux核心和中断处理器之间设计一个仿真软件来达到其目的的。

实时中断不经过中断仿真器，标准Linux的所有硬件中断首先被中断仿真器捕获，所以也根本无法影响实时进程的处理。当实时内核禁止中断时，仿真器中的一个标志位被置0。当有其它非实时中断产生时，仿真器检查那个标志位，如果为0，说明不允许中断，否则可以立即执～Linux中断处理程序。筒而言之，Linux不能中断自身，但是RT-Linux可以中断Linux，这也就达到了所谓的”RT—Linux的核心可抢占机制”。实时任务与普通进程之间的通信是通过封锁，释放队列来完成的。具体地说就是当有实时任务要完成时，实时操作系统运行实时内核下的任务；当没有实时任务时，实时内核调度 Linux运行。所以Linux是实时内核中优先级最低的一个任务。

目前为止，在RT-Linux中采用两种调度策略。一种是基于优先级的抢占式调度算法；另一种是lsmaelRipoll实现的 EDF（EarliestDeadlineFirst）算法。对于周期性任务可以采用单调率调度算法，即周期短的任务能够获得较高的优先级。调度策略将 Linux视为赋予最低优先级的实时任务。

Linux仅仅在实时系统没有其它任务时运行。Linux和实时任务之间的转换依据上述提及的软中断状态而定。RT-Linux通过这样一种设计方法，将标准的Linux核心改成一个可抢占的、具有低延迟中断处理的实时系统。

2.提高实时操作系统的实时性能和可靠性策略

对很多嵌入式系统来说，一个设计良好的实时操作系统(RTOS)可以让开发工程师掌握系统执行任何任务或响应任何关键事件的时间，满足系统实时性要求。为了理解RTOS如何通过系统调度策略实现实时性要求，本文介绍了抢占式调度、可抢占的内核、优先级继承和中断处理等概念。在设计工业控制系统或医疗设备时，大部分工程师和系统设计工程师会认为采用RTOS是必需的。然而，网际路由器、车载娱乐系统和多媒体设备等普通应用还需要采用RTOS吗？像Linux或Windows这样的通用操作系统是否就能胜任呢？通常，这些产品需要采用RTOS，但是这个问题常常直到设计阶段的后期才能意识到。RTOS对于很多嵌入式系统来说不但是有益的，而且也是必要的，认识到这一点很重要。例如，一个播放如MPEG格式电影的设备，如果依靠软件来实现其整个内容传输，可能会出现用户难以接受的高丢帧率。然而，通过使用RTOS，系统设计工程师能够准确地控制软件过程的执行顺序，从而保证按照给定的媒体速率进行播放。上述大部分情况适用于用户希望对输入做出立即响应的系统。通过RTOS，开发人员能够保证由用户的操作总能得到及时的响应，除非一个更重要的操作(如一项有助于保障用户安全的操作)必须首先执行。总之,一个好的RTOS支持开发人员控制系统执行任何任务或对任何重要事件做出反应的时间，并且能够以一种可以预测并且完全一致的形式满足任务执行的最终期限要求。但是，如果RTOS崩溃，这些最终期限就不能被满足。因此，RTOS必须提供高度的可靠性。特别是它必须提供在不需要重启的情况下，从软件故障中快速并智能恢复的机制。

3.抢占式调度

在像Linux这样的通用操作系统中，在对线程和进程的CPU占用上采用了“公平”调度策略。这样的策略能够提供良好的整体表现，但是不能保证高优先级、对时间要求严格的线程将优先于低优先级的线程执行。事实上，操作系统有时甚至会中断高优先级的线程来为低优先级线程提供CPU时间。其结果可能造成对时间要求严格的线程很容易地错过它们的最终期限，甚至在一个高速的高端处理器上运行时也会出现这种情况。而在RTOS中，线程按照其优先级顺序执行。如果一个高优先级的线程准备运行时，它将在一个短的、有限时间间隔内从任何可能正在运行的低优先级进程接管CPU。另外，高优先级的线程能够不被中断地运行，直到它已经完成了需要做的事情－当然是在不被更高优先级进程抢占的前提下。这种方法就是抢占式调度，保证了高优先级线程始终满足其最终期限，而不管有多少其它线程正在竞争CPU时间。通过合理地控制线程优先级，开发者能显著地提高很多对用户非常重要的应用响应速度。然而，控制优先级可能是一把双刃剑，当使用不当时它可能会潜在地导致低优先级的进程不能得到CPU时间。保证高优先级的进程和线程的同时确保不会使其它进程处于“饥饿”状态的关键是要对它们的执行进行限制，通过对执行进行调整或在响应加载的过程中进行控制，开发人员能够限制这些活动消耗的CPU时间比例，并支持低优先级进程获得对CPU的共享。优先级控制能够使很多应用受益，包括像前面提到的媒体播放器(MP3、WAV、MPEG2等格式)。媒体播放器需要实现正常播放所要求的速率(例如44kHz的音频、30fps的视频)。在这种限制之下，一个读线程和一个显示线程可以被设计成依靠一个可编程的定时器来唤醒，缓冲或显示一帧后进入睡眠状态，直到下一个定时触发。这提供了一种调整机制，支持高于正常用户活动而又低于关键系统功能的优先级设置。换句话说，如果没有更重要的任务准备运行，媒体播放将始终以给定的媒体速率执行。

4.最坏情形

抢占式调度仅在高优先级的线程在一个短的、有限时间段内抢占低优先级线程的情况下有效。否则，系统将不可能预测要花费多长时间来执行一个给定的操作。因此，任何销售进程模式的RTOS的供应商都必须提供针对下面两种时间间隔提供最坏情形：线程切换时间，即当两个线程处于同一进程的情况下，从执行一个线程的最后一条指令到执行下一个被调度线程的第一条指令所经过的时间；前后关系切换(context switch)时间，其定义同上，但仅针对两个线程处于不同进程的情况。可以将线程看作是最小的“执行单元”，而将进程看作是一个或多个线程的“容器”，进程定义了线程将要在其中执行的地址空间。显然，最坏情形的前后关系切换时间将比最坏情形的线程切换时间要慢，尽管在一个好的RTOS设计中差别可能是微不足道的。将所有的线程放在几个大的进程中将是错误的，因为线程提供的切换速度更快。虽然线程能实现并行处理优势因而适合于某些设计，但将一个应用分成多个内存保护的进程使得代码更容易调试，提供了更好的错误隔离和恢复能力，并允许系统进行新功能的动态升级。

5.可抢占的内核

在大部分通用操作系统中，操作系统的内核是不可抢占的。其结果是，一个高优先级的进程不可能抢占一个内核调用，而是必须等待整个调用完成，即使这个调用是由系统中的低优先级进程发起的。另外，当经常在内核调用中执行的驱动程序或其它系统服务代表一个客户线程执行的时候，所有的优先级信息常常会丢失，这导致了不可预测的延迟并阻止了关键活动的准时完成。而在RTOS中,内核操作是可抢占的。尽管仍然会存在一些时间窗口，在这些时间窗口中可能没有抢占，但是这些时间间隔应该是相当短暂的，通常在几百纳秒。另外，必须有一个关于抢占被推迟或中断被禁止的时间上限，这样开发者可以确定最坏情形下的等待时间。为了实现这个目标，操作系统内核必须尽可能简洁，只有具有较短执行路径的服务才被包含在内核中，任何需要大量工作(如进程加载)的操作必须被安排到外部进程或线程。这种方法有助于通过内核确保最长的不可抢占代码路径具有一个时间上限。

6.优先级继承

然而，为一个进程设定一个高优先级并不总能保证该进程能够抢占低优先级的进程。有时候，系统会出现一种称为优先级倒置(priority inversion)的状态，在这种状态下，低优先级的进程将在“无意中”阻止较高优先级进程占用CPU。优先级倒置可能会表现为几种形式，为了防止发生这种情况，RTOS必须提供一种称为优先级继承的功能。假定系统有三个进程：A(低优先级)，B(中等优先级)，Z(高优先级)。这里Z是一个为A和B提供服务的“服务器”进程。现在假定A已经请求Z来执行一个计算，而在这期间，突然B需要Z的服务。因为B拥有比A更高的优先级，一般会认为Z将立即挂起A的请求并将转向为B服务。但是实际情况并非如此，因为Z比B具有更高的优先级。其结果是，B不能阻止Z完成它当前的工作，即对A做出响应。从效果上看，低优先级的进程A占用了更高优先级进程B的CPU时间，这是引入优先级继承的原因。通过使用RTOS提供的优先级继承机制，系统可以在A发出请求的情况下，让Z继承A的低优先级。通过这种方式，B能够在任何时候抢占A的请求。如果一个应用程序分布于几个通过网络连接的处理器，那么RTOS也应该支持分布式优先级继承，这样可以按照优先级的顺序处理来自多个处理器的请求。如果没有优先级继承，一个多处理器系统可能会落入无限的优先级倒置和死锁中。7.中断处理

为了获得对外部事件的及时响应，最小化硬件中断发生到执行该中断的第一条代码的时间很重要。这个时间间隔称为中断延迟，为了保证中断延迟尽可能小，一个好的RTOS应该在几乎所有时间内都支持产生中断。正如在关于内核抢占部分提到的那样，一些重要的代码段的确需要暂时屏蔽中断。这种最大的屏蔽时间通常被定义为最大的中断延迟。在某些情况下，硬件中断处理器必须调度并运行一个更高优先级的线程(例如在一个驱动程序中)。在这样的情况下，中断处理器将返回并指示一个事件将被处理。这样的处理将引入了第二种形式的延迟－调度延迟，这个延时必须在设计中加以考虑。调度延迟是介于用户的中断处理器的最后一条指令和驱动程序线程第一条指令的执行之间的时间。在一个嵌入式系统中可能会同时出现多个硬件中断。例如，在一个病人监护系统中，当一个传感器记录了病人心跳的一次变化并且网卡接收到网络传来的数据的同时，护士按了触摸屏。很明显，一些中断(如心率的变化)应该立即得到处理，而其他的则可以延缓。通过提供对嵌套中断的支持，RTOS支持嵌入式系统优先处理更高优先级的中断。

8.如何提高可靠性

我们已经明白怎样使RTOS具有可以预测性，但是如何实现其可靠性呢？答案在很大程度上取决于RTOS的架构。例如在实时执行模式架构中，大部分或所有软件组件都在一个单一的内存地址空间中运行，包括操作系统内核、网络协议栈、设备驱动程序、应用程序等。虽然很有效率，但这种架构有两个明显的缺陷：1.在任何组件中的一个指针错误，不论这个错误多么细微，都可能破坏操作系统内核或任何其它组件，导致不可预测的行为和整个系统的崩溃；2.很难动态修复或替换任何有故障的组件。在大多数情况下，出现这些问题时系统复位是唯一的选择。一些RTOS，也像Linux一样，试图通过使用单内核架构来解决这个问题。在这种架构中，用户的应用程序在隔离的、受保护内存地址空间中运行。如果一个应用程序试图访问其地址空间之外的数据，内存管理单元(MMU)将通知操作系统，操作系统可能会采取保护措施，例如终止出错进程。然而，这样的操作系统需要将大多数或所有驱动程序、文件系统和其它系统服务绑定到内核中。因此，任何组件中的一个错误都可能带来灾难性的内核故障。第三种方法是采用微内核(mricokernel)架构来提供更精确的故障隔离，像QNX Neutrino这样的操作系统都基于微内核架构。

微内核有两个明确的特征：

1.在操作系统内核中只实现了一个包含了基本OS服务的小内核(如信号量、定时器、任务调度等)。包括驱动程序、文件系统、协议栈和用户应用程序在内的所有其它的组件在内核外部分离的、保护内存的进程中运行。有问题的系统服务不再作为孤立的故障点，而是在它破坏其它服务或操作系统内核之前被终止并重启。2.所有的组件能够通过消息传递进行通信，一个定义良好的通信机制保障了程序在保持彼此安全隔离的前提下进行数据交换。适当实现的消息传递也可以作为一个虚拟的“软件总线”，允许几乎任何的软件组件，甚至是一个设备驱动程序被动态地加入或替换，对于必须提供连续服务的系统而言这是一项关键要求。

和传统的操作系统架构相比，微内核支持嵌入式设备赢得明显更快的平均修复时间(MTTR)。例如，如果一个设备驱动程序失败将可能出现以下情况：操作系统可以终止该驱动程序，回收其正在使用的资源，并对其进行重新启动，这个过程通常这只需要几个毫秒时间。

尽管和传统的操作系统相比，基于消息传递的微内核RTOS通常提供了更好的容错性和动态升级能力，也有一些观点认为消息传递增加了开销。在实际应用中，如果实现正确，消息传递的性能可以接近底层硬件的内存带宽。例如，一个微内核RTOS可以采用多段式(multipart)消息和线程到线程的消息数据直接拷贝等各种技术，来确保系统性能可以达到传统的进程间通信(IPC)方法的水平。由一些组织如Dedicated Systems(网址：www.omimo.be)等进行的独立测试证实，和传统的RTOS相比，微内核RTOS在一系列的实时指标方面表现良好，在很多情况下甚至有更好的表现。

9.策略决策

RTOS有助于使一个复杂的应用程序具有可预测性和可靠性。当然，选择一个合适的RTOS本身就是一项复杂的任务，而RTOS的底层架构是选择的重要依据，此外还有一些其它因素，包括：

1.调度算法的灵活选择。RTOS应该支持调度算法的选择(先入先出(FIFO)、轮询(round robin)、零星调度等)并支持以线程为单位设定这些算法。这样，工程师就可以不必将一个算法用到系统中的所有线程。

2.图形用户界面(GUI)。RTOS使用的是原始的图形库还是能支持多层界面、多路显示、3D渲染以及其它高级的图形功能的真正的窗口系统？能很容易定制GUI的外观吗？GUI支持同时显示和输入多种语言(汉语、韩语、日语、英语、俄语等)吗？

3.远程诊断工具。因为对很多嵌入式系统而言，中断系统运行进行检测和维护是无法接受的。RTOS供应商应该提供诊断工具，这些工具能够在不中断系统服务的前提下分析系统的行为。要寻找能提供代码覆盖、应用测评、跟踪分析和内存分析工具的供应商。

4.开发平台。RTOS提供商提供的开发环境是基于像Eclipse那样的开放平台，允许工程师嵌入所喜爱的第三方工具来进行建模、版本控制吗？还是开发环境基于专利技术？

5.互联网功能。RTOS支持预集成最新的IPv4、IPv6、IPsec、SCTP和具有NAT功能的IP过滤等协议栈套件吗？它支持嵌入式网络浏览器吗？浏览器应该具有可扩展的封装模式，并能够在很小的屏幕上绘制网页。它也应该支持像HTML 4.01、XHTML 1.1、SSL 3.0和 WML 1.3这样的标准。

6.标准API。RTOS将你限定到专有的API之中了吗？还是它对于像POSIX这样的标准API提供了完全的支持，这使得将代码移植到其它操作系统，或者从其它操作系统移植代码变得更容易？另外，所用的RTOS提供完全一致性的API还是仅仅支持被定义接口的一个子集？例如，POSIX.1的最新版本包含了大约1,300个接口。

7.多处理技术。RTOS能支持对称多处理和分布式多处理技术来提高应用性能和容量吗？如果这样，是必须重新设计你的应用程序呢，还是RTOS能够将应用程序透明的分配到多个处理器上去呢？

8.源代码工具包。RTOS供应商提供了能使RTOS满足设计需求的具有详细文档的定制工具包吗？供应商提供了方便开发驱动定制硬件的驱动程序开发工具包吗？

9.对于很多公司而言，选择一款RTOS是一项战略性决策。RTOS供应商在对上述问题提供了清楚的回答后，你将选择出一个在现在和将来都适合你的RTOS。

第二篇：计算机实时操作系统的改善措施

《计算机实时操作系统的改善措施》

摘要：

实时系统在工业、商业和军事等领域都有非常广泛的用途，并且已经有很多实际的应用。一般来说，实时系统通常是比较复杂的，因为它必须处理很多并发事件的输入数据流，这些事件的到来次序和几率通常是不可预测的，而且还要求系统必须在事先设定好的时限内做出相应的响应。因此，实时操作系统的实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时任务。这就要求我们设计好实时操作系统，了解实时操作系统的改善措施对我们非常重要。

关键字：实时操作系统；特点；实现技术；改善措施。

一、计算机实时操作系统的概念

实时操作系统（RTOS）是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点。实时操作系统有硬实时和软实时之分，硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的；软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。

二、实时操作系统的特点

1、高精度计时系统

计时精度是影响实时性的一个重要因素。在实时应用系统中，经常需要精确确定实时地操作某个设备或执行某个任务，或精确的计算一个时间函数。这些不仅依赖于一些硬件提供的时钟精度，也依赖于实时操作系统实现的高精度计时功能。

2、多级中断机制

一个实时应用系统通常需要处理多种外部信息或事件，但处理的紧迫程度有轻重缓急之分。有的必须立即作出反应，有的则可以延后处理。因此，需要建立多级中断嵌套处理机制，以确保对紧迫程度较高的实时事件进行及时响应和处理。

3、实时调度机制

实时操作系统不仅要及时响应实时事件中断，同时也要及时调度运行实时任务。但是，处理机调度并不能随心所欲的进行，因为涉及到两个进程之间的切换，只能在确保“安全切换”的时间点上进行，实时调度机制包括两个方面，一是在调度策略和算法上保证优先调度实时任务；二是建立更多“安全切换”时间点，保证及时调度实时任务。

三、实时性能主要实现技术

实时操作系统的实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时任务。根据响应时间在微秒、毫秒和秒级的不同，可分为强实时、准实时和弱实时三种。强实时系统必须是对即时的事件作出反应，绝对不能错过事件处理时限。例如测控领域就是要求强或接近强实时系统。在机顶盒、PDA、信息家电等应用领域，系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害，准和弱实时系统就可满足应用。一个强实时的操作系统通常使用以下技术：

1、占先式内核

当系统时间响应很重要时，要使用占先式内核。当前最高优先级的任务一旦就绪，总能立即得到CPU 的控制权，而CPU 的控制权是可知的。使用占先式内核使得任务级响应时间得以最优化。

2、调度策略分析

任务调度策略是直接影响实时性能的因素。强实时系统和准实时系统的实现区别主要在选择调度算法上。选择基于优先级调度的算法足以满足准实时系统的要求，而 且可以提供高速的响应和大的系统吞吐率。当两个或两个以上任务有同样优先级，通常用时间片轮转法进行调度。对硬实时系统而言，需要使用的算法就应该是调度 方式简单，反应速度快的实时调度算法了。尽管调度算法多种多样，但大多由单一比率调度算法(RMS)和最早期限优先算法(EDF)变化而来。前者主要用于 静态周期任务的调度，后者主要用于动态调度，在不同的系统状态下两种算法各有优劣。在商业产品中采用的实际策略常常是各种因素的折中。

3、任务优先级分配

每个任务都有其优先级。任务越重要，赋予的优先级应越高。应用程序执行过程中诸任务优先级不变，则称之为静态优先级。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序编译时是已知的。反之，应用程序执行过程中，任务的优先级是可变的，则称之为动态优先级。

4、时间的可确定性

强实时操作系统的函数调用与服务的执行时间应具有可确定性。系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。系统完成某个确定任务的时间是可预测的。

四、实时操作系统中遇到的问题

1、优先级反转

这是实时系统中出现得最多的问题。优先级反转是指一个任务等待比它优先级低的任务释放资源而被阻塞，如果这时有中等优先级的就绪任务，阻塞会进一步恶化。它严重影响了实时任务的完成。

2、任务执行时间的抖动

各种实时内核都有将任务延时若干个时钟节拍的功能。优先级的不同、延时请求发生的时间、发出延时请求的任务自身的运行延迟，都会造成被延时任务执行时间不同程度的提前或滞后，称之为任务执行时间的抖动。

3、任务划分

程序在CPU 中是以任务的方式在运行，所以我们要将系统的处理框图转化为多任务流程图，对处理进行任务划分。任务划分存在这样一对矛盾：如果任务太多，必然增加系统任 务切换的开销；如果任务太少，系统的并行度就降低了，实时性就比较差。

五、实时操作系统改善措施

跟据上述讨论的实时操作系统中遇到的问题我们提出相应的改善措施，如下所示：

1、对于优先级反转的改善措施

为防止发生优先级反转，一些商业内核(如VxWorks)使用了优先级继承技术，当优先级反转发生时，优先级较低的任务被暂时地提高它的优先级，使得该任务能尽快执行，释放出优先级较高的任务所需要的资源。但它也不能完全避免优先级反转，只能称其减轻了优先级反转的程度，减轻了优先级反转对实时任务完成的影响。

优先权极限是另一种解决方案，系统把每一个临界资源与1个极限优先权相联系，这个极限优先权等于系统此时最高优先权加1。当这个任务退出临界区后，系统立即把它的优先权恢复正常，从而保证系统不会出现优先权反转的情况。采用这种方案的另一个有利之处，是仅仅通过改变某个临界资源的优先级就可以使多个任务共享这个临界资源。

2、对于任务时间抖动的改善措施 可能的解决方案有：

a．增加微处理器的时钟频和时钟节拍的频率； b．重新安排任务的优先级； c．避免使用浮点运算等。

强实时系统中，我们必须综合考虑，充分利用各种手段，尽量减少任务执行时间的抖动。

3、对于任务划分的改善措施

在任务划分时要遵循H.Gomma 原则： a． I/O原则：不同的外设执行不同任务；

b． 优先级原则：不同优先级处理不同的任务； c． 大量运算：归为一个任务； d． 功能耦合：归为一个任务； e． 偶然耦合：归为一个任务；

f． 频率组合：对于周期时间，不同任务处理不同的频率。

如果我们在具体分析一个系统的时候发生原则冲突的话，则要为每一个原则针对具体的系统设定“权重”，必要的时候可以通过计算“权重”来最终确定如何去划分任务。

第三篇：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

第四篇：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

第五篇：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