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1、微型计算机控制技术第6章习题答案6-1 数字控制器与模拟调节器相比较有什么优点？ 答：1、一机多用。由于计算机运行速度快，而被控对象变化一般都比较缓慢，因此，可以用一台计算机控制几个到十几个，甚至几十个回路，从而可大大节省设备造价。 2、控制算法灵活，便于在线修改控制方案。使用计算机控制不仅能实现经典的PID控制，而且还可以采用直接数字控制，如大林算法，以及最优控制等。即使采用常用的PID控制，也可以根据系统的需要进行算法的改进，增强控制的效果。 3、可靠性高。由于计算机控制算法是用软件编写的一段程序，因此比用硬件组成的控制算法电路具有更高的可靠性，且系统维护简单。 4、可改变调节品质，提高产
2、品的产量和质量。由于计算机运行速度快，且计算机控制是严格按照某一特定规律进行的，不会由于人为的因素造成失调，因而使调节品质和产量都大为提高，从而提高了经济效益。 5、便于实现控制与管理及通信相结合，使工业企业的自动化程度进一步提高。 6、 生产安全，改善工人劳动条件。 6-2 在PID调节器中，比例、积分、微分项各有什么作用？KP，TI，TD对系统调节性能有什么影响？ 答：1、比例作用即时成比例的对偏差e作出响应，即偏差一旦产生，调节器立即产生成比例的控制作用，以减小偏差；积分调节的目的主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分作用在偏差出现或变化的瞬间对偏差量的变化速率作出反应，即按偏差变化的
3、趋势进行控制，使偏差消灭于萌芽状态，加快响应速度。简要概括如下：比例作用是保证调节过程的“稳”，积分作用是保证调节过程的“准”，微分作用是促进调节过程的“快”。 2、比例作用的强弱取决于比例系数Kp的大小，增大Kp可以增强比例作用，减小静差，但Kp值过大，会引起调节过程振荡，导致系统不稳定；积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强；微分作用的强弱取决于微分时间常数TD ，TD 越大，微分作用越强，反之则越弱。 6-3 增量式PID算法与位置式PID算法有何区别？它们各有什么优缺点？ 1、位置式PID算法是全量输出，每次输出与整个过去状态有关，算式中含k有所有
4、过去偏差的累加值e(jT)，容易产生较大的积累误差。而增量式PID算j=0法只需计算增量，计算误差对控制量的影响较小。 2、增量式PID控制，由于计算机只输出控制增量u(k)，对应执行机构位置的变化部分，因此，当计算机误动作时，对系统的影响小。 3、位置式控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使计算机的输出值等于阀门的原始开度，即u(k-1)，才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动无扰动切换。 6-4 在数字PID中，采样周期是如何确定的？它与哪些因素有关？采样周期的大小对调节品质有何影响？
5、答：根据香农采样定理，采样周期必须满足Tpwmax，其中wmax 为被采样的连续信号的最高频率。因此香农采样定理给出了选择采样周期的上限。采样周期的选择方法有两种：计算法和经验法。 影响采样周期T的因素有： 1、加至被控对象的扰动频率：扰动频率愈高，采样频率也应相应提高，即采样周期缩短。 2、对象的动态特性：主要是与被控对象的纯滞后时间q及时间常数t有关。当纯滞后比较显著时，采样周期T与纯滞后时间q基本相等。 3、数字控制器D所使用的算式及执行机构的类型：如采用大林算法及应用气动执行机构时，其采样周期比较长，而最快无波纹系统及使用步进电机等时采样周期就比较短。 4、控制的回路数：控制的回路越多
6、，则T越大，否则T越小。 5、对象要求的控制质量：一般来说，控制精度要求越高，采样周期越短，以减小系统的纯滞后。 从理论上讲，采样周期越小，失真越小。但是从控制器本身而言，大都是依靠偏差信号e进行调节计算的。当采样周期T太小时，偏差信号e也会过小，此时计算机将会失去调节作用，采样周期T过长又会引起误差。 6-5 试述试凑法确定PID参数的方法与步骤。 答：凑试法是通过模拟实验或系统闭环运行记录观察系统对典型输入信号的响应曲线，如阶跃响应曲线。然后根据控制效果及各参数对系统的控制影响，反复凑试参数，以达到满意的系统响应，从而确定PID控制参数。 在使用凑试法确定PID参数时，可参考以上参数对控制
7、过程的影响趋势，对各参数按先比例，后积分，再微分的步骤进行整定。 1、首先整定比例部分。即只采用比例控制，将比例系数Kp由小变大，并观察相应的系统响应曲线，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统不存在静差，或静差在允许范围之内，并且响应曲线亦理想，那么系统只须采用比例控制。 2、其次整定积分部分。若系统存在静差，则需加入积分环节。整定时，先将积分时间常数TI置为一个较大值，并将经第一步整定好的比例系数略为缩小，然后减小积分时间常数，在保持系统良好动态性能的情况下，使静差得到消除。在减小积分时间常数的过程中，由于积分控制对比例控制有补偿作用，所以应根据响应曲线情况，适当修改比例系数，以获得满
8、意的控制效果。 3、最后整定微分部分。若使用PI控制，动态响应和稳态精度经反复凑试PI参数仍不能兼顾，则可加入微分控制。在第二步整定的基础上，将微分时间常数TD从零逐渐增大，分析系统的控制性能，再相应的调整PID参数，逐步凑试，以获得满意的控制效果和相应的控制参数。 6-6 试写出不完全微分控制算法，它有何优点？ 答：不完全微分的PID位置算式为 u(k)=auD(k-1)+KPTDTSe(k)-e(k-1)+KPe(k)+TTIke(i) i=0不完全微分PID增量式算式为 Du(k)=Kpe(k)-e(k-1)+KPTTIe(k)+KPTDTSe(k)-2e(k-1)+e(k-2)+auD(k-1)+uD(k-2) 在不完全微分系统中，微分输出信号按指数规律逐渐衰减到零，因而系统变化比较缓慢，故不易引起振荡。
