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《计算机控制系统》(高金源版)习题及部分解答解析

《计算机控制系统》(高金源版)习题及部分解答解析

《计算机控制系统》(高金源编著,清华大学出版社)作为自动化、计算机控制等专业的经典教材,系统地介绍了计算机控制系统的基本理论、设计方法和实际应用。为帮助读者深入理解教材内容,以下整理了部分典型习题及其解答思路,供学习参考。

一、基础知识类习题

1. 习题示例:简述计算机控制系统的基本组成及其功能。
解答思路:计算机控制系统通常由被控对象、传感器、执行机构、A/D与D/A转换器及计算机(控制器)组成。传感器采集信号,A/D转换器将模拟信号转换为数字信号,计算机处理数据并输出控制指令,D/A转换器将数字信号转为模拟信号驱动执行机构,实现对被控对象的精确控制。

2. 习题示例:说明采样定理在计算机控制系统中的重要性。
解答思路:采样定理指出,采样频率需大于信号最高频率的2倍,才能无失真地恢复原信号。在计算机控制系统中,若采样频率过低,会导致频率混叠,影响系统稳定性与精度;合理选择采样频率是系统设计的基础。

二、分析与设计类习题

1. 习题示例:给定连续控制系统传递函数G(s)=1/(s+1),采用零阶保持器法进行离散化,求其脉冲传递函数。
解答思路:首先确定采样周期T,应用Z变换公式G(z)=Z{(1-e^{-Ts})/s * G(s)},通过部分分式展开和Z变换表计算,可得离散化后的脉冲传递函数。

2. 习题示例:分析计算机控制系统的稳定性,并讨论采样周期对稳定性的影响。
解答思路:稳定性可通过判断离散系统特征根是否位于单位圆内来确定。采样周期增大会减少系统相位裕度,可能引发振荡或失稳;需在响应速度与稳定性间权衡,通常采样频率取系统带宽的5-10倍。

三、综合应用题
习题示例:设计一个数字PID控制器,用于温度控制系统,并说明参数整定方法。
解答思路:数字PID控制器由位置式或增量式算法实现,参数整定可采用试凑法、Ziegler-Nichols法或基于模型的优化方法。实践中需结合系统响应曲线调整Kp、Ki、Kd,以达到快速、平稳的控制效果。

部分习题的详细解答需结合教材具体章节,建议读者在练习时注重理论推导与仿真验证相结合,以加深对计算机控制系统设计原理的理解。对于复杂问题,可参考书后附录或借助MATLAB等工具进行辅助分析。

更新时间:2026-01-13 20:49:54

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