2025年電氣工程師考試試卷：電氣自動化控制專項(xiàng)訓(xùn)練考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述自動控制系統(tǒng)的基本組成及其各部分的功能。二、已知某單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)H(s)=K/(s(s+1)(s+5))，試分析當(dāng)K=10時，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性（使用勞斯判據(jù)判斷）。三、某溫度控制系統(tǒng)采用PID控制器，現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)過慢且超調(diào)量大。試從控制器參數(shù)整定的角度，分析可能的原因，并提出相應(yīng)的調(diào)整建議。四、比較熱電偶和熱電阻兩種溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，并說明在什么情況下優(yōu)先選擇熱電偶？五、在自動化系統(tǒng)中，為什么通常需要對傳感器信號進(jìn)行濾波處理？列舉至少兩種常見的濾波方法及其原理。六、簡述伺服電機(jī)與普通交流異步電機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用方面的主要區(qū)別。七、試述可編程邏輯控制器（PLC）的掃描工作原理及其對系統(tǒng)響應(yīng)速度的影響。八、根據(jù)以下控制要求，設(shè)計一段PLC梯形圖邏輯（使用符號說明，無需具體地址）：1.當(dāng)輸入X1為ON時，輸出Y1為ON；2.當(dāng)輸入X2為ON且輸入X1為OFF時，輸出Y1為OFF；3.當(dāng)輸入X3為ON時，無論X1、X2狀態(tài)如何，輸出Y1立即為OFF。九、簡述ModbusRTU和ProfibusDP兩種工業(yè)現(xiàn)場總線的不同特點(diǎn)，并說明它們各自適用于哪些類型的設(shè)備或應(yīng)用場景。十、在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，什么是網(wǎng)絡(luò)冗余？列舉至少兩種實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余的技術(shù)方案。十一、設(shè)計一個簡單的自動化控制系統(tǒng)，用于控制一扇倉庫大門的開啟和關(guān)閉。要求：當(dāng)檢測到有人靠近大門時（輸入X1為ON），大門自動開啟；當(dāng)人通過并離開一定距離后（輸入X2為ON），大門自動關(guān)閉。請簡述系統(tǒng)所需設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器、控制器等）、基本工作原理和控制邏輯。十二、在進(jìn)行PLC系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮哪些安全相關(guān)的因素？請列舉至少三項(xiàng)。試卷答案一、自動控制系統(tǒng)通常由以下部分組成：1.被控對象（受控過程）:需要控制其某個（些）物理量或工藝參數(shù)的設(shè)備或生產(chǎn)過程。2.傳感器（測量變送元件）:用于檢測被控對象的輸出量（被控量），并將其轉(zhuǎn)換為適合后續(xù)處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。3.控制器（調(diào)節(jié)器）:根據(jù)設(shè)定值（參考輸入）與測量值（反饋信號）的偏差，按預(yù)定的控制規(guī)律計算出控制輸出信號。4.執(zhí)行器:接收控制器輸出的控制信號，直接對被控對象進(jìn)行操作，使其輸出量發(fā)生預(yù)期的變化。5.給定元件（設(shè)定值裝置）:提供系統(tǒng)期望的輸出值（設(shè)定值）。6.比較元件（偏差檢測環(huán)節(jié)）:比較設(shè)定值與測量值的差值（偏差），是控制器動作的依據(jù)，有時其功能包含在控制器內(nèi)。二、系統(tǒng)特征方程為s(s+1)(s+5)+K=0，即s^3+6s^2+5s+K=0。列勞斯表：s^3|15s^2|6Ks^1|5-6K/5s^0|K勞斯表中第一列元素符號變化次數(shù)為：從6變?yōu)?（一次變化），從5變?yōu)?6K/5。符號變化次數(shù)等于系統(tǒng)不穩(wěn)定根的個數(shù)。要使系統(tǒng)穩(wěn)定，勞斯表中第一列元素不能有符號變化，即-6K/5必須大于等于0，且不能為0。這意味著K必須小于等于0。然而，對于實(shí)際的控制系統(tǒng)，開環(huán)增益K通常為正數(shù)。因此，當(dāng)K=10時，-6K/5=-60/5=-12，第一列元素符號變化了兩次（從正到負(fù)，再從負(fù)變正）。結(jié)論：當(dāng)K=10時，該系統(tǒng)不穩(wěn)定，具有兩個正實(shí)部的根。三、系統(tǒng)響應(yīng)過慢且超調(diào)量大，通常表明系統(tǒng)阻尼不足或增益過高?？赡茉颍?.比例增益K過大:導(dǎo)致系統(tǒng)過沖增大，甚至可能不穩(wěn)定，同時使系統(tǒng)響應(yīng)變慢（振蕩周期變長）。2.積分時間Ti過大:積分作用弱，系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度慢，導(dǎo)致響應(yīng)過慢。3.微分時間Td過小或未有效作用:微分控制主要用于抑制超調(diào)和加快響應(yīng)，Td過小效果不明顯，或系統(tǒng)噪聲干擾大導(dǎo)致微分作用被削弱或產(chǎn)生負(fù)面影響。調(diào)整建議：1.降低比例增益K:在保證穩(wěn)態(tài)精度要求的前提下，適當(dāng)減小K值。2.減小積分時間Ti:增強(qiáng)積分作用，加快系統(tǒng)消除誤差的速度。3.適當(dāng)增大微分時間Td:增強(qiáng)微分超前控制作用，有助于抑制超調(diào)、加快上升時間，但需注意避免引入噪聲。4.綜合調(diào)整:采用經(jīng)驗(yàn)法、臨界比例度法或Ziegler-Nichols方法等進(jìn)行逐步整定，找到合適的參數(shù)組合。四、熱電偶和熱電阻優(yōu)缺點(diǎn)及選型依據(jù)：熱電偶:優(yōu)點(diǎn)：1.測量范圍寬，尤其適用于高溫測量（可達(dá)2000°C以上）。2.結(jié)構(gòu)簡單，熱慣性小，響應(yīng)速度快。3.無需外部電源，冷端溫度補(bǔ)償相對簡單（某些情況下）。缺點(diǎn)：1.靈敏度相對較低。2.測量精度相對熱電阻較低。3.輸出信號為非線性毫伏信號，需要線性化處理。4.在0°C以下時，若冷端溫度低于0°C，輸出電壓可能為負(fù)值。選型依據(jù)：優(yōu)先選擇熱電偶的情況包括：測量高溫、中溫（部分類型）；響應(yīng)速度要求高；現(xiàn)場環(huán)境惡劣（如振動、沖擊）；對精度要求不是極端苛刻；信號傳輸距離不長或已有冷端補(bǔ)償措施。熱電阻:優(yōu)點(diǎn)：1.測量精度高，穩(wěn)定性好。2.輸出信號線性好，易于處理。3.低溫測量性能好（可達(dá)-270°C）。缺點(diǎn)：1.測量范圍相對熱電偶窄，通常用于中低溫測量（可達(dá)600°C左右）。2.熱慣性較大，響應(yīng)速度較慢。3.需要外部電源供電（二線制除外，但導(dǎo)線電阻影響仍需考慮）。4.需要冷端補(bǔ)償（三線制或四線制可減小導(dǎo)線電阻影響）。選型依據(jù)：優(yōu)先選擇熱電阻的情況包括：測量中低溫；對測量精度要求高；低溫測量；信號傳輸距離較長且需要精確補(bǔ)償；需要線性化輸出的場合。五、傳感器信號濾波處理的必要性及方法：必要性：1.抑制噪聲干擾:自動化系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在各種電磁干擾，可能疊加在有用信號上，影響控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.提取有用信號:濾除信號中頻率成分與有用信號無關(guān)或有害的高頻噪聲或低頻漂移，使測量結(jié)果更接近真實(shí)物理量。3.滿足后續(xù)設(shè)備要求:后續(xù)的控制器、記錄儀等設(shè)備可能對輸入信號的質(zhì)量（如噪聲水平、帶寬）有特定要求。濾波方法：1.模擬濾波器:使用電阻、電容、電感等無源元件或運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源濾波器，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)（如RC低通、高通、帶通、帶阻）對特定頻率范圍的信號進(jìn)行衰減或通過。2.數(shù)字濾波器:利用數(shù)字計算方法對采樣后的數(shù)字信號進(jìn)行處理。常見類型包括：均值濾波（簡單移動平均）、中值濾波（去除脈沖干擾）、有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器、無限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器等。數(shù)字濾波具有靈活性高、可編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。六、伺服電機(jī)與普通交流異步電機(jī)的主要區(qū)別：1.控制方式:伺服電機(jī)通常采用反饋控制（如編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器），通過精確控制電壓、電流或磁場來控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角；普通交流異步電機(jī)通常采用電壓或頻率控制（如V/f控制），主要控制轉(zhuǎn)速，精度相對較低。2.性能指標(biāo):*精度:伺服電機(jī)定位精度和重復(fù)定位精度非常高；普通交流異步電機(jī)精度較低。*響應(yīng)速度:伺服電機(jī)響應(yīng)速度快，動態(tài)特性好，加減速時間短；普通交流異步電機(jī)響應(yīng)速度較慢。*調(diào)速范圍:伺服電機(jī)調(diào)速范圍寬，尤其在低速下仍能保持平穩(wěn)運(yùn)行和較高效率；普通交流異步電機(jī)在低速時效率和性能通常較差。*力矩/慣量比:伺服電機(jī)通常具有很高的力矩/慣量比，能快速驅(qū)動較重的負(fù)載。3.工作特性:伺服電機(jī)通常在較寬的速度和力矩范圍內(nèi)工作，可能頻繁啟停、正反轉(zhuǎn)；普通交流異步電機(jī)往往在接近額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。4.結(jié)構(gòu):伺服電機(jī)通常是高精度、低慣量的電機(jī)類型（如永磁同步電機(jī)、直流伺服電機(jī)），并帶有位置/速度傳感器；普通交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、堅固。5.成本:伺服系統(tǒng)（電機(jī)+驅(qū)動器+控制器）成本通常高于普通交流電機(jī)系統(tǒng)。七、PLC掃描工作原理：PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，即CPU按一定的順序（通常是自上而下）執(zhí)行程序中的指令。一個完整的掃描周期大致分為以下幾個階段：1.輸入采樣階段:CPU集中讀取所有輸入點(diǎn)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)存入輸入映像寄存器中。在此階段之后，輸入點(diǎn)的狀態(tài)被鎖定，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。2.程序執(zhí)行階段:CPU按照用戶程序存儲器的地址順序，逐條掃描并執(zhí)行指令。執(zhí)行過程中，CPU根據(jù)輸入映像寄存器中的輸入狀態(tài)和輸出映像寄存器中的當(dāng)前輸出狀態(tài)來執(zhí)行程序邏輯。中間結(jié)果會存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器。3.輸出刷新階段:當(dāng)程序執(zhí)行完畢后，CPU將輸出映像寄存器中的所有輸出點(diǎn)狀態(tài)一次性地傳送到對應(yīng)的輸出鎖存器（或直接驅(qū)動輸出接口），從而驅(qū)動外部輸出設(shè)備。在此階段之后，輸出點(diǎn)的狀態(tài)被鎖定，直到下一個掃描周期的輸出刷新階段。影響：掃描周期是PLC工作的重要參數(shù)，其長短取決于程序指令的數(shù)量、指令執(zhí)行時間、I/O點(diǎn)數(shù)、CPU處理速度等因素。掃描周期過長會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲，影響實(shí)時控制性能。輸入采樣和輸出刷新的集中處理方式是PLC提高效率和抗干擾能力的關(guān)鍵設(shè)計特點(diǎn)。八、PLC梯形圖邏輯設(shè)計（符號說明）：```plaintextX1+-----[M0]-----(Y1)|||NOT|+-----+|+-----[M1]-----(Y1)|+-----[X2]---+|+-----[X3]---(Y1)```說明：*M0:內(nèi)部輔助繼電器，用于存儲中間邏輯結(jié)果。*NOT:非門指令，實(shí)現(xiàn)邏輯否定。*[]:表示一個邏輯塊的開始和結(jié)束。*():表示輸出線圈。邏輯解釋：1.當(dāng)X1為ON時，M0得電（M0=ON）。2.M0的常閉觸點(diǎn)斷開，其常開觸點(diǎn)閉合。3.當(dāng)X2為OFF時（即X2為ON之前或之后），非門輸出為ON（Y1=ON）。4.當(dāng)X2為ON且X1為OFF時，M0失電（M0=OFF），其常閉觸點(diǎn)閉合，其常開觸點(diǎn)斷開。同時，X3的常閉觸點(diǎn)（若X3為ON則此觸點(diǎn)斷開）閉合。此時Y1=OFF（由M0常閉觸點(diǎn)閉合決定）。5.當(dāng)X3為ON時，無論X1、X2狀態(tài)如何，X3的常閉觸點(diǎn)斷開，導(dǎo)致Y1=OFF。（注：實(shí)際編程時需使用具體的PLC指令集和地址符號）九、ModbusRTU與ProfibusDP特點(diǎn)及應(yīng)用場景比較：ModbusRTU:特點(diǎn)：1.串行通信協(xié)議（通常為RS-485物理層）。2.簡單、開放、無版權(quán)費(fèi)用。3.采用主從結(jié)構(gòu)，支持輪詢和廣播（僅主站）。4.數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。5.傳輸速率相對較低（通常115.2kbps以下）。6.傳輸距離受速率和干擾影響。應(yīng)用場景：廣泛用于工業(yè)過程控制、樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。特別適合于點(diǎn)對點(diǎn)連接或小型網(wǎng)絡(luò)，對實(shí)時性要求不是極端苛刻的場合。設(shè)備類型廣泛，從簡單傳感器到控制器都可支持。ProfibusDP(DecentralizedPeriphery):特點(diǎn)：1.基于IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線協(xié)議（通常為RS-485物理層，也有光纖版本）。2.高速、實(shí)時通信，速率可達(dá)12Mbps。3.采用主從結(jié)構(gòu)，支持令牌passing（用于多主站）。4.側(cè)重于設(shè)備級通信，傳輸周期性過程數(shù)據(jù)。5.提供多種設(shè)備類型（基本型、智能型、總線耦合器）和應(yīng)用層協(xié)議（如ProfibusPA用于過程控制）。6.有版權(quán)費(fèi)用（需支付費(fèi)）。應(yīng)用場景：主要應(yīng)用于PLC與分布式I/O、驅(qū)動器、傳感器/執(zhí)行器等現(xiàn)場設(shè)備的高速、實(shí)時通信，特別是在機(jī)床、汽車制造、過程工業(yè)等領(lǐng)域，要求高通信速率和確定性的實(shí)時控制。十、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)方案：1.鏈路冗余:為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)、路由器）或關(guān)鍵線路提供備用物理鏈路。當(dāng)主鏈路故障時，流量自動切換到備用鏈路。例如，使用兩條物理上獨(dú)立的網(wǎng)線連接兩個交換機(jī)端口，并配置端口聚合（PortTrunking）或鏈路聚合（LinkAggregation）技術(shù)。2.設(shè)備冗余:使用兩臺或多臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)、路由器）分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。通常配置為熱備（Standby）或主備（Master-Slave）模式，一臺設(shè)備工作，另一臺設(shè)備處于待命狀態(tài)，當(dāng)主設(shè)備故障時，備用設(shè)備接管其功能。例如，使用HSRP（HotStandbyRouterProtocol）、VRRP（VirtualRouterRedundancyProtocol）或STP（SpanningTreeProtocol）的某些變種（如RSTP,MSTP）在交換機(jī)層面實(shí)現(xiàn)。3.路徑冗余:提供多條邏輯上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)路徑供數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)某條路徑不可用時，數(shù)據(jù)可以通過備用路徑傳輸。這通常結(jié)合鏈路冗余和設(shè)備冗余實(shí)現(xiàn)，例如，在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（NAP）之間建立冗余路徑。4.協(xié)議層冗余:在通信協(xié)議層面設(shè)計冗余機(jī)制，例如，某些工業(yè)協(xié)議支持在主/備通道間自動切換。十一、簡單倉庫大門控制系統(tǒng)設(shè)計：設(shè)備：1.傳感器:接近開關(guān)（或紅外傳感器）X1，用于檢測有人靠近大門。2.傳感器:接近開關(guān)（或紅外傳感器）X2，用于檢測人已通過并離開一定距離。3.執(zhí)行器:電動機(jī)M（配合門機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉），假設(shè)正轉(zhuǎn)開啟，反轉(zhuǎn)關(guān)閉。由接觸器KM1（正轉(zhuǎn)）和KM2（反轉(zhuǎn)）控制。4.控制器:可編程邏輯控制器（PLC）。5.電源:為PLC、傳感器、接觸器等提供所需電源。原理與控制邏輯：1.系統(tǒng)上電:PLC初始化，KM1和KM2均處于斷電狀態(tài)，大門處于關(guān)閉靜止?fàn)顟B(tài)。2.檢測到人靠近(X1=ON):PLC檢測到輸入X1為ON，啟動開門程序。3.大門開啟:PLC輸出Y1（連接KM1線圈）得電，接觸器KM1吸合，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)，大門開始開啟。4.人通過并離開(X2=ON):當(dāng)人通過大門后，接近開關(guān)X2被觸發(fā)，輸入X2變?yōu)镺N。PLC檢測到X2為ON。5.大門關(guān)閉:PLC立即停止開門程序，并啟動關(guān)門程序。