2025年電氣工程與自動化控制課程期末考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（本大題共15小題，每小題2分，共30分。在每小題給出的四個選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是最符合題目要求的）1.某正弦交流電路中，已知電壓u(t)=100√2sin(314t+30°)V，電流i(t)=5√2sin(314t-30°)A，則該電路的功率因數(shù)為（）A.0.5B.0.866C.0.707D.12.三相異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速與（）無關(guān)A.電源頻率B.磁極對數(shù)C.轉(zhuǎn)差率D.電網(wǎng)電壓3.關(guān)于自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，下列說法正確的是（）A.系統(tǒng)特征方程所有根的實(shí)部均小于0時穩(wěn)定B.單位階躍響應(yīng)超調(diào)量越大越穩(wěn)定C.開環(huán)傳遞函數(shù)無右半平面極點(diǎn)則閉環(huán)一定穩(wěn)定D.奈奎斯特圖不包圍(-1,j0)點(diǎn)時系統(tǒng)不穩(wěn)定4.變壓器空載運(yùn)行時，原邊電流主要用于（）A.建立主磁通B.傳遞有功功率C.補(bǔ)償銅損耗D.產(chǎn)生漏磁通5.同步電動機(jī)正常運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的關(guān)系是（）A.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于同步轉(zhuǎn)速B.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速C.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略高于同步轉(zhuǎn)速D.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速無關(guān)6.在PID控制器中，積分環(huán)節(jié)的主要作用是（）A.提高系統(tǒng)響應(yīng)速度B.消除穩(wěn)態(tài)誤差C.抑制高頻噪聲D.改善動態(tài)穩(wěn)定性7.某RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振時，下列結(jié)論錯誤的是（）A.電路阻抗最小且為純電阻B.電感電壓與電容電壓大小相等、相位相反C.電源電壓等于電阻電壓D.電路吸收的無功功率為零8.三相橋式全控整流電路帶大電感負(fù)載，輸入電壓為三相380V（線電壓），控制角α=30°時，輸出平均電壓為（）A.234VB.198VC.165VD.321V9.直流電動機(jī)采用電樞串電阻調(diào)速時，隨著串入電阻增大，轉(zhuǎn)速（）A.升高B.降低C.不變D.先升后降10.根軌跡圖中，分離點(diǎn)的位置可通過（）確定A.模值條件B.相角條件C.特征方程求導(dǎo)D.開環(huán)零點(diǎn)之和11.下列電力電子器件中，屬于全控型器件的是（）A.晶閘管（SCR）B.二極管（VD）C.IGBTD.雙向晶閘管（TRIAC）12.某二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=4/(s2+2s+4)，其阻尼比ξ和無阻尼自然頻率ωn分別為（）A.ξ=0.5，ωn=2B.ξ=1，ωn=4C.ξ=2，ωn=0.5D.ξ=0.25，ωn=√213.異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s=0時，電機(jī)處于（）狀態(tài)A.啟動B.理想空載C.堵轉(zhuǎn)D.發(fā)電14.自動控制系統(tǒng)中，屬于輸出量的是（）A.給定值B.干擾量C.被控量D.控制量15.電力系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時，發(fā)生單相接地故障后，非故障相電壓變?yōu)椋ǎ〢.相電壓B.√3倍相電壓C.線電壓D.2倍相電壓二、填空題（本大題共10小題，每空2分，共20分）1.基爾霍夫電流定律（KCL）的本質(zhì)是______守恒，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為______。2.同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)是指______對______的影響。3.自動控制系統(tǒng)按輸入信號特征可分為______系統(tǒng)、______系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。4.變壓器的變比k等于______與______的比值（用電壓或匝數(shù)表示）。5.直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為______，其方向由______決定。6.一階RC電路的時間常數(shù)τ=______，暫態(tài)過程持續(xù)時間通常取______倍τ。7.電力電子變換器的四種基本類型是______、______、斬波電路和逆變電路。8.二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)中，調(diào)節(jié)時間ts主要由______決定，超調(diào)量σ%主要由______決定。9.異步電動機(jī)的調(diào)速方法有______調(diào)速、______調(diào)速和改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。10.奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)中，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：開環(huán)頻率特性曲線G(jω)H(jω)繞(-1,j0)點(diǎn)的______等于______。三、簡答題（本大題共5小題，每小題6分，共30分）1.簡述PID控制器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)的作用及參數(shù)調(diào)整對系統(tǒng)性能的影響。2.說明三相異步電動機(jī)的工作原理，并解釋為何其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終低于同步轉(zhuǎn)速。3.分析變壓器空載損耗的組成及降低空載損耗的措施。4.畫出典型自動控制系統(tǒng)的方框圖，并標(biāo)注各環(huán)節(jié)名稱（給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行器、被控對象、檢測變送環(huán)節(jié)）。5.比較電壓型逆變器和電流型逆變器的特點(diǎn)（至少列出4點(diǎn)）。四、計算題（本大題共4小題，第1、2題各8分，第3、4題各12分，共40分）1.如圖1所示電路，已知Us=10V，Is=2A，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=20Ω。試用疊加定理求電阻R3兩端的電壓U3。（圖1：Us與R1串聯(lián)后并聯(lián)Is，再與R2、R3串聯(lián)）2.一臺三相四極異步電動機(jī)，額定頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速1440r/min。求：（1）同步轉(zhuǎn)速n0；（2）額定轉(zhuǎn)差率sN；（3）轉(zhuǎn)子電流的頻率f2。3.某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/[s(s+1)(s+2)]。（1）繪制系統(tǒng)的根軌跡圖（要求標(biāo)注起點(diǎn)、終點(diǎn)、漸近線、分離點(diǎn)）；（2）確定系統(tǒng)穩(wěn)定時K的取值范圍。4.單相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載，輸入交流電壓有效值U2=220V，負(fù)載電阻R=10Ω，控制角α=60°。求：（1）輸出電壓平均值Ud；（2）輸出電流平均值Id；（3）晶閘管的額定電流（取1.5~2倍安全系數(shù)）；（4）晶閘管的額定電壓（取2~3倍安全系數(shù)）。五、綜合分析題（本大題共2小題，每小題15分，共30分）1.設(shè)計一個基于PID控制的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)：（1）畫出系統(tǒng)方框圖，標(biāo)注各環(huán)節(jié)（溫度設(shè)定、溫度傳感器、PID控制器、執(zhí)行器、加熱/制冷裝置、被控對象）；（2）說明各環(huán)節(jié)的功能；（3）分析系統(tǒng)可能存在的干擾因素及抑制措施；（4）簡述PID參數(shù)整定的工程方法（如臨界比例度法）。2.某工廠供電系統(tǒng)如圖2所示，電源電壓10kV，經(jīng)變壓器T1（容量1000kVA，變比10kV/0.4kV，阻抗電壓百分比Uk%=4.5）降壓后向車間供電，車間負(fù)載總功率P=800kW，功率因數(shù)cosφ=0.7（滯后）。（1）計算變壓器的額定電流I2N；（2）計算變壓器的阻抗標(biāo)幺值（以變壓器額定容量和二次側(cè)額定電壓為基準(zhǔn)）；（3）計算負(fù)載電流I2；（4）分析功率因數(shù)過低對供電系統(tǒng)的影響，并提出提高功率因數(shù)的措施。參考答案一、單項(xiàng)選擇題1.A2.C3.A4.A5.B6.B7.D8.A9.B10.C11.C12.A13.B14.C15.B二、填空題1.電荷；∑i=0（或流入節(jié)點(diǎn)電流等于流出節(jié)點(diǎn)電流）2.電樞電流產(chǎn)生的磁場；主磁場3.恒值控制；隨動控制（或伺服）4.原邊匝數(shù)N1；副邊匝數(shù)N2（或原邊電壓U1；副邊電壓U2）5.T=CTΦIa；電樞電流方向與磁場方向6.RC；3~57.整流電路；逆變電路（或交流變換、直流變換，需對應(yīng)）8.阻尼比ξ和無阻尼自然頻率ωn；阻尼比ξ9.變極對數(shù)；變頻（或變壓）10.逆時針包圍次數(shù)；開環(huán)右半平面極點(diǎn)數(shù)三、簡答題1.比例（P）環(huán)節(jié)：成比例反映偏差，加快響應(yīng)速度；比例系數(shù)Kp過大易導(dǎo)致超調(diào)甚至不穩(wěn)定。積分（I）環(huán)節(jié)：消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分時間Ti過小會使積分作用過強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)超調(diào)增大。微分（D）環(huán)節(jié)：預(yù)測偏差變化趨勢，抑制振蕩；微分時間Td過大會放大高頻噪聲，降低抗干擾能力。2.工作原理：三相定子繞組通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場感應(yīng)電動勢和電流，電流與磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速時無切割相對運(yùn)動，無法產(chǎn)生感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)矩，故轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終低于同步轉(zhuǎn)速（存在轉(zhuǎn)差）。3.空載損耗包括鐵損耗（磁滯損耗和渦流損耗）和少量銅損耗（空載電流在原邊繞組的損耗）。降低措施：采用高導(dǎo)磁率、低損耗的硅鋼片；減少鐵芯接縫；優(yōu)化鐵芯設(shè)計（如采用斜接縫）；降低空載電流（如增大鐵芯截面積）。4.方框圖：給定環(huán)節(jié)→比較環(huán)節(jié)（+-）→控制器→執(zhí)行器→被控對象→檢測變送環(huán)節(jié)→比較環(huán)節(jié)（反饋）。各環(huán)節(jié)名稱對應(yīng)標(biāo)注。5.電壓型逆變器：直流側(cè)并聯(lián)大電容（電壓源），輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形取決于負(fù)載，需設(shè)置續(xù)流二極管，適用于多電動機(jī)傳動。電流型逆變器：直流側(cè)串聯(lián)大電感（電流源），輸出電流波形為矩形波，輸出電壓波形取決于負(fù)載，無需續(xù)流二極管（感性負(fù)載時需），適用于單電動機(jī)可逆調(diào)速。四、計算題1.疊加定理：（1）Us單獨(dú)作用時，Is開路，R3電壓U3'=Us×(R3)/(R1+R2+R3)=10×20/(5+10+20)=5.71V（方向上正下負(fù)）（2）Is單獨(dú)作用時，Us短路，總電阻R總=R1∥(R2+R3)=5∥30=4.286Ω，Us端電壓U=Is×R總=2×4.286=8.57V，R3電流I3''=U/(R2+R3)=8.57/30=0.286A，U3''=I3''×R3=5.71V（方向下正上負(fù)）（3）疊加后U3=U3'-U3''=0V（或方向相反抵消）2.（1）n0=60f/p=60×50/2=1500r/min（2）sN=(n0-nN)/n0=(1500-1440)/1500=0.04（3）f2=sN×f=0.04×50=2Hz3.（1）根軌跡起點(diǎn)：s=0,-1,-2；終點(diǎn)：s→∞（3條漸近線）；漸近線夾角θ=(2k+1)π/3（k=0,1,2）即60°,180°,300°；漸近線交點(diǎn)σa=(0-1-2)/3=-1；分離點(diǎn)：由dK/ds=0，K=-s(s+1)(s+2)，求導(dǎo)得-[(s+1)(s+2)+s(s+2)+s(s+1)]=0，解得s≈-0.423（實(shí)軸分離點(diǎn)）。根軌跡圖略。（2）系統(tǒng)穩(wěn)定條件：特征方程s3+3s2+2s+K=0，列勞斯表：s312s23Ks1(6-K)/30s?K要求(6-K)/3>0且K>0，故0<K<6。4.（1）Ud=0.9U2(1+cosα)/2=0.9×220×(1+cos60°)/2=0.9×220×1.5/2=148.5V（2）Id=Ud/R=148.5/10=14.85A（3）晶閘管電流有效值IT=Id×√[(π-α)/π+sin2α/(2π)]=14.85×√[(120°/180°π)/π+sin120°/(2π)]≈14.85×0.707≈10.5A，額定電流取1.5倍：10.5×1.5≈15.75A，選20A。（4）晶閘管承受的最大電壓為√2U2=311V，額定電壓取2倍：311×2≈622V，選700V。五、綜合分析題1.（1）方框圖：溫度設(shè)定→比較器（+-）→PID控制器→執(zhí)行器（如晶閘管調(diào)功器）→加熱/制冷裝置→恒溫箱（被控對象）→溫度傳感器（如PT100）→比較器（反饋）。（2）功能：溫度設(shè)定提供目標(biāo)值；傳感器檢測實(shí)際溫度；比較器計算偏差；PID控制器根據(jù)偏差輸出控制信號；執(zhí)行器調(diào)節(jié)加熱/制冷功率；被控對象為恒溫箱內(nèi)空氣。（3）干擾因素：環(huán)境溫度變化、箱門開啟、負(fù)載熱耗變化。抑制措施：增加保溫層減少環(huán)境影響；設(shè)置門控聯(lián)鎖減少開門時間；引入前饋補(bǔ)償負(fù)載熱耗。（4）臨界比例度法：先置Ti=∞,Td=0，增大Kp至系統(tǒng)等幅振蕩，記錄臨界比例度δk和臨界周期Tk，按經(jīng)驗(yàn)公式（如P：δ=2δk；PI：δ=2.2δk,Ti=0.85T