2025年大學(xué)《航空運(yùn)動》專業(yè)題庫——航空航天領(lǐng)域的飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.飛行器的靜穩(wěn)定性是指（）。A.飛行器受到擾動后，能夠自動恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的趨勢B.飛行器保持直線勻速飛行的能力C.飛行器改變姿態(tài)的快慢程度D.飛行器操縱系統(tǒng)的靈敏度2.飛行控制系統(tǒng)的主要目的是（）。A.提高飛行員的飛行效率B.確保飛行器在受到擾動時能夠保持穩(wěn)定或按預(yù)定軌跡飛行C.減少飛行器的能耗D.實(shí)現(xiàn)飛行器的自動駕駛3.傳遞函數(shù)是在（）條件下，系統(tǒng)輸出信號與輸入信號的拉普拉斯變換之比。A.零輸入B.零初始條件C.零狀態(tài)D.非零初始條件4.比例（P）控制器的控制作用與（）成正比。A.誤差的大小B.誤差的變化率C.誤差的積分D.控制輸出的變化率5.積分（I）控制器的主要作用是（）。A.提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度B.減小系統(tǒng)的超調(diào)量C.消除穩(wěn)態(tài)誤差D.增加系統(tǒng)的阻尼6.微分（D）控制器的主要作用是（）。A.提供基準(zhǔn)信號B.放大誤差信號C.預(yù)測誤差的變化趨勢，增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼D.消除系統(tǒng)的高頻噪聲7.增益裕度（KG）表示系統(tǒng)在（）處的增益。A.-180°相位角B.0°相位角C.-90°相位角D.90°相位角8.相位裕度（γ）表示系統(tǒng)在（）處的相位角與-180°之差。A.增益為1（0dB）的頻率B.增益為0（-∞dB）的頻率C.系統(tǒng)閉環(huán)特征根實(shí)部的頻率D.系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)極點(diǎn)的頻率9.飛行控制系統(tǒng)中，通常使用（）來模擬駕駛員的操縱輸入。A.傳感器B.控制器C.操縱桿或駕駛盤D.執(zhí)行機(jī)構(gòu)10.狀態(tài)空間法主要用于分析（）。A.單輸入單輸出系統(tǒng)B.多輸入多輸出系統(tǒng)C.線性時不變系統(tǒng)D.非線性系統(tǒng)二、填空題（每題2分，共20分。請將答案填在題后的橫線上）1.飛行控制系統(tǒng)通常由______、______和______三部分組成。2.飛行器的穩(wěn)定性通常用______和______來衡量。3.頻域分析法中，常用的穩(wěn)定性判據(jù)有______和______。4.PID控制器中，P代表______，I代表______，D代表______。5.在飛行控制系統(tǒng)中，______是將控制信號轉(zhuǎn)換為控制面偏轉(zhuǎn)或發(fā)動機(jī)指令的部件。6.飛行控制律設(shè)計的目的是使飛行器滿足______、______和______等要求。7.誤差動態(tài)方程描述了飛行器在受到______作用時，誤差信號隨時間變化的規(guī)律。8.狀態(tài)反饋控制可以通過選擇合適的反饋增益矩陣來______系統(tǒng)的極點(diǎn)，從而改變系統(tǒng)的動態(tài)性能。9.對于無人機(jī)等系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)簡單、冗余度低，其飛行控制系統(tǒng)設(shè)計需要特別關(guān)注______和______問題。10.飛行控制系統(tǒng)設(shè)計必須保證系統(tǒng)在______和______兩種情況下都能保持穩(wěn)定。三、判斷題（每題1分，共10分。請將“正確”或“錯誤”填在題后的括號內(nèi)）1.飛行器的靜穩(wěn)定性意味著不受任何擾動也能保持水平直線飛行。（）2.操縱面的鉸鏈位置對飛行器的穩(wěn)定性和操縱性有顯著影響。（）3.傳遞函數(shù)只能描述線性時不變系統(tǒng)的特性。（）4.比例控制器能夠完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。（）5.微分控制器對系統(tǒng)噪聲很敏感。（）6.增益裕度表示系統(tǒng)抗干擾的能力。（）7.相位裕度越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好，但響應(yīng)速度可能變慢。（）8.飛行控制系統(tǒng)的傳感器主要用于測量飛行器的姿態(tài)和位置。（）9.狀態(tài)空間法適用于分析線性時不變系統(tǒng)，但不能分析非線性系統(tǒng)。（）10.所有的飛行控制系統(tǒng)都必須包含自動駕駛儀。（）四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述飛行控制系統(tǒng)的主要功能。2.解釋什么是飛行器的靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。3.簡述PID控制器的優(yōu)缺點(diǎn)。4.什么是增益裕度和相位裕度？它們對飛行控制系統(tǒng)性能有何影響？五、計算題（每題10分，共20分）1.已知某飛行器俯仰通道的傳遞函數(shù)為G(s)=1/(s(s+2))。試求該系統(tǒng)的阻尼比ζ和自然頻率ωn，并判斷該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.某飛行控制系統(tǒng)采用PID控制器，其傳遞函數(shù)為Gc(s)=Kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)。已知Kp=10，Ti=0.5s，Td=0.2s。試求該控制器的參數(shù)，并簡述其控制作用。六、分析題（每題10分，共20分）1.分析飛行控制系統(tǒng)中的反饋連接（FeedbackConnection）的作用及其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。2.簡述飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的主要因素（至少列舉5項）。---試卷答案一、選擇題1.A2.B3.B4.A5.C6.C7.A8.A9.C10.B二、填空題1.傳感器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.靜穩(wěn)定性動穩(wěn)定性3.奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)根軌跡法4.比例積分微分5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)6.穩(wěn)定性操縱性軌跡精度7.擾動8.配置9.故障診斷冗余備份10.空載負(fù)載三、判斷題1.錯誤2.正確3.正確4.錯誤5.正確6.錯誤7.正確8.正確9.錯誤10.錯誤四、簡答題1.答：飛行控制系統(tǒng)的主要功能包括：保持飛行器的穩(wěn)定飛行狀態(tài)；按照預(yù)定指令或駕駛員指令改變飛行器的姿態(tài)和軌跡；提供飛行員的輔助操縱或自動駕駛功能；補(bǔ)償系統(tǒng)誤差和外部干擾的影響。2.答：飛行器的靜穩(wěn)定性是指當(dāng)飛行器受到微小擾動使其偏離平衡狀態(tài)后，如果擾動消失，飛行器能夠依靠自身力矩自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。動穩(wěn)定性是指飛行器在受到持續(xù)或周期性擾動時，其運(yùn)動狀態(tài)能夠最終衰減或保持穩(wěn)定，而不發(fā)生發(fā)散。3.答：PID控制器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、易于實(shí)現(xiàn)、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠同時改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度。缺點(diǎn)是參數(shù)整定比較困難，對于非線性、時變系統(tǒng)效果不佳，且可能存在穩(wěn)態(tài)誤差（積分項）和噪聲放大（微分項）的問題。4.答：增益裕度（KG）是系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)在相位角達(dá)到-180°時的增益值，表示系統(tǒng)在遭受增益變化時的穩(wěn)定裕量。相位裕度（γ）是系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)增益為1（0dB）時的相位角與-180°之差，表示系統(tǒng)在遭受相位滯后變化時的穩(wěn)定裕量。增益裕度和相位裕度越大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好，抗干擾能力越強(qiáng)，但響應(yīng)速度可能變慢。五、計算題1.解：系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)=1/(s(s+2))。系統(tǒng)特征方程為s(s+2)=0，特征根為s?=0,s?=-2。由于特征根均為負(fù)實(shí)數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)形式為G(s)=ωn2/(s2+2ζωns+ωn2)。對比可得：ωn2=1/2，因此ωn=1/√2rad/s。對比可得：2ζωn=0，因此ζ=0/(2*(1/√2)*1/√2)=0。結(jié)論：該系統(tǒng)的阻尼比ζ=0，自然頻率ωn=1/√2rad/s。系統(tǒng)為臨界阻尼系統(tǒng)（理論上，實(shí)際中可能為小阻尼欠阻尼）。2.解：控制器傳遞函數(shù)Gc(s)=Kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)。將參數(shù)Kp=10，Ti=0.5s，Td=0.2s代入，得：Gc(s)=10*(1+1/(0.5s)+0.2s)Gc(s)=10*(1+2/s+0.2s)Gc(s)=10*(0.2s+2/s+1)Gc(s)=2s+20/s+10將分母通分，得：Gc(s)=(2s2+20+10s)/sGc(s)=(2s2+10s+20)/sGc(s)=2(s+5/2+5√2/(2*√5)s)Gc(s)=2(s+5/2+√2/(√5)s)其中，比例（P）參數(shù)為Kp=10，積分（I）參數(shù)為1/Ti=1/0.5=2，微分（D）參數(shù)為Td=0.2?？刂破鞯膮?shù)為Kp=10，Ti=0.5s，Td=0.2s。其控制作用分別為比例作用、積分作用和微分作用。六、分析題1.答：飛行控制系統(tǒng)中的反饋連接是指將飛行器的輸出信號（如姿態(tài)角、角速度等）通過傳感器測量后，與給定的參考輸入信號（如期望姿態(tài)、指令等）進(jìn)行比較，得到誤差信號，再將誤差信號輸入控制器進(jìn)行處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。反饋連接的作用主要有：*提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：通過負(fù)反饋，抑制擾動和系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化對輸出的影響，使系統(tǒng)在受到擾動后能夠恢復(fù)到期望狀態(tài)。*減小穩(wěn)態(tài)誤差：積分控制作用可以通過反饋不斷累積誤差，驅(qū)動控制器輸出變化，直至消除穩(wěn)態(tài)誤差。*改善系統(tǒng)性能：通過反饋，可以調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)特性，如響應(yīng)速度、超調(diào)量等，使其滿足設(shè)計要求。*實(shí)現(xiàn)解耦控制：在多輸入多輸出系統(tǒng)中，可以通過精心設(shè)計的反饋回路，使一個輸入只影響一個輸出，簡化控制問題。然而，反饋連接也可能引入噪聲放大、相位滯后等問題，需要在設(shè)計中加以考慮。過度反饋甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩和不穩(wěn)定。2.答：飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的主要因素包括：*穩(wěn)定性與可靠性：系統(tǒng)必須在各種工作條件和故障情況下保持穩(wěn)定，并且具有高可靠性，確保飛行安全。*性能指標(biāo)：需要滿足預(yù)定的性能要求，如響應(yīng)速度、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)精度、操縱感等。*魯棒性：系統(tǒng)應(yīng)能抵抗外部干擾、參數(shù)變化和內(nèi)部不確定性，保持良好的性能。*傳感器精度與可靠性：傳感器是系統(tǒng)的“眼睛”，其精度、測量范圍、響應(yīng)速度和可靠性直接影響控制效果。*執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度、功率、帶寬和可靠性必須滿