2025年注冊(cè)電氣工程師考試沖刺試卷：電氣自動(dòng)化專項(xiàng)訓(xùn)練重點(diǎn)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述自動(dòng)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：1.當(dāng)K=10時(shí)，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性如何？2.若要求系統(tǒng)在階躍輸入下的超調(diào)量σ%≤10%，試確定K的取值范圍（要求說明判斷依據(jù)）。三、某PLC控制系統(tǒng)，采用梯形圖編程。現(xiàn)要求實(shí)現(xiàn)：當(dāng)X0接通后，Y0線圈得電并保持；同時(shí)，若X1接通，則Y0線圈斷電。請(qǐng)畫出實(shí)現(xiàn)該邏輯功能的梯形圖。四、試述變頻器在交流異步電機(jī)調(diào)速中的基本原理。比較V/f控制方式和矢量控制方式在動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度方面的主要區(qū)別。五、在一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要精確控制液位高度。請(qǐng)簡(jiǎn)述使用壓力傳感器測(cè)量液位高度的原理，并說明可能存在哪些誤差來源以及相應(yīng)的補(bǔ)償措施。六、某電力電子變流電路，采用單相全波整流橋，負(fù)載為純阻性。已知交流輸入電壓有效值U1=220V，負(fù)載電阻R=10Ω。試計(jì)算：1.負(fù)載上得到的直流電壓平均值Ud。2.流過二極管的平均電流Id和最大反向峰值電壓VRM。七、什么是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的“總線制”特點(diǎn)？它與傳統(tǒng)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”布線方式相比，在成本、維護(hù)、擴(kuò)展性等方面有哪些優(yōu)勢(shì)？八、簡(jiǎn)述伺服系統(tǒng)由哪些主要部分組成，并說明各部分在系統(tǒng)中的作用。九、在設(shè)計(jì)和選用電氣控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循哪些主要的安全原則？請(qǐng)舉例說明至少三項(xiàng)。十、某自動(dòng)化生產(chǎn)線部分環(huán)節(jié)采用工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工件。請(qǐng)簡(jiǎn)述為確保操作安全需要采取哪些安全防護(hù)措施。十一、已知一個(gè)二階控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為C(s)/R(s)=ωn2/(s2+2ζωns+ωn2)，其中ωn=10rad/s。若要求該系統(tǒng)的阻尼比ζ=0.5，試計(jì)算其自然頻率ωn和阻尼系數(shù)ξ。并簡(jiǎn)述阻尼比ζ對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能（超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間）的影響。十二、試分析將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程中，可能產(chǎn)生的諧波分量，并簡(jiǎn)述一種常見的諧波抑制方法及其原理。試卷答案一、自動(dòng)控制系統(tǒng)通常由以下幾個(gè)基本部分組成：1.給定元件（或稱參考輸入元件）：它產(chǎn)生與期望輸出相對(duì)應(yīng)的給定信號(hào)，作為系統(tǒng)的輸入。2.比較元件：將給定信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)。3.放大元件：將微弱的誤差信號(hào)放大到足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的功率。4.執(zhí)行元件：根據(jù)誤差信號(hào)的作用，直接驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，使其輸出發(fā)生變化。5.被控對(duì)象（或過程）：需要被自動(dòng)控制的設(shè)備或生產(chǎn)過程。6.測(cè)量元件（或傳感器）：檢測(cè)被控對(duì)象的實(shí)際輸出量。7.反饋通路：將測(cè)量元件的輸出信號(hào)傳回比較元件，形成閉環(huán)控制。二、1.系統(tǒng)穩(wěn)定性分析：根據(jù)勞斯判據(jù)或赫爾維茨準(zhǔn)則判斷。系統(tǒng)的特征方程為D(s)=s(s+1)(s+5)+K=s?+6s3+5s2+K。勞斯表前兩行為15,6K。第一列元素為1,6,(6*5-K)/6。要求系統(tǒng)穩(wěn)定，所有勞斯表第一列元素必須為正。因此，需滿足6>0且(6*5-K)/6>0，即K<30。當(dāng)K=10時(shí)，所有元素均為正，故系統(tǒng)穩(wěn)定。2.系統(tǒng)性能分析：該系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)可寫為C(s)/R(s)=K/(s2+6s+K)。自然頻率ωn=√K，阻尼比ζ=6/(2√K)=3/√K。當(dāng)K=10時(shí)，ωn=√10rad/s，ζ=3/√10≈0.95。此時(shí)系統(tǒng)為過阻尼系統(tǒng)，階躍響應(yīng)無超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能不佳，不符合σ%≤10%的要求。為滿足σ%≤10%，需系統(tǒng)為欠阻尼二階系統(tǒng)(0<ζ<1)，且計(jì)算超調(diào)量公式為σ%=exp(-ζπ/√(1-ζ2))*100%。解此方程得ζ≈0.59。根據(jù)ζ=3/√K，得√K=3/0.59≈5.08，K≈(5.08)2≈25.8。同時(shí)，為使系統(tǒng)有足夠的響應(yīng)速度，通常要求ωn=√K≥1.2~2。K≈25.8滿足此要求。因此，K的取值范圍約為25.8<K<30。三、```梯形圖X0--||---[Y0]---()---X1||---```解析思路：使用一個(gè)常閉觸點(diǎn)X1來實(shí)現(xiàn)Y0的互鎖。當(dāng)X0為ON時(shí)，Y0線圈得電并自鎖（通過Y0的常開觸點(diǎn)閉合）。當(dāng)X1也為ON時(shí)，X1的常閉觸點(diǎn)斷開，切斷Y0的線圈回路，使Y0線圈斷電。實(shí)現(xiàn)了X0接通Y0得電，X1接通Y0失電的功能。四、變頻器通過改變加在交流異步電機(jī)定子繞組上的交流電壓的幅值（U）和頻率（f）來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。基本原理：變頻器先將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換成頻率和電壓均可調(diào)的交流電供給電機(jī)。通過改變輸出交流電的頻率f，可以改變電機(jī)磁通與轉(zhuǎn)子電流的相對(duì)速度，從而改變轉(zhuǎn)差率s，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速n=(1-s)f1。同時(shí)，為了維持電機(jī)轉(zhuǎn)矩基本恒定，需要根據(jù)頻率的變化相應(yīng)調(diào)整電壓U（即V/f控制策略）。區(qū)別：1.V/f控制方式：只按比例改變電壓和頻率，無法完全補(bǔ)償磁飽和的影響，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出能力下降，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度較差，屬于開環(huán)或簡(jiǎn)單閉環(huán)控制。2.矢量控制方式（Field-OrientedControl,FOC）：通過坐標(biāo)變換，將電機(jī)定子電流解耦為磁場(chǎng)電流分量（d軸）和轉(zhuǎn)矩電流分量（q軸），分別進(jìn)行控制。可以精確控制電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了近似直流電機(jī)的控制效果，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)態(tài)精度高，通常采用閉環(huán)控制，性能顯著優(yōu)于V/f控制。五、使用壓力傳感器測(cè)量液位的原理通常是利用液柱產(chǎn)生的靜壓差。將壓力傳感器（如差壓變送器）安裝于容器底部或底部以上某一固定高度處，測(cè)量該點(diǎn)處液體的靜壓強(qiáng)P。根據(jù)靜力學(xué)原理，P=ρgh+Patm，其中ρ是液體密度，g是重力加速度，h是傳感器測(cè)點(diǎn)距離液面的高度，Patm是大氣壓強(qiáng)。通過測(cè)量壓強(qiáng)P，并已知ρ,g,Patm，可以計(jì)算出液位高度h=(P-Patm)/(ρg)。對(duì)于開口容器，Patm相同，可以直接測(cè)量P-Patm(表壓)來確定液位。誤差來源及補(bǔ)償措施：1.液體密度變化：ρ變化導(dǎo)致計(jì)算誤差。補(bǔ)償措施：使用密度補(bǔ)償功能的變送器，或在測(cè)量時(shí)測(cè)定實(shí)際液體密度。2.溫度影響：溫度影響液體密度和傳感器性能。補(bǔ)償措施：進(jìn)行溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，或在不同溫度下進(jìn)行校準(zhǔn)。3.液位波動(dòng)：瞬態(tài)波動(dòng)影響測(cè)量精度。補(bǔ)償措施：采用濾波算法處理信號(hào)，或選擇響應(yīng)速度慢的傳感器。4.氣泡或沉淀物：影響測(cè)點(diǎn)壓力。補(bǔ)償措施：選擇合適的安裝位置，定期清理。5.壓力傳感器零點(diǎn)漂移：補(bǔ)償措施：定期校準(zhǔn)傳感器。六、1.直流電壓平均值Ud=0.9*U1=0.9*220V=198V。2.負(fù)載電流平均值Id=Ud/R=198V/10Ω=19.8A。流過每個(gè)二極管的平均電流Id_2d=Id/2=19.8A/2=9.9A。最大反向峰值電壓VRM=√2*U1=√2*220V≈311V。七、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的“總線制”特點(diǎn)是指用一根或多根物理線路（總線）將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如傳感器、執(zhí)行器、控制器）的信號(hào)輸入/輸出接口連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和通信。優(yōu)勢(shì)：1.成本降低：大大減少所需的電纜數(shù)量和長(zhǎng)度，節(jié)省了線纜、安裝、維護(hù)費(fèi)用。2.維護(hù)方便：故障診斷和隔離相對(duì)容易，可以方便地增加或移除設(shè)備，不影響其他設(shè)備。3.擴(kuò)展性強(qiáng)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，易于擴(kuò)展，可方便地增加新的控制節(jié)點(diǎn)。4.提高可靠性：減少了接點(diǎn)數(shù)量，降低了接觸不良或斷線的故障概率（但總線本身故障會(huì)影響整段）。5.傳輸速率高：現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)總線速率不斷提升，可滿足復(fù)雜控制需求。八、伺服系統(tǒng)通常由以下主要部分組成：1.伺服驅(qū)動(dòng)器（Amplifier）：接收控制器來的指令信號(hào)，放大功率，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。是伺服系統(tǒng)的核心部件。2.伺服電機(jī)（ServoMotor）：將電能轉(zhuǎn)換為精確控制的機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速），是系統(tǒng)的執(zhí)行元件。通常為高精度、高響應(yīng)的電機(jī)，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或直線電機(jī)。3.檢測(cè)元件（Sensor）：用于檢測(cè)伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，如位置、速度或力矩，并將信息反饋給控制器或驅(qū)動(dòng)器，形成閉環(huán)控制。常用有編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、測(cè)速發(fā)電機(jī)等。4.控制器（Controller）：接收外部指令信號(hào)和檢測(cè)元件的反饋信號(hào)，進(jìn)行比較、運(yùn)算，產(chǎn)生控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象（通常是伺服電機(jī)）的精確控制。5.機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（Gearbox/Transmission）：將伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩轉(zhuǎn)換為大負(fù)載所需的轉(zhuǎn)速和扭矩，并可能進(jìn)行減速、增加扭矩、改善傳動(dòng)精度等。可能包含減速器、齒輪、皮帶等。各部分作用：控制器是大腦，負(fù)責(zé)決策；驅(qū)動(dòng)器是動(dòng)力放大器，負(fù)責(zé)輸出功率；電機(jī)是執(zhí)行器，負(fù)責(zé)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；檢測(cè)元件是眼睛和耳朵，負(fù)責(zé)反饋信息形成閉環(huán)；機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)匹配和傳遞運(yùn)動(dòng)。九、設(shè)計(jì)和選用電氣控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循的安全原則包括但不限于：1.電氣安全：保證系統(tǒng)在正常和異常（如短路、過載、接地故障）條件下人身和設(shè)備安全。措施：采用有效的接地保護(hù)（工作接地、保護(hù)接地、防雷接地）、設(shè)置過電流保護(hù)（熔斷器、斷路器）、漏電保護(hù)、使用安全電壓、保證絕緣性能、屏護(hù)和遮攔、設(shè)置警示標(biāo)識(shí)等。2.消防安全：選擇阻燃或難燃材料，合理布置電氣設(shè)備，防止過熱和短路引發(fā)火災(zāi)，設(shè)置火災(zāi)報(bào)警和滅火裝置。措施：選用合適的電纜和設(shè)備，保持通風(fēng)散熱，設(shè)置溫度監(jiān)控和報(bào)警，采用防爆措施（在危險(xiǎn)場(chǎng)所）。3.機(jī)械安全：對(duì)于包含旋轉(zhuǎn)設(shè)備或運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)，需防止運(yùn)動(dòng)部件傷人。措施：設(shè)置安全防護(hù)罩、急停按鈕、限位開關(guān)、安全聯(lián)鎖等。4.操作安全：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔直觀的操作界面，防止誤操作。措施：使用急停按鈕、操作權(quán)限管理、連鎖保護(hù)、清晰的指示燈和顯示屏等。十、為確保工業(yè)機(jī)器人操作安全，需要采取的安全防護(hù)措施包括：1.物理隔離：使用安全圍欄或光柵/安全地毯將機(jī)器人工作區(qū)域與人員活動(dòng)區(qū)域隔開，防止人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。2.安全控制器：安裝安全控制器，能在檢測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)（如人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、急停按鈕被按下）立即使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。3.急停裝置：在操作區(qū)域和機(jī)器人附近設(shè)置多個(gè)易于觸及的急停按鈕，供人員緊急情況下使用。4.速度和力限制：限制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和末端執(zhí)行器的作用力，降低碰撞時(shí)的傷害風(fēng)險(xiǎn)。5.安全操作程序：制定并嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，包括操作前檢查、運(yùn)行中監(jiān)控、維護(hù)時(shí)斷電上鎖（LOTO）等。6.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：定期進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，識(shí)別潛在危險(xiǎn)并采取相應(yīng)措施。7.警示裝置：在機(jī)器人工作區(qū)域設(shè)置警示燈、聲音報(bào)警或指示燈，提示人員注意安全。十一、對(duì)于傳遞函數(shù)C(s)/R(s)=ωn2/(s2+2ζωns+ωn2)，其中ωn2=100rad2/s2，若要求阻尼比ζ=0.5：自然頻率ωn=√ωn2=√100=10rad/s。阻尼系數(shù)ξ=ζωn=0.5*10=5rad/s。解析思路：二階系統(tǒng)阻尼比ζ和自然頻率ωn是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)。ζ=3/√K計(jì)算了在給定K值下的ζ。反之，給定ζ和ωn，可以確定系統(tǒng)參數(shù)K。超調(diào)量?jī)H由ζ決定，ζ越小，超調(diào)量越大，系統(tǒng)越振蕩；ζ越大，超調(diào)量越小，系統(tǒng)越平穩(wěn)，但調(diào)節(jié)時(shí)間也越長(zhǎng)。通常希望系統(tǒng)具有適中的阻尼比（如0.4<ζ<0.8），以兼顧響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。本題目中ζ=0.5，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)，將產(chǎn)生超調(diào)，但超調(diào)量不大（約16.3%），響應(yīng)速度較快。十二、在將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程中（如整流），由于交流電的周期性變化，輸出的直流電并非平滑的直流，而是包含大量交流分量的脈動(dòng)直流。這些交流分量就是諧波。對(duì)于單相全波整流，主要諧波分量是輸入交流基波頻率（f）的奇次諧波，即3f,5f,7f,...。對(duì)于三相全波整流，主要諧波分量是輸入線頻（fline）的奇次諧波，即3fline,5fline,7fline,...（其中5fline,7fline等頻率也包含）。常見的諧波抑制方法及其原理：1.濾波器（Filtering）：在整流電路的輸出端（直流側(cè)）或輸入端（交流側(cè)）接入濾波器。常用L（電感）、C（電容）、LC濾波器等。濾波器利用電感和電容對(duì)不同頻率信號(hào)的阻抗不同（感抗隨頻率增加，容抗隨頻率增加而減?。┑奶匦裕瑢?duì)高頻諧波信號(hào)產(chǎn)生較大的阻抗，使其衰減，從而平滑輸出直流電壓。電容主要吸收紋波，電感主要阻止高頻諧波電流通過。2.增加脈波數(shù)（Multip