2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——控制系統(tǒng)工程與自動(dòng)化技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在經(jīng)典控制理論中，描述線性定常系統(tǒng)輸入輸出動(dòng)態(tài)關(guān)系的最基本數(shù)學(xué)工具是（）。A.狀態(tài)方程B.傳遞函數(shù)C.頻率響應(yīng)D.極點(diǎn)配置2.已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)=(s+2)/(s^2+3s+2)，其零點(diǎn)位于（）。A.s=-2B.s=-1C.s=-3D.s=13.利用勞斯判據(jù)判斷閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，若勞斯表中第一列出現(xiàn)全零行，則系統(tǒng)（）。A.一定有正實(shí)部根B.一定有負(fù)實(shí)部根C.一定有純虛根D.可能存在正實(shí)部根，也可能存在純虛根4.在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，增加零點(diǎn)通常對(duì)系統(tǒng)的（）有改善作用。A.穩(wěn)定性B.響應(yīng)速度C.抗干擾能力D.阻尼比5.二階系統(tǒng)的阻尼比ζ為0時(shí)，系統(tǒng)輸出響應(yīng)呈現(xiàn)（）。A.振蕩發(fā)散B.振蕩收斂C.非振蕩收斂D.無窮大輸出6.在頻域分析法中，描述系統(tǒng)相位裕度γ的物理意義是（）。A.系統(tǒng)增益穿越0dB頻率點(diǎn)時(shí)的相位滯后角度B.系統(tǒng)增益穿越-40dB頻率點(diǎn)時(shí)的相位滯后角度C.系統(tǒng)相位穿越-180°頻率點(diǎn)時(shí)的增益裕度D.系統(tǒng)相位穿越0°頻率點(diǎn)時(shí)的增益裕度7.狀態(tài)空間法的優(yōu)點(diǎn)之一是（）。A.只適用于線性系統(tǒng)B.只適用于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)C.易于處理多輸入多輸出系統(tǒng)D.無法進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析8.對(duì)于線性定常系統(tǒng)，李雅普諾夫第二法（直接法）主要用于判斷系統(tǒng)的（）。A.穩(wěn)定性B.響應(yīng)速度C.穩(wěn)態(tài)誤差D.抗干擾能力9.在最優(yōu)控制問題中，目標(biāo)函數(shù)通常表示為（）。A.系統(tǒng)狀態(tài)B.控制輸入C.狀態(tài)與控制輸入的函數(shù)，旨在最小化或最大化D.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)10.自動(dòng)化系統(tǒng)中，執(zhí)行器的主要作用是（）。A.檢測(cè)被控量B.產(chǎn)生控制信號(hào)C.將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的物理量D.對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中的橫線上）1.一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)通常表示為G(s)=1/(Ts+1)，其中T是系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，它反映了系統(tǒng)的______。2.在根軌跡法中，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)數(shù)m與極點(diǎn)數(shù)n的關(guān)系是m______n。3.控制系統(tǒng)的相角裕度γ表示系統(tǒng)增益穿越______dB頻率點(diǎn)時(shí)的相位滯后角度與-180°的差值。4.狀態(tài)觀測(cè)器的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，使其狀態(tài)估計(jì)值x?(t)的誤差e(t)=x(t)-x?(t)趨于______。5.最優(yōu)控制理論中的龐特里亞金極大值原理，是通過求解哈密頓函數(shù)的______來尋找最優(yōu)控制策略的。6.在工業(yè)自動(dòng)化中，PLC（可編程邏輯控制器）是一種基于______邏輯的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。7.系統(tǒng)辨識(shí)的目的是根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，建立能夠______系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。8.線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣描述了在______輸入下的輸出與輸入之間的拉普拉斯變換關(guān)系。9.魯棒控制理論關(guān)注的是控制系統(tǒng)在模型參數(shù)______或外部擾動(dòng)存在時(shí)，仍能保持預(yù)期性能和穩(wěn)定性的能力。10.傳感器是自動(dòng)化系統(tǒng)中用于______被測(cè)對(duì)象信息，并將其轉(zhuǎn)換為可利用信號(hào)的裝置。三、判斷題（每題2分，共10分。請(qǐng)將“正確”或“錯(cuò)誤”填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不僅取決于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，還取決于輸入信號(hào)的形式。（）2.根軌跡上的每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的一個(gè)閉環(huán)極點(diǎn)。（）3.具有相同傳遞函數(shù)的不同系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)曲線完全相同。（）4.狀態(tài)空間描述法既適用于線性系統(tǒng)，也適用于非線性系統(tǒng)。（）5.任何控制系統(tǒng)都可以通過添加積分環(huán)節(jié)來消除穩(wěn)態(tài)誤差。（）四、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述經(jīng)典控制理論中，增益裕度Kg的定義及其物理意義。2.簡(jiǎn)述狀態(tài)空間法中，系統(tǒng)可控性的定義及其判別條件。3.簡(jiǎn)述在自動(dòng)化系統(tǒng)中，選擇傳感器時(shí)需要考慮的主要因素。五、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=10/(s^2+4s+25)。請(qǐng)計(jì)算該系統(tǒng)的自然頻率ωn和阻尼比ζ，并判斷系統(tǒng)是否振蕩。2.已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)H(s)=K/(s(s+1)(s+5))。試用勞斯判據(jù)確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的開環(huán)增益K的取值范圍。六、論述題（10分）結(jié)合實(shí)例，論述經(jīng)典控制理論中的頻域分析法（如Bode圖、Nyquist圖）在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估中的作用和優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.D4.B5.A6.A7.C8.A9.C10.C二、填空題1.響應(yīng)速度2.≤3.04.零5.極小值6.運(yùn)算7.模擬8.零態(tài)9.變化10.獲取三、判斷題1.錯(cuò)誤2.正確3.錯(cuò)誤4.正確5.錯(cuò)誤四、簡(jiǎn)答題1.增益裕度Kg是指系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)曲線上，相位角φ(jω)=-180°時(shí)的增益|G(jω)H(jω)|的倒數(shù)。其物理意義表示系統(tǒng)在相位達(dá)到臨界值時(shí)，增益還能增加多少倍（以0dB為基準(zhǔn)）而不致失去穩(wěn)定。Kg越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度越大，抗干擾能力越強(qiáng)。2.系統(tǒng)可控性是指對(duì)于線性定常系統(tǒng)，是否存在一個(gè)控制輸入信號(hào)，能夠在有限時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)從任意初始狀態(tài)x(t?)轉(zhuǎn)移到任意期望的最終狀態(tài)x(t_f)。判別條件：對(duì)于單輸入系統(tǒng)，可控性等價(jià)于傳遞函數(shù)分母與分子經(jīng)行化簡(jiǎn)后不含有s的多項(xiàng)式因子；對(duì)于多輸入系統(tǒng)，可控性矩陣[BABA2B...A^(n-1)B]的秩等于系統(tǒng)的階數(shù)n。3.選擇傳感器時(shí)需要考慮的主要因素包括：測(cè)量范圍和量程、精度和分辨率、響應(yīng)時(shí)間、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性（漂移）、環(huán)境適應(yīng)性（溫度、濕度、振動(dòng)等）、輸出信號(hào)類型（電壓、電流、數(shù)字等）、成本、安裝維護(hù)方便性等。五、計(jì)算題1.解：傳遞函數(shù)G(s)=10/(s^2+4s+25)可寫成標(biāo)準(zhǔn)二階形式G(s)=ωn^2/(s^2+2ζωns+ωn^2)。對(duì)比分母系數(shù)，得到：ωn^2=25，2ζωn=4。解得：ωn=√25=5rad/s，ζ=4/(2*5)=0.4。系統(tǒng)自然頻率為5rad/s，阻尼比0.4。由于ζ>0且ζ<1，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，會(huì)振蕩。2.解：系統(tǒng)的特征方程為s(s+1)(s+5)+K=0。勞斯表為：s3s2s1s?16?0??6?為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，勞斯表中s1列和s?列的元素必須全部為正。s1列第二個(gè)元素為6*5-1*K=30-K。要使s1列元素為正，需30-K>0，即K<30。s?列元素為K。要使s?列元素為正，需K>0。綜合以上條件，系統(tǒng)穩(wěn)定的開環(huán)增益K的取值范圍是0<K<30。六、論述題經(jīng)典控制理論中的頻域分析法，特別是Bode圖和Nyquist圖，是研究線性定?？刂葡到y(tǒng)在頻域內(nèi)的行為的有力工具。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：1.直觀性：Bode圖將增益和相位作為頻率的函數(shù)繪制在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，形狀特征（如幅值穿越頻率、相位穿越頻率、斜率變化）能直觀反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。2.圖解分析：Nyquist圖通過復(fù)平面上的軌跡描繪系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)，可以直接應(yīng)用穩(wěn)定性判據(jù)（如奈奎斯特穩(wěn)定性定理），判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并精確計(jì)算相角裕度和增益裕度，評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量。3.設(shè)計(jì)與評(píng)估統(tǒng)一：頻域方法將系統(tǒng)的性能指標(biāo)（如帶寬、諧振頻率、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間）與開環(huán)頻率特性參數(shù)（增益裕度、相角裕度）聯(lián)系起來，為控制器的設(shè)計(jì)（如PID參數(shù)整定、根軌跡法）提供了明確的依據(jù)和目標(biāo)。通過調(diào)整開環(huán)特性，可以間接控制閉環(huán)系統(tǒng)的性能。4.適用于經(jīng)典方法：對(duì)于單輸入單輸出、線性定常的LTI系統(tǒng)，頻域方法是一種成熟且有效的分析與設(shè)計(jì)手段，物理意義明確，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便。5.魯棒性概念引入：基于頻域的增益裕度和相角裕度概念，為分析系統(tǒng)在參數(shù)變化或外部擾