2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——系統(tǒng)控制理論在水資源管理中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共10分。請將正確選項(xiàng)的代表字母填寫在題干后的括號內(nèi)）1.在水資源管理系統(tǒng)中，被控量可能包括哪些？（）A.水庫蓄水量B.渠道流量C.水質(zhì)指標(biāo)D.供水用戶壓力E.降雨量2.將水資源系統(tǒng)表示為狀態(tài)空間模型（?=Ax+Bu,y=Cx+Du）時，下列哪個矩陣（或向量）描述了系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化？（）A.B(輸入矩陣)B.C(輸出矩陣)C.D(直接傳遞矩陣)D.A(狀態(tài)矩陣)3.在水庫優(yōu)化調(diào)度問題中，如果控制目標(biāo)是同時最小化缺水量和保證下游生態(tài)需水，這通常意味著系統(tǒng)具有（）。A.單一最優(yōu)解B.多重局部最優(yōu)解C.矛盾的控制目標(biāo)D.無解問題4.PID控制器中的積分（I）項(xiàng)主要解決控制系統(tǒng)的什么問題？（）A.減小超調(diào)量B.提高響應(yīng)速度C.克服穩(wěn)態(tài)誤差D.增加系統(tǒng)阻尼5.對于一個線性定常水資源控制系統(tǒng)，判斷其內(nèi)部穩(wěn)定的常用方法是（）。A.極點(diǎn)分布分析B.奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)C.李雅普諾夫第二法（直接法）D.均方根誤差計算二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上）6.控制系統(tǒng)的基本組成通常包括被控對象、______、傳感器和執(zhí)行器。7.在水資源管理中，利用系統(tǒng)控制理論進(jìn)行水庫調(diào)度，以應(yīng)對未來不確定性，常用的方法是______。8.若一個水資源系統(tǒng)的狀態(tài)方程為?=Ax+Bu，其中輸入向量u(t)代表控制輸入（如放水量），則狀態(tài)x(t)通常包含______、______和______等信息。9.李雅普諾夫穩(wěn)定性理論不要求知道系統(tǒng)精確的動力學(xué)方程，尤其適用于分析______控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。10.水資源系統(tǒng)控制中的一個重要挑戰(zhàn)是______，即系統(tǒng)參數(shù)或外部環(huán)境（如降雨）隨時間變化或具有隨機(jī)性。三、簡答題（每題5分，共15分）11.簡述將經(jīng)典PID控制策略應(yīng)用于水庫供水控制系統(tǒng)時，比例（P）、積分（I）、微分（D）三項(xiàng)各自可能起到的作用。12.為什么在利用系統(tǒng)控制理論分析復(fù)雜的水資源系統(tǒng)（如流域）時，狀態(tài)空間模型比傳遞函數(shù)模型更具優(yōu)勢？13.簡述水資源管理中實(shí)施控制策略可能面臨的主要非技術(shù)性障礙。四、計算題（每題10分，共20分）14.已知一個簡化的供水管道系統(tǒng)被控量為管道末端壓力p，控制輸入為水泵閥門開度u。假設(shè)系統(tǒng)可近似描述為線性定常狀態(tài)空間模型：?=\begin{bmatrix}-1&1\\0&-2\end{bmatrix}x+\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}u,y=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix}x。試計算該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D。15.考慮一個具有隨機(jī)輸入（如降雨變化）的水庫水量平衡系統(tǒng)。設(shè)水庫當(dāng)前蓄水量為x_0，控制策略為根據(jù)當(dāng)前蓄水量和預(yù)測降雨量調(diào)整放水量u(t)。若要求設(shè)計一個簡單的反饋控制律，使得在單位階躍降雨輸入下，水庫蓄水量（作為被控量）的穩(wěn)態(tài)偏差盡可能小。請簡述設(shè)計思路，并說明此設(shè)計面臨的簡化及其可能帶來的問題。五、論述題（15分）16.論述系統(tǒng)控制理論為實(shí)現(xiàn)水資源系統(tǒng)的可持續(xù)管理可以提供哪些關(guān)鍵支持，并分析其在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的挑戰(zhàn)和局限性。試卷答案一、選擇題1.ABCD2.D3.C4.C5.C二、填空題6.控制器7.模型預(yù)測控制(MPC)或魯棒控制(根據(jù)具體理論深度可能包含其他方法，但MPC最典型)8.水庫當(dāng)前蓄水量、入庫流量、出庫流量（或需水量）9.非線性10.不確定性三、簡答題11.解析思路：P項(xiàng)通過當(dāng)前誤差提供即時修正，I項(xiàng)通過累積誤差消除穩(wěn)態(tài)偏差，D項(xiàng)通過預(yù)測未來誤差趨勢提供提前抑制，防止超調(diào)和振蕩。12.解析思路：狀態(tài)空間模型能描述多輸入多輸出系統(tǒng)，適合處理耦合關(guān)系復(fù)雜的流域系統(tǒng)；能方便地引入外部擾動和不確定性；便于進(jìn)行穩(wěn)定性、最優(yōu)控制和魯棒控制等深入分析。13.解析思路：可能包括：數(shù)據(jù)獲取與質(zhì)量問題、模型不確定性、多部門利益協(xié)調(diào)困難、公眾接受度、政策法規(guī)限制、實(shí)施成本高昂、缺乏專業(yè)人才等。四、計算題14.解析思路：根據(jù)狀態(tài)空間方程，計算(sI-A)的逆矩陣，然后乘以B和C，最后加上D。結(jié)果為G(s)=\frac{1}{s^2+3s+2}[s+2]。(注意：此處計算過程簡化，實(shí)際計算需展開詳細(xì)矩陣運(yùn)算)15.解析思路：設(shè)計思路通常是采用反饋形式，如u(t)=-Kx(t)+u_0，其中K為增益，u_0為偏置。目標(biāo)是使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，并具有較小的穩(wěn)態(tài)誤差。簡化在于假設(shè)系統(tǒng)線性，忽略模型精度和強(qiáng)不確定性，可能問題包括計算復(fù)雜度高、對參數(shù)變化敏感、魯棒性差等。五、論述題解析思路：支持：提供優(yōu)化決策工具（如MP