2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——系統(tǒng)控制技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.在智能制造單元中，用于精確控制機(jī)床進(jìn)給速度的執(zhí)行器通常是？A.伺服電機(jī)B.步進(jìn)電機(jī)C.直流電機(jī)D.交流電機(jī)2.對(duì)于需要快速響應(yīng)但精度要求不是特別高的智能制造過程（如物料搬運(yùn)），以下哪種控制策略可能更適用？A.比例-積分-微分（PID）控制B.線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）C.模糊控制D.狀態(tài)反饋控制3.在經(jīng)典控制理論中，用于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要工具是？A.狀態(tài)空間方程B.傳遞函數(shù)C.頻率響應(yīng)D.離散化方程4.當(dāng)智能制造系統(tǒng)需要適應(yīng)運(yùn)行過程中不斷變化的參數(shù)（如環(huán)境溫度對(duì)加工精度的影響）時(shí)，最適合采用的控制策略是？A.線性定?？刂艬.自適應(yīng)控制C.魯棒控制D.解耦控制5.傳感器在智能制造控制系統(tǒng)中的作用主要是？A.執(zhí)行控制指令B.提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息C.設(shè)計(jì)控制器算法D.存儲(chǔ)控制歷史數(shù)據(jù)6.在多機(jī)協(xié)同的智能制造生產(chǎn)線上，為了協(xié)調(diào)各單元的運(yùn)行順序和節(jié)奏，常需要采用？A.單變量控制B.多變量控制C.純反饋控制D.開環(huán)控制7.能夠直接處理非結(jié)構(gòu)化信息和模糊規(guī)則，常用于工業(yè)過程控制的智能控制方法是？A.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制B.模糊控制C.預(yù)測(cè)控制D.自適應(yīng)控制8.描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的另一種重要方法是？A.頻域分析B.狀態(tài)空間分析C.極點(diǎn)配置D.魯棒性分析9.在系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)中，確保系統(tǒng)在參數(shù)攝動(dòng)或外部干擾下仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行的能力稱為？A.能控性B.能觀性C.魯棒性D.穩(wěn)定性10.基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，利用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來行為并進(jìn)行控制優(yōu)化的方法屬于？A.傳統(tǒng)模型辨識(shí)B.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制C.基于模型的控制D.智能調(diào)度二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共25分。請(qǐng)將答案寫在答題紙上）1.簡(jiǎn)述閉環(huán)控制系統(tǒng)在智能制造中的主要優(yōu)勢(shì)。2.簡(jiǎn)述狀態(tài)反饋控制在提高系統(tǒng)性能方面的作用。3.智能制造環(huán)境中的傳感器面臨哪些特殊挑戰(zhàn)？應(yīng)如何選擇傳感器類型？4.什么是控制系統(tǒng)的能控性和能觀性？它們對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有何意義？5.比較模糊控制與傳統(tǒng)PID控制在處理非線性、時(shí)變智能制造過程中的主要區(qū)別。三、分析題（每小題10分，共20分。請(qǐng)將答案寫在答題紙上）1.在一條自動(dòng)裝配線上，有一個(gè)關(guān)鍵的控制任務(wù)是將特定零件從料倉精確抓取并放置到裝配工位。請(qǐng)分析該控制任務(wù)中可能涉及的主要環(huán)節(jié)，并說明對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制的重要性。2.假設(shè)一個(gè)智能制造過程可以用以下簡(jiǎn)化的一階傳遞函數(shù)表示：G(s)=1/(10s+1)。該過程受到一個(gè)緩慢變化的參數(shù)影響，其傳遞函數(shù)變?yōu)镚(s)=K/(10s+1)，其中K在0.8到1.2之間變化。試分析該參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)控制性能可能產(chǎn)生的影響，并簡(jiǎn)述可用的控制策略來應(yīng)對(duì)這種變化。四、設(shè)計(jì)題（15分。請(qǐng)將答案寫在答題紙上）設(shè)計(jì)一個(gè)用于控制智能溫控箱（例如用于電子元件固化）的基本閉環(huán)控制系統(tǒng)方案。請(qǐng)明確：1.系統(tǒng)的被控對(duì)象和被控量。2.選擇的傳感器類型及其測(cè)量點(diǎn)。3.選擇的執(zhí)行器類型及其作用。4.提出的基本控制策略（如選擇PID控制，簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)）。5.簡(jiǎn)述系統(tǒng)運(yùn)行的基本過程和如何保證其穩(wěn)定性和控制精度。試卷答案一、選擇題1.A*解析：智能制造單元中，如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等需要高精度、高速度的定位和力控，伺服電機(jī)因其高精度、高響應(yīng)速度和良好的控制性能，是這類應(yīng)用的主要執(zhí)行器。2.C*解析：模糊控制擅長(zhǎng)處理不確定性和非線性問題，對(duì)于響應(yīng)速度快但精度要求不高的過程，如簡(jiǎn)單的物料搬運(yùn)，模糊控制可以通過設(shè)定模糊規(guī)則實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。3.B*解析：經(jīng)典控制理論中，傳遞函數(shù)是描述線性定常系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的核心工具，通過傳遞函數(shù)可以方便地繪制根軌跡圖和伯德圖，進(jìn)而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性。4.B*解析：自適應(yīng)控制的核心思想是使控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整自身參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，保持良好的控制性能。5.B*解析：傳感器是控制系統(tǒng)獲取被控對(duì)象狀態(tài)信息（如溫度、位置、壓力等）的橋梁，這些信息是控制器進(jìn)行決策和修正輸出的依據(jù)。6.B*解析：智能制造生產(chǎn)線通常由多個(gè)相互關(guān)聯(lián)、協(xié)同工作的單元組成，多變量控制能夠同時(shí)考慮多個(gè)輸入和輸出變量之間的關(guān)系，協(xié)調(diào)各單元的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。7.B*解析：模糊控制通過模糊語言變量和模糊邏輯規(guī)則來描述和處理模糊現(xiàn)象，可以直接處理工業(yè)過程中常見的模糊信息和非線性關(guān)系。8.B*解析：狀態(tài)空間分析法用狀態(tài)變量描述系統(tǒng)，建立狀態(tài)方程和輸出方程，能夠全面描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，尤其適用于多輸入多輸出系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。9.C*解析：魯棒性是指控制系統(tǒng)在存在模型不確定性和外部干擾時(shí)，仍能保持穩(wěn)定并滿足性能要求的能力，這是智能制造系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中至關(guān)重要的特性。10.B*解析：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制不依賴精確的數(shù)學(xué)模型，而是直接利用采集到的數(shù)據(jù)（如傳感器數(shù)據(jù)、運(yùn)行日志）通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行系統(tǒng)建模、狀態(tài)估計(jì)或控制決策。二、簡(jiǎn)答題1.閉環(huán)控制系統(tǒng)通過引入反饋環(huán)節(jié)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)被控量，并根據(jù)實(shí)際值與期望值（設(shè)定值）的偏差進(jìn)行調(diào)整，從而有效抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，并能按預(yù)定要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。2.狀態(tài)反饋控制可以通過選擇合適的狀態(tài)反饋增益矩陣，改變系統(tǒng)的極點(diǎn)位置，將不穩(wěn)定的系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)，或?qū)⑾到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減小，即改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和暫態(tài)性能。同時(shí)，狀態(tài)反饋也可以用于實(shí)現(xiàn)解耦控制或極點(diǎn)配置等。3.智能制造環(huán)境中的傳感器面臨挑戰(zhàn)包括：高精度要求、快速響應(yīng)需求、惡劣環(huán)境（高溫、高濕、振動(dòng)、粉塵）、抗干擾能力、長(zhǎng)距離傳輸可靠性、實(shí)時(shí)性要求等。傳感器選擇需考慮測(cè)量范圍、精度、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、分辨率、功耗、成本、接口兼容性以及與被測(cè)對(duì)象的匹配性（如非接觸式/接觸式、測(cè)量原理）等因素。4.能控性是指通過控制輸入，使系統(tǒng)從任意初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到任意期望狀態(tài)的可能性。能觀性是指通過測(cè)量系統(tǒng)的輸出，能否確定系統(tǒng)內(nèi)部所有狀態(tài)的可能性。它們的意義在于：系統(tǒng)必須能控才能實(shí)現(xiàn)有效的控制；系統(tǒng)必須能觀才能通過測(cè)量進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和反饋控制。若系統(tǒng)不能控或不能觀，則無法設(shè)計(jì)出有效的控制器。5.模糊控制與傳統(tǒng)PID控制的主要區(qū)別在于：PID控制基于精確的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間）和誤差及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，是解析方法；模糊控制不依賴精確模型，基于模糊邏輯和語言規(guī)則處理輸入輸出關(guān)系，直接處理模糊量和非線性，更適合復(fù)雜、難以精確建模但具有模糊特性的智能制造過程。三、分析題1.該控制任務(wù)的主要環(huán)節(jié)包括：零件檢測(cè)與定位（識(shí)別料倉中目標(biāo)零件并確定抓取位置）、抓取動(dòng)作執(zhí)行（驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器如機(jī)械手抓取零件）、零件傳遞（將零件從料倉搬運(yùn)到裝配工位）、定位與釋放（將零件精確放置到裝配工位并釋放）。對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制的重要性在于：保證裝配過程的精度（零件放置的準(zhǔn)確性）、效率（提高生產(chǎn)節(jié)拍）、可靠性（減少錯(cuò)誤和故障率）、柔性（適應(yīng)不同零件或任務(wù)變化），從而提升整條裝配線的自動(dòng)化水平、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。2.參數(shù)K的變化會(huì)改變系統(tǒng)的放大倍數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)K增大時(shí)，系統(tǒng)在階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)減?。ㄈ绻斎霝閱挝浑A躍），但可能使系統(tǒng)的超調(diào)量增大、上升時(shí)間變長(zhǎng)，即動(dòng)態(tài)性能變差。反之，K減小時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)增大，動(dòng)態(tài)性能可能有所改善但系統(tǒng)可能響應(yīng)過慢。這種參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，難以滿足固定的控制要求?？捎玫目刂撇呗园ǎ翰捎米赃m應(yīng)控制，使控制器能在線調(diào)整參數(shù)以補(bǔ)償K的變化；采用魯棒控制設(shè)計(jì)控制器，使其在參數(shù)變化范圍內(nèi)仍能保證系統(tǒng)穩(wěn)定并滿足性能指標(biāo)；采用前饋控制，根據(jù)可測(cè)量的參數(shù)變化或擾動(dòng)來提供一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)，抵消其對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。四、設(shè)計(jì)題1.被控對(duì)象：智能溫控箱內(nèi)部溫度。被控量：箱內(nèi)溫度。2.傳感器：選用鉑電阻溫度傳感器（如Pt100），測(cè)量點(diǎn)應(yīng)放置在能代表箱內(nèi)平均溫度且不受局部熱源或冷源顯著影響的位置，如箱中心靠?jī)?nèi)壁處。3.執(zhí)行器：選用固態(tài)繼電器（SSR）或脈寬調(diào)制（PWM）控制的固態(tài)加熱器，安裝在溫控箱外壁，通過控制加熱器的功率來調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度。4.控制策略：采用比例-積分-微分（PID）控制?；窘Y(jié)構(gòu)為：溫度傳感器測(cè)量箱內(nèi)溫度，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入給控制器；控制器根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)測(cè)溫度的偏差，計(jì)算PID輸出值；PID輸出值作為控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路（如PWM驅(qū)動(dòng)器）控制固態(tài)繼電器（或直接控制加熱器電源）的通斷或功率，從而調(diào)節(jié)加熱器的發(fā)熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。其中，比例項(xiàng)（P）提供基本的控制作用，積分項(xiàng)（I）消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分項(xiàng)（D）提供預(yù)見性，抑制溫度超調(diào)。5.系統(tǒng)運(yùn)行過程：設(shè)定目標(biāo)溫度，溫度傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)溫度，將溫度值反饋給PID控制器?？刂破饔?jì)算當(dāng)前溫度與設(shè)