2025年控制技術(shù)綜合試題及答案

一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）

1.在控制系統(tǒng)中，能夠根據(jù)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制方式是：

A.開環(huán)控制

B.閉環(huán)控制

C.前饋控制

D.復(fù)合控制

2.傳遞函數(shù)G(s)=1/(s+1)所描述的系統(tǒng)，其單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值為：

A.0

B.1

C.2

D.0.5

3.在PID控制器中，能夠消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的是：

A.比例環(huán)節(jié)

B.積分環(huán)節(jié)

C.微分環(huán)節(jié)

D.比例微分環(huán)節(jié)

4.系統(tǒng)的特征方程為s3+6s2+11s+6=0，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性是：

A.穩(wěn)定

B.不穩(wěn)定

C.臨界穩(wěn)定

D.無法確定

5.在控制系統(tǒng)中，若增加系統(tǒng)開環(huán)增益，通常會(huì)導(dǎo)致：

A.系統(tǒng)穩(wěn)定性提高

B.系統(tǒng)穩(wěn)定性降低

C.系統(tǒng)響應(yīng)速度加快

D.系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)

6.下列哪種控制策略不屬于現(xiàn)代控制理論：

A.狀態(tài)空間法

B.最優(yōu)控制

C.自適應(yīng)控制

D.PID控制

7.在采樣控制系統(tǒng)中，采樣頻率的選擇應(yīng)滿足：

A.低于系統(tǒng)最高頻率

B.高于系統(tǒng)最高頻率的兩倍

C.等于系統(tǒng)最高頻率

D.任意選擇

8.在工業(yè)控制中，PLC的主要功能不包括：

A.邏輯控制

B.過程控制

C.運(yùn)動(dòng)控制

D.數(shù)據(jù)分析

9.下列哪種控制方式能夠有效抑制系統(tǒng)參數(shù)變化的影響：

A.開環(huán)控制

B.閉環(huán)控制

C.前饋控制

D.自適應(yīng)控制

10.在模糊控制系統(tǒng)中，隸屬度函數(shù)的主要作用是：

A.確定控制規(guī)則

B.量化輸入信號(hào)

C.模糊化精確值

D.解模糊化輸出

二、填空題（每題2分，共10分）

1.控制系統(tǒng)的基本組成包括控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和________。

2.在控制系統(tǒng)中，衡量系統(tǒng)響應(yīng)速度的性能指標(biāo)通常有上升時(shí)間、峰值時(shí)間和________。

3.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，能夠________的能力。

4.在PID控制器中，P代表________，I代表積分，D代表微分。

5.在現(xiàn)代控制理論中，能夠描述系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的最小變量集合稱為系統(tǒng)的________。

三、判斷題（每題2分，共10分）

1.開環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋回路，因此無法抑制外部干擾的影響。（）

2.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差只與系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)有關(guān)，與輸入信號(hào)無關(guān)。（）

3.在控制系統(tǒng)中，增加微分環(huán)節(jié)總是有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（）

4.采樣定理表明，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍，才能保證無失真恢復(fù)原信號(hào)。（）

5.自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)以適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化。（）

四、多項(xiàng)選擇題（每題2分，共4分）

1.下列哪些因素會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性？（）

A.系統(tǒng)開環(huán)增益

B.系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)

C.系統(tǒng)延遲時(shí)間

D.系統(tǒng)輸入信號(hào)類型

2.在工業(yè)自動(dòng)化控制中，常用的控制策略包括（）

A.PID控制

B.模糊控制

C.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

D.預(yù)測控制

五、簡答題（每題5分，共10分）

1.簡述開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別，并舉例說明各自的應(yīng)用場景。

2.解釋PID控制器中比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的作用，并說明如何整定PID參數(shù)。

答案及解析

一、單項(xiàng)選擇題

1.B.閉環(huán)控制

解析：閉環(huán)控制系統(tǒng)通過反饋回路將輸出信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制。開環(huán)控制沒有反饋環(huán)節(jié)，無法根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.B.1

解析：傳遞函數(shù)G(s)=1/(s+1)的單位階躍響應(yīng)為Y(s)=1/s*1/(s+1)，其穩(wěn)態(tài)值為lim(s→0)sY(s)=lim(s→0)s*1/s*1/(s+1)=lim(s→0)1/(s+1)=1。

3.B.積分環(huán)節(jié)

解析：在PID控制器中，比例環(huán)節(jié)(P)能夠快速減小誤差，但存在穩(wěn)態(tài)誤差；積分環(huán)節(jié)(I)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢；微分環(huán)節(jié)(D)能夠改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，但對(duì)噪聲敏感。因此，能夠消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的是積分環(huán)節(jié)。

4.A.穩(wěn)定

解析：判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性可以使用勞斯判據(jù)。特征方程為s3+6s2+11s+6=0，勞斯表為：

s3:111

s2:66

s1:(6*11-1*6)/6=10

s?:6

勞斯表第一列元素全為正，因此系統(tǒng)穩(wěn)定。

5.B.系統(tǒng)穩(wěn)定性降低

解析：在控制系統(tǒng)中，增加開環(huán)增益通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但可能增加超調(diào)量。這是因?yàn)楦咴鲆鏁?huì)使系統(tǒng)對(duì)誤差更敏感，可能導(dǎo)致振蕩加劇。

6.D.PID控制

解析：現(xiàn)代控制理論包括狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等，而PID控制屬于經(jīng)典控制理論的范疇。

7.B.高于系統(tǒng)最高頻率的兩倍

解析：根據(jù)采樣定理，為了避免混疊現(xiàn)象，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍，即fs>2fmax。

8.D.數(shù)據(jù)分析

解析：PLC(可編程邏輯控制器)主要用于邏輯控制、過程控制和運(yùn)動(dòng)控制，但不具備復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析功能，數(shù)據(jù)分析通常由專門的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或DCS(分布式控制系統(tǒng))完成。

9.D.自適應(yīng)控制

解析：自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)以適應(yīng)被控對(duì)象特性的變化，因此能夠有效抑制系統(tǒng)參數(shù)變化的影響。開環(huán)控制沒有反饋，無法抑制參數(shù)變化；閉環(huán)控制雖然能夠抑制外部干擾，但對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)性有限；前饋控制主要用于抑制可測干擾，對(duì)參數(shù)變化不敏感。

10.C.模糊化精確值

解析：在模糊控制系統(tǒng)中，隸屬度函數(shù)的主要作用是將精確的輸入值轉(zhuǎn)換為模糊集合，即模糊化過程。通過隸屬度函數(shù)，可以將精確的輸入值映射到相應(yīng)的模糊集合中，為后續(xù)的模糊推理提供基礎(chǔ)。

二、填空題

1.被控對(duì)象

解析：控制系統(tǒng)的基本組成包括控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象?？刂破鞲鶕?jù)偏差信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理動(dòng)作，被控對(duì)象是接受控制并產(chǎn)生輸出的系統(tǒng)部分。

2.調(diào)整時(shí)間

解析：衡量系統(tǒng)響應(yīng)速度的性能指標(biāo)通常有上升時(shí)間(響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需的時(shí)間)、峰值時(shí)間(響應(yīng)達(dá)到第一個(gè)峰值的時(shí)間)和調(diào)整時(shí)間(響應(yīng)進(jìn)入并保持在穩(wěn)態(tài)值±5%或±2%誤差帶內(nèi)所需的時(shí)間)。

3.恢復(fù)到原平衡狀態(tài)

解析：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后，能夠恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。如果系統(tǒng)最終能夠回到原來的平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的；如果系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)越來越遠(yuǎn)，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

4.比例

解析：在PID控制器中，P代表比例(Proportional)，I代表積分(Integral)，D代表微分(Derivative)。比例環(huán)節(jié)根據(jù)當(dāng)前誤差產(chǎn)生控制作用，積分環(huán)節(jié)根據(jù)誤差的歷史累積產(chǎn)生控制作用，微分環(huán)節(jié)根據(jù)誤差的變化率產(chǎn)生控制作用。

5.狀態(tài)變量

解析：在現(xiàn)代控制理論中，能夠描述系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的最小變量集合稱為系統(tǒng)的狀態(tài)變量。狀態(tài)變量包含了系統(tǒng)過去的信息，足以確定系統(tǒng)未來的行為。

三、判斷題

1.√

解析：開環(huán)控制系統(tǒng)不存在反饋回路，無法根據(jù)輸出與輸入之間的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此無法抑制外部干擾的影響。干擾一旦產(chǎn)生，就會(huì)直接影響系統(tǒng)輸出，無法被糾正。

2.×

解析：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不僅與系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)有關(guān)，還與輸入信號(hào)的類型有關(guān)。例如，對(duì)于階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)的開環(huán)增益有關(guān)；對(duì)于斜坡輸入，穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)的開環(huán)增益和積分環(huán)節(jié)有關(guān)。

3.×

解析：在控制系統(tǒng)中，增加微分環(huán)節(jié)并不總是有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分環(huán)節(jié)雖然能夠改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，減少超調(diào)量，但如果系統(tǒng)本身存在噪聲或高頻干擾，微分環(huán)節(jié)會(huì)放大這些噪聲，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4.√

解析：采樣定理表明，為了能夠無失真地恢復(fù)原始連續(xù)信號(hào)，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍，即fs>2fmax。如果采樣頻率低于這個(gè)值，就會(huì)發(fā)生混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)失真。

5.√

解析：自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測被控對(duì)象特性的變化，并相應(yīng)地調(diào)整控制器參數(shù)，以保持系統(tǒng)的性能。這種自適應(yīng)能力使得控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)環(huán)境變化和對(duì)象參數(shù)變化，提高系統(tǒng)的魯棒性。

四、多項(xiàng)選擇題

1.A、B、C

解析：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性受多種因素影響，包括系統(tǒng)開環(huán)增益(過高可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定)、系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)(影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性)、系統(tǒng)延遲時(shí)間(延遲會(huì)增加系統(tǒng)相位滯后，可能導(dǎo)致不穩(wěn)定)。系統(tǒng)輸入信號(hào)類型主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而不是穩(wěn)定性。

2.A、B、C、D

解析：在工業(yè)自動(dòng)化控制中，常用的控制策略包括PID控制(經(jīng)典控制策略，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制)、模糊控制(適用于非線性、不確定性系統(tǒng))、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(適用于復(fù)雜非線性系統(tǒng))和預(yù)測控制(能夠處理多變量、大時(shí)滯系統(tǒng))。

五、簡答題

1.開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別及應(yīng)用場景：

區(qū)別：

-開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋回路，控制器根據(jù)輸入信號(hào)直接產(chǎn)生控制作用，不考慮系統(tǒng)輸出；閉環(huán)控制系統(tǒng)有反饋回路，控制器根據(jù)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的偏差產(chǎn)生控制作用。

-開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但抗干擾能力差，精度低；閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，但抗干擾能力強(qiáng)，精度高。

-開環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化敏感；閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化有一定的自適應(yīng)能力。

應(yīng)用場景：

-開環(huán)控制系統(tǒng)適用于系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定、干擾小、精度要求不高的場合，如洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、微波爐等家用電器。

-閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于系統(tǒng)參數(shù)可能變化、干擾大、精度要求高的場合，如工業(yè)過程控制、航空航天、機(jī)器人控制等。

2.PID控制器中比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的作用及參數(shù)整定：

作用：

-比例環(huán)節(jié)(P)：根據(jù)當(dāng)前誤差產(chǎn)生控制作用，誤差越大，控制作用越強(qiáng)。比例環(huán)節(jié)能夠快速減小誤差，但存在穩(wěn)態(tài)誤差。

-積分環(huán)節(jié)(I)：根據(jù)誤差的歷史累積產(chǎn)生控制作用，只要有誤差存在，積分環(huán)節(jié)就會(huì)持續(xù)產(chǎn)生控制作用，直到誤差為零。積分環(huán)節(jié)能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢，增加超調(diào)量。

-微分環(huán)節(jié)(D)：根據(jù)誤差的變化率產(chǎn)生控制作用，誤差變化越快，控制作用越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)能夠改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，減少超調(diào)量，縮短調(diào)整時(shí)間，但對(duì)噪聲敏感。

參數(shù)整定：

-比例增益(Kp)的整定：從小到大調(diào)整Kp，直到系統(tǒng)開始出現(xiàn)振蕩，然后稍微減小Kp，使系統(tǒng)穩(wěn)定且有一定的穩(wěn)定裕度。

-積分時(shí)間(Ti)的整定