計算機《計算機控制技術》2025年模擬卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填寫在答題紙上對應位置。）1.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，引入負反饋的主要目的是什么？A.提高系統(tǒng)的型別B.增大系統(tǒng)的開環(huán)增益C.減小系統(tǒng)誤差，提高控制精度D.加快系統(tǒng)的響應速度2.已知某系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=10/(s+2)，該系統(tǒng)屬于以下哪種類型的系統(tǒng)？A.穩(wěn)定系統(tǒng)B.不穩(wěn)定系統(tǒng)C.臨界穩(wěn)定系統(tǒng)D.無法判斷3.在經(jīng)典控制理論中，通常使用哪種方法來判斷線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)定性？A.狀態(tài)空間分析B.奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)C.頻率響應分析D.極點位置判據(jù)4.將連續(xù)時間信號轉換為離散時間信號的過程稱為什么？A.濾波B.調制C.采樣D.量化5.根據(jù)采樣定理，為了不丟失信息，采樣頻率fs至少應大于連續(xù)信號最高頻率fmax的多少倍？A.1倍B.2倍C.10倍D.20倍6.在計算機控制系統(tǒng)中，A/D轉換器的主要作用是什么？A.將數(shù)字量轉換為模擬量B.將模擬量轉換為數(shù)字量C.對數(shù)字信號進行編碼D.對模擬信號進行濾波7.在數(shù)字控制器設計中，比例（P）控制器的主要作用是什么？A.提高系統(tǒng)的型別B.提供積分作用，消除穩(wěn)態(tài)誤差C.提供微分作用，增強系統(tǒng)阻尼D.提供基本的控制作用，與誤差成正比8.具有比例（P）+積分（I）控制作用的控制器通常稱為？A.P控制器B.PI控制器C.PD控制器D.PID控制器9.在計算機控制系統(tǒng)中，D/A轉換器通常工作在什么模式？A.連續(xù)模式B.斷續(xù)模式C.斜坡模式D.寄存器傳輸模式10.計算機控制系統(tǒng)中的“數(shù)字地”和“模擬地”應如何處理？A.共地B.隔離C.懸空D.任意連接二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在答題紙上對應位置。）1.控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在_______輸入和_______輸出之間定義的數(shù)學模型。2.系統(tǒng)的型別是指開環(huán)傳遞函數(shù)中_______的個數(shù)。3.在二階系統(tǒng)中，無阻尼自然頻率ωn和阻尼比ζ是影響系統(tǒng)動態(tài)響應的主要參數(shù)。當0<ζ<1時，系統(tǒng)表現(xiàn)為_______振蕩；當ζ=1時，系統(tǒng)表現(xiàn)為_______振蕩。4.Z變換是分析離散時間系統(tǒng)的重要工具，其定義式為Z{x[k]}=Σ[k=0to∞]x[k]*z^(-k)，其中z是_______變量。5.數(shù)字控制器通常通過_______算法實現(xiàn)其控制功能。6.在計算機控制系統(tǒng)中，傳感器用于檢測_______，并將其轉換為電信號。7.執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的輸出環(huán)節(jié)，用于對被控對象產(chǎn)生_______。8.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)在輸入信號作用下，輸出響應_______的值。9.在PID控制中，積分（I）作用的主要缺點是可能導致系統(tǒng)_______。10.計算機控制系統(tǒng)通常由傳感器、執(zhí)行器、_______、計算機軟件和接口等部分組成。三、簡答題（每小題5分，共15分。請將答案填寫在答題紙上對應位置。）1.簡述開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的區(qū)別。2.什么是采樣定理？為什么必須滿足采樣定理的要求？3.簡述數(shù)字PID控制算法的原理，并說明其優(yōu)點。四、計算題（每小題10分，共30分。請將計算過程和答案填寫在答題紙上對應位置。）1.已知一個單位負反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/(s(s+1))。試求：(1)當K=2時，系統(tǒng)的阻尼比ζ和自然頻率ωn。(2)該系統(tǒng)是否穩(wěn)定？請說明理由。2.設有一個離散時間系統(tǒng)，其差分方程為y[k]-0.5y[k-1]=u[k]，其中u[k]是輸入，y[k]是輸出。(1)求該系統(tǒng)的單位階躍響應（要求寫出前5項）。(2)求該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(z)。3.一個計算機控制系統(tǒng)，采樣周期T=0.1s。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=1/(s+1)。試用雙線性變換法（Tustin方法）將其離散化，求其離散傳遞函數(shù)H(z)（假設使用零階保持器）。五、分析題（15分。請將答案填寫在答題紙上對應位置。）已知一個簡單的溫度控制系統(tǒng)，被控對象為加熱爐，溫度為被控量，通過調節(jié)輸入的電壓來控制加熱功率。系統(tǒng)采用PID控制器，計算機作為控制器核心。請分析：(1)該系統(tǒng)中，被控對象、傳感器、執(zhí)行器分別是什么？(2)簡述該溫度控制系統(tǒng)的工作原理。(3)如果希望該系統(tǒng)能夠快速響應溫度變化，同時保持溫度穩(wěn)定，對PID控制器的參數(shù)（Kp,Ki,Kd）應如何整定？簡要說明理由。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.D4.C5.B6.B7.D8.B9.B10.B二、填空題1.零態(tài)，零態(tài)2.積分3.欠阻尼，臨界阻尼4.復頻5.差分6.被控量7.控制作用8.收斂到9.振蕩10.控制器三、簡答題1.開環(huán)控制系統(tǒng)沒有反饋環(huán)節(jié)，其輸出直接受輸入影響，結構簡單但精度不高，抗干擾能力差。閉環(huán)控制系統(tǒng)包含反饋環(huán)節(jié)，將輸出信號與輸入信號進行比較，根據(jù)偏差進行控制，精度高，抗干擾能力強，但結構復雜，可能存在穩(wěn)定性問題。2.采樣定理是指一個帶寬受限的連續(xù)時間信號，如果其最高頻率為fmax，那么以不低于2fmax的頻率進行采樣，就能從采樣信號中無失真地恢復原信號。如果不滿足采樣定理的要求，即采樣頻率過低，會導致頻譜混疊，丟失信息，使得無法從離散信號恢復原始信號，造成信息失真。3.數(shù)字PID控制算法是將連續(xù)的PID控制算式離散化，通過計算機實現(xiàn)。其原理是在每個采樣時刻，根據(jù)當前誤差（設定值與實際值之差）計算控制量。比例項與當前誤差成正比，積分項累積過去的誤差，微分項反映誤差的變化率。優(yōu)點是算法簡單，易于實現(xiàn)，魯棒性好，參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)特性在線整定，適應性強。四、計算題1.(1)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=2/(s(s+1))。閉環(huán)傳遞函數(shù)為Φ(s)=G(s)/(1+G(s))=[2/(s(s+1))]/[1+2/(s(s+1))]=2/(s^2+s+2)。無阻尼自然頻率ωn=sqrt(2)≈1.414rad/s。阻尼比ζ=1/(2*sqrt(2))=1/(2*1.414)≈0.354。(2)系統(tǒng)的特征方程為s^2+s+2=0。其判別式Δ=1^2-4*1*2=1-8=-7<0，因此系統(tǒng)有兩個位于左半s平面的共軛復根，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。2.(1)令輸入u[k]=1(單位階躍信號)，則差分方程變?yōu)閥[k]-0.5y[k-1]=1。初始條件：y[-1]=0。計算前5項：k=0:y[0]-0.5y[-1]=1=>y[0]=1。k=1:y[1]-0.5y[0]=1=>y[1]=1+0.5*1=1.5。k=2:y[2]-0.5y[1]=1=>y[2]=1+0.5*1.5=1+0.75=1.75。k=3:y[3]-0.5y[2]=1=>y[3]=1+0.5*1.75=1+0.875=1.875。k=4:y[4]-0.5y[3]=1=>y[4]=1+0.5*1.875=1+0.9375=1.9375。單位階躍響應y[k]={1,1.5,1.75,1.875,1.9375,...}。(2)對差分方程兩邊進行Z變換，假設初始條件為零：Z{y[k]}-0.5Z{y[k-1]}=Z{1}。Y(z)-0.5[z^-1Y(z)]=1/z。Y(z)*(1-0.5z^-1)=1/z。Y(z)=(1/z)/(1-0.5z^-1)=(1/z)*(1/(1-0.5z^-1))=1/(z-0.5)。H(z)=Y(z)/U(z)=1/(z-0.5)。3.系統(tǒng)連續(xù)傳遞函數(shù)G(s)=1/(s+1)。使用零階保持器，其傳遞函數(shù)G_h(s)=1/(1-e^(-Ts)/s)。G(z)=G_h(s)*G(s)*Z{1/s}=[1/(1-e^(-Ts)/s)]*[1/(s+1)]*[1/(1-z^-1)]。將s=(2/T)*(z-1)/(z+1)代入：G(z)=[1/(1-e^(-T*(2/T)*(z-1)/(z+1))/((2/T)*(z-1)/(z+1)+1))]*[1/((2/T)*(z-1)/(z+1)+1)]*[1/(1-z^-1)]。G(z)=[1/(1-e^(-2*(z-1)/(z+1))*(z+1)/2)]*[1/((2(z-1))/(z+1)+2)]*[1/(1-z^-1)]。G(z)=[1/(1-e^(-2*(z-1)/(z+1))*(z+1)/2)]*[(z+1)/(2(z-1)+2(z+1))]*[1/(1-z^-1)]。G(z)=[1/(1-e^(-2*(z-1)/(z+1))*(z+1)/2)]*[(z+1)/(4z)]*[1/(1-z^-1)]。G(z)=[(z+1)/4z*(1/(1-e^(-2*(z-1)/(z+1))*(z+1)/2))]*(1/(1-z^-1))。G(z)=(z+1)/(4z*(1-e^(-2*(z-1)/(z+1))*(z+1)/2)*(1-z^-1))。將T=0.1s代入計算e^(-2*T)=e^(-0.2)≈0.8187：G(z)≈(z+1)/(4z*(1-0.8187*(z+1)/2)*(1-z^-1))。G(z)≈(z+1)/(4z*(1-0.40935*(z+1))*(1-z^-1))。G(z)≈(z+1)/(4z*(1-0.40935z-0.40935)*(1-z^-1))。G(z)≈(z+1)/(4z*(-0.40935z+0.59065)*(1-z^-1))。G(z)≈(z+1)/(4z*(-0.40935z+0.59065)*(1-z^-1))。G(z)≈(z+1)/(-1.6374z^2+2.3626z-0.59065z^-1)。五、分析題(1)被控對象：加熱爐（爐體及內(nèi)部物料）。傳感器：溫度傳感器（如熱電偶、RTD）。執(zhí)行器：電壓調節(jié)裝置（如可控硅調壓電路，控制輸入到加熱絲的電壓）。(2)工作原理：溫度傳感器實時檢測加熱爐的溫度，并將溫度信號轉換為電壓信號。該信號與設定溫度值（通過給定電壓表示）的偏差（誤差）被送入PID控制器。PID控制器根據(jù)誤差按照PID算法計算出相應的控制電壓。控制電壓驅動執(zhí)行器（電壓調節(jié)裝置），調節(jié)輸入到加熱爐的電壓，從而改變加熱功率，使爐溫向設定值靠近。(3)如果希望系統(tǒng)快速響應溫度變化，同時對溫度穩(wěn)定，對PID控制器參數(shù)的整定要求如下：