2025年大學（自動化）自動控制原理綜合測試試題及答案

（考試時間：90分鐘滿分100分）班級______姓名______第I卷（總共10題，每題3分，每題只有一個正確答案，請將正確答案填寫在題后的括號內(nèi)）1.反饋控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有（）。A.反饋回路B.慣性環(huán)節(jié)C.積分環(huán)節(jié)D.PID調(diào)節(jié)器答案：A2.控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于（）。A.系統(tǒng)的結構和參數(shù)B.系統(tǒng)的輸入信號C.系統(tǒng)的初始條件D.系統(tǒng)的干擾信號答案：A3.一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=1/(Ts+1)，其時間常數(shù)T越大，則系統(tǒng)的響應（）。A.越快B.越慢C.不變D.先快后慢答案：B4.二階系統(tǒng)的阻尼比ζ=0.5時，系統(tǒng)的響應為（）。A.無阻尼振蕩B.臨界阻尼C.欠阻尼振蕩D.過阻尼答案：C5.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)=10/(s2+2s+10)，其固有頻率ωn為（）。A.1B.2C.3D.10答案：D6.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與（）有關。A.系統(tǒng)的開環(huán)增益B.系統(tǒng)的輸入信號C.系統(tǒng)的結構和參數(shù)D.以上都是答案：D7.比例控制器的作用是（）。A.減小穩(wěn)態(tài)誤差B.加快系統(tǒng)響應C.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性D.消除系統(tǒng)振蕩答案：A8.積分控制器的作用是（）。A.減小穩(wěn)態(tài)誤差B.加快系統(tǒng)響應C.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性D.消除系統(tǒng)振蕩答案：A9.微分控制器的作用是（）。A.減小穩(wěn)態(tài)誤差B.加快系統(tǒng)響應C.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性D.消除系統(tǒng)振蕩答案：B10.串聯(lián)校正裝置通常接在系統(tǒng)的（）。A.前向通道B.反饋通道C.輸入信號處D.輸出信號處答案：A第II卷1.（總共3題，每題10分）簡述自動控制系統(tǒng)的基本組成部分及其作用。答：自動控制系統(tǒng)主要由控制器、被控對象、測量元件、比較元件和執(zhí)行元件組成?？刂破鞲鶕?jù)輸入信號和反饋信號產(chǎn)生控制信號；被控對象是被控制的設備或過程；測量元件檢測被控對象的輸出信號；比較元件將測量信號與給定信號進行比較，產(chǎn)生偏差信號；執(zhí)行元件根據(jù)控制信號對被控對象進行控制。簡述系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性的含義。答：穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到外界干擾后，能夠恢復到原來平衡狀態(tài)的能力。快速性是指系統(tǒng)對輸入信號的響應速度。準確性是指系統(tǒng)的輸出與期望輸出之間的接近程度，常用穩(wěn)態(tài)誤差來衡量。簡述PID控制器的原理及各參數(shù)的作用。答：PID控制器由比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)組成。比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。積分環(huán)節(jié)主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。微分環(huán)節(jié)反映偏差信號的變化率，能在偏差信號變化太快時提前給出較大的控制作用，加快系統(tǒng)響應。2.（總共2題，每題15分）已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)=10/(s2+2s+10)，求系統(tǒng)的固有頻率ωn、阻尼比ζ，并判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。答：由傳遞函數(shù)G(s)=10/(s2+2s+10)可知，ωn2=10，所以ωn=√10。2ζωn=2，可得ζ=1/√10。因為ζ>0，ωn>0，所以系統(tǒng)是穩(wěn)定的。設單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/(s(s+1)(s+2))，當輸入信號為r(t)=1+t時，求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。答：系統(tǒng)的開環(huán)增益Kv=lim(s→0)sG(s)=K/2。輸入信號r(t)=1+t，其拉氏變換R(s)=1/s+1/s2。對于單位反饋系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差ess=1/(1+Kv)。當輸入為1時，ess1=1/(1+K/2)；當輸入為t時，ess2=2/K。所以總的穩(wěn)態(tài)誤差ess=ess1+ess2=1/(1+K/2)+2/K。3.（總共2題，每題15分）某控制系統(tǒng)的結構圖如下所示，求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)C(s)/R(s)。（此處需根據(jù)具體結構圖進行求解，假設結構圖中有G1(s)、G2(s)、H(s)等環(huán)節(jié)，可按照串聯(lián)、反饋等規(guī)則進行計算得出傳遞函數(shù)）答：（具體答案根據(jù)結構圖計算得出）已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K(s+1)/(s2(s+2))，試繪制系統(tǒng)的根軌跡。答：1.確定開環(huán)極點：開環(huán)極點為p1=0（二重極點），p2=-2。2.確定開環(huán)零點：開環(huán)零點為z1=-1。3.繪制根軌跡：實軸上的根軌跡區(qū)間為[-2,-1]和(-∞,0]。漸近線與實軸交點為(-1/3,0)，漸近線夾角為±90°。分離點通過求解1/G(s)G'(s)=0得到，根軌跡關于實軸對稱等，按照根軌跡繪制規(guī)則逐步繪制出完整根軌跡。（此處需詳細繪制過程，因字數(shù)限制簡略說明，實際答題需完整繪制）4.（材料題，15分）材料：某溫度控制系統(tǒng)，其被控對象為一個加熱爐，要求將爐內(nèi)溫度控制在設定值附近。系統(tǒng)采用熱電偶作為測量元件，將溫度信號轉換為電信號后送入控制器。控制器采用PID控制算法，根據(jù)測量信號與設定信號的偏差，調(diào)節(jié)加熱爐的供電電壓，從而控制爐內(nèi)溫度。問題：請分析該溫度控制系統(tǒng)的工作原理，并說明PID控制器在其中的作用。答：該溫度控制系統(tǒng)的工作原理是：熱電偶檢測加熱爐內(nèi)的溫度，將其轉換為電信號傳送給控制器?？刂破鲗y量信號與設定信號進行比較，得到偏差信號。然后根據(jù)PID控制算法，對偏差信號進行比例、積分和微分運算，得出控制信號，調(diào)節(jié)加熱爐的供電電壓，進而控制爐內(nèi)溫度。PID控制器在其中的作用是：比例環(huán)節(jié)能根據(jù)偏差立即產(chǎn)生控制作用，減小偏差；積分環(huán)節(jié)用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)最終能準確達到設定溫度；微分環(huán)節(jié)能在偏差變化快時提前給出較大控制作用，加快系統(tǒng)響應速度，使溫度能快速穩(wěn)定在設定值附近。5.（材料題，20分）材料：某電機調(diào)速系統(tǒng)，其結構圖如下所示。系統(tǒng)的輸入為給定轉速信號ωr，輸出為電機實際轉速ω。系統(tǒng)中包含轉速測量環(huán)節(jié)、PI控制器和功率放大器，功率放大器驅動電機轉動。已知電機的傳遞函數(shù)為Gm(s)=1/(Js+B)，其中J為電機轉動慣量，B為粘性摩擦系數(shù)。問題：1.求系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。2.若要使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，應如何調(diào)整PI控制器的參數(shù)？答：1.系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：前向通道中PI控制器的傳遞函數(shù)設為Gp(s)=Kp+Ki/s，功率放大器傳遞函數(shù)設為G1(s)=K1，電機傳遞函數(shù)為Gm(s)=1/(Js+B)，則開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=Gp(s)G1(s)Gm(s)=(Kp+Ki/s)K1/(Js+B)。2.對于PI控制器，增大比例系數(shù)Kp可以加快系統(tǒng)響應速度，但可能會使系統(tǒng)超調(diào)量增大；增