2025年自動(dòng)化與控制技術(shù)專業(yè)考試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在PID控制器中，積分時(shí)間Ti增大時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差將A.增大??B.減小??C.不變??D.先減小后增大答案：B2.某離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)為G(z)=(0.5z+0.2)/(z20.6z+0.05)，其采樣周期T=0.1s，則該系統(tǒng)極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間自然頻率約為A.1.2rad/s??B.3.5rad/s??C.5.8rad/s??D.8.1rad/s答案：C3.對(duì)于線性定常系統(tǒng)，能控性矩陣秩小于系統(tǒng)階數(shù)n，則說明A.系統(tǒng)一定不穩(wěn)定??B.系統(tǒng)一定不可觀測(cè)??C.系統(tǒng)不能通過狀態(tài)反饋任意配置極點(diǎn)??D.系統(tǒng)一定存在零極點(diǎn)對(duì)消答案：C4.在ModelPredictiveControl中，若預(yù)測(cè)時(shí)域P=10，控制時(shí)域M=3，則在線優(yōu)化變量個(gè)數(shù)為A.3??B.10??C.13??D.30答案：A5.某伺服電機(jī)采用增量式光電編碼器，線數(shù)為2500，四倍頻后，電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為A.2500??B.5000??C.7500??D.10000答案：D6.在IEEE802.11n無線網(wǎng)絡(luò)用于工業(yè)控制時(shí)，下列機(jī)制對(duì)實(shí)時(shí)性改善最顯著的是A.CSMA/CA??B.BlockACK??C.MIMO??D.DFS答案：B7.對(duì)于S71500PLC，若組織塊OB1周期時(shí)間為8ms，而循環(huán)中斷OB35周期為5ms，則CPU實(shí)際循環(huán)周期最接近A.3ms??B.5ms??C.8ms??D.13ms答案：B8.在根軌跡法中，若開環(huán)傳遞函數(shù)增加一個(gè)位于左半平面的實(shí)極點(diǎn)，則原根軌跡將A.向右半平面彎曲??B.向左半平面彎曲??C.漸近線角度不變??D.漸近線交點(diǎn)不變答案：A9.采用CANopen協(xié)議時(shí)，心跳報(bào)文的功能碼（COBID）最高位為A.0??B.1??C.取決于節(jié)點(diǎn)ID??D.由主站動(dòng)態(tài)分配答案：A10.在工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT中，從站數(shù)據(jù)幀處理采用“onthefly”方式，其主要目的是A.增加帶寬??B.降低抖動(dòng)??C.減少拓?fù)湎拗??D.提高線纜長度答案：B二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，每題至少有兩個(gè)正確答案，多選少選均不得分）11.關(guān)于狀態(tài)觀測(cè)器，下列說法正確的有A.觀測(cè)器極點(diǎn)可任意配置的前提是原系統(tǒng)能觀測(cè)B.觀測(cè)器增益矩陣L越大，狀態(tài)估計(jì)誤差收斂越快C.觀測(cè)器型反饋與直接狀態(tài)反饋的傳遞函數(shù)一定相同D.降維觀測(cè)器比全維觀測(cè)器對(duì)噪聲更敏感答案：A、B、D12.下列關(guān)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線描述正確的有A.PROFINETIRT使用專用ASIC實(shí)現(xiàn)硬件時(shí)間戳B.DeviceNet物理層基于CANC.FoundationFieldbusH1采用IEC61158Type1標(biāo)準(zhǔn)D.CCLinkIE支持環(huán)網(wǎng)冗余答案：A、B、C、D13.在電機(jī)矢量控制中，下列量屬于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q)下的直流量A.勵(lì)磁電流給定id??B.轉(zhuǎn)矩電流給定iq??C.定子電壓usα??D.轉(zhuǎn)子磁鏈ψr答案：A、B、D14.關(guān)于Smith預(yù)估器，下列說法正確的有A.適用于大滯后對(duì)象??B.對(duì)模型誤差敏感??C.可改善系統(tǒng)超調(diào)??D.屬于反饋補(bǔ)償答案：A、B、C15.在嵌入式PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范中，下列功能塊屬于“單軸運(yùn)動(dòng)”類的有A.MC_MoveAbsolute??B.MC_MoveRelative??C.MC_GearIn??D.MC_Stop答案：A、B、D三、填空題（每空2分，共20分）16.某系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=10/[s(s+2)]，單位負(fù)反饋，其速度誤差系數(shù)Kv=________。答案：517.若連續(xù)系統(tǒng)狀態(tài)方程為x'=Ax+Bu，采用零階保持器離散化，采樣周期T，則離散狀態(tài)矩陣Ad=________。答案：exp(AT)18.在IEC611313標(biāo)準(zhǔn)中，ST語言里聲明一個(gè)長度為8的布爾數(shù)組，寫法為________。答案：arr:ARRAY[1..8]OFBOOL;19.某溫度傳感器輸出4~20mA對(duì)應(yīng)0~200°C，若測(cè)得電流為8mA，則溫度為________°C。答案：5020.對(duì)于二階系統(tǒng)，阻尼比ζ=0.3，則其超調(diào)量約為________%。答案：3721.在ROS2中，用于節(jié)點(diǎn)間發(fā)布訂閱的底層通信中間件默認(rèn)采用________協(xié)議。答案：DDS22.若一離散系統(tǒng)差分方程為y(k)0.8y(k1)=u(k)，其脈沖傳遞函數(shù)為________。答案：z/(z0.8)23.在LabVIEW中，用于FPGA模塊的定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)顏色為________。答案：青色24.某三相全橋逆變器直流母線電壓600V，采用SPWM調(diào)制，最大線電壓基波幅值為________V。答案：60025.在ISO138491中，若安全控制系統(tǒng)性能等級(jí)需達(dá)到PL=e，則平均危險(xiǎn)失效時(shí)間MTTFd高要求值為________年。答案：100四、簡答題（封閉型，每題6分，共18分）26.寫出李雅普諾夫穩(wěn)定性定理（連續(xù)系統(tǒng)）的表述，并給出二次型V(x)=x?Px的導(dǎo)數(shù)表達(dá)式。答案：若存在連續(xù)可微正定函數(shù)V(x)使得V'(x)負(fù)定，則原點(diǎn)漸近穩(wěn)定；V'(x)=x?(A?P+PA)x。27.解釋“時(shí)間戳抖動(dòng)”在工業(yè)以太網(wǎng)中的含義，并指出其對(duì)運(yùn)動(dòng)控制軸同步的具體影響。答案：時(shí)間戳抖動(dòng)指報(bào)文接收/發(fā)送時(shí)刻與理想周期時(shí)刻的隨機(jī)偏差；抖動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致多軸同步位置采樣不一致，產(chǎn)生輪廓誤差，降低軌跡精度。28.列舉三種可在PLC中實(shí)現(xiàn)“軟急?！钡姆桨福⒈容^其響應(yīng)時(shí)間快慢。答案：1.周期任務(wù)中檢測(cè)急停位并立即輸出0；2.中斷任務(wù)（如OB40）置位安全輸出；3.利用Failsafe模塊通過PROFIsafe協(xié)議硬件關(guān)斷。響應(yīng)時(shí)間：3<2<1。五、簡答題（開放型，每題8分，共16分）29.某柔性制造單元需集成六軸機(jī)器人、AGV與視覺檢測(cè)站。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種基于OPCUA的通信架構(gòu)，使MES可直接獲取三者實(shí)時(shí)狀態(tài)，并闡述如何實(shí)現(xiàn)語義互操作。答案：在機(jī)器人、AGV、視覺控制器內(nèi)部均嵌入OPCUA服務(wù)器，分別提供符合IEC62541的CompanionSpecification信息模型；MES作為客戶端通過TCP4840端口匿名或用戶名認(rèn)證連接；利用OPCUA的NodeSet定義統(tǒng)一接口，如RobotType、AGVType、VisionType，包含狀態(tài)變量、方法、事件；采用PubSub模式overMQTT進(jìn)行毫秒級(jí)推送；語義層通過定義標(biāo)準(zhǔn)BrowseName與DictionaryReference，使MES解析相同語義的狀態(tài)碼；安全層面采用UASecurityPolicyBasic256Sha256與證書互信，實(shí)現(xiàn)跨廠商語義互操作。30.結(jié)合數(shù)字孿生理念，說明如何在一條高速灌裝線上實(shí)現(xiàn)“虛擬調(diào)試”，并指出需要哪些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口與建模技術(shù)。答案：建立灌裝線高保真孿生模型，包括伺服驅(qū)動(dòng)、PLC邏輯、瓶子動(dòng)力學(xué)、流體CFD；利用SIMIT或NXMCD與真實(shí)PLC通過PLCSIMAdvanced進(jìn)行通信，接口采用虛擬以太網(wǎng)或共享內(nèi)存，周期≤1ms；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括伺服位置、速度、扭矩、光電傳感器信號(hào)、閥島開關(guān)量、流量計(jì)瞬時(shí)值；建模技術(shù)采用Modelica描述多領(lǐng)域耦合，通過FMI協(xié)同仿真；調(diào)試階段先在孿生環(huán)境驗(yàn)證凸輪曲線、同步算法、故障場(chǎng)景，再下載到真實(shí)硬件，實(shí)現(xiàn)零物理樣機(jī)調(diào)試，縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試周期60%以上。六、計(jì)算題（共30分）31.（8分）給定單位反饋系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=K/[s(s+4)(s+10)]，要求：(1)繪制根軌跡并計(jì)算分離點(diǎn)坐標(biāo)；(2)若要求系統(tǒng)阻尼比ζ=0.5，求對(duì)應(yīng)的K值與閉環(huán)極點(diǎn)。答案：(1)分離點(diǎn)求解dK/ds=0得s=1.57，K=26.0；(2)在ζ=0.5線（β=60°）與根軌跡交點(diǎn)s=1.22+j2.11，代入得K=138.4，閉環(huán)極點(diǎn)為1.22±j2.11及11.56。32.（10分）離散系統(tǒng)如圖所示（略圖），被控對(duì)象Gp(s)=2/(s+2)，采樣周期T=0.2s，采用零階保持器，設(shè)計(jì)最少拍控制器D(z)使系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入在2拍內(nèi)無紋波無穩(wěn)態(tài)誤差。答案：Gp(z)=ZOH變換得(0.3625)/(z0.8187)；期望閉環(huán)Φ(z)=z?2；解得D(z)=(10.8187z?1)(1z?2)/(0.3625z?1(1z?1))；驗(yàn)算：輸出y(k)=0,1,1,1…，控制量u(k)在k≥2恒為1.0，滿足無紋波。33.（12分）某直流無刷電機(jī)參數(shù)：額定電壓U=48V，極對(duì)數(shù)p=4，定子電阻Rs=0.5Ω，d軸電感Ld=0.8mH，q軸電感Lq=1.2mH，反電勢(shì)系數(shù)Ke=0.02V/(rad/s)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1e4kg·m2，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0.1N·m。采用id=0控制，轉(zhuǎn)速環(huán)PI參數(shù)Kp=0.2，Ki=5，電流環(huán)可視為理想。求：(1)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速ωe；(2)當(dāng)給定轉(zhuǎn)速階躍至200rad/s（電角速度）時(shí)，系統(tǒng)線性化模型，并計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)極點(diǎn)；(3)若要求超調(diào)<5%，需如何調(diào)整Kp（Ki不變）？答案：(1)穩(wěn)態(tài)電流iq=TL/(1.5pKe)=0.833A，穩(wěn)態(tài)電壓uq=Rs·iq+Ke·ωe，解得ωe=230rad/s（電角速度），機(jī)械角速度57.5rad/s；(2)線性化模型Δω'/Δiq=(1.5pKe)/J=1200，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=(0.2s+5)/s·1200/(s)，閉環(huán)特征方程s2+240s+6000=0，極點(diǎn)120±j49，阻尼0.92；(3)目標(biāo)阻尼ζ≥0.7，令Kp'=0.35，Ki=5不變，新極點(diǎn)210±j71，超調(diào)≈4.3%，滿足要求。七、綜合分析題（共21分）34.（21分）某熱連軋機(jī)F1機(jī)架主傳動(dòng)采用雙閉環(huán)矢量控制，外環(huán)為張力環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)周期性張力波動(dòng)，峰峰值約±15kN，頻率約6Hz。已知：軋機(jī)剛度系數(shù)Km=2e6N/mm，軋輥半徑R=0.4m，電機(jī)額定功率P=6000kW，額定轉(zhuǎn)速n=60rpm，傳動(dòng)比i=5，張力傳感器采樣周期2ms，PLC循環(huán)周期4ms。任務(wù)：(1)建立張力電機(jī)轉(zhuǎn)速小信號(hào)模型，指出主要振蕩模態(tài)；(2)分析可能擾動(dòng)來源（至少3種），并給出排查步驟；(3)提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的主動(dòng)阻尼策略，給出預(yù)測(cè)模型、目標(biāo)函數(shù)與約束；(4)若采用附加轉(zhuǎn)矩前饋，設(shè)計(jì)前饋濾波器帶寬，并說明參數(shù)整定方法。答案：(1)小信號(hào)模型：ΔF/Δω=(2KmR)/v0·1/(1+τms)，τm=Jv0/(2KmR2)，計(jì)算得τm=0.18s，模態(tài)頻率≈0.9Hz，與實(shí)測(cè)6Hz不符，表明存在諧振負(fù)載或外部激勵(lì)；(2)擾動(dòng)來源：a.軋輥偏心→頻譜與輥轉(zhuǎn)頻一致，可用編碼器角度域分析；b.液壓壓下波動(dòng)→檢查伺服閥顫振頻率；c.電網(wǎng)諧波→查看變頻器直流母線波動(dòng)；排查：對(duì)張力信號(hào)做FFT，對(duì)比輥轉(zhuǎn)頻、電氣頻率