2025年注冊(cè)電氣工程師考試電氣自動(dòng)化專項(xiàng)訓(xùn)練試卷：押題沖刺重點(diǎn)解析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、某自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖所示，其中G(s)為被控對(duì)象傳遞函數(shù)，Gc(s)為控制器傳遞函數(shù)。已知G(s)=10/(s+2)，系統(tǒng)在單位階躍輸入下，測(cè)得輸出響應(yīng)的超調(diào)量σ%=5%，上升時(shí)間tr=0.5s。試求該系統(tǒng)的自然頻率ωn和阻尼比ζ。二、已知某單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)H(s)=K/(s(s+1)(s+5))。試求：1.當(dāng)K=10時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv是多少？2.當(dāng)K=10時(shí)，系統(tǒng)是否穩(wěn)定？請(qǐng)說明判斷依據(jù)。3.若要求系統(tǒng)在單位階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差ess≤0.01，K的取值應(yīng)在什么范圍？三、某控制系統(tǒng)采用PID控制器，其傳遞函數(shù)為Gc(s)=Kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)。已知Kp=2，Ti=1，Td=0.5。1.該P(yáng)ID控制器屬于何種類型？（P、PI、PD、PID）2.寫出該控制器的傳遞函數(shù)在s=0時(shí)的拉普拉斯反變換結(jié)果，并解釋其物理意義。3.若將該控制器離散化，采用后向差分法，采樣周期T=0.1s，求離散化后的傳遞函數(shù)Gc(z)。四、一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率Pn=15kW，額定電壓Un=380V，額定電流In=30A，額定轉(zhuǎn)速nN=1470r/min，定子繞組為Y聯(lián)結(jié)。試求：1.該電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩TN是多少？2.若電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定狀態(tài)下，其電磁轉(zhuǎn)矩Tem、輸出轉(zhuǎn)矩Topt、空載轉(zhuǎn)矩T0之間的關(guān)系如何？3.若該電動(dòng)機(jī)定子繞組改為Δ聯(lián)結(jié)，直接接入380V電源，額定電流和額定轉(zhuǎn)矩會(huì)發(fā)生什么變化？（假設(shè)磁通和電磁力不變）五、某工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線采用PLC控制，主要包括傳送帶A、傳送帶B和升降平臺(tái)C三個(gè)部分。工藝要求如下：1.按下啟動(dòng)按鈕SB1，傳送帶A先啟動(dòng)運(yùn)行。2.傳送帶A運(yùn)行10秒后，傳送帶B啟動(dòng)運(yùn)行。3.傳送帶B運(yùn)行5秒后，升降平臺(tái)C啟動(dòng)上升。4.升降平臺(tái)上升到指定位置并保持5秒后，所有設(shè)備停止運(yùn)行。5.任何時(shí)候按下停止按鈕SB2，所有設(shè)備立即停止運(yùn)行。請(qǐng)用文字描述實(shí)現(xiàn)上述控制邏輯的PLC梯形圖或語句表設(shè)計(jì)思路（無需繪制或書寫具體程序）。六、某電力電子變流裝置采用單相全波可控整流電路，交流輸入電壓有效值U2=220V，負(fù)載為純阻性R=10Ω?？刂平铅恋淖兓秶鸀?°～180°。1.當(dāng)α=60°時(shí)，計(jì)算輸出直流電壓平均值Ud的平均值。2.當(dāng)α=90°時(shí)，計(jì)算輸出直流電流平均值Id的平均值。3.比較α=0°和α=180°時(shí)，晶閘管T1承受的最高正向電壓和最高反向電壓分別是多少？并簡(jiǎn)要說明原因。七、在工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，某現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用ModbusRTU協(xié)議進(jìn)行通信。通信參數(shù)設(shè)置為：波特率9600bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗(yàn)位。請(qǐng)回答：1.ModbusRTU協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包含哪些部分？2.若一個(gè)從站地址為0x01，功能碼為0x03（讀保持寄存器），要讀取從站地址為0x01，寄存器地址從0x0100開始的10個(gè)保持寄存器的數(shù)據(jù)，請(qǐng)寫出該請(qǐng)求幀的內(nèi)容（用十六進(jìn)制表示，無需計(jì)算響應(yīng)幀）。3.ModbusRTU通信方式與ModbusASCII通信方式相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是什么？八、某工廠有一臺(tái)變頻器用于控制一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)。變頻器型號(hào)為VFD-A，技術(shù)參數(shù)如下：額定輸出功率Pn=22kW，額定輸出電壓Un=380V，額定輸出電流In=44A，最高頻率fmax=60Hz。1.若要控制該電動(dòng)機(jī)以0.5倍額定頻率啟動(dòng)，變頻器的輸出電壓應(yīng)如何設(shè)置？（簡(jiǎn)述設(shè)置原則或參數(shù)）2.在變頻器輸出頻率f=0.3fmax時(shí)，若電動(dòng)機(jī)定子繞組采用Y聯(lián)結(jié)，變頻器輸出電壓應(yīng)為多少？3.如果在變頻器運(yùn)行過程中，出現(xiàn)“過流”保護(hù)動(dòng)作，可能的原因有哪些？（至少列舉三種）九、比較PLC、DCS和SCADA系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用場(chǎng)合等方面的主要異同點(diǎn)。十、簡(jiǎn)述安全儀表系統(tǒng)（SIS）在過程工業(yè)中的重要作用，并舉例說明其在某關(guān)鍵工藝過程（如反應(yīng)釜溫度控制、火炬緊急切斷等）中的應(yīng)用。試卷答案一、ωn≈2.23rad/s，ζ≈0.45解析：1.根據(jù)超調(diào)量σ%=5%，查表或計(jì)算得ζ=tan(arcsin(1/σ%))=tan(arcsin(1/0.05))≈0.45。2.上升時(shí)間tr≈1.8/(ζωn)。代入tr=0.5s和ζ≈0.45，解得ωn≈2.22rad/s。3.自然頻率ωn與無阻尼自然頻率ωn0的關(guān)系為ωn=ωn0*sqrt(1-ζ2)。但通常在控制問題中，直接用ωn表示，或題目已給定G(s)形式暗示ωn即為該值。二、1.Kv=lim(s->0)s*G(s)H(s)=lim(s->0)s*(10/(s(s+1)(s+5)))=10/5=2。2.系統(tǒng)特征方程為1+G(s)H(s)=0->s(s+1)(s+5)+10=0->s3+6s2+5s+10=0。使用勞斯判據(jù)：S1行:[15];S2行:[610];S3行:[15/60]。勞斯表第一列無符號(hào)變化，故系統(tǒng)穩(wěn)定。*（注：此處計(jì)算有誤，勞斯表第一列為[1,5,15/6]，存在負(fù)數(shù)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。正確答案應(yīng)為不穩(wěn)定。重新計(jì)算：s3+6s2+5s+10=0->s=-1.839(不穩(wěn)定)。因此K=10時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。）*（修正后答案）K=10時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定。判斷依據(jù)：勞斯表第一列出現(xiàn)負(fù)數(shù)（或特征根有正實(shí)部）。3.為使ess≤0.01，需滿足Ⅰ型系統(tǒng)要求，即靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv≥1/ess=1/0.01=100。由于開環(huán)傳遞函數(shù)在s=0處的值為K/5=10/5=2，該系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零或有限小數(shù)。要實(shí)現(xiàn)ess≤0.01，需要將系統(tǒng)改造為至少Ⅰ型系統(tǒng)，即需要增加積分環(huán)節(jié)。這意味著需要調(diào)整G(s)H(s)的形式，或者設(shè)計(jì)一個(gè)包含積分環(huán)節(jié)的控制器（如比例控制器K'/(s)）。在原G(s)H(s)下，無法通過調(diào)整K實(shí)現(xiàn)ess≤0.01。若題目隱含需設(shè)計(jì)控制器，則需設(shè)計(jì)如Gc(s)=K'/(s)使其成為Ⅰ型系統(tǒng)。三、1.PID。因?yàn)榘琄p、1/(Ti*s)、Td*s三項(xiàng)。2.Gc(s)=Kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)=Kp+Kp/(Ti*s)+Kp*Td*s。當(dāng)s=0時(shí)，Gc(0)=Kp+Kp/(0)+Kp*Td*(0)=Kp。其物理意義是，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，控制器的輸出僅與比例項(xiàng)Kp有關(guān)，相當(dāng)于一個(gè)純比例控制器。3.Gc(s)=Kp(1+1/(Ti*s)+Td*s)。采用后向差分法，令s=(z-1)/T，代入得：Gc(z)=Kp*[1+T/(Ti*(z-1))+Td*((z-1)/T)]=Kp*[(z-1)+T/(Ti)+Td(z-1)]=Kp*[(1+Td)z+(T/Ti-1-Td)]=Kp*(1+Td)*z+Kp*(T/Ti-1-Td)=(Kp*(1+Td))*z+(Kp*T/Ti-Kp-Kp*Td)四、1.TN=9550*Pn/nN=9550*15kW/1470r/min≈97.46N·m。2.Tem=TN，Topt=Tem-TN=0，T0=Tem-TN=0。即額定運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩等于額定轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩為零（理想空載），空載轉(zhuǎn)矩也為零（假設(shè)無摩擦損耗）。3.額定轉(zhuǎn)矩TN與定子磁通和轉(zhuǎn)子電磁力有關(guān)，與繞組聯(lián)結(jié)方式無關(guān)。因此，額定轉(zhuǎn)矩不變。若改為Δ聯(lián)結(jié)，直接接380V，線電流I線=√3*I相。因?yàn)榇磐ê碗姶帕Σ蛔?，所以定子相電流I相基本不變，所以線電流變?yōu)樵瓉淼摹?倍，即I線_new=√3*I線_原=√3*30A≈51.96A。五、使用啟保停邏輯和定時(shí)器指令。啟動(dòng)時(shí)，SB1常開觸點(diǎn)閉合，使傳送帶A線圈得電并自鎖。延時(shí)10秒后，定時(shí)器T1常開觸點(diǎn)閉合，使傳送帶B線圈得電并自鎖。延時(shí)5秒后，定時(shí)器T2常開觸點(diǎn)閉合，使升降平臺(tái)C線圈得電并自鎖。延時(shí)5秒后，定時(shí)器T2常閉觸點(diǎn)斷開，使傳送帶A、B、C線圈均失電。停止按鈕SB2的常閉觸點(diǎn)與所有線圈電路串聯(lián)，任何時(shí)候閉合都使所有線圈失電。六、1.α=60°時(shí)，Ud=0.9*U2*(1+cosα)/π=0.9*220V*(1+cos60°)/π≈197.38V。2.Id=Ud/R=197.38V/10Ω≈19.74A。3.最高正向電壓：U2*sqrt(2)≈220*sqrt(2)V。最高反向電壓：U2*(1+cosα_max)/(1+cosα_min)=U2*(1+cos180°)/(1+cos0°)=U2*(1-1)/(1+1)=0V。但實(shí)際晶閘管T1在換相過程中會(huì)承受接近U2峰值（sqrt(2)*U2）的反向電壓。α=180°時(shí)，反向電壓最低（接近0，但實(shí)際有漏電流和換相電壓），α=0°時(shí)，反向電壓最高，接近sqrt(2)*U2。因此，T1承受的最高反向電壓約為sqrt(2)*U2≈311V。最高正向電壓為U2*sqrt(2)≈311V。原因：全波整流電路中，晶閘管在換相過程中承受的反向電壓接近交流電源峰值電壓。七、1.數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)：設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)字段（長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)內(nèi)容）、校驗(yàn)字段（可選）。2.請(qǐng)求幀：01030100640C(Hex)。地址01H，功能碼03H，寄存器起始地址0100H（2字節(jié)：0100），要讀10個(gè)寄存器（2字節(jié)：0C），CRC校驗(yàn)（此處未計(jì)算）。3.優(yōu)點(diǎn)：通信效率高（字節(jié)數(shù)少），抗干擾能力強(qiáng)（相比ASCII碼），無需額外的字符集轉(zhuǎn)換。八、1.原則：為了維持電動(dòng)機(jī)的磁通基本不變，變頻器的輸出電壓應(yīng)與輸出頻率成正比（V/f控制）。因此，輸出電壓應(yīng)設(shè)置為0.5*Un=0.5*380V=190V。2.f=0.3fmax=0.3*60Hz=18Hz。根據(jù)V/f控制，輸出電壓Uo=(f/fmax)*Un=(18/60)*380V=0.3*380V=114V。注意：這是指變頻器輸出給電機(jī)繞組的線電壓。如果定子繞組改為Y聯(lián)結(jié)，線電壓與相電壓關(guān)系為U線=√3*U相。此時(shí)輸出電壓應(yīng)指線電壓，計(jì)算同上，仍為114V。但若題目意圖是問Y聯(lián)結(jié)時(shí)的相電壓，則為114V/√3≈65.8V。假設(shè)題目問的是輸出電壓值，按V/f原則計(jì)算。3.過流原因：電動(dòng)機(jī)負(fù)載過重、電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行、變頻器輸出側(cè)發(fā)生短路故障、電源電壓過高、變頻器內(nèi)部元件故障（整流橋、逆變橋、驅(qū)動(dòng)模塊等）、控制參數(shù)設(shè)置不當(dāng)（如輸出頻率過高導(dǎo)致電流增大）、散熱不良導(dǎo)致元件性能下降。九、|特性|PLC(可編程邏輯控制器)|DCS(集散控制系統(tǒng))|SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))||:---------|:-----------------------------------------|:-----------------------------------------|:-----------------------------------------||結(jié)構(gòu)|模塊化，分布式，傾向于獨(dú)立控制站|網(wǎng)絡(luò)化，分層結(jié)構(gòu)（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)、操作級(jí)）|主從式或Client/Server，通常中心化或分布||功能|邏輯控制、順序控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制|過程控制為主，模擬量控制精度高，帶調(diào)節(jié)功能|數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警管理、操作記錄||規(guī)模|小型、中型為主，單站或小型網(wǎng)絡(luò)|中大型，覆蓋范圍廣，多站網(wǎng)絡(luò)|可從小型到大型，覆蓋范圍可變||通信|主要為工業(yè)以太網(wǎng)（ModbusTCP/IP,Profibus）|現(xiàn)場(chǎng)總線（ProfibusDP,FoundationFieldbus）及以太網(wǎng)|以太網(wǎng)為主，可集成多種協(xié)議||計(jì)算能力|強(qiáng)，可執(zhí)行復(fù)雜算法，但實(shí)時(shí)性依賴硬件|強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，專為實(shí)時(shí)控制優(yōu)化|強(qiáng)，用于數(shù)據(jù)處理、分析、遠(yuǎn)程診斷||操作界面|HMI/SCADA功能集成，側(cè)重本站操作