控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)踐測驗(yàn)試題沖刺卷考試時長：120分鐘滿分：100分考核對象：自動化、電子信息、機(jī)械工程等相關(guān)專業(yè)中等級別學(xué)生或行業(yè)從業(yè)者題型分值分布：-判斷題（總共10題，每題2分）總分20分-單選題（總共10題，每題2分）總分20分-多選題（總共10題，每題2分）總分20分-案例分析（總共3題，每題6分）總分18分-論述題（總共2題，每題11分）總分22分總分：100分---一、判斷題（每題2分，共20分）1.控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)只能描述線性定常系統(tǒng)的動態(tài)特性。2.在根軌跡法中，系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)位置會隨著開環(huán)增益的變化而變化。3.狀態(tài)空間方程適用于描述多輸入多輸出系統(tǒng)。4.控制系統(tǒng)的魯棒性是指系統(tǒng)在參數(shù)變化或外部干擾下仍能保持穩(wěn)定的能力。5.PID控制器中的積分環(huán)節(jié)主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。6.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間方程是等價的，可以相互轉(zhuǎn)換。7.在頻域分析中，系統(tǒng)的相頻特性反映了系統(tǒng)的相位滯后情況。8.系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定是指系統(tǒng)在臨界阻尼狀態(tài)下的響應(yīng)特性。9.在仿真實(shí)驗(yàn)中，步長越小，仿真結(jié)果越精確。10.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和降低超調(diào)量。二、單選題（每題2分，共20分）1.下列哪種方法不屬于經(jīng)典控制理論的分析方法？A.傳遞函數(shù)法B.根軌跡法C.狀態(tài)空間法D.頻域分析法2.在二階系統(tǒng)中，阻尼比ζ=0時，系統(tǒng)表現(xiàn)為：A.欠阻尼B.臨界阻尼C.過阻尼D.無阻尼振蕩3.控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差主要取決于系統(tǒng)的：A.頻域特性B.狀態(tài)空間方程C.傳遞函數(shù)的極點(diǎn)位置D.積分環(huán)節(jié)的增益4.在根軌跡法中，開環(huán)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)移動會導(dǎo)致：A.閉環(huán)極點(diǎn)數(shù)量增加B.閉環(huán)極點(diǎn)位置不變C.閉環(huán)極點(diǎn)數(shù)量減少D.閉環(huán)極點(diǎn)位置隨機(jī)變化5.下列哪種控制器結(jié)構(gòu)適用于線性定常系統(tǒng)？A.模糊控制器B.神經(jīng)控制器C.PID控制器D.魯棒控制器6.在頻域分析中，系統(tǒng)的幅頻特性反映了系統(tǒng)的：A.頻率響應(yīng)特性B.相位滯后情況C.穩(wěn)態(tài)誤差D.阻尼比7.狀態(tài)空間方程中的可控性矩陣用于判斷系統(tǒng)的：A.穩(wěn)定性B.可觀測性C.可控性D.魯棒性8.在仿真實(shí)驗(yàn)中，過小的步長會導(dǎo)致：A.仿真結(jié)果更精確B.仿真結(jié)果失真C.仿真速度變慢D.仿真內(nèi)存占用增加9.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不包括：A.提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度B.降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差C.增加系統(tǒng)的復(fù)雜性D.提高系統(tǒng)的魯棒性10.在根軌跡法中，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的增益變化會導(dǎo)致：A.閉環(huán)極點(diǎn)數(shù)量增加B.閉環(huán)極點(diǎn)位置不變C.閉環(huán)極點(diǎn)數(shù)量減少D.閉環(huán)極點(diǎn)位置隨機(jī)變化三、多選題（每題2分，共20分）1.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括：A.經(jīng)典控制理論方法B.現(xiàn)代控制理論方法C.魯棒控制方法D.模糊控制方法2.在頻域分析中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過以下哪個指標(biāo)判斷？A.幅頻特性B.相頻特性C.奈奎斯特曲線D.根軌跡圖3.狀態(tài)空間方程中的可控性矩陣和可觀測性矩陣分別用于判斷：A.系統(tǒng)的可控性B.系統(tǒng)的可觀測性C.系統(tǒng)的穩(wěn)定性D.系統(tǒng)的魯棒性4.PID控制器中的比例、積分、微分環(huán)節(jié)分別用于：A.消除穩(wěn)態(tài)誤差B.提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度C.抑制系統(tǒng)的振蕩D.增加系統(tǒng)的復(fù)雜性5.在仿真實(shí)驗(yàn)中，步長選擇的影響包括：A.仿真結(jié)果的精度B.仿真速度C.仿真內(nèi)存占用D.仿真穩(wěn)定性6.控制系統(tǒng)的魯棒性可以通過以下方法提高：A.增加系統(tǒng)的阻尼比B.使用魯棒控制器C.減少系統(tǒng)的輸入噪聲D.提高系統(tǒng)的開環(huán)增益7.在根軌跡法中，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)移動會導(dǎo)致：A.閉環(huán)極點(diǎn)數(shù)量增加B.閉環(huán)極點(diǎn)位置不變C.閉環(huán)極點(diǎn)數(shù)量減少D.閉環(huán)極點(diǎn)位置隨機(jī)變化8.狀態(tài)空間方程適用于描述以下哪種系統(tǒng)？A.線性定常系統(tǒng)B.線性時變系統(tǒng)C.非線性系統(tǒng)D.隨機(jī)系統(tǒng)9.在頻域分析中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過以下哪個指標(biāo)判斷？A.幅頻特性B.相頻特性C.奈奎斯特曲線D.根軌跡圖10.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：A.提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度B.降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差C.增加系統(tǒng)的復(fù)雜性D.提高系統(tǒng)的魯棒性四、案例分析（每題6分，共18分）案例1：某二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為\(G(s)=\frac{1}{s^2+2\zeta\omega_ns+\omega_n^2}\)，其中\(zhòng)(\omega_n=10\)rad/s?，F(xiàn)要求系統(tǒng)的超調(diào)量\(\sigma\%\leq5\%，\)響應(yīng)時間\(t_s\leq1\)s。請?jiān)O(shè)計(jì)合適的PID控制器，并說明設(shè)計(jì)思路。案例2：某控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為：\[\dot{\mathbf{x}}=\begin{bmatrix}-1&1\\0&-2\end{bmatrix}\mathbf{x}+\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix}u\]\[y=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix}\mathbf{x}\]請判斷該系統(tǒng)的可控性和可觀測性，并說明理由。案例3：某控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為\(G(s)=\frac{10}{s(s+2)}\)，現(xiàn)要求設(shè)計(jì)一個PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差\(e_{ss}\leq0.01\)。請計(jì)算PID控制器的參數(shù)，并說明設(shè)計(jì)思路。五、論述題（每題11分，共22分）論述1：請論述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的區(qū)別與聯(lián)系，并說明各自的應(yīng)用場景。論述2：請論述控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的意義和步驟，并說明仿真實(shí)驗(yàn)中常見的問題及解決方法。---標(biāo)準(zhǔn)答案及解析一、判斷題1.√2.√3.√4.√5.√6.×7.√8.×9.×10.√解析：6.狀態(tài)空間方程和傳遞函數(shù)描述的系統(tǒng)模型不同，前者適用于時變系統(tǒng)，后者適用于線性定常系統(tǒng)。二、單選題1.C2.D3.D4.A5.C6.A7.C8.B9.C10.A解析：8.過小的步長會導(dǎo)致仿真結(jié)果失真，因?yàn)椴介L過小會導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算誤差累積。三、多選題1.A,B,C,D2.A,B,C,D3.A,B4.A,B,C5.A,B,C,D6.A,B,C7.A,D8.A,B9.A,B,C,D10.A,B,D解析：7.開環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)移動會導(dǎo)致閉環(huán)極點(diǎn)位置隨機(jī)變化，因?yàn)楦壽E法中閉環(huán)極點(diǎn)的位置受開環(huán)極點(diǎn)和零點(diǎn)的影響。四、案例分析案例1：設(shè)計(jì)思路：1.根據(jù)超調(diào)量\(\sigma\%\leq5\%\)，計(jì)算阻尼比\(\zeta\approx0.7\)。2.根據(jù)響應(yīng)時間\(t_s\leq1\)s，計(jì)算自然頻率\(\omega_n\geq3\)rad/s。3.設(shè)計(jì)PID控制器為\(G_c(s)=K_p+\frac{K_i}{s}+K_ds\)，通過頻域分析或狀態(tài)空間法計(jì)算參數(shù)。案例2：可控性判斷：可控性矩陣為：\[\mathbf{B}=\begin{bmatrix}1\\1\end{bmatrix},\quad\mathbf{AB}=\begin{bmatrix}0\\-2\end{bmatrix}\]行列式\(\text{det}(\mathbf{AB})=0\)，系統(tǒng)不可控。可觀測性判斷：可觀測性矩陣為：\[\mathbf{C}^T=\begin{bmatrix}1&0\end{bmatrix},\quad\mathbf{CA}^T=\begin{bmatrix}-1&-2\end{bmatrix}\]行列式\(\text{det}(\mathbf{CA}^T)=1\)，系統(tǒng)可觀測。案例3：參數(shù)計(jì)算：1.系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為\(E(s)=\frac{1}{1+G(s)}R(s)\)。2.穩(wěn)態(tài)誤差\(e_{ss}=\lim_{s\to0}sE(s)=\frac{1}{1+G(0)}=0.1\)。3.設(shè)計(jì)PID控制器為\(G_c(s)=K_p+\frac{K_i}{s}+K_ds\)，通過頻域分析或狀態(tài)空間法計(jì)算參數(shù)。五、論述題論述1：經(jīng)典控制理論主要基于頻域分析，適用于線性定常系統(tǒng)，常用方法包括傳遞函數(shù)、根軌跡法和頻域分析法?，F(xiàn)代控制理論基于狀態(tài)