2025年大學(xué)自動(dòng)化（自動(dòng)化理論）試題及答案

（考試時(shí)間：90分鐘滿分100分）班級(jí)______姓名______第I卷（選擇題，共30分）答題要求：請(qǐng)從每小題的四個(gè)選項(xiàng)中，選出一個(gè)最符合題意的答案，將其序號(hào)填在題后的括號(hào)內(nèi)。(總共10題，每題3分)1.自動(dòng)化系統(tǒng)中，反饋控制的核心是（）A.偏差檢測(cè)B.控制器設(shè)計(jì)C.執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作D.被控對(duì)象狀態(tài)答案：A2.以下哪種控制算法不屬于經(jīng)典控制理論范疇（）A.比例控制B.積分控制C.模糊控制D.微分控制答案：C3.傳遞函數(shù)的分母多項(xiàng)式反映了系統(tǒng)的（）A.輸入特性B.輸出特性C.動(dòng)態(tài)特性D.穩(wěn)態(tài)特性答案：C4.系統(tǒng)的穩(wěn)定性與以下哪個(gè)因素密切相關(guān)（）A.輸入信號(hào)B.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)C.初始條件D.外界干擾答案：B5.根軌跡法主要用于分析系統(tǒng)的（）A.穩(wěn)態(tài)性能B.動(dòng)態(tài)性能C.穩(wěn)定性D.準(zhǔn)確性答案：C6.對(duì)于二階系統(tǒng)，其阻尼比ζ決定了系統(tǒng)的（）A.上升時(shí)間B.峰值時(shí)間C.調(diào)節(jié)時(shí)間D.超調(diào)量答案：D7.線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（）A.與輸入信號(hào)有關(guān)B.與輸出信號(hào)有關(guān)C.與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)D.與初始條件有關(guān)答案：C8.以下哪種系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)（）A.家用空調(diào)溫度控制系統(tǒng)B.冰箱溫度控制系統(tǒng)C.普通洗衣機(jī)控制系統(tǒng)D.交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)答案：D9.控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)中，反映系統(tǒng)快速性的是（）A.穩(wěn)態(tài)誤差B.上升時(shí)間C.超調(diào)量D.調(diào)節(jié)時(shí)間答案：B10.離散控制系統(tǒng)中，采樣周期T對(duì)系統(tǒng)性能的影響是（）A.T越大，系統(tǒng)性能越好B.T越小，系統(tǒng)性能越好C.T適中時(shí)系統(tǒng)性能最佳D.T與系統(tǒng)性能無(wú)關(guān)答案：C第II卷（非選擇題，共70分）二、填空題（每題2分，共10分）1.自動(dòng)化是一門研究如何使________、________和部分腦力勞動(dòng)逐步地由機(jī)械的、電子的、自動(dòng)控制的裝置來(lái)完成，以代替人類部分________的科學(xué)技術(shù)。答案：生產(chǎn)過(guò)程管理過(guò)程體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)2.控制系統(tǒng)的基本組成包括________、________、________、________和________。答案：控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量變送環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)3.傳遞函數(shù)是在________條件下，系統(tǒng)輸出量的________與輸入量的________之比。答案：零初始條件拉氏變換拉氏變換4.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)的________和________有關(guān)。答案：類型開環(huán)增益5.離散控制系統(tǒng)中，常用的采樣保持器有________和________。答案：零階保持器一階保持器三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述反饋控制的原理。答案：反饋控制是將系統(tǒng)的輸出信號(hào)通過(guò)測(cè)量變送環(huán)節(jié)反饋到輸入端，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)偏差信號(hào)進(jìn)行控制，使輸出量盡可能接近給定值。其原理基于偏差的檢測(cè)和糾正，通過(guò)不斷調(diào)整控制作用來(lái)減小偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精確控制。2.什么是系統(tǒng)的穩(wěn)定性？判斷線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法有哪些？答案：系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在初始擾動(dòng)作用下，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后能夠恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)或者趨于一個(gè)新的平衡狀態(tài)的能力。判斷線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法有勞斯判據(jù)、赫爾維茨判據(jù)、根軌跡法等。勞斯判據(jù)通過(guò)構(gòu)造勞斯表來(lái)判斷系統(tǒng)特征方程根的分布情況，進(jìn)而確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性；根軌跡法通過(guò)繪制根軌跡直觀地分析系統(tǒng)根的變化，從而判斷穩(wěn)定性。3.簡(jiǎn)述PID控制器的組成及各部分的作用。答案：PID控制器由比例（P）、積分（I）、微分（D）三部分組成。比例部分的作用是根據(jù)偏差的大小立即產(chǎn)生控制作用，偏差越大，控制作用越強(qiáng)，能快速響應(yīng)偏差，減小偏差的幅度；積分部分用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，它對(duì)偏差進(jìn)行積分，積累的結(jié)果用于調(diào)整控制量，使系統(tǒng)最終達(dá)到無(wú)差；微分部分則根據(jù)偏差的變化率產(chǎn)生控制作用，能預(yù)測(cè)偏差的變化趨勢(shì)，提前進(jìn)行控制，有助于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。4.簡(jiǎn)述離散控制系統(tǒng)與連續(xù)控制系統(tǒng)的區(qū)別。答案：離散控制系統(tǒng)的信號(hào)是離散的，其系統(tǒng)中的信號(hào)只在采樣時(shí)刻有定義，而連續(xù)控制系統(tǒng)的信號(hào)是連續(xù)變化的。離散控制系統(tǒng)中存在采樣和保持環(huán)節(jié)，將連續(xù)信號(hào)離散化處理；連續(xù)控制系統(tǒng)不存在采樣過(guò)程。離散控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法與連續(xù)控制系統(tǒng)有所不同，例如離散系統(tǒng)采用z變換等方法進(jìn)行分析，連續(xù)系統(tǒng)采用拉氏變換。離散控制系統(tǒng)的性能受采樣周期等因素影響較大，而連續(xù)控制系統(tǒng)相對(duì)更注重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的綜合平衡。四、分析題（每題15分，共30分）材料：已知某控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)H(s)=K/s(s+1)(s+2)。1.繪制該系統(tǒng)的根軌跡。答案：1.首先確定系統(tǒng)的開環(huán)極點(diǎn)：-令分母s(s+1)(s+2)=0，可得開環(huán)極點(diǎn)p1=0，p2=-1，p3=-2。2.然后確定根軌跡的分支數(shù)：-根軌跡分支數(shù)等于開環(huán)極點(diǎn)數(shù)，所以該系統(tǒng)根軌跡有3條分支。3.接著確定根軌跡的漸近線：-漸近線與實(shí)軸的交點(diǎn)：\(\sigma_a=\frac{\sum_{i=1}^{n}p_i-\sum_{j=1}^{m}z_j}{n-m}\)，這里\(n=3\)，\(m=0\)，\(\sum_{i=1}^{3}p_i=0-1-2=-3\)，所以\(\sigma_a=-1\)。-漸近線的夾角：\(\varphi=\frac{(2k+1)\pi}{n-m}\)，\(k=0,1,2\)，當(dāng)\(k=0\)時(shí)，\(\varphi=\frac{\pi}{3}\)；當(dāng)\(k=1\)時(shí)，\(\varphi=\pi\)；當(dāng)\(k=2\)時(shí)，\(\varphi=\frac{5\pi}{3}\)。4.再確定根軌跡與虛軸的交點(diǎn)：-設(shè)系統(tǒng)特征方程為\(s(s+1)(s+2)+K=0\)，即\(s^3+3s^2+2s+K=0\)。-令\(s=j\omega\)，代入特征方程得\(-j\omega^3-3\omega^2+2j\omega+K=0\)。-分別令實(shí)部和虛部為0，由虛部\(-\omega^3+2\omega=0\)，解得\(\omega=0\)或\(\omega=\sqrt{2}\)。-當(dāng)\(\omega=\sqrt{2}\)時(shí)，代入實(shí)部\(-3\omega^2+K=0\)，可得\(K=6\)。5.最后繪制根軌跡：-根軌跡從開環(huán)極點(diǎn)出發(fā)，向漸近線匯聚。-根軌跡與虛軸在\(\omega=\sqrt{2}\)處相交，此時(shí)\(K=6\)。2.分析當(dāng)K從0變化到無(wú)窮大時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的變化情況以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。答案：當(dāng)K=0時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)就是開環(huán)極點(diǎn)，分別為0，-1，-2。隨著K增大，根軌跡逐漸變化。根軌跡分支從開環(huán)極點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)K較小時(shí)，根軌跡在實(shí)軸上移動(dòng)，靠近虛軸。當(dāng)K增大到一定程度，根軌跡與虛軸相交于\(\omega=\sqrt{2}\)，此時(shí)系統(tǒng)臨界穩(wěn)定。當(dāng)K繼續(xù)增大，根軌跡進(jìn)入右半平面，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。在根軌跡變化過(guò)程中，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也不斷改變，如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等都會(huì)隨著閉環(huán)極點(diǎn)的位置變化而變化。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)分布決定了系統(tǒng)的響應(yīng)特性；當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)輸出將發(fā)散。五、設(shè)計(jì)題（10分）材料：設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，要求控制精度在±1℃以內(nèi)，溫度范圍為20℃到80℃。設(shè)計(jì)一個(gè)基于PID控制的溫度控制系統(tǒng)，說(shuō)明控制器參數(shù)的確定方法。答案：首先，確定傳感器用于測(cè)量溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給控制器。對(duì)于PID控制器參數(shù)的確定：1.比例系數(shù)Kp的確定：-先進(jìn)行比例控制實(shí)驗(yàn)，逐步增大Kp值。觀察系統(tǒng)響應(yīng)，當(dāng)Kp較小時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，偏差較大；隨著Kp增大，響應(yīng)速度加快，但超調(diào)量可能增大。通過(guò)不斷調(diào)整Kp，找到一個(gè)使系統(tǒng)響應(yīng)速度和超調(diào)量相對(duì)平衡的值。例如，在初步實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)Kp=5時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，偏差在±5℃左右；當(dāng)Kp=10時(shí)，響應(yīng)速度加快，超調(diào)量增大到±10℃左右。經(jīng)過(guò)多次嘗試，確定一個(gè)合適的Kp值，使系統(tǒng)既能快速響應(yīng)又不至于超調(diào)過(guò)大。2.積分系數(shù)Ki的確定：-加入積分控制后，Ki主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察系統(tǒng)在不同Ki值下的穩(wěn)態(tài)性能。當(dāng)Ki較小時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差消除較慢；Ki增大，穩(wěn)態(tài)誤差消除速度加快，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢甚至出現(xiàn)振蕩。例如，在沒有積分控制時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為±2℃。當(dāng)Ki=0.1時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差逐漸減小，但響應(yīng)速度有所下降；當(dāng)Ki=0.5時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差能較快消除，但系統(tǒng)開始出現(xiàn)輕微振蕩。通過(guò)調(diào)整Ki，找到一個(gè)能使穩(wěn)態(tài)誤差在±1℃以內(nèi)且系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的值。3.微分系數(shù)Kd的確定：-Kd用于根據(jù)偏差變化率提前進(jìn)行控制，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，觀察系統(tǒng)在不同Kd值下的響應(yīng)情況。當(dāng)Kd較小