2025年大學(xué)大二（自動(dòng)化）自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)測試題及答案

（考試時(shí)間：90分鐘滿分100分）班級______姓名______第I卷（選擇題共40分）答題要求：本卷共20題，每題2分。在每題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的。請將正確答案填涂在答題卡相應(yīng)位置（本題無答題卡，直接在括號內(nèi)填寫答案）。1.自動(dòng)控制系統(tǒng)中，反饋控制的核心是（）A.偏差信號B.控制信號C.輸出信號D.輸入信號（A）2.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)取決于（）A.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)B.輸入信號C.輸出信號D.初始條件（A）3.二階系統(tǒng)的阻尼比ζ=0時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)為（）A.等幅振蕩B.單調(diào)上升C.衰減振蕩D.發(fā)散振蕩（A）4.一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)T越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度（）A.越快B.越慢C.不變D.先快后慢（B）5.系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于（）A.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)B.輸入信號C.輸出信號D.初始條件（A）6.閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是（）A.精度高B.結(jié)構(gòu)簡單C.成本低D.響應(yīng)速度快（A）7.開環(huán)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是（）A.精度低B.結(jié)構(gòu)復(fù)雜C.成本高D.響應(yīng)速度慢（A）8.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成部分不包括（）A.控制器B.被控對象C.傳感器D.執(zhí)行器（C）9.比例控制器的特點(diǎn)是（）A.能消除穩(wěn)態(tài)誤差B.能加快系統(tǒng)響應(yīng)C.有相位滯后D.控制精度高（C）10.積分控制器的作用是（）A.消除穩(wěn)態(tài)誤差B.加快系統(tǒng)響應(yīng)C.增加系統(tǒng)阻尼D.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性（A）11.微分控制器的作用是（）A.消除穩(wěn)態(tài)誤差B.加快系統(tǒng)響應(yīng)C.增加系統(tǒng)阻尼D.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性（B）12.PID控制器是由（）組成的。A.比例和積分B.比例和微分C.積分和微分D.比例、積分和微分（D）13.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=1/(s+1)，其單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值為（）A.0B.1C.2D.3（B）14.二階系統(tǒng)的固有頻率ωn越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度（）A.越快B.越慢C.不變D.先快后慢（A）15.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=1/(s2+2s+1)，該系統(tǒng)為（）A.一階系統(tǒng)B.二階系統(tǒng)C.三階系統(tǒng)D.四階系統(tǒng)（B）16.自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)不包括（）A.穩(wěn)定性B.準(zhǔn)確性C.快速性D.可靠性（D）17.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與（）有關(guān)。A.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)B.輸入信號的形式C.系統(tǒng)的初始條件D.以上都是（D）18.系統(tǒng)的超調(diào)量與（）有關(guān)。A.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)B.輸入信號的形式C.系統(tǒng)的初始條件D.以上都是（A）19.系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間與（）有關(guān)。A.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)B.輸入信號的形式C.系統(tǒng)的初始條件D.以上都是（D）20.自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢不包括（）A.智能化B.網(wǎng)絡(luò)化C.小型化D.大型化（D）第II卷（非選擇題共60分）一、填空題（每題2分，共10分）答題要求：請?jiān)诿款}的橫線上填寫正確答案。1.自動(dòng)控制系統(tǒng)是指能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行______、______和______的系統(tǒng)。（自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)、操縱）2.系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在______條件下，系統(tǒng)輸出的______與輸入的______之比。（零初始條件、拉氏變換、拉氏變換）3.二階系統(tǒng)的阻尼比ζ越小，系統(tǒng)的振蕩______，超調(diào)量______。（越劇烈、越大）4.系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)在______作用下，系統(tǒng)輸出的______與輸入的______之間的差值。（輸入信號、穩(wěn)態(tài)值、期望值）5.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式有______、______和______。（開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制）二、簡答題（每題5分，共20分）答題要求：簡要回答問題，條理清晰，語言簡潔。1.簡述自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分及其作用。答：自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制器、被控對象、傳感器和執(zhí)行器組成?？刂破鞲鶕?jù)傳感器檢測到的被控對象的狀態(tài)信息，按照預(yù)定的控制策略產(chǎn)生控制信號；被控對象是被控制的對象；傳感器用于檢測被控對象的狀態(tài)信息并反饋給控制器；執(zhí)行器根據(jù)控制器的控制信號對被控對象進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。2.什么是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)？它有什么特點(diǎn)？答：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在零初始條件下，系統(tǒng)輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比。特點(diǎn)：傳遞函數(shù)只取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，與輸入輸出信號的具體形式無關(guān)；傳遞函數(shù)是復(fù)變量s的有理分式，其分子和分母多項(xiàng)式的系數(shù)均為實(shí)數(shù)；傳遞函數(shù)反映了系統(tǒng)的固有特性，不同的系統(tǒng)有不同的傳遞函數(shù)。3.簡述二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)及其與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。答：二階系統(tǒng)的性能指標(biāo)包括上升時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等。上升時(shí)間和峰值時(shí)間與固有頻率ωn成反比，超調(diào)量與阻尼比ζ有關(guān)，ζ越小超調(diào)量越大，調(diào)節(jié)時(shí)間與固有頻率ωn和阻尼比ζ都有關(guān)，ωn越大、ζ適當(dāng)，調(diào)節(jié)時(shí)間越短。4.簡述PID控制器的工作原理及其優(yōu)點(diǎn)。答：PID控制器由比例、積分和微分環(huán)節(jié)組成。比例環(huán)節(jié)根據(jù)偏差的大小成比例地輸出控制信號，加快系統(tǒng)響應(yīng)；積分環(huán)節(jié)對偏差進(jìn)行積分，消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分環(huán)節(jié)根據(jù)偏差的變化率輸出控制信號，增加系統(tǒng)阻尼。優(yōu)點(diǎn)是能兼顧系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，控制精度高，適用范圍廣。三、分析題（每題10分，共20分）答題要求：結(jié)合所學(xué)知識，對給定的系統(tǒng)進(jìn)行分析。1.已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)=10/(s2+2s+10)，分析該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。答：首先求系統(tǒng)的固有頻率ωn=√10≈3.16，阻尼比ζ=2/(2√10)≈0.32。由于ζ<1，系統(tǒng)是欠阻尼的，有振蕩。固有頻率ωn較大，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快。對于單位階躍輸入，穩(wěn)態(tài)誤差為0，準(zhǔn)確性較好。2.有一個(gè)控制系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/s(s+1)，分析K對系統(tǒng)性能的影響。答：當(dāng)K增大時(shí)，系統(tǒng)的增益增大，響應(yīng)速度加快。但K過大可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因?yàn)橄到y(tǒng)的穩(wěn)定性與開環(huán)增益有關(guān)，K增大可能使系統(tǒng)的相位裕度減小，從而降低穩(wěn)定性。同時(shí)，K增大對穩(wěn)態(tài)誤差有影響，K越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性提高。四、設(shè)計(jì)題（10分）答題要求：根據(jù)給定的要求，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。材料：某水箱液位需要保持在一定高度，現(xiàn)有水泵可用于加水，有液位傳感器可檢測液位高度。要求：設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水箱液位的自動(dòng)控制。答：以液位傳感器檢測到的液位高度作為反饋信號，與設(shè)定的液位高度進(jìn)行比較，得到偏差信號。將偏差信號送入控制器，控制器根據(jù)控制策略（如PID控制）產(chǎn)生控制信號，控制水泵的工作，從而實(shí)現(xiàn)對水箱液位的自動(dòng)控制。當(dāng)液位低于設(shè)定值時(shí)，控制器使水泵加水；當(dāng)液位高于設(shè)定值時(shí)，控制器使水泵停止工作或減少加水流量。五、綜合題（10分）答題要求：綜合運(yùn)用所學(xué)知識，解決給定的問題。材料：一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，其被控對象是一個(gè)加熱爐，要求將爐內(nèi)溫度控制在100℃左右。系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度傳感器，輸出的電壓信號經(jīng)放大后送入控制器，控制器采用PID控制算法，控制加熱爐的加熱功率。問題：分析該系統(tǒng)的工作原理，并說明如何調(diào)整PID參數(shù)以提高系統(tǒng)性能。答：工作原理：熱電偶檢測爐內(nèi)溫度，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大后送入控制器?？刂破鞲鶕?jù)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的偏差，采