2025年自動(dòng)化控制知識(shí)問(wèn)答試題及答案1.單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.1在PID控制器中，若積分時(shí)間Ti→∞，則控制器實(shí)際退化為A.P控制器?B.PD控制器?C.PI控制器?D.ID控制器答案：B1.2某單位負(fù)反饋系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=10/[s(s+2)]，其速度誤差系數(shù)Kv為A.5?B.10?C.20?D.∞答案：A1.3對(duì)于最小相位系統(tǒng)，相位裕度γ>0°且增益裕度Kg>1，則閉環(huán)系統(tǒng)A.穩(wěn)定?B.臨界穩(wěn)定?C.不穩(wěn)定?D.無(wú)法判斷答案：A1.4在Ziegler–Nichols階躍響應(yīng)法中，若測(cè)得滯后時(shí)間L=2s、時(shí)間常數(shù)T=8s，則PI控制器的比例增益Kp推薦值為A.0.45T/L?B.0.9T/L?C.1.2T/L?D.2T/L答案：B1.5某離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)H(z)=(0.2z+0.1)/(z2?1.5z+0.7)，其靜態(tài)位置誤差系數(shù)Kp為A.0.3?B.1?C.3?D.∞答案：A1.6在CANopen協(xié)議中，PDO映射參數(shù)存放在對(duì)象字典的索引區(qū)段A.1000h–1FFFh?B.6000h–6FFFh?C.1800h–1FFFh?D.2000h–5FFFh答案：C1.7某伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TN=10N·m，峰值轉(zhuǎn)矩Tp=30N·m，若負(fù)載慣量JL=0.02kg·m2，電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量Jm=0.005kg·m2，則理論最大加速度αmax為A.400rad/s2?B.600rad/s2?C.1200rad/s2?D.1600rad/s2答案：C1.8在IEC611313標(biāo)準(zhǔn)中，下列語(yǔ)言最適合描述狀態(tài)機(jī)的是A.LD?B.FBD?C.SFC?D.IL答案：C1.9對(duì)于二階系統(tǒng)ζ=0.6，其階躍響應(yīng)超調(diào)量σp約為A.9.5%?B.16.3%?C.25.4%?D.35.1%答案：B1.10在工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT幀中，WorkingCounter字段占用A.1Byte?B.2Byte?C.4Byte?D.8Byte答案：B2.多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）2.1下列哪些措施可提高位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度A.提高編碼器分辨率?B.減小速度前饋增益?C.增大積分增益?D.采用擾動(dòng)觀測(cè)器?E.降低電流環(huán)帶寬答案：A、C、D2.2關(guān)于狀態(tài)空間描述?=Ax+Bu，y=Cx+Du，下列說(shuō)法正確的是A.系統(tǒng)能控的充要條件為能控性矩陣滿秩?B.系統(tǒng)能觀的充要條件為能觀性矩陣滿秩?C.極點(diǎn)配置需系統(tǒng)完全能控?D.輸出反饋一定能任意配置極點(diǎn)?E.狀態(tài)觀測(cè)器需系統(tǒng)完全能觀答案：A、B、C、E2.3下列哪些現(xiàn)場(chǎng)總線支持本質(zhì)安全物理層A.FoundationFieldbusH1?B.ProfibusPA?C.DeviceNet?D.HART?E.PROFINETIRT答案：A、B、D2.4在模型預(yù)測(cè)控制（MPC）中，下列哪些因素會(huì)直接影響在線計(jì)算時(shí)間A.預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度Np?B.控制時(shí)域長(zhǎng)度Nc?C.狀態(tài)變量維數(shù)?D.采樣周期Ts?E.權(quán)重矩陣Q、R答案：A、B、C、D2.5下列關(guān)于Bode圖的說(shuō)法正確的是A.積分環(huán)節(jié)幅頻斜率為?20dB/dec?B.微分環(huán)節(jié)相頻曲線恒為+90°?C.二階振蕩環(huán)節(jié)在ω=ωn處諧振峰值與ζ成反比?D.延遲環(huán)節(jié)幅頻為0dB?E.比例環(huán)節(jié)相頻為0°答案：A、C、D、E3.填空題（每空2分，共20分）3.1某系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=K/[s(s+4)(s+10)]，若要求相位裕度γ≥45°，則K最大可取________（保留整數(shù)）。答案：483.2采用雙線性變換s=________將連續(xù)域D(s)=2s+1映射到離散域，采樣周期T=0.1s，得D(z)=________。答案：(2/T)·(z?1)/(z+1)；D(z)=(40z?38)/(z+1)3.3在PLC中，一個(gè)REAL型變量占用________字節(jié)，其取值范圍約為_(kāi)_______。答案：4；±3.4×10^±383.4某增量式PID算法位置式輸出uk=uk?1+Δuk，其中Δuk=Kp(ek?ek?1)+Kiek+Kd(ek?2ek?1+ek?2)，則Ki=________，Kd=________。答案：Kp·T/Ti；Kp·Td/T3.5若電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min，編碼器為2500PPR，采用四倍頻，則速度環(huán)采樣周期1ms時(shí)，每毫秒最大脈沖增量為_(kāi)_______。答案：5003.6在IEEE802.1Qbv時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)中，門控循環(huán)周期為2ms，某隊(duì)列分配時(shí)間窗200μs，則該隊(duì)列帶寬占比為_(kāi)_______%。答案：103.7某溫度對(duì)象用一階慣性加純滯后近似，測(cè)得階躍響應(yīng)63.2%處時(shí)間t63=30s，純滯后τ=6s，則離散PID控制器采樣周期T宜選________s。答案：23.8在ROS2中，節(jié)點(diǎn)間默認(rèn)通信中間層采用________協(xié)議，其底層傳輸默認(rèn)使用________。答案：DDS；UDP4.簡(jiǎn)答題（封閉型，每題6分，共18分）4.1給出“能控標(biāo)準(zhǔn)型”定義，并寫(xiě)出單輸入系統(tǒng)二階能控標(biāo)準(zhǔn)型的A、b矩陣。答案：若系統(tǒng)?=Ax+bu能通過(guò)非奇異變換化為如下形式：A=[01;?a0?a1]，b=[0;1]，則稱該形式為能控標(biāo)準(zhǔn)型。其中a0、a1為特征多項(xiàng)式系數(shù)。4.2解釋“積分飽和”現(xiàn)象，并列出兩種工程抑制方法。答案：當(dāng)執(zhí)行器達(dá)到限幅而控制器仍繼續(xù)積分，導(dǎo)致系統(tǒng)退飽和時(shí)產(chǎn)生反向超調(diào)。抑制方法：1.抗積分飽和（Antiwindup）反饋，將執(zhí)行器飽和信號(hào)反饋至積分器；2.采用條件積分，僅在誤差小于閾值時(shí)啟用積分作用。4.3寫(xiě)出Shannon采樣定理內(nèi)容，并說(shuō)明其對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義。答案：若連續(xù)信號(hào)最高頻率為fmax，則采樣頻率fs>2fmax方可無(wú)失真恢復(fù)原始信號(hào)。指導(dǎo)意義：1.確定系統(tǒng)最大允許采樣周期；2.指導(dǎo)抗混疊濾波器截止頻率設(shè)計(jì)；3.避免高頻噪聲混疊導(dǎo)致控制性能惡化。5.簡(jiǎn)答題（開(kāi)放型，每題8分，共16分）5.1某高速包裝機(jī)采用伺服分度凸輪，機(jī)械凸輪曲線為修正梯形加速度曲線。試討論：若將機(jī)械凸輪完全電子凸輪化，需解決哪些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題？給出一種電子凸輪實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。答案：關(guān)鍵技術(shù)：1.高速實(shí)時(shí)軌跡生成（微秒級(jí)插補(bǔ)）；2.多軸同步（虛擬主軸+分布式時(shí)鐘）；3.大慣量負(fù)載下振動(dòng)抑制（輸入整形或前饋+反饋融合）；4.安全回零與掉電重啟曲線無(wú)縫銜接。架構(gòu)：采用EtherCAT總線，主站運(yùn)行IEC61499功能塊，周期250μs；從站驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置FPGA計(jì)算電子凸輪曲線，使用分布式時(shí)鐘DC同步<1μs；上位機(jī)通過(guò)OPCUA下發(fā)曲線參數(shù)，支持在線重下載。5.2工業(yè)4.0背景下，傳統(tǒng)PLC面臨哪些挑戰(zhàn)？提出一種基于開(kāi)放自動(dòng)化（OpenAutomation）的軟硬件解耦方案，并說(shuō)明其優(yōu)勢(shì)。答案：挑戰(zhàn)：封閉生態(tài)、專有硬件、升級(jí)困難、數(shù)據(jù)孤島。方案：采用IEC61499+OPCUAoverTSN，硬件基于通用x86/ARM邊緣計(jì)算平臺(tái)，運(yùn)行容器化運(yùn)行時(shí)；軟件功能塊獨(dú)立于硬件，通過(guò)TSN實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)實(shí)時(shí)；優(yōu)勢(shì)：1.軟硬件獨(dú)立生命周期；2.支持熱更新與云邊協(xié)同；3.供應(yīng)商無(wú)關(guān)，避免鎖定；4.統(tǒng)一語(yǔ)義模型實(shí)現(xiàn)即插即用。6.計(jì)算題（共30分）6.1某單位反饋系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=100/[s(s+5)(s+20)]，要求：(1)繪制根軌跡并標(biāo)出分離點(diǎn)坐標(biāo)；（6分）(2)求系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時(shí)的K值及對(duì)應(yīng)振蕩頻率；（4分）(3)若加入超前校正Gc(s)=(s+3)/(s+15)，求校正后速度誤差系數(shù)Kv及相位裕度。（8分）答案：(1)極點(diǎn)：0，?5，?20；零點(diǎn)：∞。分離點(diǎn)求解dK/ds=0得s=?2.43，K=17.5。(2)臨界穩(wěn)定時(shí)K=2000，ω=10rad/s。(3)校正后Kv=lim_{s→0}s·GcG=100×3/15=20；相位裕度γ≈50°。6.2離散系統(tǒng)如圖所示（略圖），被控對(duì)象Gp(s)=1/[s(s+1)]，采用零階保持器，T=0.1s，數(shù)字控制器D(z)=2(z?0.95)/(z?0.8)。(1)求開(kāi)環(huán)脈沖傳遞函數(shù)G(z)；（4分）(2)求閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)T(z)；（3分）(3)判斷閉環(huán)穩(wěn)定性；（2分）(4)計(jì)算單位階躍輸入穩(wěn)態(tài)誤差。（3分）答案：(1)G(z)=ZOH{Gp}=0.00484(z+0.967)/[(z?1)(z?0.905)]；(2)T(z)=D(z)G(z)/[1+D(z)G(z)]=0.00968(z+0.95)(z+0.967)/[(z?0.8)(z?0.905)+0.00968(z+0.95)(z+0.967)]；(3)極點(diǎn)0.798±0.056j，模<1，穩(wěn)定；(4)ess=1/(1+Kp)=1/(1+∞)=0。7.綜合分析題（共21分）7.1某熱連軋機(jī)機(jī)架間張力控制系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為雙質(zhì)量–彈簧模型：J1θ¨1+B1θ?1+K(θ1?θ2)=Tm，J2θ¨2+B2θ?2?K(θ1?θ2)=?TL，其中Tm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載張力擾動(dòng)。(1)選取狀態(tài)變量x=[θ1θ?1θ2θ?2]T，寫(xiě)出狀態(tài)空間模型；（5分）(2)設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋u=?Kx，使閉環(huán)極點(diǎn)位于{?10,?15,?20±10j}，求反饋矩陣K；（8分）(3)若僅θ1與θ2可測(cè)，設(shè)計(jì)最小階狀態(tài)觀測(cè)器，使觀測(cè)器極點(diǎn)位于{?25,?30}，求觀測(cè)器增益L；（8分）答案：(1)?=[0100;?K/J1?B1/J1K/J10;0001;K/J20?K/J2?B2/J2]x+[0;1/J1;0;0]Tm+[0;0;0;?1/J2]TL(2)采用極點(diǎn)配置得K=[?1.25×10^4?1.06×10^31.25×10^465.2]（具體計(jì)算過(guò)程略，需解Ackermann公式）。(3)觀測(cè)器降階至二階，得L=[58.3;41.7]（過(guò)程：先對(duì)系統(tǒng)作能觀分解，再對(duì)子系統(tǒng)配置極點(diǎn)）。8.設(shè)計(jì)題（共26分）8.1某AGV小車采用雙輪差速驅(qū)動(dòng)，需實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤。給定：車體質(zhì)量m=60kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iz=5kg·m2，輪距d=0.4m，電機(jī)減速比n=20，輪半徑r=0.1m。(1)建立以線速度v、角速度ω為輸入的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并推導(dǎo)軌跡誤差方程；（6分）(2)設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)控制：外環(huán)橫向偏差e_y采用PI，內(nèi)環(huán)角速度ω采用P，給出控制器參數(shù)整定步驟；（8分）(3)若要求最大側(cè)向加速度不超過(guò)0.3g，求最大運(yùn)行速度vmax與路徑曲率ρ關(guān)系；（6分）(4)給出基于ROS2的節(jié)點(diǎn)與話題設(shè)計(jì)，確保周期5ms實(shí)時(shí)性。（6分）答案：(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：x?=vcosθ，y?=vsinθ，θ?=ω；誤差方程：e?y=vsineθ，e?θ=ω?vκ，其中κ為路徑曲率。(2)外環(huán)PI：ωref=Kpey+Ki∫eydt；內(nèi)環(huán)P：τω=Kω(ωref?ω)；整定：先內(nèi)環(huán)Kω使帶寬10Hz，再外環(huán)按對(duì)稱最優(yōu)（Kp=2ζωnv，ζ=0.7）。(3)由ay=v2κ≤0.3g得vmax=√(0.3g/κ)。(4)節(jié)點(diǎn)：path_follower、diff_drive_controller；話題：/cmd_vel（周期5ms，QoS為RMW_QOS_POLICY_RELIABILITY_RELIABLE，深度1），使用rclcpp::WallTimer周期回調(diào)，綁定SCHED_FIFO優(yōu)先級(jí)90。9.論述題（共20分）9.1結(jié)合人工智能與自動(dòng)化控制融合趨勢(shì)，論述“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建?！迸c“物理模型”在工業(yè)過(guò)程控制中的互