姚斌-机电控制技术-考试试卷及答案解析教学教材

姚斌-机电控制技术-考试试卷及答案解析教学教材一、试卷说明本次机电控制技术考试试卷主要涵盖了机电控制领域的核心知识，包括控制系统的基本概念、控制理论基础、电气控制系统、可编程控制器（PLC）应用以及传感器与执行器等方面的内容。试卷旨在考查学生对机电控制技术的基本原理、分析方法和实际应用能力的掌握程度。考试题型包括选择题、填空题、简答题、分析题和设计题等，全面覆盖了知识点的不同层次要求。二、考试试卷（一）选择题（每题2分，共20分）1.机电控制系统中，反馈控制的核心是（）A.给定环节B.比较环节C.放大环节D.校正环节2.一阶系统的传递函数为\(G(s)=\frac{1}{Ts+1}\)，其时间常数\(T\)越大，则系统的响应速度（）A.越快B.越慢C.不变D.不确定3.对于一个线性定常系统，其稳定性取决于（）A.系统的结构和参数B.输入信号C.初始条件D.以上都不对4.在电气控制系统中，熔断器主要用于（）A.过载保护B.短路保护C.欠压保护D.过压保护5.以下哪种PLC编程语言常用于逻辑控制（）A.梯形图B.语句表C.功能块图D.以上都是6.传感器的静态特性指标不包括（）A.线性度B.灵敏度C.响应时间D.重复性7.直流电动机的调速方法不包括（）A.改变电枢电压B.改变励磁电流C.改变负载转矩D.改变电枢回路电阻8.开环控制系统与闭环控制系统的主要区别在于（）A.是否有反馈环节B.是否有放大环节C.是否有给定环节D.是否有比较环节9.三相异步电动机的旋转磁场方向由（）决定。A.电源电压B.电源频率C.定子绕组的相序D.转子电阻10.在PLC编程中，用于驱动外部负载的软元件是（）A.输入继电器B.输出继电器C.定时器D.计数器（二）填空题（每题2分，共20分）1.机电控制系统的基本组成包括______、______、______、______和______。2.控制系统的性能指标主要有______、______、______和______等。3.常用的控制算法有______、______、______和______等。4.电气控制系统中，常用的低压电器有______、______、______、______和______等。5.PLC的编程语言主要有______、______、______和______等。6.传感器按工作原理可分为______、______、______、______和______等。7.直流电动机的调速方法有______、______和______。8.三相异步电动机的调速方法有______、______和______。9.开环控制系统的优点是______、______；缺点是______。10.闭环控制系统的优点是______、______；缺点是______、______。（三）简答题（每题10分，共30分）1.简述机电控制系统的基本工作原理。2.什么是PID控制算法？简述其组成及各部分的作用。3.简述PLC的编程语言特点及适用场合。（四）分析题（20分）已知某二阶系统的传递函数为\(G(s)=\frac{4}{s^{2}+2s+4}\)，试分析该系统的稳定性、动态性能指标（上升时间、峰值时间、调节时间、超调量）。（五）设计题（10分）设计一个基于PLC的三相异步电动机正反转控制电路，要求具有过载保护和互锁功能。三、答案解析（一）选择题答案及解析1.答案：B解析：反馈控制的核心是比较环节，它将输入信号与反馈信号进行比较，产生偏差信号，为后续的控制作用提供依据。2.答案：B解析：一阶系统时间常数\(T\)越大，系统响应越慢。时间常数反映了系统对输入信号的响应速度。3.答案：A解析：线性定常系统的稳定性取决于系统的结构和参数，与输入信号和初始条件无关。4.答案：B解析：熔断器主要用于短路保护，当电路发生短路时，熔断器迅速熔断，切断电路，保护电气设备。5.答案：D解析：梯形图、语句表、功能块图都是PLC常用的编程语言，梯形图直观易懂，适合初学者；语句表类似于汇编语言，功能块图常用于复杂逻辑功能的编程。6.答案：C解析：响应时间是传感器的动态特性指标，而线性度、灵敏度、重复性属于静态特性指标。7.答案：C解析：直流电动机的调速方法有改变电枢电压、改变励磁电流、改变电枢回路电阻，改变负载转矩不能调速。8.答案：A解析：开环控制系统没有反馈环节，闭环控制系统有反馈环节，这是两者的主要区别。9.答案：C解析：三相异步电动机的旋转磁场方向由定子绕组的相序决定。10.答案：B解析：输出继电器用于驱动外部负载，输入继电器用于接收外部输入信号，定时器和计数器用于实现定时和计数功能。（二）填空题答案及解析1.答案：控制器、执行器、被控对象、检测装置、比较环节解析：机电控制系统由这五个基本部分组成，各部分协同工作实现对被控对象的控制。2.答案：稳定性、准确性、快速性、响应特性解析：这些是衡量控制系统性能的重要指标，稳定性是系统正常工作的基础，准确性反映系统输出与期望输出的接近程度，快速性体现系统对输入信号的响应速度，响应特性包括上升时间、峰值时间等具体指标。3.答案：PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法、自适应控制算法解析：这些都是常用的控制算法，在不同的控制场合发挥着作用，PID控制应用广泛，模糊控制适用于复杂不确定系统，神经网络控制具有自学习能力，自适应控制能适应系统参数变化。4.答案：刀开关、熔断器、接触器、继电器、按钮解析：这些都是电气控制系统中常见的低压电器，刀开关用于隔离电源，熔断器用于短路保护，接触器控制电动机等负载的通断，继电器实现信号的转换和控制，按钮用于手动控制电路的通断。5.答案：梯形图、语句表、功能块图、结构文本解析：这是PLC的几种主要编程语言，梯形图直观，语句表简洁，功能块图适用于复杂逻辑，结构文本类似于高级编程语言，便于实现复杂算法。6.答案：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器解析：按工作原理可将传感器分为这几类，它们利用不同的物理特性将被测量转换为电信号。7.答案：改变电枢电压调速、改变励磁电流调速、改变电枢回路电阻调速解析：这是直流电动机常用的调速方法，通过改变相应参数来调整电动机的转速。8.答案：变极调速、变频调速、改变转差率调速解析：三相异步电动机可通过这几种方法实现调速，变极调速通过改变定子绕组极对数，变频调速改变电源频率，改变转差率调速可通过改变转子回路电阻等方式。9.答案：结构简单、成本低；控制精度低、抗干扰能力差解析：开环控制系统优点是结构简单、成本低，但由于没有反馈，控制精度低，对干扰敏感，抗干扰能力差。10.答案：控制精度高、抗干扰能力强；结构复杂、成本高、调试困难解析：闭环控制系统通过反馈能提高控制精度和抗干扰能力，但系统结构复杂，成本高，调试难度大。（三）简答题答案及解析1.答案：机电控制系统的基本工作原理是：检测装置对被控对象的输出量进行检测，将检测到的信号反馈到比较环节与给定值进行比较，产生偏差信号。控制器根据偏差信号，按照一定的控制算法进行运算，输出控制信号到执行器。执行器根据控制信号对被控对象进行控制，使其输出量达到预期的目标值。通过不断地反馈和控制，实现对机电设备或生产过程的精确控制。解析：这是机电控制系统工作的基本流程，各部分相互协作，确保系统能稳定、准确地运行，实现对被控对象的有效控制。2.答案：PID控制算法是一种常用的线性控制算法，由比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分组成。比例环节的作用是成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度，它对偏差进行积分，随着时间的积累，消除稳态误差。微分环节能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。解析：PID控制算法在工业控制中应用广泛，其各部分作用相互配合，能有效地改善系统的控制性能，使系统达到较好的稳定性、准确性和快速性。3.答案：PLC的编程语言特点及适用场合如下：梯形图：特点是直观易懂，类似于电气控制原理图，适合电气技术人员使用，常用于逻辑控制、顺序控制等场合，如电机的启停控制、生产流水线的顺序控制等。语句表：类似于汇编语言，指令简洁，适合熟悉编程指令的人员，常用于一些对程序执行效率要求较高、逻辑关系相对简单的场合，如简单的定时控制、计数控制等。功能块图：以功能块为单位，通过连接功能块来实现控制功能，适合具有一定编程基础且熟悉功能块逻辑关系的人员，常用于复杂逻辑功能的编程，如复杂的电机调速控制、过程控制等。结构文本：类似于高级编程语言，具有很强的逻辑表达能力和复杂算法实现能力，适合熟悉高级编程语言的人员，常用于需要实现复杂数学运算、复杂控制算法的场合，如运动控制中的轨迹规划、复杂的过程优化控制等。解析：不同的PLC编程语言适用于不同的应用场景，使用者可根据实际需求和自身编程能力选择合适的编程语言，以高效地实现控制系统的设计。（四）分析题答案及解析1.首先将二阶系统传递函数\(G(s)=\frac{4}{s^{2}+2s+4}\)化为标准形式：令\(ω_n^2=4\)，则\(ω_n=2\)；\(2ζω_n=2\)，可得\(ζ=0.5\)。2.稳定性分析：对于二阶系统，当\(ζ>0\)时系统稳定。这里\(ζ=0.5>0\)，所以该系统是稳定的。3.动态性能指标计算：上升时间\(t_r\)：\(t_r=\frac{πβ}{ω_d}\)，其中\(ω_d=ω_n\sqrt{1ζ^2}\)，\(β=arctan\frac{\sqrt{1ζ^2}}{ζ}\)。先计算\(ω_d=2\sqrt{10.5^2}=\sqrt{3}\)，\(β=arctan\frac{\sqrt{10.5^2}}{0.5}=arctan\sqrt{3}=\frac{π}{3}\)。则\(t_r=\frac{π\frac{π}{3}}{\sqrt{3}}=\frac{2π}{3\sqrt{3}}\approx1.2s\)。峰值时间\(t_p\)：\(t_p=\frac{π}{ω_d}=\frac{π}{\sqrt{3}}\approx1.8s\)。调节时间\(t_s\)：对于\(ζ=0.5\)的二阶系统，取\(\Delta=0.05\)时，\(t_s\approx\frac{3}{ζω_n}=\frac{3}{0.5×2}=3s\)。超调量\(σ\%\)：\(σ\%=e^{\frac{ζπ}{\sqrt{1ζ^2}}}×100\%=e^{\frac{0.5π}{\sqrt{10.5^2}}}×100\%\approx16.3\%\)。解析：通过将传递函数化为标准形式，利用二阶系统动态性能指标的计算公式，可得出系统的稳定性及各项动态性能指标。这些指标反映了系统在响应输入信号时的特性，对于评估系统的性能和设计控制系统具有重要意义。（五）设计题答案及解析1.主电路设计：三相电源\(L1\)、\(L2\)、\(L3\)分别接入熔断器\(FU1\)、\(FU2\)、\(FU3\)，然后接入接触器\(KM1\)和\(KM2\)的主触头。电动机的三根相线分别接在\(KM1\)和\(KM2\)的主触头另一端，实现正反转控制。在主电路中接入热继电器\(FR\)的发热元件，用于过载保护。2.控制电路设计：启动按钮\(SB1\)、\(SB2\)并联后与接触器\(KM1\)的线圈串联，再与热继电器\(FR\)的常闭触头串联，构成正转控制支路。启动按钮\(SB3\)、\(SB4\)并联后与接触器\(KM2\)的线圈串联，再与热继电器\(FR\)的常闭触头串联，构成反转控制支路。接触器\(KM1\)的常闭辅助触头与\(KM2\)的线圈串联，\(KM2\)的常闭辅助触头与\(KM1\)的线圈串联，实现互锁功能，防止正反转接触器同时吸合造成短路。3.工作原理：正转：按下正转启动按钮\(SB1\)，接触器\(KM1\)线圈得电，主触头闭合，电动机正转；同时\(KM1\)的辅助常闭触头断开，实现互锁，防止\(KM2\)误动作。