2025年大学《应用气象学》专业题库- 自动控制专业气象工程学

2025年大学《应用气象学》专业题库——自动控制专业气象工程学考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.在气象自动观测中，测量气温的传感器通常使用哪种物理效应？A.电阻变化B.光谱吸收C.压力变化D.磁场变化2.对于一阶线性系统，其传递函数为G(s)=K/(Ts+1)，要使其单位阶跃响应无超调，应满足的条件是：A.T<1B.T>2KC.T<2KD.K<1/T3.在设计气象监测网络时，考虑系统的冗余度主要是为了提高：A.系统的响应速度B.系统的测量精度C.系统的可靠性和抗干扰能力D.系统的性价比4.数字控制系统中，将连续时间信号转换为离散时间信号的过程称为：A.滤波B.采样C.保持D.量化5.某气象元素的测量值受到随机噪声干扰，采用下列哪种方法可以有效降低噪声的影响？A.提高传感器灵敏度B.增大测量范围C.数据平均滤波D.改变测量频率6.在使用PID控制器调节气象仪器时，增大比例系数K的主要作用是：A.提高系统的稳态误差B.加快系统的响应速度C.减小系统的超调量D.提高系统的抗干扰能力7.用于描述系统内部状态及其与输入输出关系的数学模型是：A.传递函数B.状态空间方程C.频率响应曲线D.极点分布图8.在气象预报模型中，Kalman滤波器常用于：A.提高模型预测的长期性B.估计模型内部不可测状态C.增强模型对初始条件的敏感性D.简化模型的数学结构9.人工影响天气（如增雨）过程中，控制系统需要精确控制：A.云滴的初始大小B.大气温度的垂直分布C.卫星云图的传输路径D.播撒催化剂的投放时机与剂量10.对于一个稳定的线性定常系统，其传递函数的所有极点应位于：A.s平面右半平面B.s平面虚轴上C.s平面左半平面D.s平面原点二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题中的横线上）1.气象自动观测系统中，传感器标定的目的是确保测量数据的________和________。2.控制系统的传递函数是在________假设下定义的。3.二阶系统的阻尼比ζ决定了系统的________特性。4.在气象数据处理中，傅里叶变换主要用于分析信号的________特征。5.数字控制系统中，采样周期T的选择需满足________条件，以保证系统稳定。6.PID控制器中的积分项I的主要作用是消除系统的________误差。7.气象监测网络的数据传输常采用________技术以提高抗干扰能力。8.状态观测器的目的是估计系统中那些无法直接测量的________。9.评估气象控制系统性能的常用指标有超调量、上升时间和________。10.人工增雨中，云seeding的原理通常是基于改变云中________的性质，以促进降水过程。三、判断题（每小题2分，共10分。请将“正确”或“错误”填在题后的括号内）1.系统的传递函数完全取决于系统的结构和参数，与输入信号的形式无关。（）2.系统的稳态误差是指系统响应进入稳定状态后的偏差。（）3.并联系统是指多个子系统同时工作，其输出等于各子系统输出的代数和。（）4.在气象工程中，所有控制系统的设计目标都是追求最快的响应速度。（）5.频率响应分析可以揭示系统在不同频率正弦信号输入下的稳态响应特性。（）四、简答题（每小题5分，共15分）1.简述自动控制系统中，稳定性、快速性和准确性这三个性能指标的含义及它们之间的矛盾关系。2.解释什么是系统的鲁棒性，并举例说明在气象工程系统中提高鲁棒性的重要性。3.比较数字控制系统与模拟控制系统的主要区别及其在气象观测中的应用优势。五、计算题（每小题8分，共16分）1.已知一个温度控制系统的传递函数为G(s)=10/(s+1)。当系统在单位阶跃信号作用下，求其稳态误差（ess）。2.某气象变量测量系统采用一阶滤波器进行噪声处理，其传递函数为G(s)=1/(0.1s+1)。若该系统受到幅值为1的阶跃干扰，求其输出响应的稳态值（即超调后最终稳定在哪个值）。六、综合应用题（共19分）某城市气象部门计划建立一个小型自动气象站，用于监测温度和风速。系统选用温度传感器和风速传感器分别进行测量，数据通过无线方式传输至中心处理单元。已知温度控制部分的传递函数近似为G_T(s)=1/(s+0.5)，风速控制部分的传递函数近似为G_V(s)=2/(s+1)。中心处理单元需要设计一个简单的控制器来确保温度和风速的测量值能快速、稳定地跟踪预设值，并要求系统具有一定的抗干扰能力。（1）若采用比例控制器（P控制），请写出温度和风速控制回路的传递函数，并确定比例系数K的取值范围，使得闭环系统稳定。（提示：考虑闭环传递函数的极点位置）。（2）简述仅使用比例控制器（P控制）可能存在的局限性，并提出一种改进的控制策略。（3）从自动控制理论的角度，分析在设计该气象站控制系统时还需要考虑哪些其他因素（至少列举三项）。试卷答案一、选择题1.A2.C3.C4.B5.C6.B7.B8.B9.D10.C二、填空题1.准确性；一致性2.零初始条件3.振荡4.频率5.巴特沃斯6.稳态7.差分8.状态变量9.稳态误差10.微粒（或冰晶）三、判断题1.正确2.正确3.正确4.错误5.正确四、简答题1.稳定性：指系统在受到扰动后，能够恢复到原平衡状态的能力。快速性：指系统响应达到稳定值的速度，通常用上升时间或调节时间衡量。准确性：指系统稳态响应值与期望值的接近程度，通常用稳态误差衡量。这三者之间往往存在矛盾，例如，提高快速性可能增加超调，牺牲稳定性；提高稳定性可能使响应变慢，影响快速性；追求高准确性可能需要更复杂的控制策略，甚至影响稳定性和快速性。在系统设计中需要在三者之间进行权衡。2.鲁棒性是指控制系统在一定工作范围内，受到参数变化、外部扰动等因素影响时，仍能保持其正常工作性能（如稳定性、性能指标）的能力。在气象工程中，气象条件本身具有不确定性（如风速变化、降水强度波动），传感器和执行器也可能存在老化或参数漂移。具有鲁棒性的控制系统可以更好地适应这些变化，保证气象观测、预报或人工影响天气等任务的稳定可靠执行。例如，设计对温度变化不敏感的温控系统。3.主要区别在于信号形式：模拟控制系统处理连续时间信号，而数字控制系统处理离散时间信号。数字控制系统通过采样将连续信号转换为离散信号，再进行数字运算和控制，最后通过保持器或D/A转换恢复为连续信号。应用优势：数字系统易于实现复杂的控制算法（如PID变种、自适应控制、模糊控制等），便于通过计算机实现和编程，便于进行系统建模、仿真和在线参数整定，便于实现多变量控制和网络化通信。五、计算题1.系统为Type0系统（积分环节缺失），其稳态误差ess与输入信号形式有关。对于单位阶跃输入r(t)=1，稳态误差计算公式为ess=1/(1+Kp)，其中Kp是位置误差常数，Kp=lim(s->0)G(s)=lim(s->0)(10/(s+1))=10。因此，ess=1/(1+10)=1/11。2.系统受到阶跃干扰，可视为在输入端叠加了一个单位阶跃信号。求稳态值即求系统的直流增益。直流增益G_0=lim(s->0)G(s)=lim(s->0)(1/(0.1s+1))=1/1=1。因此，输出响应的稳态值为1。六、综合应用题（1）采用比例控制器（P控制），控制器传递函数为Kp。温度回路的闭环传递函数为G_Tcl(s)=Kp*G_T(s)/(1+Kp*G_T(s))=Kp*(1/(s+0.5))/(1+Kp*(1/(s+0.5)))=Kp/((s+0.5)+Kp)。风速回路的闭环传递函数类似，为G_Vcl(s)=2*Kp/((s+1)+2*Kp)。闭环系统稳定要求闭环传递函数的所有极点均位于s平面左半平面。对于温度回路，极点为-0.5-Kp。为使系统稳定，需-0.5-Kp<0，即Kp>-0.5。对于风速回路，极点为-1-2*Kp。为使系统稳定，需-1-2*Kp<0，即Kp>-0.5。因此，为保证两个回路均稳定，比例系数Kp的取值范围应为Kp>0.5。（2）仅使用比例控制器（P控制）的局限性在于：无法消除稳态误差（除非输入信号是阶跃信号且Kp选择得当），对干扰信号无抑制能力，系统响应可能存在较大超调或振荡。改进的控制策略可以采用比例-积分（PI）控制器，积分项可以消除稳态误差；或者比例-微分（PD）控制器，微