2025年大学《系统科学与工程》专业题库- 系统科学与工程的机器人控制

2025年大学《系统科学与工程》专业题库——系统科学与工程的机器人控制考试时间：______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.在机器人运动学逆运动学求解中，当给定末端执行器的位姿，可能存在（）个解。A.0个B.1个C.多于1个D.无法确定2.下列哪一项不属于机器人动力学研究的主要内容？A.机器人运动学逆问题B.机器人运动与受力关系C.机器人能量消耗D.机器人轨迹规划3.在经典控制理论中，用于分析系统稳定性的主要工具是（）。A.状态空间方程B.传递函数C.频率响应D.系统辨识4.比较简单的反馈控制器是（）。A.状态反馈控制器B.比例-积分-微分（PID）控制器C.神经网络控制器D.线性二次调节器（LQR）5.能够同时测量关节角速度和力矩的传感器是（）。A.位置传感器B.速度传感器C.力矩传感器D.运动学传感器6.机器人控制中，点到点控制（PTP）主要关注的是（）。A.末端执行器轨迹的平滑性B.末端执行器从一点到另一点的速度C.末端执行器到达目标位置的姿态D.控制系统的鲁棒性7.在多机器人系统中，机器人之间协调工作的基础是（）。A.单一中央控制器B.分布式协调机制C.高性能计算平台D.标准化的通信协议8.系统辨识的目的是（）。A.设计控制器B.估计系统的未知参数C.规划机器人路径D.选择合适的传感器9.评价一个机器人控制系统性能时，通常考虑的指标不包括（）。A.响应时间B.定位精度C.控制算法的复杂度D.系统的稳定性10.从系统科学角度看，机器人控制系统是一个（）。A.线性系统B.开放复杂系统C.封闭简单系统D.静态系统二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.机器人运动学主要研究机器人的______关系，而不考虑其运动过程中的力学因素。2.机器人动力学方程描述了机器人各关节______与______之间的关系。3.在PID控制器中，P代表______控制，I代表______控制，D代表______控制。4.机器人控制中的传感器主要分为______传感器和______传感器两大类。5.机器人轨迹跟踪控制的目标是使机器人末端执行器的实际轨迹______期望轨迹。6.系统建模是系统工程的第一步，常用的系统建模方法包括______模型、______模型和______模型。7.提高机器人控制系统鲁棒性的一个重要途径是______。8.在状态空间表示法中，系统的动态特性由______矩阵和______矩阵描述。9.模糊控制是一种模拟人类模糊思维的______控制方法。10.机器人控制系统的实时性要求指的是系统必须______地响应外部事件或指令。三、简答题（每题5分，共25分）1.简述机器人正向运动学和逆向运动学的区别与联系。2.简述PID控制器中比例、积分、微分项各自的作用。3.简述机器人在使用中可能遇到的主要干扰来源及其对控制的影响。4.简述系统建模在机器人控制系统设计中的意义。5.简述机器人控制系统设计时需要考虑的主要性能指标。四、计算题（每题10分，共20分）1.已知一个二自由度平面机器人，其正向运动学方程为：x=l1*cos(q1)+l2*cos(q1+q2),y=l1*sin(q1)+l2*sin(q1+q2)。其中，l1=1m,l2=0.5m。当末端执行器位于坐标(x,y)=(1.5,1)时，求可能的关节角度q1和q2值。2.设一个单输入单输出系统的传递函数为G(s)=10/(s+2)(s+3)。试求该系统的阻尼比和无阻尼自然频率，并判断该系统的稳定性。五、分析题（每题12.5分，共25分）1.分析将自适应控制方法应用于机器人控制中的必要性和优势。2.结合系统工程的思维方法，论述在开发一个复杂的机器人控制系统时，需要进行哪些主要的系统分析与设计活动。试卷答案一、选择题1.C2.A3.B4.B5.C6.C7.B8.B9.C10.B二、填空题1.位姿2.规律，驱动力矩3.比例，积分，微分4.位置，力（或速度）5.重合（或一致）6.物理实体，数学，仿真7.增加系统冗余度（或采用鲁棒控制策略）8.状态传递，输出9.模糊10.及时（或快速）三、简答题1.解析思路：正向运动学是根据给定的关节角度，计算机器人末端执行器的位姿（位置和姿态）。逆向运动学则是根据期望的末端执行器位姿，反解出所需的关节角度。两者互为逆运算，正向运动学是已知输入求输出，逆向运动学是已知输出求输入。它们都是机器人运动学分析的基础。2.解析思路：比例项（P）根据当前误差大小产生控制作用，误差大则控制作用强，用于提供快速响应。积分项（I）根据误差累积产生控制作用，用于消除稳态误差。微分项（D）根据误差变化率产生控制作用，用于预测未来误差，提高系统阻尼，减少超调和振荡。3.解析思路：主要干扰来源包括：环境变化（如地面不平、障碍物）、负载变化（如抓取物体重量不同）、摩擦力变化、传感器噪声或漂移、通信延迟等。这些干扰会使机器人实际运动偏离期望轨迹，影响控制精度和稳定性。4.解析思路：系统建模是将实际机器人控制系统抽象化为数学模型的过程。其意义在于：1）简化复杂系统，便于分析和理解；2）提供理论基础，用于设计控制器；3）支持仿真实验，验证控制策略有效性；4）为系统辨识和参数整定提供框架。5.解析思路：主要性能指标包括：定位精度（重复定位精度、绝对定位精度）、轨迹跟踪精度、响应速度（上升时间、调节时间）、稳定性（无振荡、有界）、鲁棒性（抗干扰能力）、实时性（满足控制周期要求）、能耗等。四、计算题1.解析思路：将末端执行器坐标(x,y)代入正向运动学方程，得到关于q1和q2的方程组。解此方程组即可得到可能的关节角度解。注意检查解的个数和物理可行性（关节角度范围）。解：将x=1.5,y=1代入：1.5=l1*cos(q1)+l2*cos(q1+q2)1=l1*sin(q1)+l2*sin(q1+q2)代入l1=1,l2=0.5：1.5=cos(q1)+0.5*cos(q1+q2)1=sin(q1)+0.5*sin(q1+q2)令q1+q2=theta，则cos(theta)=cos(q1+q2),sin(theta)=sin(q1+q2)方程变为：1.5=cos(q1)+0.5*cos(theta)1=sin(q1)+0.5*sin(theta)两式平方相加：1.5^2+1^2=(cos(q1)+0.5*cos(theta))^2+(sin(q1)+0.5*sin(theta))^23.25=cos^2(q1)+0.25*cos^2(theta)+2*cos(q1)*0.5*cos(theta)+sin^2(q1)+0.25*sin^2(theta)+2*sin(q1)*0.5*sin(theta)3.25=1+0.25+2*cos(q1)*0.5*cos(theta)+2*sin(q1)*0.5*sin(theta)3.25=1.25+cos(q1-theta)cos(q1-theta)=2.0此处cos(q1-theta)=2.0无解，说明在l1=1,l2=0.5,x=1.5,y=1这个条件下，不存在满足条件的q1和q2角度解。或者，如果题目允许角度超出常规范围，可能需要考虑其他角度解。2.解析思路：将传递函数G(s)=10/(s+2)(s+3)与二阶标准形式G(s)=K/(s^2+2ζωns+ωn^2)进行比较。可以通过特征方程的根（极点）来确定ζ和ωn。极点为s=-2和s=-3。根据极点形式，-2ζωn=-5,ωn^2=6。解得ωn=√6,ζ=5/(2√6)。稳定性判断：由于所有极点s均为负实数，系统稳定。或者通过劳斯判据判断，所有项系数为正，劳斯表第一列无负数，系统稳定。五、分析题1.解析思路：必要性：机器人所处环境复杂多变，负载可能不确定，模型参数可能随时间漂移，这些不确定性会干扰传统固定参数控制器的效果。自适应控制能够在线监测系统变化，自动调整控制器参数，以适应环境变化和模型不确定性。优势：提高控制精度和鲁棒性，拓宽系统工作范围，延长系统有效运行时间，减少对精确模型的需求。2.解析思路：开发复杂机器人控制系统需进行以下系统分析与设计活动：*需求分析：明确系统目标（任务）、性能指标（精度、速度、鲁棒性等）、约束条件。*系统建模：建立机器人本体、环境、传感器、执行器的数学模型，包括运动学、动力学、控制模型。*架构设计：设计系统总体结构，包括硬件（传感器、控制器、执行器选型与布局）、软件（控制算法、通信协议、人机界面）以及它们之间的接口。*控制策略设计：根据系统模型和性能要求，选择或设计合适的控制算法（如PID、自适应、学习控制等），并进行参数整定。*