2025年高性能制造《自动化控制系统设计》冲刺押题

2025年高性能制造《自动化控制系统设计》冲刺押题考试时间：______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.在高性能制造过程中，对控制系统的快速响应和精度要求极高，这主要体现了控制系统设计的（）。A.稳定性优先原则B.经济性优先原则C.精度和速度优先原则D.可靠性优先原则2.对于需要精确控制温度变化的化学过程，选用热电偶作为温度传感器时，其主要优势在于（）。A.测量范围极宽B.结构简单、成本低、响应速度快C.抗干扰能力强D.自身产生电能，无需外部供电3.在自动化控制系统中，执行机构的响应速度和精度直接影响到最终的控制效果。对于要求高精度、快速定位的场合，通常优先选用（）。A.液压伺服阀B.步进电机C.直流伺服电机D.交流伺服电机4.工业现场中，为了实现不同控制器、传感器、执行器之间的数据交换，经常需要使用通信协议。以下哪种通信协议以其高实时性和高带宽而广泛应用于需要高速数据传输的场合？（）A.ModbusRTUB.ProfibusDPC.EtherCATD.CANopen5.在经典控制理论中，通过根轨迹法分析系统参数变化对闭环系统稳定性的影响时，通常关注根轨迹与（）的交点。A.s平面虚轴B.s平面实轴C.单位圆D.阻尼比线6.在状态空间分析法中，系统的可控性是指（）。A.系统能够达到任意有界输入下的输出响应B.系统的状态能够通过输入的控制量进行任意控制C.系统能够在有限时间内使状态转移到任意期望值D.系统能够抵抗外部干扰保持稳定7.对于高性能制造中的伺服控制系统，提高系统带宽的主要目的是（）。A.增大系统的稳态误差B.减小系统的超调量C.提高系统抑制噪声的能力D.提高系统在单位阶跃输入下的上升时间和响应速度8.在设计分布式控制系统（DCS）时，采用冗余设计的核心目的是（）。A.提高系统的处理速度B.降低系统的成本C.提高系统的可靠性和可用性D.增加系统的灵活性9.在高性能制造过程中，对控制信号进行滤波的主要目的是（）。A.提高信号的传输速率B.滤除噪声干扰，保证信号质量C.增加信号的幅值D.延迟信号的传输时间10.以下哪种控制策略能够使系统在存在参数不确定性或外部干扰的情况下，仍能保持良好的性能和稳定性？（）A.比例控制（P）B.比例-积分控制（PI）C.比例-积分-微分控制（PID）D.鲁棒控制二、填空题（每小题2分，共20分。请将答案填在题后的横线上）1.自动化控制系统的基本组成通常包括______、比较环节、______、执行环节和被控对象。2.在高速运动控制系统中，常用______来测量旋转电机的转速，并通过反馈信号实现速度闭环控制。3.传递函数是描述线性时不变系统输入输出关系的数学工具，它在______坐标系中定义。4.为了抑制高频噪声对控制系统信号传输的影响，常在传感器输出端或控制器输入端加装______。5.在PLC编程中，______是一种常用的编程语言，它直观地表示了继电器逻辑关系。6.提高控制系统性能指标（如快速性、准确性）和降低成本、增强可靠性是自动化控制系统设计的两个主要目标。7.状态空间法的优点在于可以方便地分析多输入多输出（MIMO）系统和系统的______、______。8.工业以太网在自动化控制系统中的应用越来越广泛，其主要优势在于______和______。9.当控制系统存在稳态误差时，说明系统的输入输出响应未能完全跟踪期望值，这通常需要加入______控制环节来消除。10.在进行自动化控制系统设计时，必须考虑系统在实际工业环境中的______和______。三、简答题（每小题5分，共15分）1.简述在自动化控制系统中，传感器选择需要考虑的主要因素。2.简述PID控制中，比例（P）、积分（I）、微分（D）三项作用各自的主要功能。3.简述什么是实时操作系统（RTOS），并说明其在高性能制造自动化控制系统中的重要性。四、计算题（每小题10分，共20分）1.已知某单位负反馈控制系统的开环传递函数为G(s)=K/(s(s+2)(s+5))。试求：(1)当K=10时，系统的闭环特征方程；(2)当K=10时，判断系统是否稳定；(3)若要求系统在单位阶跃输入下的超调量σ_p≤10%，试估算K的取值范围（提示：可利用二阶系统近似公式）。2.某温度控制系统，被控对象（温度）的传递函数近似为T(s)=1/(s+1)，选用比例控制器，其传递函数为C(s)=K_p。系统采用闭环负反馈控制。试求：(1)系统的闭环传递函数；(2)若要求系统的输出响应无稳态误差，K_p应取何值？(3)若K_p=10，计算系统在单位阶跃输入下的稳态误差。五、分析与应用题（共25分）某高性能制造场景涉及一个精密加工工作台，要求工作台在X-Y平面内快速移动到指定位置，并保持位置精度。系统选用交流伺服电机驱动，配合高精度编码器进行位置反馈，采用基于PLC的控制系统进行控制。请就以下方面进行分析和论述（不必给出具体设计细节，重在分析思路和原理）：1.（5分）为实现高精度位置控制，从传感器角度，应考虑哪些因素？2.（5分）从驱动角度，选用交流伺服电机相比其他执行机构（如步进电机、液压马达）有何优势？在控制策略上应注意什么？3.（5分）简述在该系统中，PLC可能扮演的角色以及需要处理的关键任务。4.（10分）分析影响该精密加工工作台定位精度的主要因素有哪些？为了提高定位精度，可以从控制系统设计、传感器、执行器或外部环境等方面提出哪些改进措施或考虑？试卷答案一、选择题1.C2.B3.D4.C5.A6.B7.D8.C9.B10.D二、填空题1.检测环节控制环节2.编码器3.复频域（或s）4.滤波器5.梯形图6.性能7.可控性可观测性8.实时性可扩展性9.积分10.可靠性实时性三、简答题1.传感器选择需考虑：测量精度和分辨率、量程范围、响应速度、线性度、灵敏度、稳定性、抗干扰能力、环境适应性（温度、湿度、振动等）、成本、安装方便性以及与后续信号处理单元的兼容性等。2.比例（P）控制：根据当前误差大小进行控制，误差越大，控制作用越强，能快速响应误差，但可能产生稳态误差。积分（I）控制：根据误差累积进行控制，能消除稳态误差，但响应速度较慢，且可能增加系统超调。微分（D）控制：根据误差变化率进行控制，能预见误差趋势，加快响应速度，抑制超调，提高稳定性，但易受噪声干扰。3.实时操作系统（RTOS）是专门为实时应用设计的操作系统，能够保证在确定的时间内完成对事件的响应和处理。在高性能制造自动化控制系统中，RTOS的重要性体现在：能够满足高速、实时控制任务的需求，保证控制指令的及时执行；支持多任务处理，协调管理不同的控制任务和设备；提供可靠的任务调度和资源管理机制，确保系统的稳定运行。四、计算题1.(1)闭环特征方程为：s(s+2)(s+5)+10=0，即s^3+7s^2+10s+10=0。(2)判定稳定性：根据劳斯判据，劳斯表第一列元素为1,7,10。第一列元素无符号改变，系统闭环稳定。(3)近似为二阶系统，系统特征方程可写成s^2+2ζω_ns+ω_n^2=0，其中σ_p=exp(-ζπ/√(1-ζ^2))≤0.1。解得ζ≥0.6。原系统ω_n^2=10，2ζω_n=7，解得ω_n≈3.5。代入ζ≥0.6，得K=2ζω_nω_n^2≈2*0.6*3.5*3.5≈14.7。为保证σ_p≤10%，K应取值范围为K≤14.7。2.(1)闭环传递函数为Y(s)/R(s)=C(s)/(1+C(s)T(s))=K_p/(1+K_p/(s+1))=K_p(s+1)/(s+1+K_p)。(2)要求无稳态误差，即系统应为I型或更高型次系统。被控对象T(s)=1/(s+1)是0型系统。为使其成为I型系统，需要增加一个积分环节，即闭环传递函数分母中包含s。当K_p=1时，分母为s+1+K_p=s+2，包含s，系统为I型，可消除位置误差。(3)若K_p=10，闭环传递函数为Y(s)/R(s)=10(s+1)/(s+11)。稳态误差e_ss=lim(s->0)sE(s)=lim(s->0)s[R(s)-Y(s)]=lim(s->0)s[sR(s)-K_p(s+1)R(s)/(s+11)]=lim(s->0)s[1-10(s+1)/(s+11)]/s=lim(s->0)(s+11-10s-10)/(s+11)=1。五、分析与应用题1.为实现高精度位置控制，传感器选择需考虑：高分辨率（能够检测微小位置变化）、高精度（测量误差小）、快速的响应能力（能及时反映位置变化）、良好的重复性（多次测量结果一致性好）、抗干扰能力强（能抵抗机械振动、电磁干扰等）、与工作台移动速度和加速度相适应的带宽、合适的安装方式以及与控制系统接口的匹配等。2.交流伺服电机相比步进电机，优势在于：无需励磁电流，运行效率高，功耗低；动态响应快，控制精度高，适用于高速、高精度的场合；低速运行平稳，无步进电机的共振问题；过载能力强，可靠性高；体积小、重量轻。控制策略上应注意：采用高精度的位置、速度和力矩控制环；进行精确的电机参数辨识和模型补偿（如电机参数变化、摩擦力影响等）；采用先进的控制算法（如自适应控制、前馈控制等）以提高系统的动态性能和精度。3.在该系统中，PLC可能扮演的角色：作为整个自动化系统的核心控制器，负责接收操作指令，处理来自传感器（如编码器、限位开关等）的信号，根据预设程序或控制算法输出控制信号给伺服驱动器或其他执行机构，实现工作台的精确运动控制；进行设备状态监控和故障诊断，显示运行信息；与其他系统（如上层管理系统、HMI）进行通信，实现数据交换和协同工作；处理安全逻辑，确保操作安全。4.影响精密加工工作台定位精度的主要因素：传感器精度和安装误差、执行器（伺服电机）的分辨率、惯量和响应特性、传动机构的误差（如齿轮间隙、丝杠螺距累积误差）、机械结构的刚性、热变形、环境因素（如温度、振动、电磁干扰）以及控制