2025年大学本科三年级（自动化）自动控制系统综合试题及答案

2025年大学本科三年级（自动化）自动控制系统综合试题及答案

（考试时间：90分钟满分100分）班级______姓名______第I卷（选择题共30分）（总共10题，每题3分，每题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的，请将正确选项填在括号内）w1.自动控制系统中，反馈控制的本质是（）A.基于偏差进行控制B.对给定值的跟踪C.对干扰的抑制D.对系统参数的调整答案：Aw2.以下哪种控制方式不属于闭环控制（）A.比例控制B.积分控制C.微分控制D.开环控制答案：Dw3.自动控制系统的性能指标中，反映系统快速性的是（）A.稳态误差B.超调量C.调整时间D.峰值时间答案：Cw4.传递函数的定义是在（）条件下，系统输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。A.零初始条件B.非零初始条件C.任意初始条件D.稳态条件答案：Aw5.二阶系统的阻尼比ζ=0时，系统处于（）A.欠阻尼状态B.过阻尼状态C.临界阻尼状态D.无阻尼状态答案：Dw6.系统的开环传递函数为G(s)H(s)，其闭环特征方程为（）A.1+G(s)H(s)=0B.G(s)H(s)=0C.1-G(s)H(s)=0D.G(s)+H(s)=0答案：Aw7.对于单位反馈系统，其开环传递函数为G(s)，则闭环传递函数为（）A.G(s)/(1+G(s))B.1/(1+G(s))C.G(s)D.1/G(s)答案：Aw8.控制系统中，能改善系统稳态性能的是（）A.比例控制B.积分控制C.微分控制D.比例微分控制答案：Bw9.线性定常系统的传递函数取决于（）A.系统的结构和参数B.输入信号C.输出信号D.初始条件答案：Aw10.系统的频率特性是（）A.系统对不同频率正弦输入的稳态响应B.系统对不同频率余弦输入的稳态响应C.系统对不同频率阶跃输入的稳态响应D.系统对不同频率脉冲输入的稳态响应答案：A第II卷（非选择题共70分）w11.（10分）简述自动控制系统的基本组成部分及其作用。自动控制系统主要由控制器、被控对象、测量元件、执行元件等组成。控制器根据测量元件检测到的被控量与给定值的偏差，按照一定的控制规律产生控制信号。被控对象是被控制的设备或过程。测量元件用于检测被控量的实际值。执行元件则根据控制器的输出信号，对被控对象施加控制作用，以实现对被控量的控制。w12.（15分）已知系统的开环传递函数G(s)H(s)=10/(s(s+1)(s+2))，试求系统的闭环传递函数，并分析系统的稳定性。闭环传递函数为：\[\frac{G(s)}{1+G(s)H(s)}=\frac{\frac{10}{s(s+1)(s+2)}}{1+\frac{10}{s(s+1)(s+2)}}=\frac{10}{s(s+1)(s+2)+10}\]闭环特征方程为：\[s(s+1)(s+2)+10=s^3+3s^2+2s+10=0\]利用劳斯判据：\[\begin{array}{ccc}s^3&1&2\\s^2&3&10\\s^&\frac{3\times2-10}{3}=-\frac{4}{3}&0\\s^0&10&0\end{array}\]第一列出现负数，所以系统不稳定。w13.（15分）材料：某控制系统的输出响应曲线呈现出衰减振荡的形式。问题：请分析该系统的阻尼比情况，并说明阻尼比与系统性能的关系。该系统呈现衰减振荡，说明系统处于欠阻尼状态，其阻尼比ζ小于1。阻尼比与系统性能密切相关。当ζ较小时，系统响应速度快，但超调量大；随着ζ增大，超调量逐渐减小，系统稳定性增强，但响应速度变慢；当ζ=1时，系统处于临界阻尼状态，响应速度较快且无超调；当ζ>1时，系统处于过阻尼状态，响应速度慢，过渡过程时间长。w14.（15分）材料：某单位反馈控制系统的开环传递函数为G(s)=K/(s(0.1s+1))。问题：当K增大时，系统的稳定性和稳态性能分别会发生怎样的变化？开环传递函数G(s)=K/(s(0.1s+1))，闭环特征方程为1+G(s)=0，即0.1s^2+s+K=0。当K增大时，根据劳斯判据，系统的稳定性会变差，因为特征方程系数变化可能导致第一列出现负数。对于稳态性能，当输入为单位阶跃信号时，稳态误差ess=1/(1+Kp)，其中Kp为系统的位置误差系数，K增大，Kp增大，稳态误差减小，稳态性能变好。w15.（15分）材料：某二阶系统的传递函数为G(s)=ωn^2/(s^2+2ζωns+ωn^2)。问题：若要使系统的调整时间最短，应如何选择阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn？对于二阶系统，调整时间ts与阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn有关。在欠阻尼状态下，ts≈3/ζωn（经验公式）。要使调整时间最短，应增大ζωn的值。当ζ=0.707时，系统响应较为快速且平稳，在这种情况下，适当增大ωn可以进一步缩短调整时间。但ωn的增大也受到系统物理特性等限制，需综合考虑系统实际情况来合理选择ζ和ωn以达到最短调整时间的目的。答案：w1.Aw2.Dw3.Cw4.Aw5.Dw6.Aw7.Aw8.Bw9.Aw10.Aw11.自动控制系统主要由控制器、被控对象、测量元件、执行元件等组成。控制器根据测量元件检测到的被控量与给定值的偏差，按照一定的控制规律产生控制信号。被控对象是被控制的设备或过程。测量元件用于检测被控量的实际值。执行元件则根据控制器的输出信号，对被控对象施加控制作用，以实现对被控量的控制。w12.闭环传递函数为：\[\frac{G(s)}{1+G(s)H(s)}=\frac{\frac{10}{s(s+1)(s+2)}}{1+\frac{10}{s(s+1)(s+2)}}=\frac{10}{s(s+1)(s+2)+10}\]闭环特征方程为：\[s(s+1)(s+2)+10=s^3+3s^2+2s+10=0\]利用劳斯判据：\[\begin{array}{ccc}s^3&1&2\\s^2&3&10\\s^&\frac{3\times2-10}{3}=-\frac{4}{3}&０\\s^0&10&0\end{array}\]第一列出现负数，所以系统不稳定。w13.该系统呈现衰减振荡，说明系统处于欠阻尼状态，其阻尼比ζ小于1。阻尼比与系统性能密切相关。当ζ较小时，系统响应速度快，但超调量大；随着ζ增大，超调量逐渐减小，系统稳定性增强，但响应速度变慢；当ζ=1时，系统处于临界阻尼状态，响应速度较快且无超调；当ζ>１时，系统处于过阻尼状态，响应速度慢，过渡过程时间长。w14.开环传递函数G(s)=K/(s(0.1s+1))，闭环特征方程为1+G(s)=0，即0.1s^２+s+K=0。当K增大时，根据劳斯判据，系统的稳定性会变差，因为特征方程系数变化可能导致第一列出现负数。对于稳态性能，当输入为单位阶跃信号时，稳态误差ess=１/(1+Kp)，其中Kp为系统的位置误差系数，K增大，Kp增大，稳态误差减小，稳态性能变好。w15.对于二阶系统，调