2025电气工程师《自动化》真题解析

2025电气工程师《自动化》真题解析考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、1.已知某单位反馈系统的开环传递函数为G(s)=K/(s(s+1)(s+5))，试分析当K值增大时，系统稳定性将如何变化？简述原因。2.某二阶系统闭环传递函数为C(s)/R(s)=ωn²/(s²+2ζωns+ωn²)，其中ωn=10rad/s，ζ=0.2。试求该系统的阻尼比、无阻尼自然频率、阻尼自然频率，并计算其最大超调量Mp和调节时间ts（取σ=4%）。二、简述PLC输入/输出模块的选型需要考虑的主要因素，并说明不同类型输出模块（如继电器输出、晶体管输出）的特点及适用场景。三、在DCS系统中，什么是冗余设计？试列举至少三种DCS系统中常见的冗余配置，并简述其目的。四、某工业过程需要控制温度，采用PID控制器。现场反馈显示系统响应过慢，且存在明显振荡。试分析可能的原因，并提出相应的参数调整策略（可涉及参数整定方法或原则）。五、说明工业以太网在自动化系统中的优势。与传统的现场总线相比，工业以太网有哪些主要的技术特点？六、1.什么是传感器的不灵敏区？它对测量精度有何影响？2.在过程控制中，为什么常需要对流量信号进行平方根变换处理？请简述其原理和目的。七、试述伺服系统与普通电机驱动系统的主要区别。在选用伺服驱动器时，需要考虑哪些关键参数？八、设计一个简单的PLC控制程序，用于实现以下逻辑：当启动按钮按下后，电机先延时5秒启动，同时指示灯亮起；运行10分钟后，电机停止，指示灯熄灭。要求使用基本的PLC指令（如常开触点、常闭触点、定时器、线圈等）描述主要逻辑步骤。九、论述在自动化工程项目实施中，进行风险评估和故障诊断的重要性，并简述常用的风险评估方法或故障诊断思路。试卷答案一、1.系统稳定性会变差，甚至可能失去稳定。原因：随着K值增大，系统开环传递函数在s=0处的极点阶数增加，根据奈奎斯特稳定性判据或劳斯判据，临界闭合回路增益会提前达到不稳定区域，导致闭环系统特征方程可能出现正实部的根，系统失去稳定性。2.阻尼比ζ=0.2；无阻尼自然频率ωn=10rad/s；阻尼自然频率ωd=ωn*sqrt(1-ζ²)=10*sqrt(1-0.2²)≈9.625rad/s；最大超调量Mp=exp(-ζπ/sqrt(1-ζ²))*100%≈exp(-0.2π/sqrt(1-0.2²))*100%≈17%；调节时间ts≈4/(ζωn)=4/(0.2*10)=0.2s(对应σ=4%的经验公式)。二、PLC输入/输出模块选型需考虑：输入信号类型（数字量/模拟量，电压/电流）、信号电平、信号速率、接口类型、负载特性（输出类型）、容量（点数）、环境条件（温度、湿度、电磁干扰）、成本等。继电器输出：无源触点，适用交流负载或直流负载，开关容量较大，有机械动作和电气寿命限制，抗干扰能力一般。晶体管输出：有源输出，适用于直流负载，开关速度快，无机械动作，寿命长，抗干扰能力强，但开关容量通常较小。三、冗余设计是指在系统中关键环节使用两个或多个备份单元，当主单元发生故障时，备份单元能自动或手动切换接替其工作，以保证系统持续运行。常见的冗余配置有：电源冗余（双电源输入）、控制器冗余（主备控制器切换）、网络冗余（双网络冗余备份）、I/O冗余（冗余I/O卡或双通道I/O）、现场仪表/执行器冗余等。其目的是提高系统的可靠性、可用性和容错能力。四、系统响应过慢可能原因：PID参数（特别是积分时间Ti）设置过大、系统增益过低、存在较大纯滞后、受控对象惯性或容量大。存在明显振荡可能原因：比例增益K过大、微分时间Td设置不当（过大或过小）、系统阻尼不足。参数调整策略：可先尝试减小比例增益K或积分时间Ti，观察系统响应；若响应仍慢，再适当调整；为改善振荡，可适当增大积分时间Ti或减小微分时间Td，并配合比例带整定；也可考虑采用先比例后积分再微分的整定方法（如Ziegler-Nichols方法或临界比例度法）。五、工业以太网优势：传输速率高、带宽宽、传输距离远、遵循通用标准（IEEE802.3）、易于实现与IT网络的集成、成本相对较低、组网灵活方便。主要技术特点：基于以太网协议（TCP/IP或EtherNet/IP等），支持多种网络拓扑结构，传输介质多样（双绞线、光纤），通常支持实时以太网协议（如EtherCAT、Profinet、ModbusTCP）以满足运动控制等实时性要求，具备网络管理和安全功能。六、1.传感器的不灵敏区（死区）是指传感器在输入量变化范围内，其输出量保持不变或变化很小的一个区域。它会导致测量结果在某个小范围内不准确，降低了测量的灵敏度和精度，尤其是在测量值接近设定点或变化较小时的影响更为显著。2.流量信号通常与管道截面积和流体速度的平方成正比（Q∝A*v²）。为了消除管道截面积A变化的影响，使流量测量值更直接反映流速变化，需要对平方关系进行逆运算，即进行平方根变换处理。通过变换，输出的信号能更准确地反映实际流量的大小，提高控制精度。七、伺服系统与普通电机驱动系统的主要区别在于：伺服系统是闭环控制系统，包含驱动器、电机和位置/速度传感器，能精确控制电机的位置、速度或力矩；响应速度快，控制精度高；通常采用直流伺服或交流伺服电机。普通电机驱动系统多为开环或简单的闭环（如仅电流环），主要实现对电机的启动、停止、速度粗略控制等，控制精度和响应速度相对较低。选用伺服驱动器时需考虑：最大输出电流和电压、控制模式（位置、速度、转矩）、响应时间、分辨率、通讯接口类型、防护等级、尺寸和安装方式、成本等。八、//以下为伪梯形图逻辑描述或指令序列示意，具体实现取决于PLC编程语言//假设：启动按钮SB1->输入点I0.0；停止按钮SB2->输入点I0.1；电机线圈M1->输出点Q0.0；指示灯HL->输出点Q0.1；定时器T0。//启动逻辑：I0.0上升沿->启动内部继电器MR1。//延时启动逻辑：MR1闭合->启动定时器T0（设定时间5秒）。//T0完成逻辑：T0闭合->启动内部继电器MR2。//运行逻辑：MR2闭合且I0.1断开->Q0.0闭合（电机启动）,Q0.1闭合（指示灯亮）。//停止逻辑：I0.1闭合->Q0.0断开（电机停止）,Q0.1断开（指示灯熄灭）。//综合逻辑：//Q0.0=(MR1ANDNOTT0)OR(MR2ANDNOTI0.1)//Q0.1=(MR1ANDNOTT0)OR(MR2ANDNOTI0.1)//T0:Timer,ONTime=5s//MR1,MR2:InternalRelays九、自动化工程项目实施中进行风险评估和故障诊断非常重要。风险评估有助于在项目前期识别潜在的危险源和不利因素（如技术风险、管理风险、安全风险、进度风险、成本风险等），分析其发生的可能性和影响程度，从而制定相应的预防和应对措施，降低项目失败或产生损失的可能性，保障人员安全和财产不受损害。故障诊断是在系统运行中或出现异常时，通过分析现象、收集数据