2025年自动化与控制技术专业考试试题及答案

2025年自动化与控制技术专业考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在PID控制器中，积分时间Ti增大时，系统闭环阶跃响应的稳态误差将A.增大  B.减小  C.不变  D.先减小后增大答案：B2.某离散系统脉冲传递函数为G(z)=(0.5z+0.2)/(z²0.6z+0.05)，其采样周期T=0.1s，则该系统极点对应的连续时间自然频率约为A.1.2rad/s  B.3.5rad/s  C.5.8rad/s  D.8.1rad/s答案：C3.对于线性定常系统，能控性矩阵秩小于系统阶数n，则说明A.系统一定不稳定  B.系统一定不可观测  C.系统不能通过状态反馈任意配置极点  D.系统一定存在零极点对消答案：C4.在ModelPredictiveControl中，若预测时域P=10，控制时域M=3，则在线优化变量个数为A.3  B.10  C.13  D.30答案：A5.某伺服电机采用增量式光电编码器，线数为2500，四倍频后，电机每转脉冲数为A.2500  B.5000  C.7500  D.10000答案：D6.在IEEE802.11n无线网络用于工业控制时，下列机制对实时性改善最显著的是A.CSMA/CA  B.BlockACK  C.MIMO  D.DFS答案：B7.对于S71500PLC，若组织块OB1周期时间为8ms，而循环中断OB35周期为5ms，则CPU实际循环周期最接近A.3ms  B.5ms  C.8ms  D.13ms答案：B8.在根轨迹法中，若开环传递函数增加一个位于左半平面的实极点，则原根轨迹将A.向右半平面弯曲  B.向左半平面弯曲  C.渐近线角度不变  D.渐近线交点不变答案：A9.采用CANopen协议时，心跳报文的功能码（COBID）最高位为A.0  B.1  C.取决于节点ID  D.由主站动态分配答案：A10.在工业以太网EtherCAT中，从站数据帧处理采用“onthefly”方式，其主要目的是A.增加带宽  B.降低抖动  C.减少拓扑限制  D.提高线缆长度答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分，每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）11.关于状态观测器，下列说法正确的有A.观测器极点可任意配置的前提是原系统能观测B.观测器增益矩阵L越大，状态估计误差收敛越快C.观测器型反馈与直接状态反馈的传递函数一定相同D.降维观测器比全维观测器对噪声更敏感答案：A、B、D12.下列关于工业现场总线描述正确的有A.PROFINETIRT使用专用ASIC实现硬件时间戳B.DeviceNet物理层基于CANC.FoundationFieldbusH1采用IEC61158Type1标准D.CCLinkIE支持环网冗余答案：A、B、C、D13.在电机矢量控制中，下列量属于旋转坐标系(d,q)下的直流量A.励磁电流给定id  B.转矩电流给定iq  C.定子电压usα  D.转子磁链ψr答案：A、B、D14.关于Smith预估器，下列说法正确的有A.适用于大滞后对象  B.对模型误差敏感  C.可改善系统超调  D.属于反馈补偿答案：A、B、C15.在嵌入式PLCopen运动控制规范中，下列功能块属于“单轴运动”类的有A.MC_MoveAbsolute  B.MC_MoveRelative  C.MC_GearIn  D.MC_Stop答案：A、B、D三、填空题（每空2分，共20分）16.某系统开环传递函数G(s)=10/[s(s+2)]，单位负反馈，其速度误差系数Kv=________。答案：517.若连续系统状态方程为x'=Ax+Bu，采用零阶保持器离散化，采样周期T，则离散状态矩阵Ad=________。答案：exp(AT)18.在IEC611313标准中，ST语言里声明一个长度为8的布尔数组，写法为________。答案：arr:ARRAY[1..8]OFBOOL;19.某温度传感器输出4~20mA对应0~200°C，若测得电流为8mA，则温度为________°C。答案：5020.对于二阶系统，阻尼比ζ=0.3，则其超调量约为________%。答案：3721.在ROS2中，用于节点间发布订阅的底层通信中间件默认采用________协议。答案：DDS22.若一离散系统差分方程为y(k)0.8y(k1)=u(k)，其脉冲传递函数为________。答案：z/(z0.8)23.在LabVIEW中，用于FPGA模块的定点数运算节点颜色为________。答案：青色24.某三相全桥逆变器直流母线电压600V，采用SPWM调制，最大线电压基波幅值为________V。答案：60025.在ISO138491中，若安全控制系统性能等级需达到PL=e，则平均危险失效时间MTTFd高要求值为________年。答案：100四、简答题（封闭型，每题6分，共18分）26.写出李雅普诺夫稳定性定理（连续系统）的表述，并给出二次型V(x)=xᵀPx的导数表达式。答案：若存在连续可微正定函数V(x)使得V'(x)负定，则原点渐近稳定；V'(x)=xᵀ(AᵀP+PA)x。27.解释“时间戳抖动”在工业以太网中的含义，并指出其对运动控制轴同步的具体影响。答案：时间戳抖动指报文接收/发送时刻与理想周期时刻的随机偏差；抖动过大会导致多轴同步位置采样不一致，产生轮廓误差，降低轨迹精度。28.列举三种可在PLC中实现“软急停”的方案，并比较其响应时间快慢。答案：1.周期任务中检测急停位并立即输出0；2.中断任务（如OB40）置位安全输出；3.利用Failsafe模块通过PROFIsafe协议硬件关断。响应时间：3<2<1。五、简答题（开放型，每题8分，共16分）29.某柔性制造单元需集成六轴机器人、AGV与视觉检测站。请设计一种基于OPCUA的通信架构，使MES可直接获取三者实时状态，并阐述如何实现语义互操作。答案：在机器人、AGV、视觉控制器内部均嵌入OPCUA服务器，分别提供符合IEC62541的CompanionSpecification信息模型；MES作为客户端通过TCP4840端口匿名或用户名认证连接；利用OPCUA的NodeSet定义统一接口，如RobotType、AGVType、VisionType，包含状态变量、方法、事件；采用PubSub模式overMQTT进行毫秒级推送；语义层通过定义标准BrowseName与DictionaryReference，使MES解析相同语义的状态码；安全层面采用UASecurityPolicyBasic256Sha256与证书互信，实现跨厂商语义互操作。30.结合数字孪生理念，说明如何在一条高速灌装线上实现“虚拟调试”，并指出需要哪些实时数据接口与建模技术。答案：建立灌装线高保真孪生模型，包括伺服驱动、PLC逻辑、瓶子动力学、流体CFD；利用SIMIT或NXMCD与真实PLC通过PLCSIMAdvanced进行通信，接口采用虚拟以太网或共享内存，周期≤1ms；实时数据包括伺服位置、速度、扭矩、光电传感器信号、阀岛开关量、流量计瞬时值；建模技术采用Modelica描述多领域耦合，通过FMI协同仿真；调试阶段先在孪生环境验证凸轮曲线、同步算法、故障场景，再下载到真实硬件，实现零物理样机调试，缩短现场调试周期60%以上。六、计算题（共30分）31.（8分）给定单位反馈系统开环传递函数G(s)=K/[s(s+4)(s+10)]，要求：(1)绘制根轨迹并计算分离点坐标；(2)若要求系统阻尼比ζ=0.5，求对应的K值与闭环极点。答案：(1)分离点求解dK/ds=0得s=1.57，K=26.0；(2)在ζ=0.5线（β=60°）与根轨迹交点s=1.22+j2.11，代入得K=138.4，闭环极点为1.22±j2.11及11.56。32.（10分）离散系统如图所示（略图），被控对象Gp(s)=2/(s+2)，采样周期T=0.2s，采用零阶保持器，设计最少拍控制器D(z)使系统对单位阶跃输入在2拍内无纹波无稳态误差。答案：Gp(z)=ZOH变换得(0.3625)/(z0.8187)；期望闭环Φ(z)=z⁻²；解得D(z)=(10.8187z⁻¹)(1z⁻²)/(0.3625z⁻¹(1z⁻¹))；验算：输出y(k)=0,1,1,1…，控制量u(k)在k≥2恒为1.0，满足无纹波。33.（12分）某直流无刷电机参数：额定电压U=48V，极对数p=4，定子电阻Rs=0.5Ω，d轴电感Ld=0.8mH，q轴电感Lq=1.2mH，反电势系数Ke=0.02V/(rad/s)，转动惯量J=1e4kg·m²，负载转矩TL=0.1N·m。采用id=0控制，转速环PI参数Kp=0.2，Ki=5，电流环可视为理想。求：(1)稳态转速ωe；(2)当给定转速阶跃至200rad/s（电角速度）时，系统线性化模型，并计算转速环闭环极点；(3)若要求超调<5%，需如何调整Kp（Ki不变）？答案：(1)稳态电流iq=TL/(1.5pKe)=0.833A，稳态电压uq=Rs·iq+Ke·ωe，解得ωe=230rad/s（电角速度），机械角速度57.5rad/s；(2)线性化模型Δω'/Δiq=(1.5pKe)/J=1200，转速环开环传递函数G(s)=(0.2s+5)/s·1200/(s)，闭环特征方程s²+240s+6000=0，极点120±j49，阻尼0.92；(3)目标阻尼ζ≥0.7，令Kp'=0.35，Ki=5不变，新极点210±j71，超调≈4.3%，满足要求。七、综合分析题（共21分）34.（21分）某热连轧机F1机架主传动采用双闭环矢量控制，外环为张力环，内环为电流环。现场出现周期性张力波动，峰峰值约±15kN，频率约6Hz。已知：轧机刚度系数Km=2e6N/mm，轧辊半径R=0.4m，电机额定功率P=6000kW，额定转速n=60rpm，传动比i=5，张力传感器采样周期2ms，PLC循环周期4ms。任务：(1)建立张力电机转速小信号模型，指出主要振荡模态；(2)分析可能扰动来源（至少3种），并给出排查步骤；(3)提出一种基于模型预测控制的主动阻尼策略，给出预测模型、目标函数与约束；(4)若采用附加转矩前馈，设计前馈滤波器带宽，并说明参数整定方法。答案：(1)小信号模型：ΔF/Δω=(2KmR)/v0·1/(1+τms)，τm=Jv0/(2KmR²)，计算得τm=0.18s，模态频率≈0.9Hz，与实测6Hz不符，表明存在谐振负载或外部激励；(2)扰动来源：a.轧辊偏心→频谱与辊转频一致，可用编码器角度域分析；b.液压压下波动→检查伺服阀颤振频率；c.电网谐波→查看变频器直流母线波动；排查：对张力信号做FFT，对比辊转频、电气频率