2025年大学自动化（自动化控制工程）试题及答案

2025年大学自动化（自动化控制工程）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）答题要求：本大题共10小题，每小题3分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。1.反馈控制系统的基本组成不包括以下哪一项？A.控制器B.被控对象C.测量元件D.执行机构E.电源2.以下哪种控制算法不属于PID控制的基本形式？A.比例控制B.积分控制C.微分控制D.模糊控制3.线性定常系统的传递函数定义为（）的拉氏变换之比。A.输出与输入B.输出与干扰C.输入与干扰D.输出与误差4.系统的稳定性取决于（）。A.系统的结构和参数B.输入信号的大小C.初始条件D.以上都不对5.二阶系统的阻尼比ζ=0时，系统的响应为（）。A.等幅振荡B.单调上升C.衰减振荡D.发散振荡6.以下哪种传感器不属于位移传感器？A.电位器式传感器B.电感式传感器C.热电偶传感器D.光栅传感器7.数字PID控制器的积分项系数KI增大时，系统的（）。A.稳定性增强B.响应速度加快C.稳态误差减小D.超调量增大8.控制系统的传递函数G(s)=1/(s²+2s+1)，其阻尼比ζ为（）。A.1B.2C.0.5D.09.前馈控制系统的主要特点是（）。A.能够实现对干扰的完全补偿B.结构简单，成本低C.对给定值的跟踪性能好D.不需要反馈环节10.以下哪种编程语言常用于工业自动化控制系统的编程？A.C语言B.PythonC.PLC编程语言D.Java第II卷（非选择题共70分）（一）填空题（共10分）答题要求：本大题共5小题，每小题2分。请将答案填写在题中的横线上。1.自动控制系统按给定值信号的特点可分为______控制系统、______控制系统和程序控制系统。2.控制系统的性能指标主要有______、______、______和稳态误差等。3.比例环节的传递函数为______。4.传感器的静态特性主要包括______、______、______、重复性和漂移等。5.常用的数字滤波方法有______、______、______等。（二）简答题（共20分）答题要求：本大题共4小题，每小题5分。简要回答问题。1.简述反馈控制系统的工作原理。2.什么是PID控制器？简述其比例、积分、微分控制作用的特点。3.简述系统稳定性的定义，并说明判断线性定常系统稳定性的方法。4.简述传感器的作用及其分类方法。（三）计算题（共20分）答题要求：本大题共2小题，每小题10分。解答应写出必要的文字说明、计算步骤和答案。1.已知系统的传递函数G(s)=10/(s²+2s+10)，求系统的阻尼比ζ、无阻尼自然频率ωn、固有频率ωd和上升时间tr。2.设有一单位反馈控制系统，其开环传递函数G(s)=K/(s(s+1)(s+2))，当K=10时，求系统的闭环传递函数、特征方程、闭环极点，并判断系统的稳定性。（四）分析题（共15分）答题要求：本大题共3小题，每小题5分。阅读以下材料，回答问题。材料：某温度控制系统采用PID控制器对加热炉的温度进行控制。系统的被控对象为加热炉，其传递函数Gp(s)=1/(Ts+1)，测量元件的传递函数H(s)=1，控制器采用PID控制算法，其传递函数Gc(s)=Kp(1+1/Tis+Tds)。1.简述PID控制器中比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td对系统性能的影响。2.若系统出现超调量过大的情况，应如何调整PID控制器的参数？3.当系统受到阶跃干扰时，分析PID控制器如何减小干扰对系统输出的影响。（五）设计题（共5分）答题要求：本大题共1小题，5分。请根据以下要求设计一个简单的液位控制系统。要求：采用液位传感器检测液位高度，通过控制器控制水泵的启停，使液位保持在设定值附近。画出系统的原理框图，并简述控制器的设计思路。答案：1.E2.D3.A4.A5.A6.C7.C8.A9.A10.C填空题答案：1.恒值、随动2.稳定性、快速性、准确性3.K4.线性度、灵敏度、迟滞5.算术平均滤波、中值滤波、限幅滤波简答题答案：1.反馈控制系统的工作原理是将系统的输出信号通过测量元件反馈到输入端，与给定值进行比较，得到偏差信号。控制器根据偏差信号产生控制作用，以减小偏差，使系统的输出尽可能接近给定值。2.PID控制器是一种线性控制器，它由比例环节、积分环节和微分环节组成。比例控制作用能快速响应偏差，使系统输出迅速向给定值靠近；积分控制作用能消除稳态误差，但会使系统响应速度变慢；微分控制作用能预测偏差变化趋势，加快系统响应速度，减小超调量。3.系统稳定性是指系统在初始扰动作用下，其输出随时间的推移逐渐衰减并趋于零的能力。判断线性定常系统稳定性的方法主要有劳斯判据、奈奎斯特判据等。4.传感器的作用是将被测量转换为与之有一定关系的电量输出。传感器的分类方法有多种，按测量原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式等；按被测量可分为位移传感器、压力传感器、温度传感器等。计算题答案：1.阻尼比ζ=0.32，无阻尼自然频率ωn=3.16rad/s，固有频率ωd=3.06rad/s，上升时间tr=0.69s。2.闭环传递函数为10/(s³+3s²+2s+10)，特征方程为s³+3s²+2s+10=0，闭环极点为s1=-1.73，s2=-0.635+j2.37，s3=-0.635-j2.37，系统稳定。分析题答案：1.比例系数Kp增大，系统响应速度加快，但超调量可能增大；积分时间常数Ti增大，积分作用减弱，稳态误差减小，但系统响应速度变慢；微分时间常数Td增大，微分作用增强，能减小超调量，但可能使系统对干扰更敏感。2.可适当减小比例系数Kp，增大积分时间常数Ti，减小微分时间常数Td。3.当系统受到阶跃干扰时，PID控制器根据偏差信号的变化，通过比例、积分和微分作用，及时调整控制量，使系统输出尽快恢复到设定值，减小干扰对系统