2025年大学自动化（自动化理论）试题及答案

2025年大学自动化（自动化理论）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：请从每小题的四个选项中，选出一个最符合题意的答案，将其序号填在题后的括号内。(总共10题，每题3分)1.自动化系统中，反馈控制的核心是（）A.偏差检测B.控制器设计C.执行机构动作D.被控对象状态答案：A2.以下哪种控制算法不属于经典控制理论范畴（）A.比例控制B.积分控制C.模糊控制D.微分控制答案：C3.传递函数的分母多项式反映了系统的（）A.输入特性B.输出特性C.动态特性D.稳态特性答案：C4.系统的稳定性与以下哪个因素密切相关（）A.输入信号B.系统结构和参数C.初始条件D.外界干扰答案：B5.根轨迹法主要用于分析系统的（）A.稳态性能B.动态性能C.稳定性D.准确性答案：C6.对于二阶系统，其阻尼比ζ决定了系统的（）A.上升时间B.峰值时间C.调节时间D.超调量答案：D7.线性定常系统的传递函数（）A.与输入信号有关B.与输出信号有关C.与系统结构和参数有关D.与初始条件有关答案：C8.以下哪种系统属于开环控制系统（）A.家用空调温度控制系统B.冰箱温度控制系统C.普通洗衣机控制系统D.交通信号灯控制系统答案：D9.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.上升时间C.超调量D.调节时间答案：B10.离散控制系统中，采样周期T对系统性能的影响是（）A.T越大，系统性能越好B.T越小，系统性能越好C.T适中时系统性能最佳D.T与系统性能无关答案：C第II卷（非选择题，共70分）二、填空题（每题2分，共10分）1.自动化是一门研究如何使________、________和部分脑力劳动逐步地由机械的、电子的、自动控制的装置来完成，以代替人类部分________的科学技术。答案：生产过程管理过程体力劳动和脑力劳动2.控制系统的基本组成包括________、________、________、________和________。答案：控制器执行机构被控对象测量变送环节比较环节3.传递函数是在________条件下，系统输出量的________与输入量的________之比。答案：零初始条件拉氏变换拉氏变换4.系统的稳态误差与系统的________和________有关。答案：类型开环增益5.离散控制系统中，常用的采样保持器有________和________。答案：零阶保持器一阶保持器三、简答题（每题5分，共20分）1.简述反馈控制的原理。答案：反馈控制是将系统的输出信号通过测量变送环节反馈到输入端，与输入信号进行比较，产生偏差信号。控制器根据偏差信号进行控制，使输出量尽可能接近给定值。其原理基于偏差的检测和纠正，通过不断调整控制作用来减小偏差，从而实现对系统的精确控制。2.什么是系统的稳定性？判断线性定常系统稳定性的方法有哪些？答案：系统的稳定性是指系统在初始扰动作用下，经过足够长的时间后能够恢复到原来的平衡状态或者趋于一个新的平衡状态的能力。判断线性定常系统稳定性的方法有劳斯判据、赫尔维茨判据、根轨迹法等。劳斯判据通过构造劳斯表来判断系统特征方程根的分布情况，进而确定系统的稳定性；根轨迹法通过绘制根轨迹直观地分析系统根的变化，从而判断稳定性。3.简述PID控制器的组成及各部分的作用。答案：PID控制器由比例（P）、积分（I）、微分（D）三部分组成。比例部分的作用是根据偏差的大小立即产生控制作用，偏差越大，控制作用越强，能快速响应偏差，减小偏差的幅度；积分部分用于消除系统的稳态误差，它对偏差进行积分，积累的结果用于调整控制量，使系统最终达到无差；微分部分则根据偏差的变化率产生控制作用，能预测偏差的变化趋势，提前进行控制，有助于提高系统的响应速度和稳定性。4.简述离散控制系统与连续控制系统的区别。答案：离散控制系统的信号是离散的，其系统中的信号只在采样时刻有定义，而连续控制系统的信号是连续变化的。离散控制系统中存在采样和保持环节，将连续信号离散化处理；连续控制系统不存在采样过程。离散控制系统的分析和设计方法与连续控制系统有所不同，例如离散系统采用z变换等方法进行分析，连续系统采用拉氏变换。离散控制系统的性能受采样周期等因素影响较大，而连续控制系统相对更注重系统的动态和稳态性能的综合平衡。四、分析题（每题15分，共30分）材料：已知某控制系统的开环传递函数为G(s)H(s)=K/s(s+1)(s+2)。1.绘制该系统的根轨迹。答案：1.首先确定系统的开环极点：-令分母s(s+1)(s+2)=0，可得开环极点p1=0，p2=-1，p3=-2。2.然后确定根轨迹的分支数：-根轨迹分支数等于开环极点数，所以该系统根轨迹有3条分支。3.接着确定根轨迹的渐近线：-渐近线与实轴的交点：\(\sigma_a=\frac{\sum_{i=1}^{n}p_i-\sum_{j=1}^{m}z_j}{n-m}\)，这里\(n=3\)，\(m=0\)，\(\sum_{i=1}^{3}p_i=0-1-2=-3\)，所以\(\sigma_a=-1\)。-渐近线的夹角：\(\varphi=\frac{(2k+1)\pi}{n-m}\)，\(k=0,1,2\)，当\(k=0\)时，\(\varphi=\frac{\pi}{3}\)；当\(k=1\)时，\(\varphi=\pi\)；当\(k=2\)时，\(\varphi=\frac{5\pi}{3}\)。4.再确定根轨迹与虚轴的交点：-设系统特征方程为\(s(s+1)(s+2)+K=0\)，即\(s^3+3s^2+2s+K=0\)。-令\(s=j\omega\)，代入特征方程得\(-j\omega^3-3\omega^2+2j\omega+K=0\)。-分别令实部和虚部为0，由虚部\(-\omega^3+2\omega=0\)，解得\(\omega=0\)或\(\omega=\sqrt{2}\)。-当\(\omega=\sqrt{2}\)时，代入实部\(-3\omega^2+K=0\)，可得\(K=6\)。5.最后绘制根轨迹：-根轨迹从开环极点出发，向渐近线汇聚。-根轨迹与虚轴在\(\omega=\sqrt{2}\)处相交，此时\(K=6\)。2.分析当K从0变化到无穷大时，系统闭环极点的变化情况以及系统稳定性的变化。答案：当K=0时，系统闭环极点就是开环极点，分别为0，-1，-2。随着K增大，根轨迹逐渐变化。根轨迹分支从开环极点出发，当K较小时，根轨迹在实轴上移动，靠近虚轴。当K增大到一定程度，根轨迹与虚轴相交于\(\omega=\sqrt{2}\)，此时系统临界稳定。当K继续增大，根轨迹进入右半平面，系统变得不稳定。在根轨迹变化过程中，系统的动态性能也不断改变，如超调量、调节时间等都会随着闭环极点的位置变化而变化。当系统稳定时，闭环极点分布决定了系统的响应特性；当系统不稳定时，系统输出将发散。五、设计题（10分）材料：设计一个温度控制系统，要求控制精度在±1℃以内，温度范围为20℃到80℃。设计一个基于PID控制的温度控制系统，说明控制器参数的确定方法。答案：首先，确定传感器用于测量温度，将温度信号转换为电信号传送给控制器。对于PID控制器参数的确定：1.比例系数Kp的确定：-先进行比例控制实验，逐步增大Kp值。观察系统响应，当Kp较小时，系统响应缓慢，偏差较大；随着Kp增大，响应速度加快，但超调量可能增大。通过不断调整Kp，找到一个使系统响应速度和超调量相对平衡的值。例如，在初步实验中，当Kp=5时，系统响应较慢，偏差在±5℃左右；当Kp=10时，响应速度加快，超调量增大到±10℃左右。经过多次尝试，确定一个合适的Kp值，使系统既能快速响应又不至于超调过大。2.积分系数Ki的确定：-加入积分控制后，Ki主要用于消除稳态误差。通过实验观察系统在不同Ki值下的稳态性能。当Ki较小时，稳态误差消除较慢；Ki增大，稳态误差消除速度加快，但可能导致系统响应变慢甚至出现振荡。例如，在没有积分控制时，系统稳态误差为±2℃。当Ki=0.1时，稳态误差逐渐减小，但响应速度有所下降；当Ki=0.5时，稳态误差能较快消除，但系统开始出现轻微振荡。通过调整Ki，找到一个能使稳态误差在±1℃以内且系统稳定运行的值。3.微分系数Kd的确定：-Kd用于根据偏差变化率提前进行控制，改善系统的动态性能。通过实验，观察系统在不同Kd值下的响应情况。当Kd较小