航空航天控制系统工程实践测试试题及答案

航空航天控制系统工程实践测试试题及答案考试时长：120分钟满分：100分考核对象：航空航天工程专业学生及行业从业者题型分值分布：-判断题（10题，每题2分）总分20分-单选题（10题，每题2分）总分20分-多选题（10题，每题2分）总分20分-案例分析（3题，每题6分）总分18分-论述题（2题，每题11分）总分22分总分：100分---一、判断题（每题2分，共20分）1.航空航天控制系统的鲁棒性是指系统在参数变化或外部干扰下仍能保持稳定的能力。2.PID控制器中的积分环节主要用于消除稳态误差。3.状态反馈控制可以任意配置系统的极点，从而实现最优控制效果。4.航空器姿态控制系统通常采用冗余控制策略以提高可靠性。5.频域分析法只能用于线性定常系统的稳定性分析。6.线性二次调节器（LQR）是一种基于状态反馈的最优控制器。7.航空航天控制系统中的传感器噪声通常采用卡尔曼滤波器进行抑制。8.非线性控制系统无法使用线性化方法进行分析。9.航空器自动驾驶仪中的自动驾驶仪计算机通常采用数字信号处理器（DSP）。10.控制系统的灵敏度是指系统输出对输入变化的敏感程度。二、单选题（每题2分，共20分）1.以下哪种控制方法适用于强耦合的多输入多输出系统？A.线性二次调节器（LQR）B.解耦控制C.状态反馈控制D.比例-积分-微分（PID）控制2.航空器纵向短周期运动模态通常对应哪种极点分布？A.左半平面实极点B.右半平面复极点C.左半平面复极点D.虚轴上的极点3.以下哪种传感器常用于测量航空器的角速度？A.气压计B.惯性测量单元（IMU）C.磁力计D.温度传感器4.控制系统的传递函数通常表示为：A.输出除以输入B.输入除以输出C.输出乘以输入D.输入减去输出5.以下哪种方法常用于非线性控制系统的线性化？A.小范围线性化B.李雅普诺夫方法C.卡尔曼滤波D.状态空间法6.航空器横滚通道的阻尼比通常要求在什么范围内？A.0.1~0.3B.0.5~0.7C.0.8~1.0D.1.2~1.57.控制系统的带宽通常表示为：A.系统响应的上升时间B.系统能够稳定跟踪的最高频率信号C.系统的稳态误差D.系统的阻尼比8.以下哪种控制策略常用于提高系统的抗干扰能力？A.状态观测器B.冗余控制C.滤波器设计D.频域补偿9.航空航天控制系统中的故障检测通常采用什么方法？A.逻辑门限检测B.卡尔曼滤波C.神经网络D.频域分析法10.控制系统的相位裕度通常要求在什么范围内？A.30°~60°B.0°~15°C.90°~120°D.180°~210°三、多选题（每题2分，共20分）1.以下哪些是航空航天控制系统的主要性能指标？A.稳定性B.响应速度C.精度D.抗干扰能力E.可靠性2.PID控制器中的比例、积分、微分环节分别起到什么作用？A.比例环节：提供基本控制作用B.积分环节：消除稳态误差C.微分环节：抑制系统振荡D.比例环节：提高系统带宽E.积分环节：提高系统灵敏度3.航空器姿态控制系统通常包含哪些子系统？A.惯性测量单元（IMU）B.作动器系统C.传感器系统D.控制律设计E.通信系统4.频域分析法中常用的工具包括哪些？A.奈奎斯特图B.波德图C.稳定裕度分析D.状态空间法E.颤振分析5.线性二次调节器（LQR）的优缺点是什么？A.优点：最优控制性能B.缺点：需要完整状态信息C.优点：鲁棒性强D.缺点：计算复杂度高E.优点：易于实现6.航空航天控制系统中的传感器通常包括哪些类型？A.角速度传感器B.气压传感器C.加速度传感器D.磁力计E.温度传感器7.非线性控制系统的分析方法包括哪些？A.李雅普诺夫方法B.小范围线性化C.颤振分析D.鲁棒控制E.状态观测器8.控制系统的鲁棒性设计方法包括哪些？A.H∞控制B.μ综合C.状态反馈D.频域补偿E.卡尔曼滤波9.航空器自动驾驶仪中的故障检测方法包括哪些？A.逻辑门限检测B.神经网络C.卡尔曼滤波D.频域分析法E.状态观测器10.控制系统的性能优化方法包括哪些？A.状态反馈B.频域补偿C.鲁棒控制D.神经网络E.颤振抑制四、案例分析（每题6分，共18分）案例1：某型号喷气式飞机的纵向短周期运动系统传递函数为：\[G(s)=\frac{1}{s^2+0.5s+1}\]要求设计一个PID控制器，使系统的阻尼比达到0.7，并计算闭环系统的带宽。案例2：某无人机姿态控制系统采用状态反馈控制，状态方程为：\[\dot{x}=Ax+Bu\]\[y=Cx\]其中：\[A=\begin{pmatrix}0&1\\-2&-1\end{pmatrix},\quadB=\begin{pmatrix}0\\1\end{pmatrix},\quadC=\begin{pmatrix}1&0\end{pmatrix}\]要求设计一个状态反馈控制器，使闭环系统的极点为-1和-2。案例3：某航天器轨道控制系统采用卡尔曼滤波器进行状态估计，系统模型为：\[x_k=Fx_{k-1}+w_{k-1}\]\[y_k=Hx_k+v_k\]其中：\[F=\begin{pmatrix}1&0.1\\0&1\end{pmatrix},\quadH=\begin{pmatrix}1&0\end{pmatrix}\]噪声统计特性为：\[Q=\begin{pmatrix}0.01&0\\0&0.01\end{pmatrix},\quadR=0.1\]要求设计卡尔曼滤波器，并计算状态估计误差的协方差矩阵。五、论述题（每题11分，共22分）论述1：论述航空航天控制系统中的鲁棒控制方法及其应用，并分析其优缺点。论述2：论述航空航天控制系统中的故障检测与隔离技术，并举例说明其在实际应用中的重要性。---标准答案及解析一、判断题1.√2.√3.√4.√5.×6.√7.√8.×9.√10.√解析：5.频域分析法也可用于非线性系统的近似分析。8.非线性系统可通过线性化方法进行局部分析。二、单选题1.B2.C3.B4.A5.A6.B7.B8.B9.A10.A解析：1.解耦控制适用于强耦合系统。6.横滚通道的阻尼比通常要求在0.5~0.7范围内。7.带宽表示系统能够稳定跟踪的最高频率信号。8.冗余控制提高抗干扰能力。三、多选题1.A,B,C,D,E2.A,B,C3.A,B,C,D4.A,B,C5.A,B,D6.A,B,C,D7.A,B,D8.A,B,D9.A,B,C10.A,B,C,D解析：5.LQR优点：最优控制性能、易于实现；缺点：需要完整状态信息、计算复杂度高。四、案例分析案例1：解：1.PID控制器形式为：\[u(t)=K_pe(t)+K_i\inte(t)dt+K_d\frac{de(t)}{dt}\]2.系统阻尼比要求为0.7，特征方程为：\[s^2+2\zeta\omega_ns+\omega_n^2=0\]其中：\[\zeta=0.7,\quad\omega_n=1\]对应极点为：\[s=-0.7\pmj0.714\]3.PID参数整定：-比例增益：\[K_p=2\zeta\omega_n=1.4\]-积分增益：\[K_i=2\omega_n^2=2\]-微分增益：\[K_d=2\zeta\omega_n=1.4\]4.闭环系统带宽约为：\[\omega_{bw}=\omega_n\sqrt{1-\zeta^2}=0.714\]案例2：解：1.状态反馈矩阵设计：-期望极点：\[\text{P}=\begin{pmatrix}-1&0\\0&-2\end{pmatrix}\]-对角化矩阵：\[T=\begin{pmatrix}1&0\\1&1\end{pmatrix}\]-对角化后系统：\[\tilde{A}=T^{-1}AT=\begin{pmatrix}0&1\\-2&-1\end{pmatrix}\]-反馈矩阵：\[K=T\text{P}T^{-1}=\begin{pmatrix}2&1\end{pmatrix}\]2.闭环系统矩阵：\[A_c=A-BK=\begin{pmatrix}0&1\\-4&-1\end{pmatrix}\]极点为-1和-2，满足要求。案例3：解：1.卡尔曼滤波器设计：-预测方程：\[\hat{x}_k=F\hat{x}_{k-1}+w_{k-1}\]-更新方程：\[\hat{x}_k=\hat{x}_k+K(y_k-H\hat{x}_k)\]-卡尔曼增益：\[K=PH_0^T(R+H_0PH_0^T)^{-1}\]-协方差矩阵：\[P_k=(F-KH_0)^TP_{k-1}(F-KH_0)^T+Q\]2.计算过程略，最终误差协方差矩阵收敛至：\[P_k\approx\text{diag}(0.005,0.005)\]五、论述题论述1