2025年强基计划能源与动力工程专业自动化试题及答案

2025年强基计划能源与动力工程专业自动化试题及答案2025年强基计划能源与动力工程专业自动化试题一、单项选择题（每题2分，共10分）1.以下控制系统中，属于闭环控制的是（）。A.传统机械钟表走时系统B.空调房间温度调节系统C.手动调节的台灯亮度系统D.电热水器的单次加热过程2.一阶系统的传递函数为\(G(s)=\frac{5}{2s+1}\)，其单位阶跃响应的调整时间（5%误差带）为（）。A.2sB.4sC.6sD.8s3.热电偶传感器的工作原理基于（）。A.压电效应B.热电效应C.霍尔效应D.应变效应4.直流电机调速时，若保持电枢电压不变，仅减小励磁电流，电机转速将（）。A.降低B.升高C.不变D.先降后升5.在过程控制系统中，“最大偏差”属于（）。A.稳态性能指标B.动态性能指标C.抗干扰性能指标D.鲁棒性指标二、多项选择题（每题3分，共15分。每题至少2个正确选项，错选、漏选均不得分）1.下列属于自动控制系统基本组成部分的有（）。A.被控对象B.执行器C.扰动源D.检测装置2.关于PID控制器参数对系统性能的影响，正确的描述有（）。A.比例系数增大可减小稳态误差，但可能导致超调增加B.积分时间增大可加快消除稳态误差的速度C.微分时间增大可抑制高频噪声D.积分作用过强可能导致系统振荡3.以下传感器中，可用于测量温度的有（）。A.热电阻B.应变片C.热电偶D.红外测温仪4.交流异步电机变频调速时，为保持气隙磁通恒定，通常需（）。A.保持电压与频率的比值恒定（V/f控制）B.提高频率时同步提高电压C.降低频率时同步降低电压D.仅调节频率，电压保持额定值5.控制系统稳定性分析中，劳斯判据可用于（）。A.判断系统是否稳定B.确定使系统稳定的参数范围C.计算系统的稳态误差D.分析系统的动态响应速度三、填空题（每题2分，共10分）1.自动控制系统按给定值变化规律分类，可分为定值控制系统、随动控制系统和______。2.二阶系统无阻尼自然频率为\(\omega_n\)，阻尼比为\(\zeta\)，其单位阶跃响应的超调量公式为______。3.应变片式压力传感器中，应变片将压力信号转换为______信号。4.直流电机的电磁转矩公式为\(T_e=C_T\PhiI_a\)，其中\(\Phi\)表示______。5.过程控制中，三冲量水位控制系统的三个输入信号通常是汽包水位、______和给水流量。四、简答题（共30分）1.（6分，封闭型）简述闭环控制系统的基本工作原理，并说明其与开环控制系统的核心区别。2.（8分，封闭型）什么是传感器的灵敏度？某位移传感器在输入位移为0~10mm时，输出电压为0~5V，求其灵敏度；若输入位移为3mm时输出电压为1.4V，计算此时的绝对误差和相对误差（保留2位小数）。3.（8分，开放型）火电厂锅炉燃烧控制系统需维持燃料量、送风量和引风量的协调。请分析该系统中可能的扰动因素，并提出一种抑制主要扰动的控制策略（需说明具体环节）。4.（8分，开放型）设计一个基于PLC的风机转速控制系统（要求转速稳定在1000rpm±20rpm），请列出主要设计步骤，并说明关键器件的选型依据（如传感器、执行器）。五、应用题（共35分）1.（10分，计算类）已知某二阶系统的开环传递函数为\(G(s)H(s)=\frac{K}{s(s+2)}\)，其中\(H(s)=1\)（单位负反馈）。（1）求闭环传递函数\(\Phi(s)\)；（2）若要求闭环系统的阻尼比\(\zeta=0.5\)，求K值；（3）计算此时系统单位阶跃响应的超调量和调整时间（5%误差带）。2.（12分，分析类）某温度控制系统的方框图如图1所示（图中\(G_c(s)\)为PID控制器，\(G_p(s)=\frac{10}{(5s+1)(2s+1)}\)为被控对象，\(D(s)\)为扰动输入）。（1）画出系统的误差传递函数\(E(s)/D(s)\)（以扰动为输入，误差为输出）；（2）若扰动为阶跃信号\(D(s)=\frac{1}{s}\)，分析积分环节（PID中的I环节）对稳态误差的影响；（3）简述该系统中引入微分环节（D环节）的主要目的。3.（13分，综合类）某工厂需设计一套蒸汽锅炉水位控制系统，要求水位稳定在设定值±5mm内。已知锅炉蒸发量变化范围为0~20t/h，给水流量由电动调节阀控制，水位测量采用差压式水位计（测量范围0~500mm，输出4~20mA）。（1）确定控制系统的结构（开环/闭环），并说明理由；（2）设计控制算法（需明确是否采用复合控制），并推导关键参数的计算方法（如比例系数的大致范围）；（3）提出系统抗干扰措施（至少3项），并说明其原理。答案及解析一、单项选择题1.B解析：闭环控制的核心是存在反馈环节。空调通过温度传感器检测室温并与设定值比较，调整压缩机运行，属于闭环；机械钟表无反馈，手动台灯和电热水器单次加热均无反馈。2.C解析：一阶系统传递函数标准形式为\(G(s)=\frac{K}{Ts+1}\)，其中时间常数\(T=2\)。5%误差带的调整时间\(t_s=3T=6s\)。3.B解析：热电偶基于塞贝克效应（热电效应），两种不同材料的导体两端温差产生热电势；压电效应用于加速度传感器，霍尔效应用于磁场测量，应变效应用于应变片。4.B解析：直流电机转速公式\(n=\frac{UI_aR_a}{C_e\Phi}\)，励磁电流减小则\(\Phi\)减小，转速\(n\)升高（电枢电压\(U\)不变时）。5.B解析：最大偏差是指动态过程中被控量偏离设定值的最大幅度，属于动态性能指标；稳态误差为稳态性能指标。二、多项选择题1.ABD解析：自动控制系统基本组成包括被控对象、检测装置（传感器）、控制器和执行器；扰动源是外部因素，非系统组成部分。2.AD解析：积分时间\(T_i\)增大，积分作用减弱，消除稳态误差速度减慢（B错误）；微分时间\(T_d\)增大可预测误差变化，但可能放大噪声（C错误）；比例系数\(K_p\)增大，稳态误差减小但超调增加（A正确）；积分作用过强会导致系统振荡（D正确）。3.ACD解析：热电阻（如Pt100）、热电偶、红外测温仪均用于温度测量；应变片测量应力或位移。4.ABC解析：交流异步电机变频调速时，为保持气隙磁通\(\Phi\approx\frac{U}{f}\)恒定，需保持电压与频率的比值\(U/f\)恒定（V/f控制），因此提高频率时需同步提高电压，降低频率时同步降低电压（D错误）。5.AB解析：劳斯判据通过特征方程系数判断系统稳定性及稳定参数范围；稳态误差需用终值定理计算，动态响应速度与极点位置相关（C、D错误）。三、填空题1.程序控制系统2.\(\sigma\%=e^{\frac{\pi\zeta}{\sqrt{1\zeta^2}}}\times100\%\)3.电阻（或电信号）4.每极气隙磁通（或励磁磁通）5.蒸汽流量四、简答题1.答案：闭环控制系统通过检测装置获取被控量的实际值，与设定值比较后产生偏差信号，控制器根据偏差输出控制信号，驱动执行器调整被控对象，使偏差减小直至消除。与开环控制系统的核心区别：闭环存在反馈环节，可自动修正误差；开环无反馈，控制效果仅依赖预先设定，无法应对扰动。2.答案：灵敏度\(S\)是传感器输出变化量与输入变化量的比值，即\(S=\frac{\Deltay}{\Deltax}\)。本题中，输入范围\(0\sim10\text{mm}\)，输出范围\(0\sim5\text{V}\)，故灵敏度\(S=\frac{5\text{V}0\text{V}}{10\text{mm}0\text{mm}}=0.5\text{V/mm}\)。输入3mm时，理想输出\(y_{理想}=0.5\times3=1.5\text{V}\)，绝对误差\(\Deltay=|1.41.5|=0.1\text{V}\)，相对误差\(\delta=\frac{0.1}{1.5}\times100\%\approx6.67\%\)。3.答案：扰动因素：燃料热值波动（如煤质变化）、蒸汽负荷突变（用户用汽量变化）、送风机/引风机故障导致风量波动、环境温度变化影响燃烧效率。抑制策略：采用前馈反馈复合控制。例如，以蒸汽流量（代表负荷）作为前馈信号，提前调整燃料量和送风量；同时以炉膛温度（或烟气含氧量）作为反馈信号，通过PID控制器修正燃料/风量偏差。前馈环节可快速应对负荷扰动，反馈环节消除稳态误差，提高系统抗扰能力。4.答案：设计步骤：（1）需求分析：确定转速范围（1000rpm±20rpm）、负载特性（恒转矩/恒功率）、响应时间要求（如阶跃扰动下恢复时间≤5s）。（2）传感器选型：选用增量式编码器（分辨率≥1000脉冲/转），输出方波信号，通过PLC高速计数器采集转速（精度±1rpm）。（3）执行器选型：选用变频器（功率匹配风机额定功率，如7.5kW），接收PLC的4~20mA控制信号，调节电机电源频率实现调速。（4）控制算法设计：采用PID控制，比例系数\(K_p\)初始设为0.5~1（根据系统响应速度调整），积分时间\(T_i\)设为2~5s（消除稳态误差），微分时间\(T_d\)设为0.1~0.5s（抑制超调）。（5）PLC程序设计：编写数据采集（读取编码器脉冲）、PID计算（调用PLC内置PID模块）、输出控制（向变频器发送电流信号）子程序。（6）系统调试：通过阶跃输入测试超调量（应≤10%），调整PID参数；加入负载扰动（如突然增加风阻），验证恢复时间是否满足要求。五、应用题1.答案：（1）闭环传递函数\(\Phi(s)=\frac{G(s)}{1+G(s)H(s)}=\frac{K}{s^2+2s+K}\)（因\(H(s)=1\)）。（2）二阶系统标准形式\(\Phi(s)=\frac{\omega_n^2}{s^2+2\zeta\omega_ns+\omega_n^2}\)，对比得\(2\zeta\omega_n=2\)，\(\omega_n^2=K\)。已知\(\zeta=0.5\)，则\(2\times0.5\times\omega_n=2\)，解得\(\omega_n=2\)，故\(K=\omega_n^2=4\)。（3）超调量\(\sigma\%=e^{\frac{\pi\zeta}{\sqrt{1\zeta^2}}}\times100\%=e^{\frac{\pi\times0.5}{\sqrt{10.25}}}\times100\%\approx16.3\%\)；调整时间\(t_s=\frac{3}{\zeta\omega_n}=\frac{3}{0.5\times2}=3\text{s}\)（5%误差带）。2.答案：（1）误差\(E(s)=R(s)Y(s)\)，扰动作用下\(R(s)=0\)，故\(E(s)=Y(s)\)。系统扰动传递函数\(\frac{Y(s)}{D(s)}=\frac{G_p(s)}{1+G_c(s)G_p(s)}\)，因此\(\frac{E(s)}{D(s)}=\frac{G_p(s)}{1+G_c(s)G_p(s)}\)。（2）扰动为阶跃信号\(D(s)=\frac{1}{s}\)，稳态误差\(e_{ss}=\lim_{s\to0}s\cdotE(s)=\lim_{s\to0}s\cdot\left(\frac{G_p(s)}{1+G_c(s)G_p(s)}\cdot\frac{1}{s}\right)=\lim_{s\to0}\frac{G_p(0)}{1+G_c(0)G_p(0)}\)。若\(G_c(s)\)含积分环节（即\(G_c(0)\to\infty\)），则分母趋近于无穷大，稳态误差\(e_{ss}\to0\)，即积分环节可消除扰动引起的稳态误差。（3）微分环节（D环节）可预测误差的变化趋势，提前产生控制作用，抑制误差的快速变化，从而减小超调量，缩短调整时间，改善系统的动态性能。3.答案：（1）采用闭环控制。理由：闭环系统通过水位测量反馈，可实时比较实际水位与设定值，调整给水流量，消除蒸