工业自动化高级复习题及参考答案

工业自动化高级复习题及参考答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在工业以太网中，IEEE802.1Q标签头共占用多少字节？A.2B.4C.6D.8答案：B解析：IEEE802.1Q标签头由2字节TPID与2字节TCI组成，共4字节。2.某伺服电机额定转速3000r/min，编码器为23bit单圈绝对式，则其单圈分辨率为A.8388608B.16777216C.33554432D.67108864答案：B解析：23bit对应=83886083.在OPCUA信息模型中，用于描述“方法”的节点类是A.ObjectB.VariableC.MethodD.Reference答案：C解析：OPCUA规范中，Method节点类专门暴露可调用函数。4.对于PID控制器，若采用增量式算法，其输出量本质上是A.绝对位置B.速度C.加速度D.误差积分答案：B解析：增量式PID输出为两次采样间控制量的差值，即“速度”形式。5.在PROFINETIRT帧中，用于保证时钟同步的字段是A.FrameIDB.CycleCounterC.RTC\_RealTimeD.IRData答案：C解析：RTC\_RealTime携带时间戳，用于分布式时钟同步。6.某离散系统开环脉冲传递函数G(z)A.0.2B.0.8C.1D.∞答案：C解析：=(z−7.在SafetyBusp协议中，实现“时间期望”机制的目的是A.降低抖动B.检测序列号错误C.检测超时故障D.压缩帧长答案：C解析：时间期望（Time-Expectation）用于监控响应是否在规定时间内到达，实现故障安全。8.采用EtherCAT的分布时钟（DC）模式，主站时钟漂移补偿通常使用A.PI控制器B.卡尔曼滤波C.锁相环D.一阶滞后答案：C解析：DC模式通过锁相环（PLL）使从站时钟与参考时钟同步。9.在IEC61499功能块中，事件输出与数据输出的连接关系由下列哪项描述？A.ECC算法B.WITH约束C.RESOURCE映射D.ADAPTER接口答案：B解析：WITH约束规定事件与数据同时到达的时序关系。10.若某气缸理论输出力F=1000N，效率η=A.16.7cm²B.20.8cm²C.25.0cm²D.33.3cm²答案：B解析：A=二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些措施可有效抑制变频器对PLC模拟量模块的干扰？A.采用屏蔽双绞线B.将模拟量电缆与动力电缆同槽敷设C.在变频器输出侧加装dV/dt滤波器D.将PLC与变频器共地E.在模拟量输入通道使用隔离栅答案：A、C、E解析：B会引入耦合干扰；D可能形成地环路；A、C、E均为标准抗干扰手段。12.关于时间敏感网络（TSN）中的IEEE802.1Qbv，正确的有A.采用时间门控调度B.需要全局时间同步C.可完全消除冲突D.适用于实时与控制流混合场景E.与802.1Qbu可同时启用答案：A、B、D、E解析：Qbv通过门控实现时隙隔离，但无法“完全”消除冲突，仅降低至可忽略概率。13.在伺服驱动器“三环”调节中，下列说法正确的有A.电流环带宽最高B.速度环输出直接给定电流环C.位置环可采用P控制D.电流环通常使用PI加前馈E.速度环带宽一般高于位置环答案：A、B、C、D、E解析：电流环带宽可达kHz级；速度环输出为q轴电流给定；位置环常用纯P；前馈可提高响应；速度环带宽高于位置环。14.下列哪些属于IEC61508中定义的“安全失效”？A.检测到危险故障并导向安全B.冗余通道间差异超限报警C.隐性故障在诊断测试中被发现D.共因故障导致双通道同时危险失效E.故障未被检测但系统仍安全运行答案：A、B、C、E解析：D属于“危险失效”而非“安全失效”。15.在基于模型的预测控制（MPC）中，需在线求解的要素包括A.状态估计B.优化目标函数C.约束条件D.反馈增益矩阵E.预测时域内的控制序列答案：A、B、C、E解析：D中的增益矩阵通常离线计算或隐式包含于优化。三、判断题（每题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）16.在SercosIII中，非周期通道采用时间片轮询方式传输。答案：×解析：非周期通道使用“按需插入”机制，而非轮询。17.对于4～20mA两线制变送器，回路电流与供电电压无关。答案：√解析：只要电压在最小工作电压之上，电流仅由变送器决定。18.在PLCopenMotion规范中，MC_MoveVelocity指令无需指定目标位置。答案：√解析：速度模式指令只关心速度、方向、加减速。19.采用双绞线布设编码器信号时，绞距越小，抗干扰能力一定越强。答案：×解析：过小绞距会增加分布电容，可能降低高频特性。20.在OPCUAPub/Sub中，UADP报文可映射到UDP多播。答案：√解析：UADP支持UDP多播，实现一对多实时发布。21.对于同一台感应电机，矢量控制比V/f控制具有更高低速转矩精度。答案：√解析：矢量控制实现磁通与转矩解耦，低速性能更优。22.在SafetyPLC中，1oo2D架构比1oo2架构具有更高的安全完整性等级。答案：√解析：1oo2D增加诊断通道，可检测更多危险故障。23.工业相机采用全局快门时，所有像素同时曝光，适合高速运动拍摄。答案：√解析：全局快门避免“果冻效应”。24.在EtherNet/IP中，Class1连接提供“实时I/O”服务，Class3提供“显式报文”服务。答案：√解析：Class1为隐式，Class3为显式。25.对于离散系统，增加零点一定使系统稳定性变差。答案：×解析：适当零点可提高相位裕度，改善稳定性。四、填空题（每空2分，共20分）26.在IEEE802.11工业Wi-Fi中，采用______技术可实现微秒级时钟同步。答案：TSF（TimingSynchronizationFunction）27.若某PID控制器参数为=2，=5s，答案：(28.在PROFINET中，RT帧的EtherType值为______。答案：0x889229.某齿轮减速机减速比为1:10，电机侧惯量=0.01答案：130.在OPCUA地址空间中，标准命名空间索引为______。答案：031.对于4轴SCARA机器人，其自由度数目为______。答案：432.在IEC61131-3标准中，用于描述“功能块”的关键字是______。答案：FUNCTION_BLOCK33.若某气缸活塞直径50mm，杆径20mm，则其回程有效面积约为______cm²。答案：16.5解析：A=34.在S7-1500中，实现1ms循环中断的组织块编号为______。答案：OB3035.对于16bit有符号整数，其数值范围为______到______。答案：-32768，+32767五、简答题（每题8分，共24分）36.简述工业以太网与传统现场总线在实时性保障机制上的三点差异，并给出对应协议示例。答案要点：1.调度方式：传统总线多采用令牌或主从轮询（如PROFIBUS），工业以太网引入时间门控（TSN802.1Qbv）或时隙插入（EtherCAT）。2.带宽与帧结构：工业以太网采用全双工100Mbps以上，帧长可变；传统总线典型12Mbps以下，帧格式固定。3.时钟同步精度：工业以太网通过IEEE1588（PTP）或分布时钟实现<1μs同步；传统总线如CAN无全局时钟，依赖位级同步。示例：PROFINETIRTvsPROFIBUS-DP；EtherCATvsDeviceNet。37.某伺服系统采用三环控制，电流环带宽2kHz，速度环带宽200Hz，位置环带宽20Hz。请解释为何“内环带宽高于外环”是普遍原则，并给出若违反该原则可能出现的两种现象。答案要点：1.内环带宽高可快速抑制扰动，为外环提供“刚性”对象；外环只需处理低频宏观误差。2.若外环带宽高于内环，则外环指令变化速率超出内环跟踪能力，导致：a.速度环给定剧烈变化时，电流环饱和，产生振荡；b.位置环给定阶跃，速度环无法及时提供所需加速度，造成位置超调或跟随误差过大。38.简述IEC61508中“安全功能”与“安全完整性等级（SIL）”的关系，并给出确定SIL的定量方法。答案要点：1.安全功能是为防止或减轻危险事件而执行的功能；SIL衡量该功能在要求时的可靠程度。2.定量方法：a.低要求模式：用平均失效概率（PFDavg）计算，SIL1为～，SIL4为～。b.高要求/连续模式：用每小时危险失效概率（PFH）计算，SIL1为～，SIL4为～。c.通过FMEDA计算硬件故障率，结合诊断覆盖率、共因失效因子，验证是否满足目标SIL。六、计算与综合题（共51分）39.（10分）某温度系统可用一阶惯性加纯滞后近似：(s)=。采用Smith预估补偿，设PI主控制器(s)(1)补偿后闭环传递函数；(2)当设定值作单位阶跃变化时，系统输出稳态值。解：(1)Smith预估器并联模型(s(s闭环=代入=1.5，==(2)稳态值用终值定理：s·40.（12分）某离散控制器D(z)(1)差分方程；(2)若输入为单位阶跃，求前三个采样时刻输出u(解：(1)交叉相乘：(z反变换：u差分方程：u(2)阶跃输入e(k)=uuu41.（14分）某立体仓库堆垛机水平运行采用伺服电机+齿轮齿条，电机额定转矩=15N·m，额定转速=3000r/min，齿轮节圆半径r=0.1m，负载质量m=(1)克服摩擦力所需电机转矩；(2)若要求0.5s内从静止加速到1.5m/s，电机需提供最大转矩；(3)校验15N·m额定转矩是否满足。解：(1)摩擦力=μ齿条力折算到电机轴：==(2)加速度a=惯性力=m总力F=电机转矩T=(3)177.6N·m远大于15N·m，故需加减速机。设减速比i，则=≤15⇒i≥42.（15分）某柔性制造单元由3台机床、1台机器人、1条输送线组成，采用OPCUA实现设备互联。请设计一套“设备状态监测与预测性维护”信息模型，要求：(1)画出地址空间层级（至3级）；(2)给出5个自定义变量节点及其数据类型；(3)说明如何利用Pub/Sub将振动烈度>5mm/s事件发布至云端。答案：(1)层级：Server└─Objects└─ManufacturingCell├─MachineTool_1│├─Spindle│└─CoolantSystem├─Robot_1│├─AxisGroup│└─Gripper└─Conveyor_1├─Motor└─Belt(2)自定义变量节点：a.SpindleVibVelocity，Double，单位mm/sb.ToolWearIndex，Double，0～1c.RobotJointTemperature，Double[6]，数组d.MotorCurrentRMS，Double，单位Ae.BeltTensionForce，Double，单位N(3)实现：1.在Server端部署PubSub配置，发布者绑定至SpindleVibVelocity；2.设置DataChangeTrigger为StatusValue，Deadband=5mm/s（绝对值）；3.当采样值>5mm/s时，UADP报文通过MQTT映射推送至云端Broker；4.云端订阅主题“/cell/machine1/spindle/alert”，触发Lambda函数写入时序数据库并推送手机APP。七、编程题（共30分）43.（30分）使用IEC61131-3结构化文本（ST）编写一个“柔性送料队列”功能块，要求：1.支持最多50个零件号（STRING[20]）的FIFO；2.提供Push、Pop、Clear、IsFull、IsEmpty接口；3.Push需检查重复，重复则返回错误码16#8001；4.Pop返回第一个零件号并更新队列；5.所有接口在1ms内完成（CPU指令周期5ns，假设无需优化）。答案：FUNCTION_BLOCKFlexibleQueueVAR_INPUTEnable:BOOL;Command:(NONE,PUSH,POP,CLEAR);PartID:STRING[20];END_VARVAR_OUTPUTDone:BOOL;Error:BOOL;ErrorID:WORD;OutPart:STRING[20];END_VARVARQueue:ARRAY[0..49]OFSTRING[20];Head:UINT:=0;Tail:UINT:=0;Count:UINT:=0;i:UINT;Duplicate:BOOL;END_VARMETHODPush:BOOLIFCount=50THENError:=TRUE;ErrorID:=16#8000;RETURN;END_IF;Duplicate:=FALSE;FORi:=0TOCount-1DOI