2025年自动化与控制技术专业考试试题及答案

2025年自动化与控制技术专业考试试题及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1在PID控制器中，积分时间Ti增大时，系统闭环阶跃响应的A.超调量减小，调节时间缩短B.超调量增大，调节时间延长C.稳态误差减小，抗高频干扰能力增强D.稳态误差增大，抗高频干扰能力减弱答案：A1.2某最小相位系统的开环传递函数为G(s)=10(0.1s+1)/[s(0.5s+1)(0.02s+1)]，其幅值穿越频率ωc约为A.5rad/sB.10rad/sC.20rad/sD.40rad/s答案：B1.3采用零阶保持器(ZOH)将连续信号e(t)=sin(10πt)以采样周期T=0.02s离散化，所得序列e(k)的基波数字频率为A.0.1πradB.0.2πradC.0.4πradD.0.8πrad答案：B1.4在状态空间模型ẋ=Ax+Bu,y=Cx+Du中，系统完全能控的充分必要条件是A.rank[BAB…A^(n1)B]=nB.rank[C^T(CA)^T…(CA^(n1))^T]=nC.矩阵A的特征值均具有负实部D.传递函数无零极点对消答案：A1.5对于一阶惯性环节K/(Ts+1)，当输入为单位斜坡信号r(t)=t时，其稳态跟踪误差为A.0B.KC.TD.∞答案：D1.6在PLC梯形图中，若常开触点I0.0与常闭触点I0.1串联后驱动线圈Q0.0，则Q0.0为1的条件是A.I0.0=1且I0.1=0B.I0.0=1且I0.1=1C.I0.0=0且I0.1=0D.I0.0=0且I0.1=1答案：A1.7某直流电机采用双闭环调速，速度环PI参数为Kp、Ki，电流环已整定为理想一阶惯性。若负载转矩突变，最先起调节作用的是A.电流环B.速度环C.电机反电动势D.测速发电机滤波环节答案：A1.8在IEEE802.11DCF机制中，CSMA/CA采用ACK帧的主要目的是A.实现载波监听B.提供二进制指数退避C.确认帧是否正确接收，避免隐藏节点冲突D.实现优先级区分答案：C1.9对于线性定常系统，若状态矩阵A具有n个互异特征值，则系统稳定的充分必要条件是A.A为对称矩阵B.所有特征值位于单位圆内C.所有特征值位于左半开平面D.存在正定矩阵P使A^TP+PA=0答案：C1.10在模型预测控制(MPC)中，若预测时域P=10，控制时域M=3，则在线优化变量个数为A.3B.10C.13D.30答案：A2.多项选择题（每题3分，共15分；每题至少有两个正确答案，多选少选均不得分）2.1下列关于奈奎斯特稳定判据的描述正确的有A.开环右半平面极点数P=0时，若奈氏曲线不包围(−1,j0)，则闭环稳定B.奈氏曲线对称于实轴C.对于非最小相位系统，判据不再适用D.判据可直接给出稳定裕度答案：ABD2.2关于采样系统稳定性，正确的有A.当采样周期T→0时，离散极点→连续极点B.双线性变换将z平面单位圆映射为s左半平面C.零阶保持器会引入相位滞后D.离散系统稳定当且仅当所有极点位于z平面单位圆外答案：ABC2.3下列属于现场总线协议的有A.PROFINETB.EtherCATC.RS232D.CANopen答案：ABD2.4在状态反馈极点配置中，若系统完全能控，则A.可通过反馈矩阵K任意配置闭环极点B.反馈不改变系统零点C.反馈可能改变系统能观性D.反馈后系统传递函数必为最小相位答案：ABC2.5关于模糊PID控制器，正确的有A.模糊规则表可在线调整PID参数B.模糊化过程需对误差及误差变化率进行量化C.解模糊常用重心法D.模糊PID一定优于传统PID答案：ABC3.填空题（每空2分，共20分）3.1某二阶系统阻尼比ζ=0.6，自然频率ωn=5rad/s，则其超调量σ%=________%，调节时间(±2%)ts≈________s。答案：9.48，1.333.2已知连续控制器D(s)=2+1/(0.5s)，用后向差分法离散，设T=0.1s，则D(z)=________。答案：(2.2z−2)/(z−1)3.3在PLC中，若VD100存储32位浮点数−6.25，则对应的IEEE754十六进制表示为________。答案：C0C80000H3.4某伺服电机额定转矩TN=2N·m，额定转速nN=3000r/min，则额定功率P=________kW。答案：0.6283.5对于系统G(s)=1/(s+2)^3，采用单位负反馈，其闭环极点个数为________，其中实极点个数为________。答案：3，13.6在MPC滚动优化中，目标函数通常写成J=(R−Y)^TQ(R−Y)+ΔU^TRΔU，其中Q为________矩阵，R为________矩阵。答案：输出误差加权，控制增量加权3.7若某离散系统脉冲传递函数H(z)=(0.2z+0.1)/(z^2−1.5z+0.7)，则其静态增益K=________。答案：13.8在工业以太网中，EtherCAT采用________帧方式实现“________”传输，从而减小抖动。答案：集总，onthefly4.简答题（共30分）4.1（封闭型，6分）写出劳斯稳定判据步骤，并用其判断特征方程s^4+3s^3+5s^2+6s+2=0的稳定性。答案：步骤：1.系数同号且无缺项；2.列劳斯表；3.首列符号变化次数=右半平面根数。劳斯表：s^4152s^3360s^232s^14s^02首列无符号变化→系统稳定。4.2（开放型，8分）解释“时间尺度分离”原则在双闭环直流调速系统中的应用，并说明电流环与速度环带宽通常如何选取。答案：时间尺度分离指电流环动态远快于速度环，使二者可独立整定。电流环带宽一般取1/5~1/10开关频率，速度环带宽再低10倍以上，确保内环对外环而言可视为静态增益。4.3（封闭型，6分）给定状态方程ẋ=[01;−3−4]x+[0;1]u，y=[20]x，求传递函数G(s)。答案：G(s)=C(sI−A)^{1}B=2/(s^2+4s+3)。4.4（开放型，10分）简述模型预测控制为何能处理约束，并给出硬约束与软约束的区别及工程处理方法。答案：MPC将约束写入在线优化问题，用二次规划求解。硬约束必须满足，如执行器饱和；软约束通过松弛变量引入罚函数，防止不可行解，工程上常对输出约束采用软约束，对输入幅值采用硬约束。5.应用题（共65分）5.1计算题（15分）某温度过程可近似为一阶惯性加时滞：G(s)=2e^(−4s)/(15s+1)。采用ZN阶跃响应法整定PI参数，求Kp、Ti。答案：Ku≈2，Tu≈13.3s；ZNPI：Kp=0.9Ku/2=0.45，Ti=Tu/1.2=11.08s。5.2分析题（20分）离散系统结构：零阶保持器+G(s)=10/[s(s+1)]，T=0.5s。(1)求脉冲传递函数G(z)；(2)判断闭环稳定性（单位负反馈）；(3)若加入数字PIDD(z)=Kp+KiT/(z−1)+Kd(z−1)/(Tz)，给出临界稳定Ki表达式。答案：(1)G(z)=Z{(1−e^(−Ts))/s·10/[s(s+1)]}=10[(T−1+e^(−T))z+(1−e^(−T)−Te^(−T))]/[(z−1)(z−e^(−T))]，代入T=0.5得G(z)=(1.073z+0.767)/[(z−1)(z−0.606)]。(2)闭环特征方程1+G(z)=0→z^2−0.533z+0.161=0，根|z|<1，稳定。(3)仅积分作用：1+Ki·0.5z/[(z−1)(z−0.606)]=0，临界稳定时令z=−1，解得Ki=2(1+0.606)/0.5=6.424。5.3综合设计题（30分）某倒立摆线性化模型：ẋ=[0100;00−mg/M0;0001;00(M+m)g/(Ml)0]x+[0;1/M;0;−1/(Ml)]uy=[1000;0010]x参数：M=1kg，m=0.2kg，l=0.5m，g=9.81m/s²。任务：(1)验证系统能控性；(2)设计状态反馈K使闭环极点位于−2±2j,−6,−7；(3)由于仅有角度可测，设计降维观测器（估计角速度与小车位移、速度），观测器极点−10,−10,−12；(4)给出分离原理成立的依据；(5)在MATLAB中写出关键代码片段。答案：(1)rank(ctrb(A,B))=4，能控。(2)用acker或place得K=[−58.3−38.1−175.4−28.6]。(3)将系统按可测/不可测分块，构造观测器增益L=[14.2;92.5;240]，误差动态极点满足要求。(4)系统线性且能控能观，故分离原理成立，反馈与观测器可独立设计。(5)代码：K=place(A,B,[2+2j22j67]);L=place(A',C',[101012])';Ae=ABK;Ao=ALC;6.编程与仿练习题（共20分）6.1（10分）在Simulink中建立采样周期T=0.01s的直流电机双闭环模型，电机参数：Ra=2Ω，La=5mH，Ke=0.1V·s/rad，Kt=0.1N·m/A，J=0.02kg·m²，B=0.001N·m·s/rad。要求：(1)电流环PI参数按阻尼比0.707设计，带宽500Hz；(2)速度环PI参数按相位裕度45°设计，带宽50Hz；(3)给出Simulink顶层图截图要点及关键模块参数。答案：电流环：Kp=0.035，Ki=25；速度环：Kp=0.42，Ki=26.5；模块：PowerElectronics→HBridge，Sensor→Encoder1024ppr，Control→DiscretePIwithantiwindup。6.2（10分）用Python编写SCADA与ModbusTCP网关脚本，实现读取保持寄存器40001~40010，并将数据通过MQTT发布到主题“factory/line1/temp”。要求异常重连、日志记录。给出核心代码。答案：```pythonimportmodbus_tk.modbus_tcpasmtimportpaho.mqtt.clientasmqttimporttime,logginglogging.basicConfig(level=logging.INFO)defmain():whileTrue:try:mb=mt.TcpMaster(host='00',port=502);mb.open()mq=mqtt.Client();mq.connect('broker.emqx.io',1883,60);mq.loop_start()whileTrue:regs=mb.execute(1,3,0,10)mq.publish('factory/line1/temp',','.join(map(str,regs)),qos=1)time.sleep(5)exceptExceptionase:logging.error(e)time.sleep(10)if__name__=='__main__':main()```7.论述题（共20分）7.1（20分）结合工业4.0背景，论述边缘计算在自动化控制系统中的角色、关键技术挑战及与云端协同的架构方案，要求给出具体案例（不少于300字）。答案：边缘计算在工业4.0中承担低延迟、高可靠、数据本地处理的枢纽角色。关键技术挑战包括：1.实时操作系