2026年电气自动化控制系统设计高级课程考核试卷及答案

2026年电气自动化控制系统设计高级课程考核试卷及答案一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）

1.在自动化控制系统中，用于将连续的模拟信号（如4-20mA电流）转换为计算机可处理的数字信号的器件是（）。

A.DAC(数模转换器)

B.ADC(模数转换器)

C.PLC(可编程逻辑控制器)

D.SCR(晶闸管)

2.某PID控制系统中，比例带（PB）与比例增益（Kp）的关系是（）。

A.PB=Kp

B.PB=1/Kp

C.PB=Kp100%

D.PB=100%/Kp

3.在西门子S7-1200/1500PLC编程中，用于组织程序结构的主要块是（）。

A.FC(功能)

B.FB(功能块)

C.OB(组织块)

D.DB(数据块)

4.下列关于RS-485通信标准的描述，错误的是（）。

A.采用差分传输方式，抗共模干扰能力强

B.支持多机通信，即一对双绞线上可连接多个收发器

C.传输距离在标准波特率下最远可达1200米

D.是全双工通信方式，可同时发送和接收数据

5.在电气控制回路中，通常利用（）来实现电动机的“互锁”控制，防止正反转接触器同时吸合造成短路。

A.按钮的机械联锁

B.接触器的常闭辅助触点

C.接触器的常开辅助触点

D.热继电器的常闭触点

6.某传感器量程为0-100℃，输出信号为4-20mA。当温度为50℃时，对应的输出电流应为（）。

A.8mA

B.10mA

C.12mA

D.14mA

7.在变频调速系统中，若保持恒转矩调速（即恒磁通调速），则定子电压U1和频率f1的控制方式应为（）。

A.U1/f1=常数

B.U1f1=常数

C.U1=常数

D.f1=常数

8.ModbusTCP协议运行在（）。

A.物理层

B.数据链路层

C.网络层

D.应用层

9.在DCS（集散控制系统）的层次结构中，负责生产过程控制、直接与现场设备连接的层级是（）。

A.管理层

B.生产控制层

C.现场控制层

D.经营决策层

10.下列哪种滤波算法对于消除周期性干扰（如工频干扰）效果最好？（）

A.算术平均值滤波

B.中值滤波

C.惯性滤波（一阶滞后滤波）

D.复合滤波

11.在安全仪表系统（SIS）中，安全完整性等级（SIL）最高等级为（）。

A.SIL1

B.SIL2

C.SIL3

D.SIL4

12.某步进电机的步距角为1.8°，如果采用4细分驱动技术，则实际运行时的步距角变为（）。

A.0.9°

B.0.45°

C.1.8°

D.3.6°

13.在PLC梯形图编程中，定时器TON的使能端（IN）由1变为0时，定时器当前值（PT）和输出位（Q）的状态将（）。

A.继续计时，Q保持1

B.当前值保持不变，Q复位为0

C.当前值清零，Q复位为0

D.当前值保持不变，Q保持1

14.工业以太网ProfinetIO中，RT（实时）通信和IRT（等时实时）通信的主要区别在于（）。

A.RT基于TCP/IP，IRT基于UDP

B.IRT需要交换机支持，RT不需要

C.IRT的刷新速度比RT快，且具有确定性抖动

D.RT用于过程数据，IRT用于报警数据

15.闭环控制系统的稳态误差与（）有关。

A.系统的开环增益

B.系统的时间常数

C.输入信号的幅值

D.以上都是

二、多项选择题（本大题共10小题，每小题3分，共30分。在每小题给出的四个选项中，有两项或两项以上是符合题目要求的。多选、少选、错选均不得分）

1.电气自动化控制系统设计中，接地系统的主要作用包括（）。

A.提供设备零电位参考

B.防止雷击损坏设备

C.抑制电磁干扰（EMI）

D.保护人身安全（漏电保护）

2.下列关于PLC扫描周期的工作过程，描述正确的有（）。

A.分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段

B.在输入采样阶段，读取所有输入端子的状态并存入输入映像寄存器

C.在程序执行阶段，直接读取输入端子的物理状态

D.在输出刷新阶段，将输出映像寄存器的内容传送到输出锁存器

3.常见的工业现场总线类型包括（）。

A.PROFIBUSDP

B.ModbusRTU

C.CC-Link

D.IEEE802.11(Wi-Fi)

4.在PID控制器参数整定中，增大积分时间常数（Ti）会产生的影响是（）。

A.积分作用减弱

B.消除稳态误差的速度变慢

C.系统的稳定性可能提高

D.系统的超调量减小

5.电气原理图设计中，需要遵循的原则有（）。

A.所有电器的触点均按线圈未通电或不受外力作用时的状态画出

B.主电路用粗实线绘制，控制电路用细实线绘制

C.同一电器的各个部件按其实际位置画在一起

D.动力电路的垂直线画成水平线，控制电路的垂直线画成垂直线

6.组态软件（SCADA）通常具备的功能包括（）。

A.实时数据采集与监控

B.历史数据存储与趋势显示

C.报警管理与记录

D.用户权限管理

7.导致伺服电机产生“爬行”现象的可能原因有（）。

A.增益设置过低

B.润滑不良或摩擦力不均匀

C.输入指令信号含有低频噪声

D.速度环反馈信号断路

8.在DCS与PLC的网络集成中，常用的网关协议转换功能包括（）。

A.ModbusTCP转OPCUA

B.ProfibusDP转ProfinetIO

C.异步串口(RS-232/485)转以太网

D.模拟信号(4-20mA)转数字信号

9.电磁兼容性（EMC）设计中的主要干扰抑制技术包括（）。

A.屏蔽

B.滤波

C.接地

D.隔离

10.在自动化系统调试阶段，常见的故障排查方法有（）。

A.替换法

B.比较法

C.梯形图逻辑追踪法

D.强制置位/复位法

三、填空题（本大题共15空，每空2分，共30分）

1.国际电工委员会（IEC）规定的PLC编程语言标准IEC61131-3中，包含五种语言，分别是梯形图（LD）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、结构化文本（ST）和__________。

2.在电气控制系统中，热继电器主要用于电动机的__________保护。

3.某光电编码器每转输出2000个脉冲，经过4倍频电路处理后，PLC接收到的脉冲数为__________个/转。

4.在过程控制中，对象的纯滞后时间τ与时间常数T之比（τ/T）越大，说明控制过程越__________。

5.工业机器人常用的坐标系包括基坐标系、关节坐标系、工具坐标系和__________。

6.在ModbusRTU通信协议中，CRC校验占用__________个字节。

7.西门子S7-300/400PLC中，通过__________接口模块可以实现ProfibusDP主站与从站之间的数据通信。

8.某直流电机额定电压24V，额定电流5A，电枢回路电阻0.5Ω。当电机启动时，若不串接启动电阻，直接启动电流约为__________A。

9.在自动控制系统中，将输出量反馈到输入端并与给定信号进行比较的环节称为__________环节。

10.工业以太网传输介质中，抗电磁干扰能力最强的是__________。

11.电气控制柜内布线时，交流线与直流线、强电线与信号线应尽量__________敷设，以减少干扰。

12.PID控制中的“D”代表微分作用，其主要作用是改善系统的__________。

13.在触摸屏（HMI）组态中，用于连接PLC内部地址与画面显示元素的桥梁称为__________。

14.某压力变送器量程为0-1MPa，输出4-20mA，若测得电流为12mA，则对应的压力值为__________MPa。

15.安全PLC为了达到高可靠性，通常采用__________架构，如2oo3（三取二）。

四、简答题（本大题共6小题，每小题10分，共60分）

1.（封闭型）简述PLC（可编程逻辑控制器）与DCS（集散控制系统）在技术特点和应用场景上的主要区别。

2.（开放型）在电气控制柜设计中，为了提高系统的电磁兼容性（EMC），抑制干扰，应采取哪些具体的硬件措施？请至少列举四点并简要说明。

3.（封闭型）什么是变频器的V/f控制？请解释其基本原理以及在低速运行时可能存在的问题及解决方法。

4.（开放型）某液位控制系统采用单回路PID控制，在调试过程中发现系统响应缓慢，且存在较大的稳态误差。请分析可能的原因，并说明应如何调整PID参数以改善控制效果。

5.（封闭型）简述工业以太网Profinet相较于传统现场总线（如ProfibusDP）的优势。

6.（开放型）在自动化系统设计中进行I/O地址分配时，应遵循哪些原则以保证系统的可维护性和扩展性？

五、分析与应用题（本大题共4小题，共100分）

1.（综合类）三相异步电动机的变频调速系统设计（25分）

某水泵厂需要对一台55kW的三相异步电动机进行变频改造，采用变频器控制，要求实现恒压供水。

（1）请画出变频器主回路与控制回路的基本接线原理图（文字描述或图形描述均可，需包含电源、变频器、电机、PLC、启停按钮、电位器给定等关键元件）。（10分）

（2）在变频器参数设置中，如果电机铭牌额定电压380V，额定频率50Hz，额定电流105A，请列出至少4个关键参数的设置值及含义。（8分）

（3）为了实现节能，当管网压力达到设定值时，变频器应自动进入休眠模式。请设计一个简单的PLC逻辑流程（文字描述或伪代码），说明如何实现该休眠/唤醒功能。（7分）

2.（计算类）PID控制器参数整定与响应分析（25分）

某温度控制系统的广义对象传递函数近似为G(s)=。现采用PI控制器进行控制，PI控制器传递函数为(s)=(1+)。

（1）若采用柯恩-库恩（Cohen-Coon）整定公式，已知纯滞后τ=2，时间常数T=10，增益K=2。请计算比例增益和积分时间的整定值。（公式提示：=[1+]，=τ[]）（10分）

（2）如果在投运过程中，发现系统在设定值阶跃变化时，超调量过大（超过40%），且振荡次数较多。请分析应如何调整和参数？（5分）

（3）为了进一步改善动态性能，引入微分作用（D），请说明微分项对系统抗干扰能力和测量噪声的影响。（10分）

3.（分析类）PLC顺序控制系统设计与故障分析（25分）

某机械手搬运系统包含三个工位：取料位（A）、加工位（B）、放料位（C）。机械手的动作流程为：原点（A位上方且下降）→下降抓取→上升→右移至B位→下降松开→上升→右移至C位→下降抓取→上升→左移回原点。系统采用S7-1200PLC控制。

（1）请使用顺序功能图（SFC）或步进梯形图的设计思路，描述该系统的控制逻辑结构（需说明步序、转换条件及动作）。（10分）

（2）在运行过程中，操作员反映机械手在“右移至B位”动作完成后，未执行“下降”动作，而是直接跳过了。请列出可能导致该故障的3种硬件原因和3种软件原因。（10分）

（3）为了防止机械手在垂直下降过程中碰到障碍物导致电机过载，程序中应加入什么保护逻辑？请简要描述。（5分）

4.（综合类）工业网络通信与数据采集系统设计（25分）

某车间有一条生产线，包含1台主PLC（西门子S7-1500），5台从站变频器（支持Profinet），以及1台远程I/O站（ET200SP）。同时需要通过上位机WinCC监控系统进行数据采集。

（1）请设计该系统的网络拓扑结构，并说明ProfinetIO控制器（IOController）和IO设备（IODevice）的角色分配。（8分）

（2）WinCC与S7-1500PLC通信，若采用SimaticS7ProtocolSuite，需要设置哪些关键通信参数？（如IP地址、Rack/Slot等，请具体说明S7-1500的默认Slot值）。（8分）

（3）在数据采集过程中，发现变频器的电流数据在上位机显示不稳定，波动很大。请分析可能的原因，并提出3种相应的解决措施。（9分）

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参考答案与解析

一、单项选择题

1.B

解析：ADC（Analog-to-DigitalConverter）即模数转换器，负责将模拟信号转换为数字信号。DAC是数模转换，PLC是控制器，SCR是电力电子器件。

2.D

解析：比例带PB（ProportionalBand）是比例增益Kp的倒数表示法，通常以百分数表示，即PB=100%/Kp。例如，Kp=1时，PB=100%；Kp=2时，PB=50%。

3.C

解析：OB（OrganizationBlock，组织块）是操作系统与用户程序的接口，决定了程序的结构（如OB1主循环，OB35循环中断，OB100启动等）。FC和FB是用户编写的功能块，DB是数据块。

4.D

解析：RS-485是半双工通信方式，不能同时发送和接收，需要通过控制方向引脚切换。A、B、C选项描述均正确。

5.B

解析：电气互锁通常利用接触器或继电器的常闭（NC）辅助触点串联在对方线圈回路中，确保一个接触器吸合时，另一个线圈回路被断开。

6.C

解析：4-20mA对应量程0-100℃。电流I=4+(20-4)(Temp/100)。Temp=50时，I=4+160.5=12mA。

7.A

解析：恒压频比控制（U/f=常数）是异步电机变频调速的基本控制方式，目的是保持气隙磁通恒定，从而保证转矩能力。

8.D

解析：ModbusTCP是封装在TCP/IP协议之上的应用层协议，对应OSI七层模型的第7层。

9.C

解析：现场控制层（ProcessControlLevel）位于DCS的最底层，直接连接现场传感器和执行器，实现数据采集和回路控制。

10.C

解析：算术平均值对随机干扰有效；中值滤波对脉冲干扰有效；惯性滤波（一阶滞后）相当于低通滤波器，对周期性高频干扰（如工频）有较好的平滑抑制作用。

11.D

解析：根据IEC61508标准，安全完整性等级分为SIL1,SIL2,SIL3,SIL4，其中SIL4等级最高。

12.B

解析：细分驱动是将步距角进一步细分。细分后的步距角=原步距角/细分数。1.8°/4=0.45°。

13.C

解析：对于TON（接通延时定时器），当IN由1变0时，定时器复位，当前值清零，输出位Q变为0。

14.C

解析：IRT（等时实时）用于需要极高同步精度的运动控制，通过预留带宽和精确时间调度实现抖动极小；RT（实时）用于普通过程数据交换，速度快但抖动略大于IRT。

15.D

解析：稳态误差取决于系统的型别（开环传递函数中积分环节的个数）、开环增益以及输入信号的形式（阶跃、斜坡等）。

二、多项选择题

1.ABCD

解析：接地系统在工业控制中起到多重作用：提供参考电位（A）、防雷（B）、EMC/EMI抑制（C）以及安全保护（D，防止绝缘击穿外壳带电）。

2.ABD

解析：PLC扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新。输入采样阶段锁存输入状态；程序执行阶段基于映像寄存器运算，不直接读物理端口（C错）；输出刷新阶段更新物理输出。

3.ABC

解析：PROFIBUSDP、ModbusRTU、CC-Link均为常见的工业现场总线。IEEE802.11是无线局域网标准，虽然工业无线应用在增加，但传统分类中不归为现场总线。

4.ABCD

解析：积分时间常数Ti增大，积分项/变小，积分作用减弱（A）。积分作用弱，消除误差速度变慢（B）。积分作用减弱通常会使系统超调减小，稳定性相对提高（C、D）。

5.AB

解析：电气原理图绘制原则：电器按未受外力状态画（A对）；主电路粗线，控制电路细线（B对）；同一电器部件按实际位置画是错误原则，应按原理连接画，不按物理位置（C错）；动力电路通常画成垂直线，控制电路画成水平线（D错描述相反）。

6.ABCD

解析：SCADA系统核心功能即包含实时监控（A）、历史数据（B）、报警（C）和安全管理（D）。

7.ABC

解析：爬行现象通常与低速特性有关。增益过低导致刚性差（A）；摩擦力不均匀（如润滑不良）导致粘滑效应（B）；低频噪声导致指令波动（C）。反馈信号断路通常导致飞车或报警，而非爬行（D错）。

8.ABC

解析：网关主要进行协议转换。A、B、C均为常见的协议转换场景。D（模拟转数字）是信号调理，属于I/O模块或变送器功能，不属于网关协议转换。

9.ABCD

解析：EMC设计的三大核心技术为屏蔽、滤波、接地。隔离（如光耦）也是切断地环路干扰的重要手段。

10.A