2026年计算机控制技术试卷资源附答案

2026年计算机控制技术试卷资源附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.香农采样定理指出，为了无失真恢复连续信号，采样频率至少应为原信号最高频率的（）。A.0.5倍B.1倍C.2倍D.4倍2.零阶保持器的频率特性在ω=0处的幅值为（）。A.TB.1C.T/2D.2T3.数字PID控制器中，积分项的作用是（）。A.减小稳态误差B.提高响应速度C.抑制超调D.增强抗干扰能力4.已知连续系统传递函数G(s)=1/(s+1)，采用双线性变换法离散化（T=1s），得到的离散传递函数G(z)为（）。A.(z-1)/(z+1)B.(z+1)/(z-1)C.2(z-1)/(3z-1)D.(z-1)/(2z+1)5.以下不属于数字滤波方法的是（）。A.中值滤波B.卡尔曼滤波C.算术平均滤波D.零阶保持滤波6.状态空间表达式中，若系统矩阵A的特征值均位于z平面的（），则离散系统渐近稳定。A.单位圆外B.单位圆内C.虚轴右侧D.实轴上方7.直接数字控制（DDC）系统中，计算机的主要任务是（）。A.设定最优给定值B.实时采集数据并输出控制量C.协调多台控制器D.完成复杂数学运算8.采用周期采样的计算机控制系统中，若采样周期T增大，系统的稳定性会（）。A.增强B.不变C.减弱D.先增强后减弱9.某二阶离散系统的特征方程为z²-1.5z+0.5=0，其根为（）。A.z=1和z=0.5B.z=2和z=0.25C.z=1.5和z=-0.5D.z=1和z=0.510.计算机控制系统中，A/D转换器的分辨率通常用（）表示。A.转换时间B.位数C.满量程误差D.线性度二、填空题（每空2分，共20分）1.计算机控制系统的典型组成包括被控对象、（）、（）、执行机构和人机接口。2.数字控制器的设计方法主要有（）和（）两大类，前者基于连续系统设计再离散化，后者直接在离散域设计。3.采样保持器（S/H）的作用是（），避免A/D转换期间输入信号变化导致误差。4.离散系统的脉冲传递函数定义为（）在零初始条件下的Z变换之比。5.PID控制的微分作用可通过（）近似实现，常用的离散化方法有（）和（）。6.状态反馈控制中，若要使闭环系统极点任意配置，需满足（）条件。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述计算机控制系统中“信号重构”的含义及常用实现方法。2.比较增量式PID控制与位置式PID控制的优缺点。3.说明z平面与s平面的映射关系，并解释为何离散系统稳定性分析需关注单位圆。4.列举三种计算机控制系统抗干扰措施，并简述其原理。5.简述模型预测控制（MPC）的基本思想及其在计算机控制中的应用优势。四、分析计算题（每题10分，共20分）1.已知连续被控对象传递函数G(s)=K/(s(s+1))，采样周期T=1s，采用零阶保持器。（1）求广义对象的脉冲传递函数G(z)；（2）若要求闭环系统单位阶跃响应无稳态误差，且主导极点位于z=0.6±j0.3（对应阻尼比ζ=0.707），设计数字控制器D(z)的表达式。2.某温度控制系统采用计算机控制，采样周期T=0.5s，被控对象的差分方程为y(k)+0.5y(k-1)=u(k-1)+0.3u(k-2)。（1）写出系统的状态空间表达式（选y(k)和y(k-1)为状态变量）；（2）判断系统的能控性和能观性；（3）若设计状态反馈控制器u(k)=-Lx(k)，使闭环系统特征值为z1=0.2，z2=0.5，求反馈矩阵L。五、综合设计题（20分）设计一个基于STM32的计算机温度控制系统，要求控制精度±0.5℃，响应时间≤10s，具备超限报警功能。需完成以下内容：（1）硬件架构设计：画出主要硬件模块框图，标注关键器件（如传感器、A/D、D/A、执行器类型）；（2）软件流程设计：给出主程序流程图，包含数据采集、数字滤波、PID控制算法、报警判断和输出控制环节；（3）控制参数整定建议：说明PID参数的初始整定方法（如临界比例度法）及调整依据。答案一、单项选择题1.C2.B3.A4.C5.D6.B7.B8.C9.A10.B二、填空题1.测量变送装置；计算机（或控制器）2.模拟化设计法；离散化设计法3.保持采样时刻的模拟信号值直到转换结束4.输出信号与输入信号的Z变换5.差分；向前差分；向后差分（或双线性变换）6.系统能控三、简答题1.信号重构指将离散的数字信号恢复为连续模拟信号的过程。常用方法：零阶保持器（输出保持采样时刻值直到下一时刻）、一阶保持器（线性外推），其中零阶保持器因实现简单应用最广。2.增量式PID输出为控制量的增量，误动作影响小，易实现手动/自动切换；位置式PID输出为控制量绝对值，需累加运算，积分饱和风险大。增量式适用于执行器为步进电机等积分型设备，位置式适用于电动调节阀等直接接收绝对信号的设备。3.s平面到z平面的映射关系为z=e^(sT)，其中s=σ+jω，对应z=e^(σT)(cosωT+jsinωT)。s平面左半平面（σ<0）映射到z平面单位圆内（|z|=e^(σT)<1），因此离散系统稳定的充要条件是所有特征根位于z平面单位圆内。4.①硬件滤波：在信号输入/输出端加RC低通滤波器，抑制高频干扰；②光电隔离：通过光耦隔离数字与模拟电路，阻断共模干扰；③软件冗余：对关键数据多次采样取平均，避免单次采样错误。5.MPC基本思想：基于预测模型、滚动优化和反馈校正，利用当前时刻信息预测未来输出，在线求解有限时域内的优化控制序列。优势：适用于多变量、约束系统，鲁棒性强，能直接处理输入/输出约束，广泛应用于化工、电力等复杂工业过程。四、分析计算题1.（1）广义对象G(z)=Z[G_h(s)G_p(s)]=Z[(1-e^(-sT))/(s)·K/(s(s+1))]G_h(s)G_p(s)=K(1-e^(-sT))/[s²(s+1)]，展开为部分分式后求Z变换：G(z)=Kz[(T-1+e^(-T))z+(1-Te^(-T)-e^(-T))]/[(z-1)²(z-e^(-T))]，代入T=1得：G(z)=Kz[(1-1+e^(-1))z+(1-1·e^(-1)-e^(-1))]/[(z-1)²(z-e^(-1))]=Kz[(e^(-1))z+(1-2e^(-1))]/[(z-1)²(z-e^(-1))]≈Kz(0.368z+0.264)/[(z-1)²(z-0.368)]（2）无稳态误差要求闭环脉冲传递函数Φ(z)在z=1处有双重极点（因对象含积分环节）。主导极点z=0.6±j0.3，模r=√(0.6²+0.3²)=√0.45≈0.67，对应s平面极点σ=ln(r)/T≈ln(0.67)/1≈-0.4，ω=arctan(0.3/0.6)=0.464rad/s。设计Φ(z)=[(z-0.6)^2+0.3^2]/(z-1)^2·(z-a)，通过极点配置确定a，最终D(z)=Φ(z)/[G(z)(1-Φ(z))]。2.（1）状态变量x1(k)=y(k)，x2(k)=y(k-1)，则：x1(k+1)=y(k+1)=-0.5y(k)+u(k)x2(k+1)=y(k)=x1(k)输出方程y(k)=x1(k)状态空间表达式：x(k+1)=[[-0.50],[10]]x(k)+[[1],[0]]u(k)y(k)=[10]x(k)（2）能控性矩阵Qc=[BAB]=[[1-0.5],[01]]，秩为2，能控；能观性矩阵Qo=[C;CA]=[[10],[-0.50]]，秩为1<2，不能观。（3）闭环特征多项式为(z-0.2)(z-0.5)=z²-0.7z+0.1原系统特征多项式为det(zI-A)=z²+0.5z状态反馈后矩阵A-BL=[[-0.5-l1-l2],[10]]，特征多项式z²+(0.5+l1)z+l2=z²-0.7z+0.1解得l1=-1.2，l2=0.1，故L=[l1l2]=[-1.20.1]五、综合设计题（1）硬件架构：传感器（PT100热电阻）→信号调理（恒流源+差分放大+滤波）→A/D转换器（16位，如AD7606）→STM32F407（主控制器）→D/A转换器（12位，如AD5754）→执行器（固态继电器控制加热丝/半导体制冷片）→电源模块（5V/12V隔离供电）。（2）软件流程：主程序初始化（时钟、GPIO、ADC、DAC、定时器）→进入循环：①数据采集：定时器中断触发ADC采样（10次/周期），读取PT100电压值；②数字滤波：采用中位值平均滤波（先取5次采样的中值，再取3次中值的平均）；③温度转换：查表法或线性插值（根据PT100电阻-温度特性）；④PID计算：输入设定值与实际温度的偏差，计算控制量u(k)=Kp[e(k)+(T/Ti)Σe(j)+(Td/T)(e(k)-e(k-1))]；⑤报警判断：若|实际温度-设定值|>0.5℃，触发蜂鸣器报警；⑥输出控制：将u(k)转换为0-5V电压信号（通过DAC），控制固态继电器通断比；⑦延时等待