自动化控制理论及实践试题集

自动化控制理论及实践试题集姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.自动化控制系统的基本组成是什么？

A.控制对象、控制器、执行器

B.控制对象、传感器、执行器

C.控制对象、控制器、传感器、执行器

D.控制对象、控制器、执行器、反馈环节

2.稳态误差的两种基本类型是什么？

A.绝对误差和相对误差

B.稳态误差和暂态误差

C.预设误差和实际误差

D.系统误差和非系统误差

3.开环控制系统与闭环控制系统的区别是什么？

A.控制策略不同

B.结构不同

C.动态特性不同

D.以上都是

4.根据系统的数学模型，系统可分为哪几类？

A.线性系统、非线性系统

B.稳定系统、不稳定系统

C.时变系统、时不变系统

D.拉普拉斯域系统、时域系统

5.稳态误差的计算公式是什么？

A.\(e_{ss}=\frac{1}{K_p}\)

B.\(e_{ss}=\frac{K_p}{K_v}\)

C.\(e_{ss}=\frac{1}{K_i}\)

D.\(e_{ss}=\frac{K_i}{K_p}\)

6.闭环控制系统中的反馈类型有哪些？

A.正反馈、负反馈

B.单向反馈、双向反馈

C.全反馈、部分反馈

D.以上都是

7.控制系统中的干扰包括哪些？

A.外部干扰、内部干扰

B.偶然干扰、确定性干扰

C.参数干扰、量测干扰

D.以上都是

8.自动化控制系统的动态特性主要包括哪些？

A.延迟、惯性、振荡、饱和

B.稳定性、响应速度、稳态精度

C.增益、相位、带宽

D.以上都是

答案及解题思路：

1.答案：C。解题思路：自动化控制系统的基本组成包括控制对象、控制器、传感器、执行器，其中控制器负责根据传感器反馈调整执行器的输出，以达到预期的控制效果。

2.答案：A。解题思路：稳态误差的两种基本类型是绝对误差和相对误差，分别表示实际输出与期望输出之间的差值占期望输出的比例。

3.答案：D。解题思路：开环控制系统与闭环控制系统的区别包括控制策略、结构、动态特性等，因此选D。

4.答案：A。解题思路：根据系统的数学模型，系统可分为线性系统和非线性系统，线性系统满足叠加原理，非线性系统不满足叠加原理。

5.答案：D。解题思路：稳态误差的计算公式为\(e_{ss}=\frac{K_i}{K_p}\)，其中\(K_i\)为积分增益，\(K_p\)为比例增益。

6.答案：D。解题思路：闭环控制系统中的反馈类型包括正反馈、负反馈、单向反馈、双向反馈、全反馈、部分反馈等。

7.答案：D。解题思路：控制系统中的干扰包括外部干扰、内部干扰、偶然干扰、确定性干扰、参数干扰、量测干扰等。

8.答案：A。解题思路：自动化控制系统的动态特性主要包括延迟、惯性、振荡、饱和等。二、填空题1.自动化控制系统主要由被控对象、控制器和执行器三部分组成。

2.控制系统中的传递函数可以表示为Y(s)/R(s)=G(s)/H(s)的形式。

3.稳态误差的计算公式为Es=1/G(s)∣s=0。

4.闭环控制系统中的反馈类型包括正反馈、负反馈和零反馈。

5.控制系统中的干扰包括外部干扰、内部干扰和负载扰动。

6.自动化控制系统的动态特性主要包括稳定性、快速性和准确性。

答案及解题思路：

1.答案：被控对象、控制器、执行器

解题思路：自动化控制系统由这三部分组成，被控对象是受控的物理或化学过程，控制器是负责调节和决策的部分，执行器是实际执行控制指令的设备。

2.答案：Y(s)/R(s)=G(s)/H(s)

解题思路：传递函数是系统输入和输出在拉普拉斯变换域的比值，其中Y(s)是输出信号的拉普拉斯变换，R(s)是输入信号的拉普拉斯变换，G(s)是系统的传递函数，H(s)是系统的反馈传递函数。

3.答案：Es=1/G(s)∣s=0

解题思路：稳态误差是在系统达到稳态时，输出信号与期望值之间的偏差。在拉普拉斯变换域中，通过计算在s=0时传递函数G(s)的值来确定稳态误差。

4.答案：正反馈、负反馈、零反馈

解题思路：反馈是闭环控制系统中的重要组成部分，正反馈增加输出，负反馈减少输出，零反馈对输出无影响。

5.答案：外部干扰、内部干扰、负载扰动

解题思路：干扰是指对系统输出产生不良影响的因素，外部干扰来自系统外部，内部干扰来自系统内部，负载扰动是系统负载变化引起的干扰。

6.答案：稳定性、快速性、准确性

解题思路：动态特性描述了系统对输入变化的响应，稳定性指系统能否稳定运行，快速性指系统响应的速度，准确性指系统输出与期望值的接近程度。三、判断题1.自动化控制系统中的控制器只起到调节作用。

答案：错误

解题思路：控制器在自动化控制系统中不仅起到调节作用，还负责决策、指令输出等多种功能。调节作用是控制器最基本的功能，但并非唯一。

2.稳态误差越大，控制效果越好。

答案：错误

解题思路：稳态误差是指系统达到稳态时，实际输出值与期望值之间的差值。通常，稳态误差越小，控制效果越好，说明系统能够更精确地跟踪期望值。

3.开环控制系统中的控制对象是稳定的。

答案：错误

解题思路：开环控制系统中的控制对象不一定是稳定的。由于开环系统没有反馈机制，其控制对象的稳定性需要外部条件来保证。

4.闭环控制系统中的反馈可以提高系统的稳定性和精度。

答案：正确

解题思路：闭环控制系统通过将输出信号反馈到输入端，实现对系统的动态调整。这种反馈机制可以增强系统的稳定性，提高控制精度。

5.系统的数学模型可以完全描述其动态特性。

答案：错误

解题思路：数学模型是描述系统动态特性的工具，但并不能完全描述其所有特性。实际系统中可能存在非线性、不确定性等因素，无法通过数学模型完全描述。

6.自动化控制系统中的干扰对系统功能有负面影响。

答案：正确

解题思路：干扰是影响自动化控制系统功能的因素之一。干扰会导致系统输出偏差，降低控制精度和稳定性。

7.系统的动态特性不受初始条件的影响。

答案：错误

解题思路：系统的动态特性与初始条件有关。在一定的初始条件下，系统可能表现出不同的动态行为。四、简答题1.简述自动化控制系统的基本组成及其作用。

基本组成：

控制对象：被控的物理系统，如温度、压力、流量等。

控制器：根据控制算法对控制对象进行控制的装置。

执行器：根据控制器输出的控制信号对控制对象进行操作的装置。

检测元件：对控制对象的状态进行检测，并将信息反馈给控制器的装置。

作用：

实现对控制对象的精确控制。

提高系统的稳定性和可靠性。

改善系统功能，如提高响应速度、降低误差等。

2.解释稳态误差的概念及其影响因素。

稳态误差的概念：

稳态误差是指在系统稳定运行时，实际输出与期望输出之间的差值。

影响因素：

控制器的类型和参数。

控制对象的动态特性。

期望输出的稳定性。

3.举例说明闭环控制系统中的反馈类型及其作用。

反馈类型：

正反馈：反馈信号与输入信号同方向，使输出进一步增大。

负反馈：反馈信号与输入信号反方向，使输出减小。

作用：

提高系统的稳定性。

改善系统的响应速度。

降低稳态误差。

4.分析控制系统中的干扰及其对系统功能的影响。

干扰：

外部干扰：如环境噪声、负载变化等。

内部干扰：如传感器误差、执行器故障等。

对系统功能的影响：

降低系统的稳定性。

增大系统的稳态误差。

降低系统的响应速度。

5.简述自动化控制系统的动态特性及其主要指标。

动态特性：

系统的响应速度：系统从初始状态到稳定状态所需的时间。

系统的稳定性：系统在受到扰动后恢复到稳定状态的能力。

系统的稳态误差：系统在稳定状态时，实际输出与期望输出之间的差值。

主要指标：

超调量：系统输出超调的幅度。

响应时间：系统从初始状态到稳定状态所需的时间。

稳态误差：系统在稳定状态时，实际输出与期望输出之间的差值。

答案及解题思路：

1.答案：

自动化控制系统由控制对象、控制器、执行器和检测元件组成，其作用是实现对控制对象的精确控制，提高系统的稳定性和可靠性，改善系统功能。

解题思路：

1.列出自动化控制系统的基本组成。

2.说明每个组成部分的作用。

2.答案：

稳态误差是指系统在稳定运行时，实际输出与期望输出之间的差值。影响因素包括控制器的类型和参数、控制对象的动态特性以及期望输出的稳定性。

解题思路：

1.解释稳态误差的概念。

2.分析影响稳态误差的因素。

3.答案：

闭环控制系统中的反馈类型包括正反馈和负反馈。正反馈使输出进一步增大，负反馈使输出减小。它们的作用是提高系统的稳定性、改善系统的响应速度和降低稳态误差。

解题思路：

1.列出闭环控制系统中的反馈类型。

2.说明每种反馈类型的作用。

4.答案：

控制系统中的干扰包括外部干扰和内部干扰。干扰会降低系统的稳定性、增大稳态误差和降低系统的响应速度。

解题思路：

1.列出控制系统中的干扰类型。

2.分析干扰对系统功能的影响。

5.答案：

自动化控制系统的动态特性包括响应速度、稳定性和稳态误差。主要指标包括超调量、响应时间和稳态误差。

解题思路：

1.说明自动化控制系统的动态特性。

2.列出主要指标。五、计算题1.已知控制系统的传递函数为\(G(s)=\frac{1}{s1}\)，求系统在单位阶跃输入下的稳态误差。

2.设控制系统的传递函数为\(G(s)=\frac{K}{s^22s1}\)，其中\(K\)为比例系数，求系统的稳定条件。

3.已知控制系统在单位阶跃输入下的响应曲线，求系统的超调量和稳态误差。

4.求控制系统在单位阶跃输入下的传递函数，已知系统的稳态误差为0.1。

5.已知控制系统的传递函数为\(G(s)=\frac{10}{s^25s6}\)，求系统在单位阶跃输入下的动态响应。

答案及解题思路：

1.解题思路：稳态误差可以通过终值定理计算，对于单位阶跃输入\(r(s)=\frac{1}{s}\)，稳态误差\(ess\)为\(\lim_{s\to0}G(s)\cdotr(s)\)。

答案：\(ess=\lim_{s\to0}\frac{1}{s1}\cdot\frac{1}{s}=\frac{1}{1}=1\)。

2.解题思路：系统的稳定条件可以通过分析传递函数的极点来判断。对于传递函数\(G(s)=\frac{K}{s^22s1}\)，稳定条件是所有极点都位于复平面的左半部分，即实部小于0。

答案：\(s^22s1\)的根为\(s=1\)，因为\(K\)为比例系数，不影响稳定性，所以系统是稳定的。

3.解题思路：超调量\(\%OS\)可以通过峰值响应\(C_{max}\)和稳态值\(C_{ss}\)来计算，\(\%OS=\frac{C_{max}C_{ss}}{C_{ss}}\times100\%\)。稳态误差\(ess\)可以通过终值定理计算。

答案：假设从响应曲线中读出\(\%OS=20\%\)和\(ess=0.05\)。

4.解题思路：已知稳态误差\(ess\)为0.1，单位阶跃输入\(r(s)=\frac{1}{s}\)，稳态误差公式为\(ess=\frac{K}{1K}\)。解此方程得\(K\)，然后求传递函数。

答案：\(0.1=\frac{K}{1K}\)，解得\(K=1\)。因此，传递函数为\(G(s)=\frac{1}{s^22s1}\)。

5.解题思路：系统的动态响应可以通过求解传递函数的零点和极点来分析。对于\(G(s)=\frac{10}{s^25s6}\)，先求零点和极点，然后计算上升时间、峰值时间、调节时间等动态功能指标。

答案：极点为\(s=2,3\)，零点为\(s=1\)。动态响应的详细计算需要使用拉普拉斯变换或数值方法，这里只给出结论。

上升时间：大约为0.5秒。

峰值时间：大约为0.75秒。

调节时间：大约为1秒。六、分析题1.控制系统中的比例、积分和微分控制器的特点及其应用

特点：

比例控制器（P控制器）：只根据偏差大小进行控制，比例增益与偏差大小成正比。

积分控制器（I控制器）：根据偏差的累积量进行控制，可以消除稳态误差。

微分控制器（D控制器）：根据偏差的导数进行控制，可以抑制偏差的快速变化，提前预判。

应用：

比例控制器适用于对稳态误差要求不高的系统，如简单调节。

积分控制器适用于需要消除稳态误差的系统，如位置控制。

微分控制器适用于需要抑制快速变化偏差的系统，如速度控制。

2.干扰对控制系统功能的影响及其处理方法

干扰：

外部干扰：如温度、湿度、电磁干扰等。

内部干扰：如元件老化、系统故障等。

影响：

影响系统稳定性和响应速度。

增加系统误差，降低控制精度。

处理方法：

增强系统鲁棒性，提高系统对干扰的抵抗能力。

采取滤波、补偿、优化算法等措施减少干扰的影响。

3.自动化控制系统的动态特性在工程中的应用

动态特性：

系统响应速度、稳定性和抗干扰能力等。

应用：

提高控制系统精度和可靠性。

实现自动化控制，提高生产效率。

节能减排，降低能源消耗。

4.闭环控制系统在实际工程中的应用

举例：

汽车ABS系统：通过控制制动压力，防止汽车在制动过程中出现打滑现象。

楼梯自动扶梯：通过控制系统实现扶梯速度的调节，保证乘客乘坐安全舒适。

5.开环控制系统与闭环控制系统的优缺点

开环控制系统：

优点：结构简单，成本低。

缺点：控制精度低，抗干扰能力差。

闭环控制系统：

优点：控制精度高，抗干扰能力强。

缺点：结构复杂，成本高。

答案及解题思路：

1.比例控制器具有结构简单、控制精度低的特点，适用于简单调节；积分控制器可以消除稳态误差，适用于位置控制；微分控制器可以抑制快速变化偏差，适用于速度控制。实际应用中，需要根据系统要求和功能指标选择合适的控制器。

2.干扰会对控制系统功能产生影响，需要通过增强系统鲁棒性、采取滤波、补偿等措施减少干扰的影响。

3.自动化控制系统的动态特性在工程中的应用主要包括提高控制精度、可靠性，实现自动化控制，节能减排等。

4.闭环控制系统在实际工程中的应用有汽车ABS系统、楼梯自动扶梯等。

5.开环控制系统具有结构简单、成本低等优点，但控制精度低、抗干扰能力差；闭环控制系统具有控制精度高、抗干扰能力强等优点，但结构复杂、成本高。在实际应用中，需要根据系统要求和功能指标选择合适的控制系统。七、综合题1.设计一个简单的温度控制系统，包括控制器、执行器和传感器，分析其工作原理及功能指标。

题目：

设计一个简单的温度控制系统，要求使用数字温度传感器（如DS18B20）作为温度传感器，继电器作为执行器，以及一个微控制器（如Arduino）作为控制器。请详细描述以下内容：

控制器选型及工作原理

执行器选型及工作原理

传感器选型及工作原理

控制系统的整体设计

功能指标分析（如响应时间、稳态误差、超调量等）

答案：

控制器：选用ArduinoUno作为控制器，因为它具有丰富的编程资源和稳定的功能。

工作原理：通过Arduino读取DS18B20传感器的温度数据，与设定温度比较，根据PID算法计算输出信号，控制继电器开关加热器或冷却器。

执行器：选用继电器作为执行器，通过控制加热器或冷却器的电源来实现温度调节。

工作原理：继电器接收控制器的信号，根据信号状态接通或断开加热器或冷却器的电源。

传感器：选用DS18B20数字温度传感器，具有高精度和良好的抗干扰能力。

工作原理：DS18B20将温度信号转换为数字信号，通过数据线传输给Arduino。

控制系统设计：采用PID控制算法，通过调整PID参数实现温度的精确控制。

功能指标分析：

响应时间：根据系统配置和PID参数调整，保证在1分钟内达到设定温度。

稳态误差：通过优化PID参数，使稳态误差小于±0.5℃。

超调量：通过调整PID参数，使超调量小于10%。

解题思路：

确定控制器、执行器和传感器的选型，保证系统稳定可靠。

设计PID控制算法，通过实验调整参数，实现温度的精确控制。

分析系统的功能指标，保证系统满足实际应用需求。

2.设计一个基于PID控制器的工业控制系统，分析其控制策略及功能指标。

题目：

设计一个基于PID控制器的工业控制系统，要求实现的位置跟踪控制。请详细描述以下内容：

控制策略选择

PID控制器参数整定方法

执行器选型

功能指标分析（如跟踪误差、响应时间等）

答案：

控制策略选择：采用位置式PID控制策略，通过计算期望位置与实际位置的误差，调整控制信号，驱动执行器移动。

PID控制器参数整定方法：使用ZieglerNichols方法进行参数整定，通过逐步增加Kp值，观察系统响应，确定Kp、Ki、Kd的最佳值。

执行器选型：选用伺服电机作为执行器，因其具有较高的精度和响应速度。

功能指标分析：

跟踪误差：通过优化PID参数，使跟踪误差小于±1mm。

响应时间：根据伺服电机和PID参数调整，保证在2秒内达到期望位置。

解题思路：

选择合适的控制策略，保证能够准确跟踪期望位置。

使用ZieglerNichols方法整定PID参数，优化系统功能。

分析功能指标，保证控制系统满足工业应用需求。

3.分析并比较不同类型的控制系统在工业生产中的应用及优缺点。

题目：

分析并比较以下不同类型的控制系统在工业生产中的应用及优缺点：

传统的模拟PID控制系统

基于模型的数字PID控制系统

智能控制系统（如模糊控制、神经网络控制）

答案：

传统的模拟PID控制系统：

应用：广泛应用于工业生产中的温度、压力、流量等参数控制。

优点：结构简单，调试方便，成本低。

缺点：抗干扰能力差，难以适应复杂的生产环境。

基于模型的数字PID控制系统：

应用：适用于对控制精度要求较高的场合，如化工、电力等行业。

优点：精度高，适应性强，易于实现复杂控制策略。

缺点：模型建立困难，对参数变化敏感。

智能控制系统：

应用：适用于复杂、非线性、时变的工业生产过程。

优点：具有较强的适应性和鲁棒性，能处理不确定性和未知因素。

缺点：算法复杂，实现难度大，成本较高。

解题思路：

分析不同控制系统的应用领域，了解其在工业生产中的实际需求。

比较不同控制系统的优缺点，为实际应用提供参考。

4.设计一个自动调节水位的水位控制系统，包括控制器、执行器和传感器，分析其工作原理及功能指标。

题目：

设计一个自动调节水位的水位控制系统，要求使用液位传感器（如浮球开关）作为传感器，继电器作为执行器，以及一个微控制器（如Arduino）作为控制器。请详细描述以下内容：

控制器选型及工作原理

执行器选型及工作原理

传感器选型及工作原理

控制系统的整体设计

功能指标分析（如调节时间、水位控制精度等）

答案：

控制