工业自动化控制理论及应用练习题

工业自动化控制理论及应用练习题姓名_________________________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.工业自动化控制系统的基本组成包括哪些部分？

A.控制器、执行器、被控对象、传感器

B.电源、控制器、执行器、传输线

C.被控对象、控制器、执行器、反馈系统

D.传感器、执行器、电源、控制器

2.下列哪种传感器属于模拟量传感器？

A.光电传感器

B.电压传感器

C.电流传感器

D.温度传感器

3.PID控制器中，P代表什么？

A.比例

B.积分

C.微分

D.过程

4.下列哪种控制器适用于非线性控制系统？

A.PID控制器

B.比例控制器

C.状态空间控制器

D.程序控制器

5.采样定理中，采样频率至少应该是信号最高频率的多少倍？

A.2倍

B.3倍

C.4倍

D.5倍

6.下列哪种控制算法适用于时变系统？

A.滑模控制

B.PID控制

C.状态反馈控制

D.稳态控制

7.下列哪种控制器适用于多变量系统？

A.状态空间控制器

B.比例控制器

C.PID控制器

D.程序控制器

8.下列哪种控制器适用于滞后系统？

A.PID控制器

B.稳态控制器

C.预测控制器

D.比例控制器

答案及解题思路：

1.答案：A

解题思路：工业自动化控制系统的基本组成通常包括控制器、执行器、被控对象和传感器，它们共同构成了一个闭环控制系统。

2.答案：B

解题思路：模拟量传感器输出的是连续的模拟信号，如电压传感器输出电压信号，属于模拟量传感器。

3.答案：A

解题思路：PID控制器中的P代表比例，它是根据偏差与比例系数的乘积来调整控制信号的。

4.答案：C

解题思路：状态空间控制器可以处理非线性控制系统，通过状态变量描述系统的动态行为。

5.答案：A

解题思路：根据采样定理，为了无失真地恢复信号，采样频率至少应该是信号最高频率的2倍。

6.答案：A

解题思路：滑模控制是一种适用于时变系统的控制算法，能够在系统参数变化时保持控制效果。

7.答案：A

解题思路：状态空间控制器可以处理多变量系统，通过建立系统的状态空间模型进行控制。

8.答案：A

解题思路：PID控制器通过比例、积分和微分作用，可以有效地控制滞后系统，减少滞后效应。二、填空题1.工业自动化控制系统中的反馈控制是指通过检测被控对象的输出信号，与期望的输入信号进行比较，并根据比较结果调整控制器的输入信号，以实现对被控对象的精确控制。

2.下列传感器中，传感器属于温度传感器。

热电偶

3.PID控制器中的I代表积分（Integral）。

4.在控制系统中，控制适用于动态系统。

稳态控制

5.采样定理指出，为了不丢失信号信息，采样频率至少应该是信号最高频率的倍。

2

6.在控制系统中，控制适用于线性系统。

比例控制

7.下列控制器中，控制器适用于多变量系统。

状态反馈控制器

8.在控制系统中，控制适用于滞后系统。

滞后补偿控制

答案及解题思路：

答案：

1.通过检测被控对象的输出信号，与期望的输入信号进行比较，并根据比较结果调整控制器的输入信号，以实现对被控对象的精确控制。

2.热电偶

3.积分（Integral）

4.稳态控制

5.2

6.比例控制

7.状态反馈控制器

8.滞后补偿控制

解题思路：

1.反馈控制的基本概念是控制理论的基础，它通过比较实际输出与期望输出，不断调整系统，以达到稳定状态。

2.热电偶是一种常见的温度传感器，其工作原理基于热电效应。

3.PID控制器中的I代表积分作用，它是根据误差的积分来调整控制输出。

4.稳态控制是指系统在稳定状态下能够维持期望的输出，适用于动态系统的控制。

5.采样定理由奈奎斯特提出，保证采样后的信号能够无失真地恢复原始信号。

6.比例控制是基于误差的比例关系来调整控制输出，适用于线性系统。

7.状态反馈控制器通过测量系统的状态来调整控制输入，适用于多变量系统。

8.滞后补偿控制是针对系统存在滞后特性时的一种控制策略，通过预先计算滞后影响来调整控制输出。三、判断题1.工业自动化控制系统中的开环控制系统比闭环控制系统更可靠。（×）

解题思路：开环控制系统没有反馈环节，其输出不受系统内部状态的约束，因此对系统的稳定性要求较高。闭环控制系统通过反馈机制来调整输出，能够补偿系统的误差，提高系统的稳定性和可靠性。因此，闭环控制系统通常比开环控制系统更可靠。

2.模拟量传感器比数字量传感器更精确。（×）

解题思路：数字量传感器通过数字信号处理技术可以实现高精度的测量，而模拟量传感器容易受到噪声和环境因素的影响，精度相对较低。在现代工业自动化控制中，数字量传感器因其高精度和稳定性而被广泛应用。

3.PID控制器中的D代表微分控制。（√）

解题思路：PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节组成。D代表微分控制，它通过对系统误差的微分来预测未来的误差变化，从而提前调整控制量，提高系统的动态响应功能。

4.在控制系统中，比例控制适用于静态系统。（×）

解题思路：比例控制（P控制）只对误差的大小进行控制，无法消除静态误差，因此适用于动态系统而非静态系统。静态系统需要通过积分控制来消除静态误差。

5.采样定理中，采样频率越高，信号信息损失越少。（√）

解题思路：采样定理指出，要无失真地恢复一个信号，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍。因此，采样频率越高，可以更精确地捕捉信号的变化，减少信息损失。

6.在控制系统中，串联控制适用于多变量系统。（×）

解题思路：串联控制适用于单变量系统，即控制一个变量的输出。多变量系统通常需要采用矩阵控制、状态空间控制等方法。

7.在控制系统中，串联控制适用于滞后系统。（√）

解题思路：滞后系统具有较大的时间延迟，串联控制可以通过在系统前增加一个补偿环节来抵消滞后效应，提高系统的响应速度。

8.在控制系统中，并联控制适用于时变系统。（×）

解题思路：并联控制通常用于提高系统的稳定性和响应速度，但对于时变系统，由于其参数随时间变化，并联控制可能无法有效适应这些变化。时变系统更适合采用自适应控制或预测控制等方法。四、简答题1.简述工业自动化控制系统的基本组成。

答：工业自动化控制系统通常由以下几个基本部分组成：

传感器：用于检测和采集物理量。

控制器：根据输入信号进行运算和处理，控制信号。

执行器：将控制信号转换为机械运动或电气信号，作用于被控对象。

被控对象：需要被控制的对象或过程。

人机界面：用于操作人员与系统交互的人机界面。

解题思路：了解各个组成部分的功能，分析其在系统中的作用。

2.简述模拟量传感器和数字量传感器的区别。

答：模拟量传感器和数字量传感器的区别

输出形式：模拟量传感器输出模拟信号，数字量传感器输出数字信号。

抗干扰能力：模拟量传感器容易受到噪声干扰，数字量传感器抗干扰能力强。

精度和线性度：模拟量传感器的精度和线性度较差，数字量传感器的精度和线性度较高。

转换方式：模拟量传感器通过模数转换器转换为数字信号，数字量传感器直接输出数字信号。

解题思路：比较两种传感器的输出形式、抗干扰能力、精度和线性度、转换方式等方面的区别。

3.简述PID控制器的工作原理。

答：PID控制器的工作原理

P（比例）控制：根据偏差值进行控制，偏差越大，控制量越大。

I（积分）控制：根据偏差值的历史积累进行控制，使系统在长期运行中保持稳定。

D（微分）控制：根据偏差值的趋势进行控制，抑制系统的振荡。

解题思路：理解P、I、D三种控制的作用和相互关系。

4.简述采样定理的意义。

答：采样定理的意义

可以通过有限个采样点恢复连续信号。

避免连续信号在数字信号处理中的计算复杂性。

解题思路：理解采样定理的背景和目的。

5.简述串联控制和并联控制的区别。

答：串联控制和并联控制的区别

作用方式：串联控制中，控制信号按顺序传递；并联控制中，控制信号同时作用于被控对象。

调节功能：串联控制调节功能较好，但响应速度较慢；并联控制响应速度快，但调节功能较差。

解题思路：分析两种控制的作用方式和调节功能。

6.简述滞后系统和非滞后系统的区别。

答：滞后系统和非滞后系统的区别

反应速度：滞后系统响应速度慢，非滞后系统响应速度快。

稳定性：滞后系统稳定性较差，非滞后系统稳定性较好。

解题思路：分析两种系统的反应速度和稳定性。

7.简述线性系统和非线性系统的区别。

答：线性系统和非线性系统的区别

系统特性：线性系统满足叠加原理和齐次性，非线性系统不满足这两个条件。

分析方法：线性系统分析方法较为简单，非线性系统分析方法复杂。

解题思路：了解线性系统和非线性系统的特性，分析两者的区别。

8.简述多变量系统和单变量系统的区别。

答：多变量系统和单变量系统的区别

变量个数：多变量系统具有多个输入输出变量，单变量系统一个输入输出变量。

控制方法：多变量系统控制方法复杂，单变量系统控制方法简单。

解题思路：比较两种系统的变量个数和控制方法的区别。五、论述题1.论述工业自动化控制系统的优点。

答案：

工业自动化控制系统的优点主要包括：

提高生产效率：自动化控制系统可以24小时不间断工作，提高生产效率。

提高产品质量：自动化控制系统可以精确控制生产过程，减少人为因素对产品质量的影响。

降低生产成本：自动化控制系统可以减少人力成本，降低能源消耗，从而降低生产成本。

提高安全性：自动化控制系统可以实时监测生产过程，及时发觉并处理异常情况，提高生产安全性。

解题思路：

首先概述工业自动化控制系统的概念，然后从提高生产效率、产品质量、降低生产成本和提高安全性等方面展开论述。

2.论述传感器在工业自动化控制系统中的作用。

答案：

传感器在工业自动化控制系统中的作用主要体现在：

检测：传感器可以检测生产过程中的各种物理量，如温度、压力、流量等。

信号转换：将检测到的物理量转换为电信号，便于控制系统处理。

信息反馈：将转换后的电信号反馈给控制系统，实现闭环控制。

解题思路：

首先介绍传感器的基本概念，然后从检测、信号转换和信息反馈三个方面阐述其在工业自动化控制系统中的作用。

3.论述PID控制器在工业自动化控制系统中的应用。

答案：

PID控制器在工业自动化控制系统中的应用主要包括：

调节过程参数：通过PID控制器对生产过程中的参数进行调节，实现精确控制。

稳定系统：PID控制器可以改善系统的稳定性，提高系统的抗干扰能力。

提高响应速度：PID控制器可以加快系统的响应速度，提高生产效率。

解题思路：

首先介绍PID控制器的概念，然后从调节过程参数、稳定系统和提高响应速度三个方面阐述其在工业自动化控制系统中的应用。

4.论述采样定理在工业自动化控制系统中的应用。

答案：

采样定理在工业自动化控制系统中的应用主要体现在：

信号处理：通过采样定理可以将连续信号转换为离散信号，便于数字控制系统处理。

实现实时控制：采样定理使得控制系统可以实时采集和处理信号，提高控制精度。

解题思路：

首先介绍采样定理的概念，然后从信号处理和实现实时控制两个方面阐述其在工业自动化控制系统中的应用。

5.论述串联控制和并联控制的应用场景。

答案：

串联控制和并联控制的应用场景

串联控制：适用于需要多个环节协同工作的系统，如化工生产过程。

并联控制：适用于需要多个相同或相似环节同时工作的系统，如电力系统。

解题思路：

首先介绍串联控制和并联控制的概念，然后分别从适用场景方面进行论述。

6.论述滞后系统和非滞后系统的控制策略。

答案：

滞后系统和非滞后系统的控制策略

滞后系统：采用滞后补偿、预测控制等方法，提高系统响应速度。

非滞后系统：采用PID控制、模糊控制等方法，实现精确控制。

解题思路：

首先介绍滞后系统和非滞后系统的概念，然后分别从控制策略方面进行论述。

7.论述线性系统和非线性系统的控制策略。

答案：

线性系统和非线性系统的控制策略

线性系统：采用PID控制、状态空间控制等方法，实现精确控制。

非线性系统：采用自适应控制、鲁棒控制等方法，提高系统鲁棒性。

解题思路：

首先介绍线性系统和非线性系统的概念，然后分别从控制策略方面进行论述。

8.论述多变量系统和单变量系统的控制策略。

答案：

多变量系统和单变量系统的控制策略

多变量系统：采用多变量控制、状态空间控制等方法，实现多变量协同控制。

单变量系统：采用单变量控制、PID控制等方法，实现单变量精确控制。

解题思路：

首先介绍多变量系统和单变量系统的概念，然后分别从控制策略方面进行论述。六、计算题1.计算一个系统在采样频率为100Hz时的信号最高频率。

答案：信号最高频率=采样频率/2=100Hz/2=50Hz

解题思路：根据奈奎斯特采样定理，信号的最高频率不能超过采样频率的一半，以避免混叠现象。

2.计算一个系统的滞后时间。

答案：滞后时间=2.5秒

解题思路：滞后时间通常指系统响应的延迟，如果已知系统的动态响应曲线，通过曲线与稳态值相交的时间点来计算。

3.计算一个系统的传递函数。

答案：传递函数\(G(s)=\frac{100}{s^25s100}\)

解题思路：根据系统的输入和输出关系，推导出系统的微分方程，然后通过拉普拉斯变换得到传递函数。

4.计算一个系统的PID控制器参数。

答案：PID控制器参数\(K_p=100\),\(K_i=20\),\(K_d=2\)

解题思路：通过试错法或者使用ZieglerNichols方法来调整PID控制器的比例、积分和微分参数，以获得满意的系统功能。

5.计算一个系统的稳态误差。

答案：稳态误差\(e_{ss}=0.1\)

解题思路：稳态误差可以通过系统响应的稳态值与期望值的差来计算，通常在稳态时系统的输出应接近期望值。

6.计算一个系统的过渡过程时间。

答案：过渡过程时间\(t_{90}=5秒\)

解题思路：过渡过程时间是指系统从初始状态达到并保持在稳态值90%的时间。

7.计算一个系统的上升时间。

答案：上升时间\(t_{r}=2秒\)

解题思路：上升时间是指系统从稳态值的10%上升到90%所需要的时间。

8.计算一个系统的超调量。

答案：超调量\(O%=25%\)

解题思路：超调量是指系统响应超出稳态值的最大百分比，通常通过稳态值与超调值之差除以稳态值来计算。七、设计题1.设计一个简单的工业自动化控制系统。

题目描述：设计一个用于控制工业生产线上温度的简单控制系统。系统应包括传感器、执行器和控制器，能够实现温度的设定值与实际值之间的稳定控制。

解题思路：选择合适的温度传感器来检测生产线上的温度。设计一个执行器（如加热器或冷却器）来调整温度。控制器（如继电器或简单的逻辑控制器）根据设定值与实际值的偏差来控制执行器的开关，以达到温度的稳定。

2.设计一个基于PID控制器的工业自动化控制系统。

题目描述：设计一个基于PID（比例积分微分）控制器的工业自动化控制系统，用于控制一个化学反应器的温度。

解题思路：选择温度传感器来监测反应器温度，设计PID控制器来计算比例、积分和微分项，并根据这些计算结果调整加热器的功率。需要确定合适的PID参数，并通过实验调整以达到最佳控制效果。

3.设计一个基于采样定理的工业自动化控制系统。

题目描述：设计一个控制系统，该系统需要根据采样定理对工业过程中的信号进行采样和重建。

解题思路：确定采样频率以满足奈奎斯特采样定理，设计采样器对工业信号进行定期采样。使用适当的数字信号处理技术（如插值或滤波）来重建连续信号，以便进行进一步的控制。

4.设计一个基于串联控制的工业自动化控制系统。

题目描述：设计一个串联控制系统，用于控制一个工业过程中的流量和压力。

解题思路：将流量控制器和压力控制器串联，流量控制器首先根据设定值调整流量，然后压力控制器根据流量调整后的压力进行微调，以保证整个系统的稳定运行。

5.设计一个基于并联控制的工业自动化控制系统。

题目描述：设计一个并联控制系统，用于同时控制两个工业过程参数，如温度和湿度。

解题思路：分别设计温度和湿度的控制器，并将它们并联。每个控制器独立控制其对应的参数，但最终目标是同时优化两个参数的功能。

6.设计一个