电气工程自动化控制系统设计试题集

电气工程自动化控制系统设计试题集姓名_________________________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.电气工程自动化控制系统基本概念

1.1.以下哪个选项不是电气工程自动化控制系统的基本组成部分？

A.控制对象

B.控制器

C.执行机构

D.电源

1.2.电气工程自动化控制系统通常分为哪两大类？

A.开环控制系统和闭环控制系统

B.稳态控制系统和动态控制系统

C.硬件控制系统和软件控制系统

D.数字控制系统和模拟控制系统

2.控制系统的组成与分类

2.1.在控制系统中，用于检测控制对象输出信号与期望信号的偏差的元件是？

A.传感器

B.控制器

C.执行机构

D.反馈元件

2.2.控制系统的分类中，按控制方式不同可分为哪几类？

A.开环控制和闭环控制

B.静态控制和动态控制

C.定量控制和定性控制

D.自适应控制和非线性控制

3.控制系统的数学模型

3.1.控制系统数学模型中，传递函数表示了什么关系？

A.输入与输出的关系

B.输入与控制的关系

C.控制与输出的关系

D.误差与控制的关系

3.2.在系统传递函数中，表示系统稳定性的参数是？

A.相角裕度

B.幅值裕度

C.脉冲响应

D.频率响应

4.控制系统的稳定性分析

4.1.控制系统稳定性分析中，判断系统稳定性常用的方法是什么？

A.传递函数法

B.根轨迹法

C.波德图法

D.奈奎斯特稳定判据

4.2.系统稳定性分析中，若系统的根轨迹进入稳定区域，则系统将？

A.稳定

B.不稳定

C.稳态稳定

D.动态稳定

5.控制系统的动态功能

5.1.控制系统动态功能中，表征系统响应速度的指标是什么？

A.稳态误差

B.响应时间

C.阻尼比

D.稳态误差系数

5.2.系统的动态功能分析中，描述系统超调量的参数是？

A.阻尼比

B.超调量

C.上升时间

D.调节时间

6.控制系统的静态功能

6.1.控制系统静态功能中，描述系统在稳定状态下输出与输入关系的指标是什么？

A.超调量

B.响应时间

C.阻尼比

D.稳态误差

6.2.系统静态功能分析中，若稳态误差为0，则系统为？

A.稳态系统

B.动态系统

C.开环系统

D.闭环系统

7.控制系统的设计方法

7.1.控制系统设计方法中，采用频率响应法的优点是什么？

A.可以同时考虑系统的稳定性和动态功能

B.计算简单，易于实现

C.可以通过调整系统参数改善系统功能

D.可以对非线性系统进行有效控制

7.2.在控制系统中，采用PID控制算法的目的是什么？

A.改善系统的稳定性

B.提高系统的动态功能

C.减小系统的超调量

D.降低系统的稳态误差

8.控制系统的实施与调试

8.1.控制系统实施与调试过程中，为了保证系统安全可靠，以下哪个环节非常重要？

A.设计阶段

B.制造阶段

C.调试阶段

D.运行阶段

8.2.控制系统调试过程中，通过调整哪些参数可以改善系统功能？

A.控制器参数

B.执行机构参数

C.反馈元件参数

D.传感器参数

答案及解题思路：

1.1.4；1.2.A

解题思路：电气工程自动化控制系统的基本组成部分包括控制对象、控制器、执行机构和反馈元件，故排除A、C、D选项；控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统，故选A。

2.2.1.A；2.2.A

解题思路：控制系统中，传感器用于检测控制对象的输出信号与期望信号的偏差，故选A；控制系统按控制方式分为开环控制和闭环控制，故选A。

3.3.1.A；3.2.A

解题思路：控制系统数学模型中，传递函数表示了输入与输出的关系，故选A；系统稳定性分析中，奈奎斯特稳定判据可以判断系统稳定性，故选A。

4.4.1.B；4.2.A

解题思路：控制系统稳定性分析中，根轨迹法可以判断系统稳定性，故选B；若系统的根轨迹进入稳定区域，则系统将稳定，故选A。

5.5.1.B；5.2.A

解题思路：控制系统动态功能中，响应时间表征系统响应速度，故选B；系统动态功能分析中，超调量描述系统超调量，故选A。

6.6.1.D；6.2.A

解题思路：控制系统静态功能中，稳态误差描述系统在稳定状态下输出与输入关系，故选D；若稳态误差为0，则系统为稳态系统，故选A。

7.7.1.C；7.2.A

解题思路：控制系统设计方法中，采用频率响应法可以同时考虑系统的稳定性和动态功能，故选C；PID控制算法可以调整系统参数改善系统功能，故选A。

8.8.1.C；8.2.A

解题思路：控制系统实施与调试过程中，调试阶段非常重要，以保证系统安全可靠，故选C；调整控制器参数可以改善系统功能，故选A。二、填空题1.电气工程自动化控制系统由被控对象、控制器、执行器和反馈装置组成。

2.控制系统的稳定性通常用李雅普诺夫稳定性判据来判断。

3.控制系统的动态功能指标包括上升时间、调整时间和超调量。

4.控制系统的静态功能指标包括稳态误差、稳态精度和稳态增益。

5.控制系统的设计方法主要有经典控制设计方法、现代控制设计方法和智能控制设计方法。

答案及解题思路：

1.答案：被控对象、控制器、执行器、反馈装置

解题思路：电气工程自动化控制系统通常包括四个基本部分，分别是被控对象（需要控制的物理系统），控制器（决定控制策略的部件），执行器（执行控制指令的部件），以及反馈装置（用于将系统输出反馈至控制器的部件）。

2.答案：李雅普诺夫稳定性判据

解题思路：李雅普诺夫稳定性判据是判断系统稳定性的一种数学方法，通过分析系统的李雅普诺夫函数来判定系统的稳定性。

3.答案：上升时间、调整时间、超调量

解题思路：动态功能指标描述了系统在响应输入变化时的功能，上升时间是指系统响应从初始值达到最终值所需的时间，调整时间是指系统达到稳态值所需的时间，超调量是指系统响应超出最终稳定值的部分。

4.答案：稳态误差、稳态精度、稳态增益

解题思路：静态功能指标描述了系统在稳定状态下的功能，稳态误差是指系统在稳定状态下输出与期望值之间的偏差，稳态精度是指系统稳定状态下输出值的精度，稳态增益是指系统在稳定状态下的输出与输入的比值。

5.答案：经典控制设计方法、现代控制设计方法、智能控制设计方法

解题思路：控制系统设计方法根据其原理和应用领域可分为经典控制设计方法（如PID控制），现代控制设计方法（如状态空间方法），以及智能控制设计方法（如模糊控制、神经网络控制等）。三、判断题1.电气工程自动化控制系统是指利用电子、电气、计算机等技术实现对生产过程的自动控制。

答案：正确

解题思路：电气工程自动化控制系统涉及多种技术，包括但不限于电子技术、电气技术和计算机技术，其目的是实现对生产过程的自动化控制，以提高效率和精度。

2.控制系统的稳定性是指系统在受到扰动后能够恢复到原来的稳态。

答案：正确

解题思路：控制系统的稳定性是控制系统设计中的一个关键指标，它描述了系统在受到外部扰动后，能否回到其原始的稳态运行，即不发散或持续振荡。

3.控制系统的动态功能越好，说明系统的响应速度越快。

答案：正确

解题思路：控制系统的动态功能是指系统对输入信号的响应能力，动态功能越好，通常意味着系统对输入变化的响应速度越快，能够更快地达到稳定状态。

4.控制系统的静态功能越好，说明系统的控制精度越高。

答案：正确

解题思路：控制系统的静态功能是指系统在稳定状态下的功能，包括稳态误差和稳态精度等。静态功能越好，系统的控制精度越高，即输出能够更接近期望值。

5.控制系统的设计方法中，串联校正法适用于提高系统的稳定性。

答案：正确

解题思路：串联校正法是控制系统设计中常用的一种方法，通过在控制系统中增加校正网络，可以改善系统的动态和静态功能，特别是提高系统的稳定性。四、简答题1.简述电气工程自动化控制系统的基本组成。

电气工程自动化控制系统通常由以下几个基本组成部分构成：

被控对象：系统的核心，直接接受控制信号并产生相应动作。

控制器：根据预设的控制策略和反馈信息调整控制信号。

执行器：根据控制信号对被控对象进行物理操作。

传感器：检测被控对象的实时状态，并将信息反馈给控制器。

控制网络：连接各个部件，实现信息传递和控制指令的发送。

人机界面：供操作人员进行监控和操作的平台。

2.简述控制系统的稳定性分析方法。

控制系统的稳定性分析方法包括：

根轨迹法：通过分析闭环系统极点随开环增益的变化情况来判断稳定性。

奈奎斯特稳定判据：通过系统开环频率特性的奈奎斯特图判断稳定性。

劳斯赫尔维茨稳定判据：通过分析系统特征方程的系数来确定稳定性。

波德稳定判据：通过系统开环增益和相位裕度来判断稳定性。

3.简述控制系统的动态功能指标。

控制系统的动态功能指标包括：

上升时间：系统响应从给定值开始上升到超过最终值所需要的时间。

调节时间：系统响应达到并保持在最终值范围内所需的时间。

超调量：系统响应超过最终值的最大百分比。

稳定裕度：包括增益裕度和相位裕度，用于评估系统稳定性的边界条件。

4.简述控制系统的静态功能指标。

控制系统的静态功能指标包括：

稳态误差：系统稳定后，输出值与设定值之间的偏差。

稳态响应：系统稳定后的输出值。

设定值跟踪：系统输出随设定值变化的功能。

5.简述控制系统的设计方法。

控制系统的设计方法包括：

经典设计方法：基于传递函数和根轨迹进行设计。

现代设计方法：使用状态空间表达式进行设计。

自适应控制设计：系统能够自动调整控制参数以适应不同的工作条件。

鲁棒控制设计：设计能够抵抗不确定性影响的控制系统。

答案及解题思路：

答案：

1.答案如上所述，包括被控对象、控制器、执行器、传感器、控制网络和人机界面等。

2.答案如上所述，包括根轨迹法、奈奎斯特稳定判据、劳斯赫尔维茨稳定判据和波德稳定判据。

3.答案如上所述，包括上升时间、调节时间、超调量和稳定裕度。

4.答案如上所述，包括稳态误差、稳态响应和设定值跟踪。

5.答案如上所述，包括经典设计方法、现代设计方法、自适应控制设计和鲁棒控制设计。

解题思路：

答题时应清晰阐述每个部分的定义和作用。

对于稳定性分析方法和动态/静态功能指标，需理解其数学基础和物理意义。

在描述设计方法时，要结合实际案例和系统需求，解释各种方法的适用场景和优缺点。五、计算题1.已知控制系统传递函数为G(s)=K/(s1)，求系统的单位阶跃响应。

2.已知控制系统传递函数为G(s)=K/(s^22s1)，求系统的单位脉冲响应。

3.已知控制系统传递函数为G(s)=K/(s1)(s^22s1)，求系统的单位阶跃响应和单位脉冲响应。

4.已知控制系统传递函数为G(s)=K/(s^22s1)，求系统的稳定裕度和相位裕度。

5.已知控制系统传递函数为G(s)=K/(s1)(s^22s1)，求系统的稳定裕度和相位裕度。

答案及解题思路：

1.答案：

单位阶跃响应c(t)=K[1e^(t)]/(s1)

解题思路：

根据传递函数G(s)=K/(s1)，我们知道系统的零点为1。单位阶跃响应可以通过拉普拉斯变换的逆变换得到。对于系统G(s)，其拉普拉斯逆变换为：

c(t)=K[1e^(t)]，因为单位阶跃输入对应的拉普拉斯变换为1/s。

2.答案：

单位脉冲响应c(t)=Ke^(t)u(t)，其中u(t)是单位阶跃函数。

解题思路：

对于传递函数G(s)=K/(s^22s1)，我们可以看出系统具有一个一阶极点s=1e^(jω)。单位脉冲响应可以通过求系统的零状态响应来得到。由于G(s)的分母可以重写为(s1)^2，我们可以使用拉普拉斯变换的平移定理，将s替换为s1，然后求其逆变换。

3.答案：

单位阶跃响应c(t)=K[1e^(t)]/(s1)

单位脉冲响应c(t)=Ke^(t)(t1)u(t)

解题思路：

对于传递函数G(s)=K/(s1)(s^22s1)，我们需要分别考虑单位阶跃响应和单位脉冲响应。单位阶跃响应与第一个题目类似。对于单位脉冲响应，需要先计算系统的零状态响应，可以通过部分分式分解或拉普拉斯变换的方法得到。

4.答案：

稳定裕度H=0dB

相位裕度φ=180°

解题思路：

稳定裕度和相位裕度是控制系统功能的关键指标。对于传递函数G(s)=K/(s^22s1)，首先需要确定系统的极点位置。通过绘制Nyquist图或使用根轨迹方法确定稳定裕度和相位裕度。

5.答案：

稳定裕度H≈0dB

相位裕度φ≈90°

解题思路：

类似于第四题，我们首先需要确定系统的极点位置，然后通过绘制Nyquist图或根轨迹确定稳定裕度和相位裕度。由于系统具有多重极点，需要特别关注这些极点对稳定性和裕度的影响。六、论述题1.论述电气工程自动化控制系统在设计过程中应注意的问题。

设计前期需求分析

系统结构设计

控制算法选择

硬件选型与接口设计

软件开发与编程

安全性与可靠性设计

电磁兼容性设计

易于维护与扩展性

2.论述控制系统的稳定性在工程应用中的重要性。

稳定性对系统运行安全性的影响

稳定性对系统功能的影响

稳定性对系统可靠性的影响

稳定性对系统响应速度的影响

稳定性对系统控制精度的要求

3.论述控制系统的动态功能和静态功能对系统功能的影响。

动态功能指标：过渡过程时间、上升时间、超调量等

静态功能指标：稳态误差、稳态精度等

动态功能对系统响应速度的影响

静态功能对系统控制精度的要求

动态功能与静态功能的平衡

4.论述控制系统的设计方法在实际工程中的应用。

经典控制理论设计方法

现代控制理论设计方法

仿真与实验验证

实际工程案例

设计方法的优缺点比较

5.论述控制系统的实施与调试过程中的关键步骤。

硬件安装与调试

软件编程与调试

系统联调与测试

故障排除与优化

系统验收与交付

答案及解题思路：

1.答案：

在设计过程中，应充分考虑需求分析，保证控制系统满足实际应用需求。系统结构设计要合理，选择合适的控制算法和硬件设备。软件编程要严谨，保证系统安全可靠。电磁兼容性设计要考虑，避免系统干扰。同时要注重系统的维护和扩展性。

解题思路：

结合实际案例，分析设计过程中可能遇到的问题，如需求不明确、硬件选择不当、软件编程错误等，并提出相应的解决方案。

2.答案：

控制系统的稳定性对工程应用，它直接影响系统的安全性、功能和可靠性。稳定性好的系统运行更加平稳，响应速度快，控制精度高。

解题思路：

结合实际案例，分析稳定性对系统功能的影响，如稳定性差可能导致系统失控、损坏设备等。

3.答案：

控制系统的动态功能和静态功能对系统功能有着重要影响。动态功能决定了系统的响应速度和稳定性，而静态功能则反映了系统的控制精度。

解题思路：

结合实际案例，分析动态功能和静态功能对系统功能的影响，如动态功能差可能导致系统响应慢、稳定性差；静态功能差可能导致控制精度低。

4.答案：

控制系统的设计方法在实际工程中应用广泛，包括经典控制理论设计方法和现代控制理论设计方法。仿真与实验验证是保证设计合理性的重要手段。

解题思路：

结合实际案例，分析不同设计方法的特点和适用范围，如经典控制理论适用于简单系统，现代控制理论适用于复杂系统。

5.答案：

控制系统的实施与调试过程中，关键步骤包括硬件安装与调试、软件编程与调试、系统联调与测试、故障排除与优化、系统验收与交付。

解题思路：

结合实际案例，详细描述每个关键步骤的具体操作和注意事项，如硬件安装要符合规范、软件编程要保证正确、故障排除要快速准确等。七、应用题1.设计一个简单的电气工程自动化控制系统，实现温度控制。

题目：某工业生产过程中需要控制反应釜的温度在80±2℃范围内。请设计一个电气工程自动化控制系统，并描述其工作原理及主要组成部分。

解答：

工作原理：系统采用PID控制算法，通过检测温度传感器的实时温度值，与设定值进行比较，输出控制信号调整加热器的功率，从而实现对温度的精确控制。

主要组成部分：

1.温度传感器：实时检测反应釜内的温度。

2.控制器：接收温度传感器的信号，进行处理并输出控制信号。

3.执行器：根据控制器的信号调节加热器的功率。

4.设定器：设置温度的上下限。

2.设计一个电气工程自动化控制系统，实现压力控制。

题目：某石油输送管道需要保持压力在0.8MPa±0.1MPa范围内。请设计一个电气工程自动化控制系统，并阐述其工作原理及关键元件。

解答：

工作原理：系统采用比例控制算法，通过压力变送器检测管道内的压力，与设定值进行比较，输出控制信号调整调节阀的开度，实现对压力的精确控制。

关键元件：

1.压力变送器：将压力信号转换为标准电信号。

2.控制器：接收压力变送器的信号，进行处理并输出控制信号。

3.调节阀：根据控制器的信号调整流量，进而控制压力。

4.设定器：设置压力的上下限。

3.设计一个电气工程自动化控制系统，实现流量控制。

题目：某化工生产线的原料输送需要精确控制流量在1000L/h±50L/h范围内。请设计一个电气工程自动化控制系统，并说明其工作原理及主要配置。

解答：

工作原理：系统采用流量控制算法，通过流量计检测原料的流速，与设定值比较，输出控制信号调节阀门开度，实现对流量的精确控制。

主要配置：

1.流量计：检测原料的流速，输出流量信号。

2.控制器：接收流量计的信号，进行处理并输出控制信号。

3.阀门：根据控制器的信号调节流量。

4.设定器：设置流量的上下限。

4.设计一个电气工程自动化控制系统，实现速度控制。

题目：某生产线上的传送带需要保持恒定速度为10m/min。请设计一个电气工程