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2025年大学自动化（自动化控制系统设计）试题及答案

（考试时间：90分钟 满分100分）
班级______ 姓名______

第I卷（选择题 共40分）
答题要求：本卷共8小题，每小题5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. 以下关于自动化控制系统的基本组成部分，说法错误的是（ ）
A. 控制器是控制系统的核心，负责对输入信号进行处理并发出控制指令
B. 执行器直接作用于被控对象，实现对被控量的控制
C. 传感器主要用于将被控对象的输出信号转换为电信号，反馈给控制器
D. 被控对象是控制系统中需要控制的设备或过程，其输出即为被控量

2. 在开环控制系统中，（ ）
A. 有反馈环节，能自动纠正偏差
B. 没有反馈环节，不能自动纠正偏差
C. 反馈环节可有可无，不影响系统性能
D. 反馈环节只对部分偏差进行纠正

3. 对于PID控制器，比例控制作用的主要特点是（ ）
A. 能快速响应偏差，减小稳态误差
B. 能消除稳态误差，但响应速度较慢
C. 能加快系统响应速度，但可能产生振荡
D. 对系统稳定性影响较小

4. 自动控制系统的性能指标中，反映系统快速性的是（ ）
A. 稳态误差
B. 上升时间
C. 超调量
D. 调节时间

5. 以下哪种控制算法适用于具有大惯性、纯滞后的被控对象（ ）
A. PID控制
B. 模糊控制
C. 预测控制
D. 自适应控制

6. 在控制系统中，干扰作用是（ ）
A. 对被控对象产生不利影响，使被控量偏离给定值
B. 对控制器产生干扰，影响其正常工作
C. 对执行器产生干扰，使其无法正常执行控制指令
D. 对传感器产生干扰，导致测量误差

7. 自动化控制系统设计中，首先需要确定的是（ ）
A. 控制方案
B. 被控对象的数学模型
C. 传感器的类型
D. 控制器的参数

8. 关于前馈控制系统，下列说法正确的是（ ）
A. 前馈控制是基于扰动进行控制的，能及时抑制扰动对被控量的影响
B. 前馈控制不需要被控量的反馈信息
C. 前馈控制系统结构简单，易于实现
D. 前馈控制只能对主要扰动进行补偿，不能完全消除扰动影响

第II卷（非选择题 共60分）
答题要求：请将答案写在相应位置，解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤。

9. （10分）简述自动化控制系统的分类方式及各类的特点。

10. （（15分）已知一个控制系统的传递函数为G(s) = 10 / (s(0.1s + 1))，求其单位阶跃响应的表达式，并分析系统的稳定性。

11. （15分）在一个温度控制系统中，被控对象为一个加热炉，要求将炉温控制在500℃。已知传感器的输出信号与温度成正比，比例系数为0.1mV/℃，控制器采用PID控制，比例系数Kp = 2，积分时间Ti = 20s，微分时间Td = 5s。当炉温为450℃时，传感器输出信号为45mV，试计算此时控制器的输出信号。

12. （20分）材料：某自动化生产线需要对产品的尺寸进行精确控制。目前采用的控制系统在实际运行中发现，当产品尺寸出现偏差时，系统响应速度较慢，导致产品质量不稳定。
问题：请分析该控制系统可能存在的问题，并提出改进方案。

13. （20分）材料自动化控制系统在工业生产中的应用越来越广泛，如汽车制造、电子设备生产等。在汽车制造中，自动化控制系统用于控制生产线的各个环节，包括零部件的加工、装配、检测等，提高了生产效率和产品质量。在电子设备生产中，自动化控制系统用于控制芯片制造、电路板组装、产品测试等过程，确保产品的性能符合要求。
问题：请结合材料，阐述自动化控制系统在工业生产中的重要作用，并举例说明其在其他工业领域的应用。

答案：
1. C
2. B
3. C
4. B
5. C
6. A
7. A
8. A

9. 自动化控制系统可按多种方式分类。按控制方式可分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统结构简单，成本低，但控制精度不高，无自动纠正偏差能力；闭环控制系统有反馈环节，能自动纠正偏差，控制精度高，但结构复杂，成本较高。按给定信号特征可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。恒值控制系统保持被控量恒定；随动控制系统使被控量快速跟随给定信号变化；程序控制系统按预定程序控制被控量。
10. 首先将传递函数G(s) = 10 / (s(0.1s + 1))进行部分分式展开：G(s) = 100 / s - 100 / (s + 10)。单位阶跃输入R(s) = 1 / s，输出Y(s) = G(s)R(s) = 100 / s²(s + 10) - 100 / s(s + 10)。通过拉普拉斯反变换可得单位阶跃响应y(t) = 10 - 10e^(-10t) - 100te^(-10t)。系统的特征方程为0.1s² + s = 0，解得s1 = 0，s2 = -10，有一个零根和一个负实根，系统稳定。
11. 首先计算偏差e = 500 - 450 = 50℃，传感器输出45mV，对应温度450℃，则实际比例系数为45 / 450 = 0.1mV/℃。比例作用输出uP = Kp e = 2 50 = 100。积分作用输出uI = Kp / Ti ∫e dt，在当前时刻，uI = 2 / 20 50 = 5。微分作用输出uD = Kp Td de/dt，假设当前偏差变化率为1℃/s，则uD = 2 5 1 = 10。控制器输出信号u = uP + uI + uD = 100 + 5 + 10 = 115。
12. 该控制系统可能存在的问题有：传感器精度不够，导致检测到的尺寸偏差信息不准确；控制器参数设置不合理，如比例系数过小，导致响应速度慢；执行机构动作迟缓，影响控制效果。改进方案：更换高精度传感器；重新调整PID控制器参数，增大比例系数，适当调整积分和微分时间；检查执行机构，如有必要进行维修或更换，确保其能快速准确执行控制指令。
13. 自动化控制系统在工业生产中的重要作用：提高生产效率，能实现生产线的快速连续运行；保证产品质量，通过精确控制各环节参数，减少产品缺陷；降低人力成本，减少人工操作带来的误差和不确定性。在化工生产中，用于控制反应釜的温度、压力、流量等参数，确保化学反应顺利进行；在食品加工中，控制生产设备的运行速度、温度、湿度等，保证食品质量和口感。