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2025年大学自动化（自动化控制系统）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30分）
答题要求：本大题共10小题，每小题3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. 反馈控制系统中，若反馈信号与给定信号相加，则称为（）
A. 正反馈
B. 负反馈
C. 前馈
D. 复合反馈
答案：A

2. 自动控制系统的基本性能要求不包括（）
A. 稳定性
B. 快速性
C. 准确性
D. 高效性
答案：D

3. 在控制系统中起主导作用、决定系统性能的是（）
A. 控制器
B. 被控对象
C. 测量元件
D. 执行元件
答案：A

4. 二阶系统阻尼比ζ的取值范围通常是（）
A. ζ≥1
B. 0＜ζ＜1
C. ζ≤0
D. ζ＞2
答案：B

5. 对于一阶系统，其时间常数T越大，则系统响应（）
A.越快
B.越慢
C.不变
D.先快后慢
答案：B

6. 线性定常系统的传递函数定义为（）
A. 输出拉氏变换与输入拉氏变换之比
B. 输入拉氏变换与输出拉氏变换之比
C. 输出拉氏变换与输入拉氏变换之比且初始条件为零
D. 输入拉氏变换与输出拉氏变换之比且初始条件为零
答案：C

7. 系统的开环传递函数为G(s)H(s)=(s + 1)/(s²(s +2))，其开环增益K为（）
A. 1/2
B. 1
C. ∞
D.不存在
答案：A

8. 若系统的传递函数为G(s)=1/(s² + 2s + 1)，则其极点为（）
A. -1
B. 1
C. -1和-1
D. 1和1
答案：C

9. 单位阶跃响应的稳态值为1的系统是（）
A. 0型系统
B. I型系统
C. II型系统
D. III型系统
答案：B

10. 以下哪种控制器能消除系统的稳态误差（）
A. P控制器
B. PI控制器
C. PD控制器

D. PID控制器
答案：B

第II卷（非选择题 共70分）

二、填空题（共10分）
答题要求：本大题共5小题，每小题2分。请将答案填写在横线上指定位置。

1. 自动控制系统是由______、______、______、______和______组成（按照组成部分的作用顺序填写）。
答案：给定元件、测量元件、比较元件、放大元件、执行元件

2. 控制系统按输入信号的特征可分为______控制系统、______控制系统和______控制系统（按照信号特征的类型填写）。
答案：恒值、随动、程序

3. 在控制系统中，衡量系统快速性常用的指标是______和_
答案：上升时间、调节时间

4. 系统的传递函数只取决于系统的______和______（按照系统特性填写）结构。
答案：结构、参数

5. 比例控制器的控制作用强弱取决于______。
答案：比例系数

三、简答题（共20分）
答题要求：简要回答问题，每题5分。

1.简述自动控制系统的基本组成部分及其作用。
答案：给定元件给出输入信号；测量元件检测输出信号并反馈；比较元件比较输入与反馈信号；放大元件放大偏差信号；执行元件根据偏差信号动作，使被控量达到要求值从而实现控制目的。

2.说明二阶系统在欠阻尼情况下，阻尼比ζ对系统性能指标（上升时间tr调节时间ts、超调量σ%）的影响规律（简要文字描述）。
答案：ζ越小，上升时间tr越短；调节时间ts越长；超调量σ%越大。

3. 什么是系统的传递函数？它有哪些特点？
答案传递函数是在零初始条件下，系统输出拉氏变换与输入拉氏变换之比。特点：与系统结构和参数有关，反映系统固有特性；可用于分析系统性能；不考虑系统内部具体物理过程；不同系统可能有相同传递函数。

4. 简述比例（P）、积分（I）、微分（D）三种控制作用的特点。
答案：比例控制作用及时，能快速响应偏差，但有稳态误差；积分控制作用能消除稳态误差，但响应较慢，可能使系统稳定性变差；微分控制作用能反映偏差变化趋势，改善系统动态性能，加快响应速度，减小超调量。

四、分析题（共20分）
答题要求：阅读材料，回答问题，每题10分。

材料：已知某控制系统的开环传递函数为G(s)H(s)=K/s(s + 1)(s + 2)，试分析该系统的稳定性。

1. 写出该系统的特征方程。
答案：系统特征方程为s(s + 1)(s + 2)+K = 0，即s³ + 3s² + 2s + K = 0。

2. 利用劳斯判据判断系统稳定时K的取值范围。
答案：劳斯表第一列元素为1 3 2；0 K。由劳斯判据，要使系统稳定，第一列元素全为正，可得K＞0且3×(2 - K/3)＞0，解得0＜K＜6。

材料：某二阶系统的传递函数为G(s)=ωn²/(s² + 2ζωns + ωn²)。已知其超调量σ% = 16.3%，调节时间ts = 1.2s（按2%准则）。

1. 求该系统的阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn。
答案：由超调量公式σ% = e^(-ζπ/√(1 - ζ²))×100% = 16.3%，可得ζ = 0.5。再由调节时间公式ts = 4/ζωn（按2%准则），已知ts = 1.2s，ζ = 0.5，可解得ωn = 2rad/s。

五、设计题（共20分）
答题要求：根据题目要求进行设计，每题10分。

1设计一个简单的液位控制系统，要求保持液位恒定。画出系统方框图并说明各组成部分的作用。
答案：给定元件设定液位给定值；测量元件检测实际液位；比较元件比较给定液位与实际液位得到偏差；控制器根据偏差控制执行元件动作；执行元件调节液位。方框图：给定元件-比较元件-控制器-执行元件-被控对象（液位）-测量元件-反馈到比较元件。

2. 已知某系统的传递函数为G(s)=1/(s² + 2s + 1)，设计一个PI控制器，使系统的稳态误差为零，超调量不超过20%，调节时间不超过1s（按2%准则）。
答案：原系统为二阶系统，ζ = 1，ωn = 1。加入PI控制器后，系统变为G(s)=(Kp + Ki/s)(1/(s² + 2s + 1))。为使稳态误差为零，系统应变为I型系统，所以Kp + Ki/s = K/s(s + 1)，可得Kp = 1，Ki = 1。此时系统的超调量和调节时间满足要求。