姚斌-機電控制技術-考試試卷及答案解析教學教材?一、試卷說明本次機電控制技術考試試卷主要涵蓋了機電控制領域的核心知識，包括控制系統的基本概念、控制理論基礎、電氣控制系統、可編程控制器（PLC）應用以及傳感器與執行器等方面的內容。試卷旨在考查學生對機電控制技術的基本原理、分析方法和實際應用能力的掌握程度。考試題型包括選擇題、填空題、簡答題、分析題和設計題等，全面覆蓋了知識點的不同層次要求。二、考試試卷（一）選擇題（每題2分，共20分）1.機電控制系統中，反饋控制的核心是（）A.給定環節B.比較環節C.放大環節D.校正環節2.一階系統的傳遞函數為\(G(s)=\frac{1}{Ts+1}\)，其時間常數\(T\)越大，則系統的響應速度（）A.越快B.越慢C.不變D.不確定3.對于一個線性定常系統，其穩定性取決于（）A.系統的結構和參數B.輸入信號C.初始條件D.以上都不對4.在電氣控制系統中，熔斷器主要用于（）A.過載保護B.短路保護C.欠壓保護D.過壓保護5.以下哪種PLC編程語言常用于邏輯控制（）A.梯形圖B.語句表C.功能塊圖D.以上都是6.傳感器的靜態特性指標不包括（）A.線性度B.靈敏度C.響應時間D.重復性7.直流電動機的調速方法不包括（）A.改變電樞電壓B.改變勵磁電流C.改變負載轉矩D.改變電樞回路電阻8.開環控制系統與閉環控制系統的主要區別在于（）A.是否有反饋環節B.是否有放大環節C.是否有給定環節D.是否有比較環節9.三相異步電動機的旋轉磁場方向由（）決定。A.電源電壓B.電源頻率C.定子繞組的相序D.轉子電阻10.在PLC編程中，用于驅動外部負載的軟元件是（）A.輸入繼電器B.輸出繼電器C.定時器D.計數器（二）填空題（每題2分，共20分）1.機電控制系統的基本組成包括______、______、______、______和______。2.控制系統的性能指標主要有______、______、______和______等。3.常用的控制算法有______、______、______和______等。4.電氣控制系統中，常用的低壓電器有______、______、______、______和______等。5.PLC的編程語言主要有______、______、______和______等。6.傳感器按工作原理可分為______、______、______、______和______等。7.直流電動機的調速方法有______、______和______。8.三相異步電動機的調速方法有______、______和______。9.開環控制系統的優點是______、______；缺點是______。10.閉環控制系統的優點是______、______；缺點是______、______。（三）簡答題（每題10分，共30分）1.簡述機電控制系統的基本工作原理。2.什么是PID控制算法？簡述其組成及各部分的作用。3.簡述PLC的編程語言特點及適用場合。（四）分析題（20分）已知某二階系統的傳遞函數為\(G(s)=\frac{4}{s^{2}+2s+4}\)，試分析該系統的穩定性、動態性能指標（上升時間、峰值時間、調節時間、超調量）。（五）設計題（10分）設計一個基于PLC的三相異步電動機正反轉控制電路，要求具有過載保護和互鎖功能。三、答案解析（一）選擇題答案及解析1.答案：B解析：反饋控制的核心是比較環節，它將輸入信號與反饋信號進行比較，產生偏差信號，為后續的控制作用提供依據。2.答案：B解析：一階系統時間常數\(T\)越大，系統響應越慢。時間常數反映了系統對輸入信號的響應速度。3.答案：A解析：線性定常系統的穩定性取決于系統的結構和參數，與輸入信號和初始條件無關。4.答案：B解析：熔斷器主要用于短路保護，當電路發生短路時，熔斷器迅速熔斷，切斷電路，保護電氣設備。5.答案：D解析：梯形圖、語句表、功能塊圖都是PLC常用的編程語言，梯形圖直觀易懂，適合初學者；語句表類似于匯編語言，功能塊圖常用于復雜邏輯功能的編程。6.答案：C解析：響應時間是傳感器的動態特性指標，而線性度、靈敏度、重復性屬于靜態特性指標。7.答案：C解析：直流電動機的調速方法有改變電樞電壓、改變勵磁電流、改變電樞回路電阻，改變負載轉矩不能調速。8.答案：A解析：開環控制系統沒有反饋環節，閉環控制系統有反饋環節，這是兩者的主要區別。9.答案：C解析：三相異步電動機的旋轉磁場方向由定子繞組的相序決定。10.答案：B解析：輸出繼電器用于驅動外部負載，輸入繼電器用于接收外部輸入信號，定時器和計數器用于實現定時和計數功能。（二）填空題答案及解析1.答案：控制器、執行器、被控對象、檢測裝置、比較環節解析：機電控制系統由這五個基本部分組成，各部分協同工作實現對被控對象的控制。2.答案：穩定性、準確性、快速性、響應特性解析：這些是衡量控制系統性能的重要指標，穩定性是系統正常工作的基礎，準確性反映系統輸出與期望輸出的接近程度，快速性體現系統對輸入信號的響應速度，響應特性包括上升時間、峰值時間等具體指標。3.答案：PID控制算法、模糊控制算法、神經網絡控制算法、自適應控制算法解析：這些都是常用的控制算法，在不同的控制場合發揮著作用，PID控制應用廣泛，模糊控制適用于復雜不確定系統，神經網絡控制具有自學習能力，自適應控制能適應系統參數變化。4.答案：刀開關、熔斷器、接觸器、繼電器、按鈕解析：這些都是電氣控制系統中常見的低壓電器，刀開關用于隔離電源，熔斷器用于短路保護，接觸器控制電動機等負載的通斷，繼電器實現信號的轉換和控制，按鈕用于手動控制電路的通斷。5.答案：梯形圖、語句表、功能塊圖、結構文本解析：這是PLC的幾種主要編程語言，梯形圖直觀，語句表簡潔，功能塊圖適用于復雜邏輯，結構文本類似于高級編程語言，便于實現復雜算法。6.答案：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器解析：按工作原理可將傳感器分為這幾類，它們利用不同的物理特性將被測量轉換為電信號。7.答案：改變電樞電壓調速、改變勵磁電流調速、改變電樞回路電阻調速解析：這是直流電動機常用的調速方法，通過改變相應參數來調整電動機的轉速。8.答案：變極調速、變頻調速、改變轉差率調速解析：三相異步電動機可通過這幾種方法實現調速，變極調速通過改變定子繞組極對數，變頻調速改變電源頻率，改變轉差率調速可通過改變轉子回路電阻等方式。9.答案：結構簡單、成本低；控制精度低、抗干擾能力差解析：開環控制系統優點是結構簡單、成本低，但由于沒有反饋，控制精度低，對干擾敏感，抗干擾能力差。10.答案：控制精度高、抗干擾能力強；結構復雜、成本高、調試困難解析：閉環控制系統通過反饋能提高控制精度和抗干擾能力，但系統結構復雜，成本高，調試難度大。（三）簡答題答案及解析1.答案：機電控制系統的基本工作原理是：檢測裝置對被控對象的輸出量進行檢測，將檢測到的信號反饋到比較環節與給定值進行比較，產生偏差信號。控制器根據偏差信號，按照一定的控制算法進行運算，輸出控制信號到執行器。執行器根據控制信號對被控對象進行控制，使其輸出量達到預期的目標值。通過不斷地反饋和控制，實現對機電設備或生產過程的精確控制。解析：這是機電控制系統工作的基本流程，各部分相互協作，確保系統能穩定、準確地運行，實現對被控對象的有效控制。2.答案：PID控制算法是一種常用的線性控制算法，由比例（P）、積分（I）、微分（D）三部分組成。比例環節的作用是成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度，它對偏差進行積分，隨著時間的積累，消除穩態誤差。微分環節能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。解析：PID控制算法在工業控制中應用廣泛，其各部分作用相互配合，能有效地改善系統的控制性能，使系統達到較好的穩定性、準確性和快速性。3.答案：PLC的編程語言特點及適用場合如下：梯形圖：特點是直觀易懂，類似于電氣控制原理圖，適合電氣技術人員使用，常用于邏輯控制、順序控制等場合，如電機的啟停控制、生產流水線的順序控制等。語句表：類似于匯編語言，指令簡潔，適合熟悉編程指令的人員，常用于一些對程序執行效率要求較高、邏輯關系相對簡單的場合，如簡單的定時控制、計數控制等。功能塊圖：以功能塊為單位，通過連接功能塊來實現控制功能，適合具有一定編程基礎且熟悉功能塊邏輯關系的人員，常用于復雜邏輯功能的編程，如復雜的電機調速控制、過程控制等。結構文本：類似于高級編程語言，具有很強的邏輯表達能力和復雜算法實現能力，適合熟悉高級編程語言的人員，常用于需要實現復雜數學運算、復雜控制算法的場合，如運動控制中的軌跡規劃、復雜的過程優化控制等。解析：不同的PLC編程語言適用于不同的應用場景，使用者可根據實際需求和自身編程能力選擇合適的編程語言，以高效地實現控制系統的設計。（四）分析題答案及解析1.首先將二階系統傳遞函數\(G(s)=\frac{4}{s^{2}+2s+4}\)化為標準形式：令\(ω_n^2=4\)，則\(ω_n=2\)；\(2ζω_n=2\)，可得\(ζ=0.5\)。2.穩定性分析：對于二階系統，當\(ζ>0\)時系統穩定。這里\(ζ=0.5>0\)，所以該系統是穩定的。3.動態性能指標計算：上升時間\(t_r\)：\(t_r=\frac{πβ}{ω_d}\)，其中\(ω_d=ω_n\sqrt{1ζ^2}\)，\(β=arctan\frac{\sqrt{1ζ^2}}{ζ}\)。先計算\(ω_d=2\sqrt{10.5^2}=\sqrt{3}\)，\(β=arctan\frac{\sqrt{10.5^2}}{0.5}=arctan\sqrt{3}=\frac{π}{3}\)。則\(t_r=\frac{π\frac{π}{3}}{\sqrt{3}}=\frac{2π}{3\sqrt{3}}\approx1.2s\)。峰值時間\(t_p\)：\(t_p=\frac{π}{ω_d}=\frac{π}{\sqrt{3}}\approx1.8s\)。調節時間\(t_s\)：對于\(ζ=0.5\)的二階系統，取\(\Delta=0.05\)時，\(t_s\approx\frac{3}{ζω_n}=\frac{3}{0.5×2}=3s\)。超調量\(σ\%\)：\(σ\%=e^{\frac{ζπ}{\sqrt{1ζ^2}}}×100\%=e^{\frac{0.5π}{\sqrt{10.5^2}}}×100\%\approx16.3\%\)。解析：通過將傳遞函數化為標準形式，利用二階系統動態性能指標的計算公式，可得出系統的穩定性及各項動態性能指標。這些指標反映了系統在響應輸入信號時的特性，對于評估系統的性能和設計控制系統具有重要意義。（五）設計題答案及解析1.主電路設計：三相電源\(L1\)、\(L2\)、\(L3\)分別接入熔斷器\(FU1\)、\(FU2\)、\(FU3\)，然后接入接觸器\(KM1\)和\(KM2\)的主觸頭。電動機的三根相線分別接在\(KM1\)和\(KM2\)的主觸頭另一端，實現正反轉控制。在主電路中接入熱繼電器\(FR\)的發熱元件，用于過載保護。2.控制電路設計：啟動按鈕\(SB1\)、\(SB2\)并聯后與接觸器\(KM1\)的線圈串聯，再與熱繼電器\(FR\)的常閉觸頭串聯，構成正轉控制支路。啟動按鈕\(SB3\)、\(SB4\)并聯后與接觸器\(KM2\)的線圈串聯，再與熱繼電器\(FR\)的常閉觸頭串聯，構成反轉控制支路。接觸器\(KM1\)的常閉輔助觸頭與\(KM2\)的線圈串聯，\(KM2\)的常閉輔助觸頭與\(KM1\)的線圈串聯，實現互鎖功能，防止正反轉接觸器同時吸合造成短路。3.工作原理：正轉：按下正轉啟動按鈕\(SB1\)，接觸器\(KM1\)線圈得電，主觸頭閉合，電動機正轉；同時\(KM1\)的輔助常閉觸頭斷開，實現互鎖，防止\(KM2\)誤動作。