机电一体化考试大纲及答案.doc

第一章1、 机电一体化技术指那些技术？机械技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术2、 一个典型的机电一体化系统应包含哪几个基本要素？机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、驱动单元、控制与信息处理单元、接口3、 试简述机电一体化系统的设计方法。 （1）取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。 （2）整体设计法主要用于全新产品和系统的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发考虑各子系统的 设计，所以接口简单，甚至可能互融一体。 （3）组合法就是选用各种标准功模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统。第二章1、 机械传动在机电一体化系统中的功能？机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置，是一种扭矩和转速的变换器，其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配，并可通过机构变换实现对输出的速度调节。2、 在机电一体化系统中，机械系统模型建立的意义？机械系统的数学模型分析的是输入（如电机转子运动）和输出（如工作台运动）之间的相对关系。等效折算过程是将复杂结构关系的机械系统的惯量、弹性模量和阻尼（或阻尼比）等机械性能参数归一处理，从而通过数学模型来反映各环节的机械参数对系统整体的影响。 3、 摩擦和阻尼会降低效率，但是设计中会适当选择其参数，而不是越小越好，为什么？对摩擦而言，设计机械系统时，应尽量减少静摩擦和降低动、静摩擦之差值，以提高系统的精度、稳定性和快速响应性。因此，机电一体化系统中，常常采用摩擦性能良好的塑料金属滑动导轨、滚动导轨、滚珠丝杠、静、动压导轨；静、动压轴承、磁轴承等新型传动件和支承件，并进行良好的润滑。适当的增加系统的惯量J和粘性摩擦系数f也有利于改善低速爬行现象，但惯量增加将引起伺服系统响应性能的降低；增加粘性摩擦系数f也会增加系统的稳态误差，故设计时必须充分考虑，使其达到最好的效果对阻尼而言，（1）当阻尼比0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能无阻尼。（2）当1时, 系统为临界阻尼或过阻尼系统。此时,过渡过程无振荡,但响应时间较长。（3）当01时, 系统为欠阻尼系统。此时,系统在过渡过程中处于减幅振荡状态, 其幅值衰减的快慢取决于衰减系数。在确定以后, 愈小, 其振荡愈剧烈, 过渡过程越长。相反,越大,则振荡越小,过渡过程越平稳,系统稳定性越好,但响应时间较长,系统灵敏度降低。实际应用中一般取0.40.8的欠阻尼，这样既能保证振荡在一定范围内过渡过程较平稳、过渡过程时间较短，又有较高的灵敏度。4、 转动惯量对传动系统的影响？在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量和转动惯量越小越好。转动惯量大会导致机械负载增大、系统响应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易产生谐振。同时，转动惯量的增大会使电气驱动部件的谐振频率降低、，而阻尼增大。5、 如何保证机电一体化系统具有良好的伺服特性？ 使其转动惯量小、摩擦小、阻尼合理、刚性大、抗振性好、间隙小，并满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性，同时还要求机械部分的动态特性与电机速度环的动态特性相匹配。6、 机电一体化对机械系统的要求？（1）较高的定位精度、（2）良好的动态响应特性（3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度（4）高的谐振频率、合理的阻尼比。7、 机电一体化机械系统的三大主要机构是什么？ （1）传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而且已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。 （2）导向机构 导向机构的作用是支承和导向,它为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。 （3）执行机构 执行机构是用来完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下完成预定的操作。8、 传动间隙对系统性能的影响有哪些？（1）、闭环之外的齿轮、的齿隙，对系统稳定性无影响，但影响伺服精度。由于齿隙的存在，在传动装置逆运行时造成回程误差，使输出轴与输入轴之间呈非线性关系，输出滞后于输入，影响系统的精度。（2）、闭环之内传递动力的齿轮的齿隙，对系统静态精度无影响，这是因为控制系统有自动校正作用。又由于齿轮副的啮合间隙会造成传动死区，若闭环系统的稳定裕度较小，则会使系统产生自激振荡，因此闭环之内动力传递齿轮的齿隙对系统的稳定性有影响。 （3）、反馈回路上数据传递齿轮的齿隙既影响稳定性，又影响精度。9、 机电一体化系统的机械传动设计往往采用“负载角加速度最大原则”，为什么？在机电一体化系统中，用于伺服系统的齿轮传动一般是减速系统，其输入是高速、小转矩、输出是低速、大转矩。要求齿轮系统不但有足够的强度，还要有尽可能小的转动惯量，在同样的驱动功率下，其加速度响应为最大。此外，齿轮副的啮合间隙会造成不明显的传动死区。在闭环系统中，传动死区能使系统以15倍的间隙角产生低频率振荡，为此，要调小齿侧间隙，或采用消隙装置。在上述条件下，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服系统的响应速度。第三章1、 检测系统有哪几部分组成？说明各部分的作用。检测系统通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成传感器是把被测量转换成电学量的装置，是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。2、 传感器广义：传感器是一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。狭义：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 3、 灵敏度 灵敏度指传感器在静态信号输入情况下，输出变化对输入变化的比值s，即 S=输出变化量/输入变化量4、 线性度 传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差 5、 动态误差在动态信号作用下输出与输入之间的差异6、 简述光电式转速传感器的测量原理。光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成。其原理为：光源发生的光通过缝隙圆盘和指示缝隙照射到光电器件上。当缝隙圆盘随被测轴转动时，由于圆盘上的缝隙间距与指示缝隙的间距相同，因此圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测出转速为n=60N/Zt 。 式中 Z圆盘上的缝隙数； n转速（r/min）； t测量时间（s）。一般取Z=60（m=0，1，2）,利用两组缝隙间距W相同，位置差（i/2+1/4）W(i为正整数)的指示缝隙和两个光电器件，则可分辨出圆盘的选择方向。7、 为什么机电一体化系统的测试过程往往要进行非线性补偿？试分析线性补偿通常使用的几种方法的原理。因为在机电一体化测控系统中， 特别是需对被测量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输入输出特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。但是，很多检测原件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使得较大范围内的动态检测存在着很大的误差。因此，在机电一体化系统的测试过程往往要进行非线性补偿。计算法当输出信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时，在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变化后直接进入计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线性处理的输出参数。查表法就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或中间结果，查出最终所需的结果。插值法把传感器的输出特性曲线按一定的要求分成若干段，然后把相邻两分段点用直线连起来，用此直线代替相应的各段曲线，即可求出输入所对应的输出值。8、 简述A/D、D/A接口的功能A/D接口的功能是将温度、压力等物理量经传感器转变成电压、电流等信号转换成数字量D/A接口的功能是将二进制数字量转换成电压信号9、 模拟式传感器信号处理过程包括那些环节？对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理10、分析电容式传感器的工作原理及其主要应用？（书本P40）可用来测量压力、加速度、直线位移、角度、角位移、厚度、振动和振幅、转速、温度、湿度等参数11、机电一体化系统中，需要测试的常见物理量有哪些？举例说明机电一体化系统中，检测系统所测试的物理量一般包括：温度、流量、功率、位移、速度、加速度、力等。第四章1、 伺服系统的执行元件分为哪三大类型？电气式，主要有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等液压式，主要有液压缸、液压马达等气压式，主要有气缸、气马达等2、 步进电机的驱动电路的功能？将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按照要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转，从而控制电机的转角、转速及转动方向。3、 伺服电机是伺服控制系统中的动力部件，它是将电能转换成机械能的一种能量转换装置。P314、 简述PWM脉宽调速原理？（书本P73）5、 交流变频调速有几种类型？各有什么特点？（）开环控制 该控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。 （2）无速度传感器的矢量控制 可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质。（3）带速度传感器矢量控制 矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它具可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可以对转矩实行精确控制；系统的动态响应速度甚快；电动机的加速度特性很好等优点6、 简述SPWM变频调速系统的原理（书本P78）7、 分析直流伺服电机的结构与工作原理直流伺服电动机的结构与一般的直流电动机结构相似，也是由定子、转子和电刷等部分组成，直流伺服电动机部件主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成工作原理：导体ab,cd中通入图中所示方向的电流，根据电磁力定律，可以判断载流导体ab,cd 在磁场中受力方向，形成逆时针方向电磁力矩，线圈逆时针旋转。当线圈转动180o ,导体cd处于N极下，电流由c到d，S极下导体电流由b到a ，导体受力仍然是逆时针方向。电枢连续旋转，导体ab、cd中电流的方向不断变化，交替在N极和S极下受电磁力作用，从而使得电动机按一定的方向连续旋转。换向器，使电刷通过换向片只与处于一定极性下的导体相连接，从而使导体中的电流方向发生变化。8、 分析直流伺服电机与交流伺服电机在控制上有什么不同？直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。第五章1、 伺服控制系统的含义是什么？一般包含那几个部分？每部分能实现何种功能？伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等个五部分。 控制器通常是计算机或PID控制电路；其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控 制执行元件按要求动作； 被控对象是指被控制的机构或装置，是直接完成系统目的的主体，一般包括传动系统、执行装置和负载； 执行元件按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作，机电一体化 系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。 检测环节指能够对输出进行测量，并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号，通常由专 门的电路或计算机来实现； 2、 单片机 （书本P108)是把计算机系统硬件的主要部分如CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器及中断控制器等都集中在一个芯片上的单芯片微型计算机3、 PLC （书本P106）可编程序控制器的简称，是将继电器逻辑技术与计算机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统。4、 微机控制系统中的输入与输出一般包括哪几种通道？微机控制系统中的输入与输出通道一般包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道 、数字量输出通道 四种通道5、 在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式分，包括哪几种通信？在计算机和外部交换信息中，按数据传输方式可分为：串行通信和并行通信。6、 根据计算机在控制中的应用方式，把计算机控制系统分为哪几类？（可编程序控制器、总线型工业控制计算机、单片机）操作指导控制系统、直接控制系统、监督计算机控制系统、分级计算机控制系统。7、 已知电机驱动的三个自由度位置控制系统，单个自由度控制的系统如下所示，确定整个控制方案，画出控制系统原理图。解：依题意有两种测量方案（1）高速端测量方案：传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。可选用光电编码器式传感器或者磁电式编码器。（2）低速端测量方案：传感器安装在工作台上，直接测量工作台的位移。可选用光栅式位移传感器、感应同步器或者电位计式位移传感器。可以使用工业PC机及或者单片机完成系统的控制。具体可有以下三种方案：a工业PC机集中控制方案：用一台工业PC机对三个自由度实现集中控制，包括任务管理和三个自由度的伺服控制b工业PC机、单片机分级控制方案：用一台工业PC机与三个单片机通信，对三个单片机实现管理，每个单片机负责一个自由度的伺服控制， c单片机、单片机分级控制方案：用一个单片机作为主单片机与三个从单片机通信，对三个从单片机实现管理，每个从单片机负责一个自由度的伺服控制， 8、 何谓I/O接口？计算机控制过程中为什么需要接口？I/O接口是主机和外围设备之间交换信息的连接桥梁I/O接口与I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁，常用的I/O接口有并行接口和串行接口。I/O通道有模拟量I/O通道和数字量I/O通道。其中模拟量I/O通道的作用是，一方面将经由传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机；另一方面将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，以实现对生产过程的控制。数字量通道的作用是，除完成编码数字输入输出外，还可将各种继电器、限位开关等的状态通过输入接口传送给计算机，或将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。9、 分析变频空调的计算机控制原理 “变频空调”变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度大大提高。而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。 供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；而当供电频率较低时，空调器制冷（热）