机电液一体化技术-09-B卷答案.doc

长安大学20082009学年第学期机电液一体化技术试题（B卷）答案一、简答题（40分）、(4分）机电一体化组成结构要素。答：机电一体化产品由以下五个基本要素构成：（）机械本体；（）动力源；（）检测与传感装置；（）控制与信息处理装置；（）执行机构.2、 （4分）机电一体化机械系统传动机构的性能要求。 答：传动机构要满足以下几个要求： （1）转动惯量小； （2）刚度大； （3）阻尼合适； 此外还要求摩擦小，抗振性好，间隙小。3、 （4分）机电一体化总体设计的主要内容。 答：机电一体化总体设计包括以下几个内容： （1）技术资料准备； （2）性能指标确定； （3）总体方案拟定。4、 （6分）直流伺服电动机的主要技术参数。 答：直流伺服电动机的主要参数有以下几个方面： （1）额定功率； （2) 额定电压； （3）额定电流； （4）额定转速； （5）额定转矩； （6）最大转矩； （7）机电时间常数和电磁时间常数； （8) 热时间常数； （9）阻尼系数。5、（6分）步进电动机的主要参数及特性答：主要有以下一些参数和特性：（）步距误差； （）最大静转矩； （）启动距频特性；（）启动惯频特性；（）运动距频特性；（）步进运行和低频振荡；（）最大相电压和最大相电流6、 （6分）闭环伺服系统结构原理图。 答：7、 （6分）半闭环伺服系统机构原理图。 答：8、 （4分）PID控制器常用的控制规律。 答：常用的控制规律如下： （1）比例控制； （2）比例积分控制； （3）比例微分控制； （4）PID控制。2、 问答题（60分）1、 （15分）用示意图表示包括人机接口和机电接口的机电一体化系统的基本组成，并回答下列问题： （1）分别简要说明人机接口和机电接口的功能； （2) 分别列出人机接口和机电接口中常用接口；（3）谈谈你对机电一体化系统接口设计的认识。 答： 机电一体化系统的基本组成： （1）人机接口的功能包括：操作者通过输出接口对系统的运行状态、各种参数进行监测，通过输入接口向系统输入各种命令及控制参数对系统进行控制； 机电接口的功能包括：控制微机通过信息采集接口接受传感器输出信号，检测机械系统运行参数，经过运算处理后发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件来调节机械系统的运行状态，按其要求动作； （2）人机接口中常用的接口分为输入接口和输出接口，输入接口中常用的接口有开关输入接口、拨盘输入接口、键盘输入接口；输出接口中常用的接口有二极管显示器接口、打印机接口、CRT显示器接口、扬声器接口； 机电接口中常用的接口分为信息采集接口和控制量输出接口，信号采集接口中常用的接口有A/D转换接口，控制量输出接口中常用的接口有D/A转换接口； （3）人机接口作为“人”与“机”之间进行信息传递的通道，有其自身的一些特点，需要在进行设计时予以考虑： 专用性 每一种机电一体化产品都有其自身特定的功能，对人机接口有着不同的要求，所以人机接口的设计方案要根据产品的要求而定； 低速性 与控制微机的工作速度相比，大多数人机接口设备的工作速度是很低的，所以在进行人机接口设计时，要考虑控制微机与设备间的匹配，提高控制的工作效率; 高性能价格比 由于机电的组合，大大强化了机械系统功能，使整个机电系统具有高的性价比； 由于机械系统与微电子系统在性质上有很大差别，二者之间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，因此机电接口有着重要的作用。机电接口通过的信号具有多样性，针对不同性质的信号，机电接口要对其进行不同的处理另外在机电一体化产品中，传感器要根据机械系统来布置，往往环境比较恶劣，易受干扰；再者，传感器与控制微机之间常要用长线传输，加之传感器输出信号一般比较弱，所以抗干扰设计也是机电接口设计的一个重要内容。（15分）用示意图表示机电一体化系统中数字信号检测系统的组成，并回答下列问题： （1）简要说明数字信号检测系统的工作原理； （2）说明细分与变辨向电路的类型及其应用场合； （3）画出光栅信号的四细分与辨向电路，并说明其工作原理。 答： （1）传感器输出正弦波信号，经放大、整形后变成数字脉冲信号。在精度要求不高和无需辨向时，脉冲信号可直接送入计算器和计算机，但在多数情况下，为提高分辨率，常采用细分电路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量不便于读出和处理时，需要进行脉冲当量变换。计算机可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构。 （2）细分与辨向电路的类型有以下几种： 多路信号采集细分与辨向； 电阻链移相细分与辨向； 锁向倍频细分与辨向； 脉冲填充细分与辨向； 它们的适用场合如下： 多路信号采集细分与辨向：四细分； 电阻链移相细分与辨向：细分数为860； 锁向倍频细分与辨向：n细分，速度基本恒定的位移测量； 脉冲填充细分与辨向：n细分，被测信号相位变化较小。 （3）光栅信号的四细分与辨向电路电路图如下图：光栅信号的四细分与辨向电路的原理：差动放大器对信号放大的同时去掉其中的直流分量。整形电路可将正弦波转换成相应的矩形波，这些矩形波又通过微分电路变成尖脉冲，以作为计数脉冲，而未经微分电路的矩形脉冲被用作后面与门的开门控制信号。各信号经过与门后分成两组分别送入两个或门，上面的或门在标尺光栅相对于指标光栅向左移动的每个周期内输出4个计数脉冲，下面的或门在光栅向右移动的每个周期内也输出4个计数脉冲。2、 （20分）对采用电枢电压控制的直流伺服电动机，试推导求解其角速度随时间变化规律的过滤过程的微分方程；并分析空载启动时直流伺服电动机的过渡过程及主要参数的影响（假设直流伺服电动机带有恒定载荷） 答：根据电枢等效回路，并考虑过渡过程中电枢电感La的影响，可列出电枢回路中的动态电压平衡方程： 在过渡过程中，直流伺服电动机的电磁转矩Tm除了要克服负载转矩T1外，还要克服轴上的惯性转矩，因而直流伺服电动机的动态转矩平衡方程为： 将代入，可得： 将上式及代入动态平衡方程得： 两边同时除以，并令 经整理得 当直流伺服电动机带有恒定负载时，则，于是上式可简化成 在空载条件下，即 对上式两端进行拉氏变换，得 经整理，得电动机的传递函数 令 代入上式，得 称为电动机的阻尼比，在欠阻尼情况下电动机角度的过渡过渡过程是一个衰减的振荡过程，衰减过程的长短有阻尼比的大小决定；在临界阻尼情况下过渡过程没有超调，且达到稳定值得速度较快；在过阻尼情况下电动机是一个一阶惯性环节。、 （10分）画出采用分段直线规律进行步进电动机软件自动升降速控制的程序框图，并编写程序。 答：程序框图如下： 对应的程序清单如下：VOU： MOV A,，58H ； ANL A，#0FCH ； ORL A，57H JZ VDON ； MOV A,5AH ； CLR C CJNE A，1AH，VUP； MOV A，5BH CJNE A，1BH，VUPRETURN：RETVUP： JNCRETURN DJNZ4CH ，RETURN； MOV A，5AH；CJNEA，1AH，VDV1MOV4CH，#02H；VDV1：INC4CH；MOVA，5BH；ADDA，#01H；MOV5BH，AM