完整版机械电子学期末复习

1、第一章绪论1概括起来，机电一体化共性关键技术主要有六项:机械技术、计算机与信息处理技术、检测与传感技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术。2机电一体化设计跟传统的机械设计相比较，有如下特点： 机电一体化设计是一项复杂的系统工程，它特别注重系统优化，必须充分考虑各种技术方案的等效性、 互补性及可比性。 机电一体化设计一般以计算机为工具，充分利用计算机辅助设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真 分析、动态分析设计、可靠性设计等现代设计方法，以提高产品设计的效率和质量。 硬件设计和软件设计并重。3. 从机械电子学的定义和技术体系可以看出，机械电子学具有下列特点：1) 机械电子学的技术是机械技

2、术和电子技术有机结合而成的一种高级技术。2) ，计算机硬件和软件共同组成的信息处理技术，是机电一体化技术不可缺少的组成部分。3) .系统工程的观点和方法是机械电子学的基本方法。4. 从控制论的观点来看，世界是由物质、能量和信息三大要素 组成的。5. 系统的目的功能图：6. 机电一体化系统要实现其目的功能，一般需要具备五种内部功能，即主功能、动力功能、计测功能、控制功能和结构功能。7. 传统机器由动力、传动机、工作机三部分组成。机电一体化系统与其五种内部功能相对应，则由动力源、机械本体、执行机构、传感器、计算机五部分组成。8. 机电一体化技术是综合利用各相关技术的优势，取长补短，互相结合，取得系

3、统优化效果，有显著的社会效益和技术经济效益。具体表现为：1) 提高精度。2.增强功能和可用性。3.提高生产效率，降低成本；4.提高安全性和可靠性。5,减轻劳动强度, 改善劳动条件。，6.简化结构，减轻重量。7。增加系统柔性和智能化。9. 目前，机电一体化的应用主要有三种形式：1. 功能附加在原有机械产品基础上，采用微电子技术，使产品功能增加和增强，性 能得到适当的提高。例如经济型数控机床、电子秤、数显量具、全自动洗衣机等。2. 功能替代采用微电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能、信息处理功能或 主功能，使产品结构简化，性能提高，柔性增加。例如自动照相机、电子缝纫机、电子石 英钟、线切割机床

4、、激光手术器等。3. 机电融合在更深层次上实现机与电的有机结合。根据产品的功能和性能要求及技 术规范，采用专门设计的或具有特定用途的集成电路来实现产品中的控制和信息处理等功 能，因而使产品结构更加紧凑、设计更加灵活、成本进一步降低。例如传真机、复印机、 摄像机、磁盘驱动器、CNC数控机床等产品就是如此。10. 当前，机电一体化的发展趋势可以概括为以下三个方面：性能上向高精度、高效率、 智能化方向发展；功能上向小型化、轻型化、多功能方向发展 ；层次上向系统化、复合集成化方向发展。第二章 机电一体化系统中的计算机1. 然而，机电一体化系统中使用的计算机跟通用微型机有一定的区别，这是因为 :(1)

5、从信息输入和输出观点看，它的输入信号和输出信号的处理要比通用微型机复杂 得多，因为输入机电一体化系统中计算机的大量数据来自各种类型的传感器、开关和按钮 等，输出信号还要送到分布在各处的执行机构上去。(2) 从数据在计算机内的运行来看，一般机电一体化系统中计算机的运算数据要简单 得多，通常只有逻辑运算和简单的数学运算;而通用微型机常用子复杂的科学计算和管理，其数据运算和处理要复杂得多。(3) 从运行环境来看，通用微型机一般在实验室环境使用，而机电一体化系统中的计 算机一般要运行在生产现场，其运行环境要恶劣得多。2. 机电一体化系统中的计算机必须具备下列特征：具有很强的控制功能；具有丰富的I/O接

6、口 ；运行速度快，能适应实时控制的需要；抗干扰能力强，耐环境能力强。3. 单片机的结构特点1) 在系统结构上采用哈佛型2) 极强的布尔处理能力3) 具有较齐全的输入 /输出接口及实时中断功能4) 配有实时控制的特殊电路4. 哈佛型与冯诺依曼型的 不同之处所谓哈佛型与冯诺依曼型的不同之处在于存储器的配置不同。冯。诺依曼型结构将程序和数据共用一 个存储器，一般的通用计算机都采用此种形式。哈佛型结构将数据与程序分别放在两个存储器内，一个称 为程序存储器，另一个称为数据存储器。5. 单片机的多机应用系统 可分为弥散系统、并行多机处理系统以及局部网络系统。(1) 多机弥散系统它是为了满足工程系统各种外围

7、功能要求而设置的多机系统。所谓功能弥散是指工程系统中可以在任意环节上设置单片机功能子系统，它体现了多机系统 的功能分布。(2) 并行多机控制系统它主要解决工程系统的快速性要求，以便构成大型实时工程 系统。典型例子有快速并行数据采集与处理系统，实时图像处理系统等。(3) 局部网络系统单片机网络系统的出现，使单片机应用进入了一个新的水平。目 前单片机构成的网络系统主要是分布式铡控系统。单片机主要用于系统中的通信控制，以 及构成各种侧控用子站系统。6. 总线式工控机与通用微型机相比较，其特点是：取消了计算机系统母板 ；采用开放式总线结构 ；各种 1/O 功能模板可直接插在总线槽上 ：选用工业化电源

8、；可按控制系统的要 求配置相应的模板 ；便于实现最小系统。7. 可编程控制器的特点由于可编程控制器的设计以方便工业应用为目标，并尽可能采用先进技术，因而具有 以下几个显著特点 ：(1) 可靠性高，抗干扰能力强(2) 丰富的 v0 接口模块(3) 功能强，适应面广(4) 编程简单，容易掌握(5) 采用模块化结构，系统构成灵活8. PLC 的基本结构(1) 中央处理单元 (CPU)(2) 存储器(3) 输入了输出组件 (v0 模块 )(4) 编程器(5) 外部设备(6) 电源9. PLC简化框图凰 27 FIX KliUPB10. PLC的工作原理(1) 输入采样阶段用户程序执行阶段(3)输出刷新

9、阶段11. PLC的编程语言用得最多的编程语言是梯形图和顺序功能图12. PLC控制系统的设计步骤：1) .确定被控对象和控制范围2) .机型选择3) .硬件与程序设计4) .总装调试第三章传感器与检测系统.1传感器及其检测系统必须满足下列基本要求： 精度、灵敏度和分辨率高，能满足机电一体化系统对检测精度和速度的要求 线性、稳定性和重复性好，工作可靠； 静、动态特性好，测量范围较大；抗干扰能力强。2传感器按输出信号的性质分类，分为二值型、模拟型和数字型，3. 检测系统设计的一般步骤如下：1. 设计任务分析。2. 系统方案选择。3. 系统构成框图设计。4. 环节设计与制造。5. 总装调试及实验分

10、析。6. 系统运行和考核。4. 说明题:答案:讎桶测ft方式是糊聒旋转斐爪器转了绕堀冲馬应电势的相忖来确定被测转滋的大小. 在團 m 叽 当定ram贯 电和 片 斶中为别通以轴憤和赖率栩从相楼崔为 血的 交变翻e电川廿*.甘,5臥 产（/詡n由式C3-2可知，旅转妬郢转于挠组中的爐应电衿歼与定TSSffl申的顒fit电砥同频率，但相位不同，相位差B就是被测角位移的大小。5说明题:H3-i脈辆蛇k曲桓测畳托厲答案:鑒糾时樹方式牺通过检関雄转曼崔蛊無f绕组中墩应电第的咄伍球尖昵m材楼检敢 的.这时，定子统细曲一虽和狀耳分别输入烦聿和相位相同.幅隹不同的空呢澈磁电压 址 Hjqs e giriMG

11、Uk rina sift 酮 式申 耳冈中和Fina分别卅板肋師码加%的福饥盘为雉转变压赭的电伫fih 可由伺服乘统产生*权据槎加悭J5, M以紂出转了绕组巴一终中的感俺电外為% %* %-C/cosa siiiox sintf+ Vinasincurctisi?= (/8ni-fl)sjnftirO)也式0-3)可以看出，转下绕址屮的轿应电外4是以型为旳顾率的交变馆号”为的大小。2WU若4i吒轴金已却*则只要测盘岀U,的幡ffiU伍可側抢地求出魅测角柚 移白的大小.特环臭当慮应电勢泪零时.a - &錠转变圧髒电气超的大小就处按测狛也移6.感应同步器 是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检

12、测元件，有直线式和圆盘式两类，分别用来检测直线位移和角位移。7测速发电机主要有两种用途 ：(1) 测速发电机的输出电压与转速成正比，因而可以通过测量输出电压来得到转子的转速。(2) 如果以转子的转角 8为参数变量，则测速发电机可作为机电微分、积分器 8. 实际上还有些因素会影响测量结果，例如： 周围环境温度的变化使各绕组电阻发生变化，从而产生线性误差； 电枢反应，即由于电枢电流所产生的磁场会影响测速发电机的内磁场，从而引起测量误差； 电枢回路的电阻值随电枢电流变化而变化，破坏了输出电压与转速的线性关系。9. 常见的光栅从形状上可分为长光栅和圆光栅两大类。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测角

13、位移。 光栅的检测精度比较高，可达士lum。10. 莫尔条纹具有如下特性：1. 当用平行光束照射光栅时，所形成莫尔条纹间的光强近似呈正弦分布。2. 放大作用。3. 平均效应。4. 莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应，即两光栅尺相对移动一个栅距d时，莫尔条纹便相应地移动一个节距 W，其方向与光栅尺相对移动的方向垂直。而且，若两光栅尺相对移动的方向改变，莫尔条纹移动的方向也随之改变。11. 画图：图3怡差动放大SS12、画图:13、绝对值式编码器有三种类型：光电编码器、磁性编码器和接触式编码器。14、说明题：二进制编码盘为什么有缺点？目前使用最多的是光电编码器。圏3為二逬制扁谢盘答案：（

14、最好能画图说明）。15、亮通光电开关电路16、暗通光电开关电路丄17、说明：电阻链移相细分原理3-31电阻链移相细分氐理答案:吐阻链移相细分的厦理厠图3-31西示.图中町和轨力别是来自传感器的相位基为期 的正弦和余张信号.EP如-f/jinO 1 u； = t/mcostf 根拥叠加原理，输出信号叫为3-17)% TT-J=L/二 Js$in6J + L,Jtt sin flj cos =心；+ 护)式中 =-f cosp h 斷 r sin - .* 5时排序过程比较复杂，可采用“冒泡”算法。(2) 算术平均滤波算术平均滤波方法的原理是，对信号连续进行n次采样，以其算术平均值作为有效采样值。

15、(3) 滑动平均滤波该方法采用循环队列作为采样数据存储器，队列长度固定为n,每进行一次新的采样，把采样数据放入队尾，扔掉原来队首的一个数据。这样，在队列中始终有n个最新的数据。对这 n个最新数据求取平均值,作为此次采样的有效值。21. 静态误差补偿1)非线性补偿(2) 零位误差补偿(3) 增益误差补偿第四章伺服驱动及其控制1画图：伺服系统的一般组成图4-i统的一履纽成2. 根据执行元件的不同，伺服系统可分为 电气式、液压式和气动式伺服系统3. 伺服系统根据控制原理，即有无检测环节及其检测部件，可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方式。4. 对伺服系统的基本要求可以用“稳、准、快”三个字加以概

16、括，即要求有高的稳定性、准确性和快速性。5. 从伺服系统控制技术的发展来看，伺服系统出现过三种基本方式，即模拟式，混合式,数字方式6画图：伺服系统三种组成方式:3樓捲式嶺抵式也*传癬胖 aQ塾字或住1活感磔(d量字式敷字XC楼感V7. 步进电机的特点：输出转角与输入脉冲严格成比例，且在时间上与输入脉冲同步。(2) 转子惯量小，启动、停止的时间短，一般在信号输入几毫秒至十几毫秒后，就能 使电机达到同步转速，信号切断后电机立即停止转动。(3) 输出转角的精度高，虽有相邻误差，但无累积误差。(4) 可实现平滑无级调速，且调速范围相当宽。(5) 借助控制线路，可获得正、反转动及间歇运动等特殊功能8.

17、说明：单电压驱动电路工作原理留4一 15举电压駆动电路答案：0 0 0 0 0 0 0自己写9.画图：双电压驱动电路原理图延时TLj 前WffiA10.画图：微机作为加法器的细分驱动器来自单片 u,O n/.vIT机数字I Q25S11直流电机的驱动 调速常用的方法 有可控硅法和PWM法等。答案：电压的平均值为5=討=叫改变占空比a的方法有两种，从而获得两种调制方法：（1）脉冲频率不变（T不变），改变脉冲宽 度（t-。改变），从而改变占空比a,这就是脉冲宽度调制，英文名称是 Pulse Width Modulation, 简写为PwMo （z）脉冲宽度不变（r-。不变），改变脉冲频率（T改变），从而改变占空比a,这就 是脉冲频率调制。第五章运动控制1.控制理论分为三个阶段1)经典控制理论2)现代控制理论3)智能控制理论2经典控制理论的分析方法 主要包括：时域分析法、根轨迹分析法、频率分析法等三大分析方 法。3. 机电一体化系统中的基本控制类型(1) 数字控制系统(2) 伺服控制系统(3) 顺序控制系统(4) 过程控制系统4. 说明：轨迹控制原理0图5-J轨迹控制Kt理图答案：如图5