机电传动控制习题集及解答综述

1、机电传动控制习题解答机械工程学院 郝昕玉习题集及解答第 1章 概 述1- 1 什么是机电传动控制？机电传动与控制的发展各经历了哪些阶段 ? 答：从广义上讲，机电传动控制就是要使生产机械设备、生产线、车间甚至 整个工厂都实现自动化； 具体地讲， 就是以电动机为原动机驱动生产机械， 将电 能转变为机械能， 实现生产机械的启动、 停止及调速， 满足各种生产工艺过程的 要求，实现生产过程的自动化。因此，机电传动控制，既包含了拖动生产机械的 电动机， 又包含了控制电动机的一整套控制系统。 例如， 一些精密机床要求加工 精度达百分之几毫米， 甚至几微米， 重型镗床为保证加工精度和控制粗糙度， 要 求在极慢

2、的稳速下进给， 即要求在很宽的范围内调速； 轧钢车间的可逆式轧机及 其辅助机械，操作频繁，要求在不到一秒钟时间内就得完成从正转到反转的过程， 即要求能迅速地启动、制动和反转；对于电梯和提升机则要求启动和制动平稳、 并能准确地停止在给定的位置上； 对于冷、热连轧机以及造纸机的各机架或分部， 则要求各机架或各分部的转速保持一定的比例关系进行协调运转；为了提高效 率，由数台或数十台设备组成的生产自动线， 要求统一控制和管理。 诸如此类的 要求. 都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置来实现的。它主要经历了四个阶段：最早的机电传动控制系统出现在 20 世纪韧，它仅 借助于简单的接触器与继电器等控制电器

3、， 实现对控制对象的启动、 停车以及有 级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度差， 30 年代出现了电机放大机控制， 它使控制系统从断续控制发展到连续控制， 连续控制系统可随时检查控制对象的 工作状态， 并根据输出且与给定量的偏差对控制对象进行自动调整， 它的快速性 及控制精度都大大超过了最初的断续控制， 并简化了控制系统， 减少了电路中的 触点，提高了可靠性，使生产效率大力提高； 40年代 50 年代出现了磁放大器 控制和大功率可控水银整流器控制；可时隔不久，于 50 年代末期出现了大功率 固体可控整流元件晶闸管， 很快晶闸管控制就取代了水银整流器控制， 后又 出现了功率晶体管控制， 由于晶

4、体管、晶闸管具有效率高、 控制特性好、反应快、 寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优点，它的出现为机电传动自 动控制系统开辟了新纪元； 随着数控技术的发展， 计算机的应用特别是微型计算 机的出现和应用， 又使控制系统发展到一个新阶段采样控制， 它也是一种断 续控制，但是和最初的断续控制不同， 它的控制间隔 (采样周期 )比控制对象的变 化周期短得多， 因此，在客观上完全等效于连续控制， 它把晶闸管技术与微电子 技术、计算机技术紧密地结合在一起， 使晶体管与晶闸管控制具有强大的生命力。20 世纪 70年代韧，计算机数字控制 (CNC)系统应用于数控机床和加工中心， 这不仅加强了自动化程

5、度， 而且提高了机床的通用性和加工效率， 在生产上得到 了广泛的应用。工业机器人的诞生，为实现机械加工全盘自动化创造了物质基础， 80 年代以来，出现了由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中 心计算机控制的机械加工自动线柔性制造系统 (FMS)，它是实现自动化车间 和自动化工厂的重要组成部分。 机械制造自动化高级阶段是走向设计、 制造一体 化，即利用计算机辅助设计 (CAD)与计算机辅助制造 (CAM)形成产品设计和制造过 程的完整系统， 对产品构思和设计直至装配、 试验和质量管理这一全过程实现自 动化。为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成生产系统 (CIMS)

6、是人们今后的任务。1- 2 机电传动控制系统有哪五大基本要素 ?各具有什么功能？答：虽然随着机电传动系统的要求不同， 其控制系统也不同。 但是归纳起来， 它们通常是由五大要素与功能组成的， 即由机械装置 （结构功能）、执行装置（驱 动功能和能量转换功能） 、传感器与检测装置 （检测功能） 、动力源（运转功能） 、 信息处理与控制装置（控制功能）五部分组成，如图 1-1 所示。1. 机械装置（结构功能）机械是由机械零件组成的、 能够传递运动并完成某些有效工作的装置。 机械 由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及安装固定部分等组成。通用的传 递运动的机械零件有齿轮、齿条、链轮、蜗轮、带、带轮、

7、曲柄及凸轮等。两个 零件互相接触并相对运动就形成了运动副。 由若干运动副组成的具有确定运动的 装置称为机构。就传动而言，机构就是传动链。为了实现机电传动控制系统整体最佳的目标， 从系统动力学方面来考虑， 传 动链越短越好。因为在传动副中存在“间隙非线性”，根据控制理论的分析，这 种间隙非线性会影响系图 1-1 控制系统五大要素与功能统的动态性能和稳定性。 另外，传动件本身的转动惯量也会影响系统的响应速度 及系统的稳定性。在数控机床中之所以存在“半闭环控制”，其原因就在于此。据引，提出了“轴对轴传动（ d-d 传动）”，如电动机直接传动机床的主轴， 轴就是电动机的转子，从而出现了各种电主轴。 这

8、对执行装置提出了更高的要求： 如机械装置、 执行装置及驱动装置之间的协调与匹配问题。 必须保留一定的传动 件时，应在满足强度和刚度的前提下，力求传动装置细、小、巧，这就要求采用 特种材料和特种加工工艺。2. 执行装置（驱动功能和能量转换功能） 执行装置包括以电、气压和液压等作为动力源的各种元器件及装置。例如， 以电作为动力源的直流电动机、 直流伺服电动机、 三相交流异步电动机、 变频三 相交流电动机、三相交流永磁伺服电动机、步进电动机、比例电磁铁、电磁粉末 离合器/ 制动器、电动调节阀及电磁泵等； 以气压作为动力源的气动马达和气缸； 以油压作为动力源的液压马达和液压缸等。选择执行装置时， 要考

9、虑执行装置与机械装置之间的协调与匹配， 如在需要 低速、大推力或大扭矩的场合下，可考虑选用液压缸或液压马达。为了实现机电控制系统整体最佳的目标， 实现各个要素之间的最佳匹配， 已 经研制出将电动机与专用控制芯片、 传感器或减速器等合为一体的装置， 如德国 西门子公司的变频器与电动机一体化的高频电机， 日本东芝公司的电动机和传感 器一体化的永磁电动机等。近年来，出现了许多新型执行装置，如压电执行器、超声波执行器、静电执 行器、机械化学执行器、光化学执行器、磁伸缩执行器、磁性液体执行器、形状 记忆合金执行器等。 特别是一些微型执行器的出现， 如直径为 0.1mm的静电执行 器，这些新的机电传动技术

10、的出现大大促进了微电子机械的发展。3. 传感器与检测装置（检测功能）传感器是从被测对象中提取信息的器件， 用于检测机电控制系统工作时所要 监视和控制的物理量、 化学量和生物量。 大多数传感器是将被测的非电量转换为 电信号，用于显示和构成闭环控制系统。传感器的发展趋势是数字化、 集成化和智能化。 为了实现机电传动控制系统 的整体优化， 在选用或研制传感器时， 要考虑传感器与其他要素之间的协调与匹 配。例如，集传感检测、变送、信息处理及通信等功能为一体的智能化传感器， 已广泛用于现场总线控系统。4. 动力源（运转功能）动力或能源是指驱动电动机的 “电源” 、驱动液压系统的液压源和驱动气压 系统的气

11、压源。驱动电动机常用的“电源”包括直流调速器、变频器、交流伺服 驱动器及步进电动机驱动器等。 液压通常称为液压站， 气压通常称为空压站。 使 用时应注意动力与执行器、机械部分的匹配。5. 信息处理与控制装置（控制功能） 机电传动控制系统的核心是信息处理与控制。 机电传动控制系统的各个部分必 须以控制论为指导，由控制器（继电器、可编程控制器、微处理器、单片机、计 算机等）实现协调与匹配，使整体处于最优工况，实现相应的功能。在现代机电 一体化产品中，机电传动系统中控制部分的成本已占总成本的50%。特别是近年来微电子技术、 计算机技术的迅速发展， 目前，越来越多的控制器使用具有微处 理器、计算机的控

12、制系统，输入 / 输出、通信功能也越来越大。1- 3 什么叫开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统？ 答：输出量只受输入量控制的系统称为开环控制系统。 输出量同时受输入量 和输出量控制， 即输出量对系统有控制作用， 这种存在反馈回路的系统称为闭环 控制系统。 那些以交、直流伺服电动机的角位移作为输出量， 用圆光栅作为反馈 元件的系统则称为半闭环系统。 目前使用中的 CNC机床绝大多数均为半闭环控制 系统。1- 4 机电一体化传动系统的设计方法有哪些？各有什么特点？ 答：机电传动控制系统是由相互制约的五大要素组成的具有一定功能的整 体，不但要求每个要素具有高性能和高功能， 更强调它们之间的协

13、调与配合， 以 便更好地实现预期的功能。 特别是在机电一体化传动系统设计中， 存在着机电有 机结合如何实现，机、电、液传动如何匹配，机电一体化系统如何进行整体优化 等问题，以达到系统整体最佳的目标。机电一体化传动系统的设计方法有如下几种：1. 模块化设计方法 机电传动控制系统由相互制约的五大要素的功能部件组成， 也可以设计成由 若干功能子系统组成， 而每个功能部件或功能子系统又包含若干组成要素。 这些 功能部件或功能子系统经过标准化、 通用化和系列化， 就成为功能模块。 每一个 功能模块可视为一个独立体，在设计时只需了解其性能规格，按其功能来选用， 而无须了解其结构细节。2. 柔性化设计方法将

14、机电一体化产品或系统中完成某一功能的检测传感元件、 执行元件和控制 器作成机电一体化的功能模块， 如果控制器具有可编程的特点， 则该模块就成为 柔性模块。3. 取代设计方法取代设计又称为机电互补设计方法。 该方法的主要特点是利用通用或专用电 子器件取代传统机械产品中的复杂机械部件， 以便简化结构， 获得更好的功能和 特性。4. 融合设计方法 融合设计方法是把机电一体化产品的某些功能部件或子系统设计成该产品 所专用的。用这种方法可以使该产品各要素和参数之间的匹配问题考虑得更充 分、更合理、更经济、更能体现机电一体化的优越性。融合法还可以简化接口， 使彼此融为一体。5. 系统整体优化设计方法系统整

15、体设计法是以优化的工艺为主线， 以控制理论为指导， 以计算机应用 为手段，以系统整体最佳为目标的一种综合设计方法。第 2 章 机电传动控制的数学模型2- 1 简述机电传动控制的数学建模的意义以及其数学模型的种类。答： l. 数学模型的概念及其建立意义数学模型是系统动态特性的数学描述。 由于系统从初始状态向新的稳定状态 过渡过程中， 系统中的各个变量都要随时间而变化， 因而在描述系统动态特性的 数学模型中不仅会出现这些变量本身，而且也包含这些变量的各阶导数，所以， 系统的动态特性方程式就是微分方程式，它是表示系统数学模型的最基本的形 式。在研究与分析一个机电控制系统时， 不仅要定性地了解系统的工

16、作原理及特 性，而且还要定量地描述系统的动态性能。 通过定量的分析与研究， 找到系统的 内部结构及参数与系统性能之间的关系。 这样，在系统不能按照预先期望的规律 运行时，便可通过对模型的分析， 适当地改变系统的结构和参数， 使其满足规定 性能的要求。 另外，在设计一个系统的过程中， 对于给定的被控对象及其控制任 务，可以借助数学模型来检验设计思想， 以构成完整的系统。 这些都离不开数学 模型。2 描述机电控制系统静、动态特性的数学模型常用的模型有：时域模型、复 数域模型和频域模型。2- 2 简述传递函数的物理含义与作用。答：传递函数是在零初始条件下定义的。 控制系统的零初始条件有两方面的 含义

17、：(1) 指输入量是在 t0 时才作用于系统，因此，在 t=0 时输入量及其各阶 导数均为零；(2) 指输入量加于系统之前， 系统处于稳定的工作状态， 即输出量及其各阶 导数在 t=0 时的值也为零，现实的工程控制系统多属此类情况。因此，传递函数可表征控制系统的动态性能， 并可用来求解出输入量给定时 系统的零初始条件响应。2- 3 求图 2-34 所示电路网络的传递函数。C1C2eRCLi 1 R1 uii 2 R20 u(a)(b)Lu0i uLR21C2 u0uiC1RC1 R1C2(c)(d)图 2-34习题 3 图2- 4 求图 2-35 所示机械平移系统的传递函数，并画出它们的动态结

18、构框图。x0(t)k1f习题 4 图k2(a)Fi(t)图 2-35 第 3 章 机电传动系统的驱动电动机3- 1 直流电动机是如何转动起来的？ 答：电枢由原动机驱动在磁场中旋转， 感应出电动势。 线圈随电枢铁心在转动时， 在 N 极下 极下的一边相连的换向片接触， 而电刷 B 总是同与 S 极下的一边相连的换向片接 触，因此在电刷上就出现一个极性不变的电动势或电压。在电刷 AB之间加上直流电压 U，电枢线圈中的电流流向为： N极下的有效边 中的电流总是一个方向， 而 S 极下的有效边中的电流总是另一个方向。 这样两个 有效边中受到的电磁力的方向一致， 电枢开始转动。 通过换向器可以实现线圈的

19、 有效边从一个磁极（如 N极）转到另一个磁极下（如 S 极）时，电流的方向同时 发生改变， 从而电磁力或电磁转矩的方向不发生改变。 电磁转距是驱动转距， 其 大小也为： T=KTIa 。电动机的电磁转距 T必须与机械负载转矩 T1及空载损耗 转距 T0 相平衡。即 T=T1+ T0。另外当电枢绕组在磁场中转动时，线圈中也要产 生感应电动势 E，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向相反，称之为反电 动势。其大小为： E=kEn 方向与 Ia 相反。3- 2 一台直流电动机， 磁路饱和。 当电机负载后， 电刷逆电枢旋转方向移动一个 角度。试分析在此种情况下电枢磁动势对气隙磁场的影响。电枢线圈的两

20、根有效边便切割磁力线， 每一有效边中的电动势是交变的， 即 是一个方向，当它转到 S 极下是另一个方向。但由于电刷 A 总是同与 N答：略。3- 3 试分析在下列情况下， 直流电动机的电枢电流和转速有何变化 （假设电机不 饱和）。（1）电枢端电压减半，励磁电流和负载转矩不变；（2）电枢端电压减半，励磁电流和输出功率不变；（3）励磁电流加倍，电枢端电压和负载转矩不变；（4）励磁电流和电枢端电压减半，输出功率不变；（5）电枢端电压减半，励磁电流不变，负载转矩随转速的平方而变化。 答：由公式 n CU CRa Ia，T Cm NIa 可分析。3- 4 单相异步电动机主要分为哪几种类型，简述罩极电动机

21、的工作原理。 答：根据获得旋转磁场方式的不同， 单相异步电动机可分为分相电动机和罩 极电动机两大类型。2 1 3罩极电动机的定子一般都采用凸极式的， 工作绕组集中绕制， 套在定子磁极 上。在极靴表面的 1/3 1/4 处开有一个小槽，并用短路铜环把这部分磁极罩起 来，故称罩极电动机。短路铜环起了起动绕组的作用，称为起动绕组。罩极电动 机的转子仍做成笼型，如图 3-24（a） 所示。2.I23其中一部分磁通 1 ，图 3-24 单相罩极电动机 （a） 绕组接线图； （b） 相量图 当工作绕组通人单相交流电流后，将产生脉动磁通， 不穿过短路铜环，另一部磁通 2则穿过短路铜环。由于 1与 2 都是由

22、工作绕 组中的电流产生的，故 1与 2同相位并且 1 2由脉动磁通 2 在短路环中产 生感应电动势 E2它滞后 2 90。由于短路铜环闭合， 在短路铜环中就有滞后于 E2 为 角的电流 I2 产生，它又产生与 I2 同相的磁通 2 ，它也穿链于短路环，因此 罩极部分穿链的总磁通为 3 2 2 ，如图 3-24（b） 所示。由此可见，未罩极 部分磁通 1与被罩极部分磁通 3 ，不仅在空间而且在时间上均有相位差， 因此 它们的合成磁场将是一个由超前相转向滞后相的旋转磁场 （ 即由未罩极部分转向 罩极部分 ） ，由此产生电磁转矩，其方向也为由未罩极转向罩极部分。3-5 三相异步电动机起动时，如果电源

23、一相断线，这时电动机能否起动 ?如绕组 一相断线，这时电动机能否起动， Y 联结和联结情况是否一样，如果运行中电 源或绕组一相断线，能否继续旋转，有何不良后果 ?答： 电源一相断线，电动机无论是 Y 接线或接线，均成为单相运行，就 相当于一台单相异步电动机， 它产生脉动磁动势， 而脉动磁动势可分解成大小相 等、转速相同、转向相反的两个旋转磁动势，由于起动初瞬，转子是静止的，两 个旋转磁动势以相同的速率截切转子绕组， 产生相应的感应电动势、 电流和电磁 转矩，显然两个转矩大小相等、方向相反，其合成总转矩为零，故无起动转矩， 电动机不能起动。如果绕组一相断线，对 Y 接电动机仍为单相运行，故也不能

24、起动。而接 线电动机却成为两面相运行， 它产生旋转磁动势， 旋转磁动势有起动转矩， 故能 起动。如果运行中电源或绕组一相断线， 即使成单相运行， 电动机仍能按原方向旋 转(只要此时的电磁转矩仍大于负载转矩) ，因为这时两个旋转磁动势中必有一个与原来 转向相同， 它对转子的转差率 为n1，而另 一个 ，由于 s s , 因此由相反方向旋转磁动势所产生的有功分量 电流I2 cos 2很小(漏抗 x2s sx2所致)，这使它所产生的电磁转矩 Tem减小，则 Tem Tem，结果转子总转矩减小， 若它仍大于负载转矩， 则转子就沿原方向旋转。上述各种情况， 对电机都不利，若成单相运行，无法起动，呈堵转状

25、态， 电流急剧增大而会烧坏绕组。 若运行中缺相， 电机虽能继续旋转 (若此时电磁转 矩仍大于负载转矩) ，由于反向电磁转矩作用的结果， 使总转矩减小 (出力减小)， 若负载转矩不变，电机就处于过载状态，绕组过热，时间长同样会烧毁绕组。3- 6 试比较单相异步电动机和三相异步电动机的 Tem-s 曲线，着重就以下各点比 较：(1) 当s=O时的转矩； (2) 当s=1时的转矩； (3) 最大转矩； (4) 在有相同转矩 时的转差率； (5) 当 1sTL20TL1=0 TL2 TL3图 3-29 直流伺图 3-28 电枢控制的直流伺服电机机械特性 服电机的调节特性当转速为零时，对应不同的负载转矩

26、可得到不同的起动电压 小于起动电压时，伺服电机将不能起动。 、 第 4 章 机电控制系统中的传感器技术 4-1 传感器由那两部分组成 ?各自的定义是什么？答：传感器一般由敏感元件和传感元件两个基本部分组成， 电源。传感器中直接感受被测量(一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系 的其它量(包括电量)的元件称为敏感元件，其中有一部分敏感元件(如膜片和 波纹管，把被测压力转变成为位移量等) 是把那些不能用现有技术直接变换成电 量的被测量， 预先变换成另一种易于变换成电量的非电量， 然后再经传感元件将 它们变换成电量。感受由敏感元件输出的， 与被测量成确定关系的另一种非电量， 然后输出电量的元件称为

27、传感元件。 例如差动式压力传感器中， 传感元件不直接 感受压力，而是感受由敏感元件传来的与被测压力成确定关系的衔铁的位移量， 然后输出电量。 有的敏感元件直接输出电量， 那么敏感元件和传感元件就合二为 一了，加热电偶和热敏电阻等传感器。4-2 传感器静态特性的技术指标及各自的定义是什么？U。当电枢电压有时还加上辅助答：在静态测量中， 输入信号不随时间变化而变化， 由此所确定的输入输出 关系称为静态特性。 传感器静态特性的参数主要有线性度、 灵敏度、 滞后量和重 复性误差。标定曲线与拟合直线的接近程度称为线性度， 线性度的好坏； 通常用线性度 误差表示。输入信号变化 x 后，输出信号稳定后也相应

28、变化 y，输出变化量与输入 变化量的比值称为灵敏度，用 S 表示，即Sy式中： b拟合直线斜率。 当输入信号逐渐增大、 而后又逐渐减小时， 对应同一信号值会出现不同的输 出信号。在全量程范围内， 对应于同一输入信号的前后两个输出信号的最大差值 为 H，如图 4-3a 所示，滞后量可用最大输出差值 H 对满量程输出 yn的百分比表 示，即Hh 100%yn式中 H对应于同一输入信号的前后两个输出信号的最大差值； yn满量程输出；h滞后量。重复性表示输入量按同一方向 （增加或减少） 变化时， 在全量程内重复进行 测试时所得到的各特性曲线的重复程度，如图 4-3b 所示。一般采用输出最大不 重复误差

29、 与满量程 yn 的百分比来表示重复性指标，即100%yn式中 最大不重复误差； yn满量程； 重复性。4- 3 试述感应同步器的工作原理及分类。 答：感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。 当励磁绕组与感 应绕组间发生相对位移时， 由于电磁耦合的变化， 感应绕组中的感应电压随位移 的变化而变化， 感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。 所不同 的是，旋转变压器是定子、 转子间的旋转位移， 而感应同步器是滑尺和定尺间的 直线位移。4- 4 试述旋转变压器的工作方式。 答：两种典型的工作方式： （1）鉴相工作方式，给定子的两个绕组分别通以同幅、同频但相位差 n2 的交流励磁

30、电压，即u1s Umsin tu1c Umcost=Umsin( t+ /2)u1=Umsin a)b)器这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，并叠加在一起 , 因而转子 中的感应电压为这两个电压的代数和。 + k u 1c cos + kUmcost cos = kUmcos( t )图 4-5 正弦余弦旋转变压器原理图 （a）转子（b）定子u 2 k u 1s sin=k Umsin t sinkUmcos( t+)（4-7） 同理，假如转子逆向转动，可得 u2=（4-8）由式（ 4-7 ）和（4-8 ）可以看出，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之 间有严格的对应关系， 这样，只要

31、检测出转子输出电压的相位角， 就可知道转子 的转角。由于旋转变压器的转子是和被测轴联接在一起的， 故被测轴的角位移也 就得到了。（2）鉴幅工作方式，给定子的两个绕组分别通以同频、同相位但幅值不同 的交流励磁电压，即ttu1s=Usmsin u1c=Ucmsin 其中，幅值分别为正、余弦函数Usm=UmsinUcm=Umcos则在转子上的叠加感应电压为u2 k u 1s sin + k u 1c cos =k Umsin sin sin t + kUmcos cossin t = kU mcos( )sin t(4-9 )同理，如果转子逆向运动，可得4-10)u2kUmcos( + )sin t

32、由式（ 4-9 ）和（ 4-10 ）可以看出，转子感应电压的幅值随转子的偏转角 而变化，测量出幅值即可求得转角 ，即可得角位移：4- 5 试述光电管的结构和工作原理。答：图 4-9a 所示为光电管的典型结构。在一个真空管内装入两个电极 光阴极与光阳极。 光阴极涂料贴附在玻璃泡内壁上， 阳极为一根金属丝或一只金 属环，它置于圆柱面中心轴上。 当光阴极受到适当的光线照射后， 便有电子逸出， 与此同时这些电子被具有一定电位的阳极吸收， 因而光电管内就有电子流动， 外 电路（图 4-9b ）便产生电流，此电流的大小与光通量 成正比，电流在 R 上产 生的电压输出与光照的强弱成函数关系。光电管的特性主要

33、取决于光阴极的材料。 不同材料对同一波长的光有不同的 灵敏度，同一种材料对不同波长的光线灵敏度也不一样， 这一特点叫做光电管的 光谱特性，图 4-10a、b 所示分别为银氧铯和锑铯阴极材料对不同波长光 线灵敏度的变化情况。因此对不同颜色的光应选用不同材料的光电管。a）（ b ）（a）（b）图 4-9 光电管结构原理图 4-10 光电管的光谱特性a）光电管的典型结构； （ b）外电路a）银氧铯阴极材料的光谱特性1- 阴极 2-阳极b） 锑铯阴极材料的光谱特性4- 6 试述磁电式转速计的测速原理及类型。 磁电式传感器又称感应式传感器或电动式传感器， 它利用电磁感应原理， 将 被测机械量转换成线圈中

34、的感应电动势输出。 磁电式传感器主要用来测量直线速 度和转速。线圈切割磁力线， 并根据电磁感应原理， 当线圈与磁场之间有相对运动时， 产生感应电动势 e，此时e W ddt式中 W线圈匝数；d/ dt 一线圈耦合的磁通对时间的变化率：磁电式转速计分开式和闭式两种4- 7 试述物位测量仪表的类型。答：物位测量仪表有很多类型，按它的工作原理可分为直读式、浮力式、压 力式、电学式、光学式、核辐射式等等。这些物位仪表大多是借助各类传感器， 利用介质与空气有不同的密度、导电性能、介质性能、传声性能、透光性能、吸 收和辐射的性能等进行测量。按测量方式可分为接触式测量和非接触式测量。 4-8 电容式传感器可

35、分为哪几类 ?答：电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）的变化转换成电容量变化 的一种传感器：具有零漂小、结构简单、动态响应快、可作接触式、也易实现非 接触式测量等一系列优点，因而广泛用于位移、压力、振动及液位等测量中。电容式传感器包含有位移、压力传感器等。4-9 试述电阻应变片的工作原理。 答：电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。 应变片的工作原理基于金属的电阻应变效应， 即金属导体的电阻随着它所受 机械变形（伸长或缩短）的大小而发生变化的现象。4-10 压电片叠在一起的特点及连接方式是什么 ? 答：略。第 5 章 继电接触控制系统设计5- 1 何谓电磁式电器的吸力特性与反力

36、特性？为什么吸力特性与反力特性的配 合应使两者尽量靠近为宜？答：吸力特性是指电磁吸力 随衔铁与铁心间气隙的关系曲线。为使电磁机构能正常工作， 吸力特性与反力特性配合必须得当。 在衔铁吸和过程 中，其吸力特性必须始终处于反力特性上方， 即吸力要大于反力， 反之衔铁释放 时，吸力特性必须位于反力特性下方，即反力要大于吸力。5- 2 单相交流电磁铁的短路环断裂或脱落后，在工作中会出现什么现象？为什 么？答：短路环断裂或脱落后，会出现振动和噪声。因为单相交流电磁铁的电磁吸力 F t=Fo-Focos2wt 为一恒定分量和一交变分量合成。 而电磁反力 Fr 是不变 的。这样 F t 会随着时间的变化大于

37、 Fr 或小于 Fr ，出现振动和噪声。5- 3 三相交流电磁铁要不要装短路环？为什么？ 答：三相交流电磁铁产生的电磁吸力是三个单相作用是的合力。可见，三相 交流电磁铁的电磁吸力是一恒定量 3Fo, 故不用装短路环。5- 4 为什么把触头设计成双断口桥式结构？ 答：1）桥式触头的两个触点串于同一条电路中，电路的接通与断开由两个触点共同完成。由于两对触点的分流作用，使触头有利于通断更大的电流。2）有利于电动力灭弧。5- 5 交流接触器在衔铁吸合前的瞬间， 为什么在线圈中产生很大的冲击电流？而 直流接触器会不会出现这种现象？为什么？答：交流接触器的线圈匝数少，纯电阻小。在起动是铁心气隙大，电抗小，

38、 所以通过的励磁线圈的起动电流与气隙 成正比，会达到工作电流的十几倍。 而 直流接触器的线圈匝数比交流励磁线圈多， 电阻大。直流接触器的线圈电流与气 隙无关，故没有冲击电流。5-6 交流电磁线圈误接入直流电源， 直流电磁线圈误接入交流电源， 会发生什么 问题，为什么？答：1）由于交流电磁线圈匝数少，阻抗小，所以交流线圈误接入直流电源 上，将因线圈电阻小而流过大电流将线圈烧坏。2）由于直流电磁线圈的铁心没有短路环，所以误接入交流电源会产生振动，噪声。5-7 线圈电压为 220V的交流接触器误接入 380V 电源上会发生什么问题？为什 么？答：线圈电压为 220V 的交流接触器误接入 380V 电

39、源上，由于大于其额定电 压，造成其电流增大，时间长了会使线圈过热而烧坏5-8 从接触器的结构上，如何区分交流还是直流接触器？ 答：交流接触器直流接触器铁心结构硅钢片叠铆而成，短路环整块钢材或工程纯铁线圈形 状短而厚的矮胖型，设线圈骨架高而薄的瘦长形，不设线圈骨架触头形 状桥式触头和和指形触头指形触头触头数量三或四对主触头 辅助触头两对常开两对常闭主为单级或双级，指形触头点接触的桥式灭弧方 式电动力灭弧，纵缝灭弧，栅片灭弧磁吹灭弧适用范围频繁起动制动的场合5-9 中间继电器和接触器有何异同？在什么情况下可以用中间继电器来代替接 触器起动电动机？答：中间继电器和接触器的相同之处是两者输入量都是电压

40、，输出量都是接 点的通断， 电磁机构基本相同。 不同之处是中间继电器为不频繁操作电器， 接点 容量一般较小， 主要用于控制电路； 而接触器用于频繁控制操作， 主要用于主电 路，接点容量比较大。如果电动机容量较小，并且不频繁起动，可以用中间继电器起动电动机。5-10 熔断器的额定电流，熔体的额定电流和熔体的 极限电流 三者有何区别？ 答：熔断器的额定电流是熔断器座的额定运行电流， 运行电流只能小于等于 该值熔体的额定电流： 熔断器内熔丝的额定运行电流， 也就是你熔断器所保护的 电流，超过的话，熔断器就会熔断熔体的极限的分段电流： 熔体所能分断的最大短路电流， 该熔体只能分断小 于等于这个值的短路

41、电流。5-11 电动机的起动电流很大， 当电动机起动时，热继电器会不会动作？为什么？ 答：如果热继电器整定正确在电动机起动时不会动作。这是因为热继电器的 动作是由双金属片受热弯曲的原理而动作的， 具有一定的热惯性， 起到延时作用。 电动机的起动电流大，但时间短，所发热不能使热继电器动作。5-12 既然在电动机的主电路中装有熔断器，为什么还要装热继电器？装有热继 电器是否就可以不装熔断器？5-13 是否可用过电流继电器来做电动机的过载保护？为什么？ 答：不能。因为过载保护应为反时限保护特性，而过电流继电器的动作特性 为瞬动特性。5-14 JS7-A 型时间继电器触头有哪几种？画出它们的图形符号。

42、答：共三种： 1）通电延时接点通电延时 断电延时常开接点常闭接点2 ）断电延时接点 3 ）瞬动接点 瞬动5-15 电气原理中 QS，FU，KM，KA，KI ，KT，SB，SQ分别是什么电器元件的文字 符号？答：QS刀开关 FU 熔断器 KM 接触器 KA 中间继电器， KI 过电流继电器 KT 时间继电器 SB 按钮 SQ 行程开关 5-16 电气原理图中，电器元件的技术数据如何标注？答：一般用小号字体注在电器代号下面。5-17 常用的电气控制系统图有哪几种？答：电器控制系统图的表示方法有： 电气原理图、 电气接线图、电器布置图。5-18 电气接线图的绘制原则主要有哪些？答： 1）各电气元件均

43、按实际安装位置绘出，元件所占图面按实际尺寸以统 一比例绘制，尽可能符合电器的实际情况。2）一个元件中所有的带电部件均画在一起，并用点划线框起来，即采用集 中表示法。3）各电气元件的图形符号和文字符号必须与电气原理图一致，并符合国家 标准。4）各电气元件上凡是需接线的部件端子都应绘出，并予以编号，各接线端 子的编号必须与电气原理图上的导线编号相一致。5）绘制安装接线图时，走向相同的相邻导线可以绘成一股线。5-19 电动机点动控制与连续运转控制的关键控制环节是什么？其主电路又有何 区别 ?答：所谓点动控制是指：按下按钮，电动机转动，松开按钮，电动机停转， 这种控制就叫点动控制， 它能实现电动机短时

44、转动， 常用于机床的对刀调整和电 动葫芦等。连续运转控制是指对电动机的控制具有连续性。电动机点动控制与连续运转控制的关键控制环节是看有没有自锁环节。 但其 主电路没什么区别。5-20 何为互锁控制？实现电动机正反转互锁控制的方法有哪两种？它们有何不 同？答：将任何一个接触器的辅助常闭触点串入对应另一个接触器线圈电路中， 则其中任何一个接触器先通电后， 切断了另一个接触器的控制回路， 即使按下相 反方向的起动按钮， 另一个接触器也无法通电， 这种利用两个接触器的辅助常闭 触点互相控制的方式， 叫电气互锁， 或叫电气联锁。 起互锁作用的常闭触点叫互 锁触点。“正停反”“正反停”的两种互锁控制。5-

45、21 电动机可逆运行控制电路中何为机械互锁？何为电气互锁？答：略。5-22 电动机常用的保护环节有哪些？通常它们各由哪些电器来实现其保护？ 答：短路保护熔断器；过载保护热继电器；过电流保护过电流 继电器；零电压及欠电压保护继电器、 接触器；弱磁保护欠电流继电器。 5-23 何为电动机的欠电压与失电压保护？接触器和按钮控制电路如何实现欠电 压与失电压保护的？答：欠电压、失电压保护：通过接触器 KM的自锁环节来实现。当电源电压 由于某种原因而严重欠电压或失电压（如停电）时，接触器KM断电释放，电动机停止转动。 当电源电压恢复正常时， 接触器线圈不会自行通电， 电动机也不会 自行起动，只有在操作人员

46、重新按下起动按钮后，电动机才能起动。 5-24 画出具有热继电器过载保护的笼型异步电动机正常运转的控制线路。答：如下图5-25 如何决定异步电动机是否可采用直接起动法？答：由于直接起动时起动电流较大，而过大的起动电流在短时间内会在线路 上造成较大的电压损失，使负载端的电压降低，影响临近负载的正常工作。一台电动机能否直接起动，有一定的规定。有的地区规定：用电单位如有独 立的变压器容量的 20%时允许直接起动；如果电动机不经常起动，它的容量小于 变压器的 30%时允许直接起动。如果没有独立的变压器（与照明共用） ，电动机 直接起动时产生的电压降不应超过 5%。二、三十千瓦的异步电动机一般都采用直接

47、起动。5-26 叙述异步电动机星形三角形起动法的优缺点及适用场合。 答：与其他减压相比， 量形一三角形减压起动投资少， 线路简单， 操作方便， 但起动转矩小， 起动转矩为三角形连接直接起动的 1/3 ，故适用于空载或轻载状 态下的起动，并且仅当正常运行时采用三角形接法的电动机才可采用这种起动方 法。5-27 什么叫反接制动？什么叫能耗制动？各有什么特点，适用场合？ 答：反接制动是利用改变电动机电源的相序，使定子绕组产生相反方向的旋 转磁场，因而产生制动转矩的一种制动方法。反接制动的特点是制动迅速，效果好，冲击大，通常仅适用于10KW以下的小容量电动机。能耗制动，是在电动机脱离三相交流电源之后，

48、 定子绕组上加一个直流电压， 即通入直流电流，利用转子感应电流和静止磁场的作用以达到制动的目的。能耗制动比反接制动消耗的能量少，其制动电流也比反接制动电流小得多， 但能耗制动的制动效果不及反接制动的那么明显， 同时需要直流电源， 控制线路 也较复杂，通常适用于电动机容量较大和起动，制动频繁的场合。5-28 为什么在异步电动机脱离电源后，在定子绕组中通入直流电，电动机能迅 速停止？答：利用转子感应电流与静止磁场的作用以达到制动的目的。直流的磁场是 固定的，而转子由于固性继续在原方向转动。 根据右手定则和左手定则可知转子 电流与固定磁场相互作用产生的转矩与电动机转动的方向相反，因而起制动作 用。制

49、动转矩的大小与直流的大小有关。支流的大小一般为电动机额定电流的 0.5 1 倍。5-29 设计一个控制电线路，要求第一台电动机起动 10S 后，第二台电动机自动 起动，运行 5S 后，第一台电动机停止并同时使第三台电动机自行起动，再运行 15S后，电动机全部停止。答：（参考方案）5-30 有一台三级皮带运输机，分别由 M1，M2，M3三台电动机拖动，其动作顺序 如下：1）起动时要求按 M1M2M3顺序起动。2）停车时要求按 M3M2M1顺序停车。3）上述动作要求有一定时间间隔。解：（参考方案）5-31 为两台异步电动机设计一个控制线路，其要求如下：1）两台电动机互不影响地独立操作。2）能同时控

50、制两台电动机的起动和停止。3）当一台电动机发生过载时，两台电动机均停止。解：5-32 现有一双速电动机，试按下述要求设计控制线路。1）分别用两个按钮操作电动机的高速起动和低速起动，用一个总停按钮操 作电动机的停止；2）起动高速时，应先接成低速然后经延时后再换接到高速；3）应有短路保护与过载保护。5-33 设计一小车运行的控制线路，小车由异步电动机拖动，其动作程序如下：1）小车由原位开始前进，到终点后自动停止；2）在终端停留 2min 后自动停止；3）要求能在前进或后退途中任意位置都能停止或起动。5-34 某机床主轴电动机 M1，要求 M1：1）进行可逆运行；2）可正向点动、两处起动、停止；3）

51、可进行反接制动；4）有短路和过载保护。试画出其电气线路图。5-35 有两台电动机 M1、M2，要求：1）按下控制按钮 SB1电动机正转，过 10s 后电动机自动停止，再过 15s 电 动机自动反转；2）M1、M2能同时或分别停止。3）控制电路应有短路、过载和零压保护环节。试画出其电气线路第 6 章 可编程控制器原理6-1 什么是可编程控制器 （PLC）？与继电器控制和微机控制相比它的主要优点是 什么？答：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境下应用而设计，他采用了可编程序的存储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算， 顺序控 制，定时，计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字式

52、和模拟式的输入和输出， 控制各种类型机械的生产过程。 可编程控制器及其有关外围设备， 都较易于与工 业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。与微机控制相比的优点： 可以直接应用于工业环境， 必须具有很强的抗干扰 能力，广泛的适应能力和应用范围。与继电器：在“可编程”方面有着质的区别，继电器通过硬件或硬接线的变 更来改变程序，而 PC引入了微处理导体存储器等新一代的微电子器件，并用规 定的指令进行编程，能灵活的修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。 6-2 PLC 基本单元 （ 主机）有哪几部分组成？各部分的作用是什么？答：（1）CPU是运算与控制的中心，完成以下任务： 接收从编程器上

53、位机或其他外围设备输入用户程序数据等信息 用扫描方式接收输入设备的状态或数据， 并存入指定输入存储单元或数据寄 存器中诊断电源， PC内部电路和编程过程中存在的语法错误在 PC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经指令解释后，按 指令规定的任务产生相应的控制信号， 去启闭有关控制电路， 分时分渠道地去执 行数据的存取传送组合比较和交换动作， 完成用户程序中规定的逻辑运算或算术 运算等任务。根据运算结果， 更新有关标志位数据寄存器的内容， 再由输出寄存器的位状 态或数据寄存器的有关内容，实现输出控制制表打印或数据通信等外部功能（2）存储器， PC主机内容配有两种不同类型的存储器，即：系统

54、存储器（ ROM区），用以固化 PC生产厂家编写的各种系统工作程序，相 当于个人计算机的操作系统，在很大程度上它决定该种PC的性能与质量，用户无法更改和调用。 系统工作程序有三种类型： 系统管理程序； 用户程序编辑和指 令解释程序；标准子程序与调用管理程序用户存储器（ RAM区），包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数 据区）两种，前者用于存放用户程序，后者用来存放（或记忆）用户程序执行过 程中使用 ON/OFF状态量或数据量，以生成用户数据区（3）输入输出单元（ I/O 单元） I/O 单元又称为 I/O 接口电路， PC程序执 行过程中需调用的各种开关量（状态量） , 数字量或模拟量等各种外部信号或设 定量，都是通过输入电路进入 PC。而程序执行结果又是通过输出电路送到控制 现场实现外部控制功能PC与通用计算机 I/O 电路起着类似的作用。即电平转换，速度匹配，驱动 功率放大，