机械工程电子学试题及答案

机械工程电子学试题及答案考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列哪一项不属于机械工程电子学的研究范畴？(A)传感器技术(B)执行器与驱动技术(C)机械结构设计与制造(D)控制系统分析与设计2.在自动控制系统中，用于将被控对象物理量转换成电信号的元件是？(A)执行器(B)驱动器(C)传感器(D)控制器3.某传感器输出信号与输入物理量成线性关系，且灵敏度高，则该传感器的主要特点是？(A)精度高，响应慢(B)精度低，响应快(C)精度高，响应快(D)精度低，响应慢4.在模拟控制系统中，常用的基本环节不包括？(A)比例环节(P)(B)积分环节(I)(C)微分环节(D)(D)非线性环节5.一阶系统的传递函数为G(s)=2/(s+1)，其时间常数τ为？(A)1(B)2(C)1/2(D)46.二阶系统在欠阻尼情况下，其阶跃响应特点是？(A)无超调，单调上升(B)有超调，振荡衰减(C)无超调，振荡上升(D)有超调，单调上升7.系统的传递函数为G(s)=(s+2)/(s^2+3s+2)，其零点位于？(A)s=-2(B)s=-1(C)s=-3(D)s=08.稳定系统的特征方程的所有根位于？(A)s左半平面(B)s右半平面(C)虚轴上(D)s右半平面和虚轴上9.在数字控制系统中，将连续信号转换为离散信号的过程称为？(A)滤波(B)采样(C)保持(D)数字化10.下列哪种接口方式常用于连接并行传输的设备和计算机？(A)UART(B)SPI(C)I2C(D)USB二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.传感器按工作原理可分为______传感器、______传感器和光电传感器等。2.位置传感器中，______传感器常用于测量旋转角度，______传感器常用于测量直线位移。3.控制系统的传递函数是在______条件下，输出量的拉普拉斯变换与输入量的拉普拉斯变换之比。4.根据劳斯判据判断系统稳定性时，若劳斯表中第一列出现全零行，则系统存在______个右半平面根。5.数字控制系统中，常用的离散化方法有______法和______法。6.微型计算机的中央处理器（CPU）主要由运算器（ALU）和控制器（CU）组成。7.在机电一体化系统中，常用的执行元件有______和______。8.A/D转换器是将______信号转换为______信号的关键部件。三、判断题（每题2分，共10分。请将“正确”或“错误”填在题后的括号内）1.传感器的精度越高，其灵敏度也一定越高。（）2.系统的传递函数完全决定了系统的动态性能和稳态性能。（）3.在实际控制系统中，往往存在非线性因素，但分析时常作线性化处理。（）4.Z变换是分析离散时间系统的重要数学工具。（）5.PLC（可编程逻辑控制器）是一种用于工业自动化控制的数字计算机。（）四、计算题（每题10分，共30分）1.已知一阶系统的传递函数为G(s)=5/(s+2)，当输入信号为u(t)=1(t)（单位阶跃函数）时，求系统的稳态输出值。2.某二阶系统的传递函数为G(s)=ωn^2/(s^2+2ζωns+ωn^2)，其中ωn=10rad/s，ζ=0.5。求该系统在单位阶跃输入下的超调量σp%和上升时间tr（取π/2时）。3.已知某数字控制系统的差分方程为y(k)+0.5y(k-1)=u(k)，其中输入u(k)为单位阶跃序列。求系统的零点，并求输出y(k)的表达式（用z变换求解）。五、分析题（每题15分，共30分）1.简述在机械工程电子学系统中，传感器选型需要考虑的主要因素。2.试分析在机电一体化系统中，采用闭环控制相比于开环控制的主要优点和潜在缺点。试卷答案一、选择题1.(C)2.(C)3.(C)4.(D)5.(A)6.(B)7.(A)8.(A)9.(B)10.(B)二、填空题1.应变、压电2.编码器、直线3.零初始条件4.二重5.差分、Z变换6.是7.电机、液压/气动执行器8.模拟、数字三、判断题1.(错误)2.(正确)3.(正确)4.(正确)5.(正确)四、计算题1.解析：系统稳态输出值等于输入信号在s=0处的值。对单位阶跃函数u(t)进行拉普拉斯变换得到U(s)=1/s。系统输出Y(s)=G(s)U(s)=(5/(s+2))*(1/s)=5/(s(s+2))。求稳态值即求s→0时的Y(s)值，使用终值定理Y(∞)=lim(s→0)[sY(s)]=lim(s→0)[s*(5/(s(s+2)))]=lim(s→0)[5/(s+2)]=5/2。或直接观察G(s)=K/(s+a)，稳态增益K=5/2。答案：5/2或2.52.解析：超调量σp%=exp(-ζπ/√(1-ζ^2))*100%。代入ζ=0.5，得σp%=exp(-0.5π/√(1-0.25))=exp(-0.5π/√0.75)=exp(-0.5π/√(3/4))=exp(-0.5π/(√3/2))=exp(-π/(√3))。查表或计算器得exp(-π/(√3))≈0.5。所以σp%≈50%。上升时间tr通常指响应从0上升到最终值（或1）所需时间，对于欠阻尼二阶系统，tr≈π/ωd=π/(ωn√(1-ζ^2))。代入ωn=10,ζ=0.5，得tr≈π/(10√(1-0.25))=π/(10√0.75)=π/(10√(3/4))=π/(10√3/2)=π/(5√3)秒。计算器计算π/(5√3)≈0.371秒。答案：超调量σp%≈50%；上升时间tr≈π/(5√3)秒(或约0.371秒)。3.解析：求零点，令差分方程右侧为0，即0+0.5y(k-1)=u(k)，得y(k)=-2u(k-1)。这是一个非齐次方程的特解形式。假设系统初始状态为零（零初始条件），对差分方程进行Z变换。设Y(z)=Z[y(k)]，U(z)=Z[u(k)]=1/(1-z^(-1))(因u(k)为单位阶跃序列)。Z变换性质：Z[y(k-1)]=z^(-1)Y(z)。代入方程Z[y(k)]+0.5z^(-1)Y(z)=U(z)，得Y(z)+0.5z^(-1)Y(z)=1/(1-z^(-1))。整理得Y(z)=[1/(1-z^(-1))]/(1+0.5z^(-1))=[1/(1-z^(-1))]*(1/(1+0.5z^(-1)))。展开右侧分式，令分子分母同乘(1-z^(-1))，得Y(z)=(1-z^(-1))/[(1-z^(-1))(1+0.5z^(-1))]=1/(1+0.5z^(-1))。将分母展开，得Y(z)=1/[1-(-0.5z^(-1))]。根据几何级数求和公式Z[x(k)]=1/(1-az^(-1))对应的序列x(k)=a^ku(k)。比较得a=-0.5，所以y(k)=(-0.5)^ku(k)。零点是-0.5。Z变换表达式为Y(z)=1/(1+0.5z^(-1))。答案：零点为-0.5。Z变换表达式为Y(z)=1/(1+0.5z^(-1))。输出序列y(k)=(-0.5)^ku(k)。五、分析题1.解析：传感器选型需综合考虑以下因素：*测量原理与类型：根据被测物理量（位移、速度、加速度、温度、压力、力、力矩、角度等）选择合适的传感原理（如电感、电容、电阻、压电、光电、磁电等）和传感器类型。*量程与范围：传感器的测量范围必须满足实际应用需求，既要能覆盖最大值，也要避免在正常测量时量程过大导致精度下降。*精度与分辨率：精度决定了测量的准确程度，分辨率指传感器能检测到的最小变化量。需根据系统要求选择合适等级的传感器。*灵敏度：灵敏度是传感器输出信号与输入量之比。通常希望灵敏度高，但也要考虑线性范围。*线性度：指传感器在测量范围内输出与输入关系偏离线性关系的程度。线性度好，便于数据处理。*工作速度与响应时间：传感器响应频率或时间常数需满足被测对象动态特性的要求。*稳定性：指传感器在规定条件下随时间保持其性能（如零点、灵敏度）不变的能力。*环境适应性：传感器需能适应工作环境的温度、湿度、振动、冲击、电磁干扰等。*输出信号形式：输出信号是电压、电流、频率还是数字信号？是否便于后续处理和传输。*尺寸与重量：传感器的大小和重量需满足安装空间和重量限制的要求。*成本：在满足性能要求的前提下，考虑成本效益。*功耗：对于便携式或电池供电系统，功耗是个重要因素。*可靠性：传感器的平均无故障时间和故障率。2.解析：闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于是否包含反馈环节。*闭环控制（FeedbackControl）：*优点：1.精度高：能自动校正偏差，抑制内部参数变化和外部干扰对输出量的影响，使输出量更稳定、更精确地跟踪期望值。2.抗干扰能力强：对系统内部参数变化和外部扰动不敏感。3.稳定性要求相对较低：系统的固有特性可以通过反馈校正，设计时可以更关注闭环特性。*缺点：1.结构复杂：需要传感器、反馈通路等，系统实现更复杂。2.成本较高：增加了传感器等元件，成本上升。3.可能产生振荡：设计不当可能导致系统不稳定，产生持续的振荡。4.响应速度可能较慢：由于需要检测误差并进行反馈修正，响应过程可能包含暂态过程，速度不如开环快。5.存在测量误差和传感器误差：反馈信号引入的误差会影响最终精度。*开环控制（Open-LoopControl）：*优点：1.结构简单：无需反馈环节，系统构成简单。2.成本较低：不需要传感器，成本较低。3.稳定性好：由于没有反馈，一般不存在稳定性问