2025年大四（机械电子工程）机电一体化系统设计试题

2025年大四（机械电子工程）机电一体化系统设计试题

（考试时间：90分钟满分100分）班级______姓名______第I卷（选择题共30分）答题要求：本卷共10小题，每小题3分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。请将正确答案的序号填在括号内。1.机电一体化系统中，机械本体的作用不包括（）A.支撑B.传递运动C.实现控制算法D.安装其他部件2.以下哪种传感器不属于位置传感器（）A.光栅尺B.磁电式传感器C.光电编码器D.超声波传感器3.步进电机的步距角精度主要取决于（）A.电机的制造工艺B.驱动电源的性能C.负载大小D.控制系统的精度4.机电一体化系统设计中，可靠性设计的目的是（）A.提高系统的性能B.降低系统的成本C.延长系统的使用寿命D.减小系统的体积5.对于PID控制算法，积分环节的作用是（）A.加快系统的响应速度B.消除系统的稳态误差C.改善系统的稳定性D.抑制系统的干扰6.以下哪种传动方式适用于高精度的传动场合（）A.齿轮传动B.链传动C.带传动D.丝杠螺母传动7.机电一体化系统的核心是（）A.机械本体B.传感器C.控制器D.执行机构8.工业机器人的手部通常采用（）A.液压驱动B.气压驱动C.电动驱动D.以上都可以9.以下哪种编程语言常用于PLC编程（）A.C语言B.BASIC语言C.梯形图D.汇编语言10.机电一体化系统设计时，需要考虑系统的兼容性，以下说法正确的是（）A.只需要考虑硬件之间的兼容性B.只需要考虑软件之间的兼容性C.硬件和软件都需要考虑兼容性D.不需要考虑兼容性第II卷（非选择题共70分）二、填空题（共10分）答题要求：本大题共5小题，每小题2分。请在横线上填写正确答案。1.机电一体化系统的五大组成要素是机械本体、______、______、______和______。2.传感器的静态特性指标主要有______、______、______、______等。3.直流伺服电机的调速方法有______、______、______。4.常用的控制算法有______、______、______及其改进算法。5.机电一体化系统设计的基本原则有______、______、______、______。三、简答题（共20分）答题要求：本大题共4小题，每小题5分。简要回答问题。1.简述机电一体化系统中机械本体的设计要求。2.说明传感器在机电一体化系统中的作用。3.简述步进电机的工作原理。4.什么是PID控制算法，简述其三个参数的作用。四、分析题（共20分）答题要求：阅读以下材料，回答问题。材料：某机电一体化系统采用直流伺服电机作为执行机构，通过传感器检测系统的位置信息，利用PID控制算法实现对系统位置的精确控制。系统在运行过程中出现了位置超调现象。问题：1.请分析位置超调可能的原因。（10分）2.针对位置超调问题，提出改进措施。（10分）五、设计题（共20分）答题要求：设计一个简单的机电一体化系统，用于控制一个工作台的直线运动。要求：1.简述系统的工作原理。（5分）2.画出系统的组成框图，并说明各部分的作用。（10分）3.说明系统中主要部件的选型依据。（5分）答案：第I卷1.C2.D3.A4.C5.B6.D7.C8.B9.C10.C第II卷1.传感器、控制器、执行机构、接口2.精度、重复性、迟滞、分辨率3.调节电枢电压调速；减弱励磁磁通调速；改变电枢回路电阻调速4.PID控制；模糊控制；神经网络控制5.机电互补原则；功能优化原则；自动化、省力化原则；效益最大原则三、简答题1.机械本体的设计要求包括：具有足够的强度和刚度，以保证系统的稳定性和可靠性；结构简单、紧凑，以减小系统的体积重量降低成本；便于安装调试维修和更换零部件；具有良好的动态性能，如低惯量、高阻尼等，以适应控制系统的要求。2.传感器在机电一体化系统中的作用：检测系统的各种物理量，如位移、速度、加速度、温度、压力等，并将这些物理量转换为电信号；为控制器提供系统的实时状态信息，以便控制器进行分析和决策；实现系统的反馈控制，提高系统的控制精度和稳定性。3.步进电机的工作原理：步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的执行元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。4.PID控制算法是一种线性控制算法，由比例（P）、积分（I）微分（D）三个环节组成。比例环节的作用是成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小偏差；积分环节的作用是消除系统的稳态误差，它对偏差进行积分，随着时间的积累，积分项会逐渐增大，从而消除稳态误差；微分环节的作用是反映偏差信号的变化趋势（变化率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。四、分析题1.位置超调可能的原因：比例系数过大，导致系统响应过于灵敏，容易出现超调；积分时间常数过小，积分作用过强，使得系统在调节过程中容易出现过冲；微分时间常数过大，微分作用过强，对系统的干扰响应过度，也可能导致超调；系统的固有频率与控制频率不匹配，引起共振，导致超调。2.改进措施：适当减小比例系数，降低系统的增益，使系统响应更加平稳；增大积分时间常数，减弱积分作用的强度，避免积分过强引起的超调；减小微分时间常数，减弱微分作用的强度，减少对干扰的过度响应；调整系统的参数，使系统的固有频率与控制频率错开，避免共振。五、设计题1.系统工作原理：通过传感器检测工作台的位置信息，并将其反馈给控制器。控制器根据设定的目标位置和反馈的实际位置，利用PID控制算法计算出控制量，驱动直流伺服电机带动工作台运动，使工作台达到并保持在目标位置。2.系统组成框图：传感器→控制器→功率放大器→直流伺服电机→工作台。传感器用于检测工作台的位置；控制器根据传感器反馈的信息进行PID控制算法运算，输出控制信号；功率放大器将控制器输出的微弱信号放大，以驱动直流伺服电机；直流伺服电机作为执行机构，带动工作台运动；工作台是被控对象。3.主要部件选型依据：传感器选择光栅尺，因其精