机电一体化复习材料（1）

机电⼀体化复习材料（1）
第⼀部分复习要求
课程的有关内容主要按“了解、掌握和熟练掌握”三个层次要求，具体要求如下：第⼀章绪论
第⼀节机电⼀体化的产⽣和发展
1．掌握机电⼀体化的基本概念和涵义
2．掌握机电⼀体化的发展趋势
第⼆节机电⼀体化的相关技术
1．掌握机电⼀体化的相关技术及其内容
第三节典型机电⼀体化系统
1．掌握机电⼀体化系统的基本功能要素
2．掌握有关控制系统的分类及其概念
3．了解机电⼀体化产品和系统的分类
第四节机电⼀体化系统设计简介
1．掌握拟定机电⼀体化系统设计⽅案的常⽤⽅法及其适⽤场合
2．掌握机电⼀体化系统（产品）设计的类型
3．掌握机电⼀体化系统设计的概念、基本原则
4．掌握系统设计的过程，现代设计⽅法的步骤
5．了解机电⼀体化系统（产品）开发的⼯程路线
第⼆章机械传动与⽀承技术
第⼀节机械传动系统数学模型的建⽴
1．掌握数控机床进给传动系统建模的步骤、⽅法
第⼆节机械结构因素对伺服系统性能的影响
1．掌握阻尼、摩擦、结构弹性变形、惯量及间隙对伺服系统性能的影响
第三节机械传动
1．掌握机电⼀体化系统对机械传动的要求
2．掌握总传动⽐的确定
3．掌握传动链的级数和各级传动⽐的分配原则和⽅法
4．掌握各种机械传动装置的特点
第四节⽀承部件
1．掌握机电⼀体化系统对⽀承部件的要求
2．了解机电⼀体化系统中常见的轴承及其特点
3．掌握常⽤导轨及其特点
4．掌握机⾝的特点及结构设计主要考虑的因素
第三章伺服传动技术
第⼀节概述
1．掌握伺服系统的结构组成及分类
2．了解伺服电动机应符合的基本要求、各种伺服电动机的特点及应⽤场合3．了解功率放⼤器的种类
第⼆节直流伺服系统
1．了解直流伺服系统的各组成环节及其⼯作原理
2．掌握功率放⼤器的基本原理
第三节交流伺服系统
1．掌握交流伺服系统的分类及应⽤场合
第四节步进电动机控制系统
1．掌握步进电动机的结构、⼯作原理及使⽤特性
2．掌握环⾏分配器的概念及实现环形分配的⽅法
3．了解步进电动机驱动电路的种类及其⼯作原理
4．了解提⾼系统精度的措施
第四章计算机控制技术
第⼀节概述
1．了解51单⽚机控制系统的组成及特点
第⼆节⼯业控制计算机简介
1．S7-200的编程⽅法（电⽓控制原理图转程序图）
⼀、填空题：（20分，每空0.5分）
1、根据⼒—电压相似原理，机械系统质量与电系统中相
系统中相似，粘滞阻尼系数与电系统中相似。

2、机电⼀体化系统基本组成要素
有：、、、、。

3、对于斜齿圆柱齿轮常采⽤、⽅法消除齿侧隙。

4、根据传感器⼯作原理的不同，⼀般分、两种。

5、微处理器系统接⼝包括接⼝、接⼝、接⼝、接⼝。

6、交流电动机三种基本调速⽅式是、、。

7、可编程控制器常⽤的编程语⾔
有：、、、。

8、步进电机的⾓位移量和严格成正⽐。

9、驱动⽅式按动⼒源的不同分为：、、
三种。

10、接近式位置传感器按其原理主要分
为、、。

11、机电⼀体化中执⾏电动机的控制⽅式有⽅式、
⽅式、⽅式。

12、变频器选择的依据是。

13、机电⼀体化系统设计⽅法有、、三种。

14、步进电机常⽤的功率放⼤电路
有、、。

⼆、简答题：（40分，每题10分）
1、简述光电式传感器的原理，机电⼀体化系统中常⽤的光电式传感器有哪⼏种？试举例说明其中的两种在机电⼀体化系统设计中的应⽤。

2、画出分别由250、8713芯⽚实现步进电机三相双三拍⼯作⽅
式接线图。

3、简述可编程控制器与普通计算机的不同点。

4、简述交流伺服电动机型号选择步骤。

三、设计应⽤题：（40分，每题20分）
1、画出以８０８６为核⼼去控制⼀台直流伺服电动机的硬
件连接图。

2、⽤机电⼀体化技术改造普通车床为经济性数控车床：
（1）写出改造⽅案和采⽤此⽅案的依据。

（2）画出采⽤单⽚机控制该系统硬件连接图。

⼀、名词解释(每⼩题2分，共10分)
1、线性度
2、伺服控制系统
3、三相六拍通电⽅式
4、传感器
5、系统精度
⼆、填空题（每⼩题2分，共20分)
1、计算机在控制中的应⽤⽅式主要有。

2. 滚珠丝杆螺母副结构有两类：。

3、应⽤于⼯业控制的计算机主要有等类型。

4. 机电⼀体化系统，设计指标和评价标准应包括。

5、可编程控制器主要由等其它辅助模块组成。

6. 顺序控制系统是按照预先规定的次序完成⼀系列操作的系统，
顺序控制器通常⽤。

7、现在常⽤的总线⼯控制机有、总线⼯业控制机和总线⼯业控制机等。

8、隔离放⼤器中采⽤的耦合⽅式主要有两种。

9. 某光栅的条纹密度是50条，光栅条纹间的夹⾓θ=0.001孤度，
则莫尔条纹的宽度是。

10. 采样/保持器在保持阶段相当于⼀个“”。

三、选择题（每⼩题2分，共10分）
1.⼀个典型的机电⼀体化系统，应包含以下⼏个基本要素：
A 机械本体
B 动⼒与驱动部分
C 执⾏机构 D. 控制及信息处理部分
2、机电⼀体化系统（产品）开发的类型
A 开发性设计
B 适应性设计
C 变参数设计
D 其它
3、机电⼀体化系统（产品）设计⽅案的常⽤⽅法
A 取代法
B 整体设计法 C组合法 D其它。

4、机电⼀体化的⾼性能化⼀般包含
A⾼速化 B⾼精度 C⾼效率 D ⾼可靠性。

5、抑制⼲扰的措施很多，主要包括
A屏蔽 B隔离 C滤波 D 接地和软件处理等⽅法
四、判断题（每⼩题2分，共10分)
1、变流器中开关器件的开关特性决定了控制电路的功率、响应速度、频带宽度、可靠性和等指标。

（）
2、伺服控制系统的⽐较环节是将输⼊的指令信号与系统的反馈信号进⾏⽐较，以获得输出与输⼊间的偏差信号。

（）
3、感应同步器是⼀种应⽤电磁感应原理制造的⾼精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别⽤作检测直线位移和转⾓。

（）
4、数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共
同特点是利⽤⾃⾝的物理特征，制成直线型和圆形结构的位
移传感器，输出信号都是脉冲信号，每⼀个脉冲代表输⼊的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺⼨。

（）5、控制系统⼀般分⼆级，分别是单元控制级和设备控制级。

（）
五、问答题（每⼩题10分，共30分)
1、计算机控制系统中，如何⽤软件进⾏⼲扰的防护。

2、滚珠丝杠副的轴向间隙对系统有何影响？如何处理？
3、机电⼀体化系统中的计算机接⼝电路通常使⽤光电藕合器，光电藕合器的作⽤有哪些？
六、综合应⽤题 (每⼩题10分，共20分)
1.编写程序：单⽚机读P1.0的状态,把这个状态传到P1.7指⽰灯去，当P1.0为⾼电平时指⽰灯亮,低电平时指⽰灯不亮,采⽤中断完成这⼀输⼊输出过程，每中断⼀次完成⼀个读写过程。

2. 光栅传感器，刻线数为100线，设细分时测得莫尔条纹数为400，试计算光栅位
移是多少毫⽶？若经四倍细分后，记数脉冲仍为400，则光栅此时的位移是多少？测量分辨率是多少
⼀、填空题：（30分，每空1分）
1、机电⼀体化系统基本组成要素
有：、、、、。

2、根据⼒—电压相似原理，机械系统质量与电系统中相
系统中相似，粘滞阻尼系数与电系统中相似。

3、滚动螺旋传动的消除间隙和调整预紧⼀般
有、、三种。

4、伺服电机的控制⽅式有⽅式、⽅式、⽅式。

5、微处理器系统接⼝包括接⼝、接⼝、接
⼝、接⼝。

6、—51系列单⽚机是位机，其中数据线根，地址线根。

7、可编程控制器常⽤的编程语⾔
有：、、。

8、湿度传感器是根据原理制成的。

9、驱动⽅式按动⼒源的不同分为：、、
三种。

10、对于启停频率低，但要求低速平稳和扭矩脉动⼩，⾼速运动振动、噪声⼩，在整个调速范围内均可稳定运⾏的机械，是主要的性能指标。

对于启停频率⾼，但不特别要求低速平稳性能的机械设备，⾼的是主要的性能指标。

⼆、简答题：（20分，每题5分）
1、简述滚动螺旋传动的⼯作原理。

2、可编程控制器（）与通⽤微机有何区别？
3、简述机电⼀体化对伺服电机性能的基本要求。

4、机电⼀体化产品中常⽤的位移传感器有哪⼏种？试举例说明
其中的⼀种在机电⼀体化系统设计中的应⽤。

三、将下图所⽰的继电器电路变换成梯形图并写出语句表。

（20分）2
1 K11
K12
K11
3 4 K11 K12
K12
1 K11 K 13 K12
2 K11 K14
K12
⼀、填空题：（40分，每空1分）
1、对同⼀种步进电机，三相单三拍的步距⾓是三相六拍的
倍。

2、步进电机常⽤的功率放⼤电路有、、。

3、机电⼀体化中常将⼯业控制计算机分为、、三类。

4、交流电动机三种基本调速⽅式是、、。

5、驱动⽅式按动⼒源的不同分为：、、
三种。

6、接近式位置传感器按其原理主要分
为、、。

7、机电⼀体化中执⾏电动机的控制⽅式有⽅式、⽅式、⽅式。

8、在开环控制系统中,常⽤做驱动元件。

9、模块化⽣产培训系统由上料检测站、搬运站、加⼯
站、、、六站连接⽽成。

10、滚动螺旋传动的消除间隙和调整预紧⼀般
有、、三种。

11、设计齿轮传动装置时，各级传动⽐最佳分配原则
有：、、。

12、描述传感器静态特性的主要技术指标
有、、、。

13、变频器选择的依据是。

14、机电系统数学模型有、、。

15、机电⼀体化对机械传动的要求
是：、、。

⼆、简答题：（30分，每题5分）
1、试举例说明机电⼀体化系统五⼤组成要素。

4、画出由8713芯⽚实现步进电机三相六拍⼯作⽅式接线图。

5、简述可编程控制器与普通计算机的不同点。

6、简述直流伺服电动机脉宽调制的⼯作原理。

7、简述光电式传感器的原理，机电⼀体化系统中常⽤的光电式
传感器有哪⼏种？试举例说明其中的⼀种在机电⼀体化系统设计中的应⽤。

8、简述变频器的基本类型。

三、计算题：（15分）
某步进电机有80个齿, 采⽤3相6拍⽅式驱动, ?经丝杠螺母副驱动⼯作台做直线运动, 丝杠的导程为6。

求:
1、步进电机的步矩⾓。

2、当脉冲当量要求为0.01时，试设计此传动系统。

四、设计应⽤题：（15分）
⽤机电⼀体化技术改造普通铣床为经济性数控铣床：
1、写出改造⽅案。

2、画出采⽤单⽚机控制该系统硬件连接图。

A 稳定性和时域响应
简介
连续系统或离散系统的稳定性是由其对输⼊或扰动的响应决定的。

直观地说，稳定系统是在没有外部激励时保持静态或平衡的系统，如果去掉所有的激励，系统会返回到静⽌状态。

输出将经过⼀个过度过程，稳定在⼀个与输⼊⼀致或由其决定的稳态。

如果我们将同样的输⼊加到⼀个不稳定系统上，输出将不会稳定到稳态过程，它将⽆限制的增加，通常为指数形式或增幅震荡。

稳定性可以由连续系统的脉冲响应或离散系统的响应如下精确地定义：当时间趋近⽆穷时，如果脉冲响应
为零，则连续系统是稳定的。

⼀个可接受的系统⾄少应满⾜三
个基本指标：稳定性、精度和满意的暂态响应。

这三项标准体
现在⼀个可接受的系统必须对特定的输⼊和扰动具有满意的时
间响应。

因此，虽然我们为了⽅便在拉⽒域和频域研究问题，但⾄少应在定性上将这两个域同时域联系起来。

实际上，拉⽒域既能提供稳定和不稳定系统的暂态响应信息，也能提供稳定系统的稳态响应的信息。

本⽂讨论拉⽒域和时间响应的关系，并重点强调暂态响应，和在拉
⽒域中建⽴系统稳定性的判剧。

精度将在下⼀篇⽂章中讨论，频率响应在以后的单元中讨论。

特征⽅程
系统对任何输⼊的时间响应可表⽰为下式：
式中(t)是稳态响应，(t)是暂态响应。

如果系统是不稳定的，就将没有稳态响应，只有暂态响应。

没有传输延时的情况下，系统的传递函数可以表⽰为拉⽒复变量s的多项式的⽐值。

将分母多项式等于零即得到特征⽅程
并可写作因⼦形式
式中表⽰特征⽅程的根，即使得D(s)等于零的s值。

这些根
可以是实根、复根或零，如果为复根，则由于微分⽅程的系
数为实数，复根都是成对共扼的。

拉⽒域中n个不同根的暂态响应如下：
在时域中为
后⼀个⽅程的每⼀项被称做暂态模式。

每个根都有⼀个暂态模式，其形状仅由根在s域中的位置决定。

因此，系统稳定的充分必要条件就是特征⽅程根的实部为负。

这保证脉冲响应将按指数形式随时间衰减。

劳斯稳定性判剧
劳斯判剧是判断连续系统稳定性的⼀种⽅法，适⽤于形式如下的n阶特征⽅程的系统。

使⽤劳斯判剧表的准则如下
这⾥是特征⽅程的系数
这张表向⽔平（向右）垂直（向下）⽅向延伸，直到得到的都是零为⽌。

在计算下⼀⾏前，任⼀⾏都可以乘以⼀个正常数，这不会影响表的性质。

劳斯判剧：当且仅当劳斯表的第⼀列符号相同时，特征⽅程的所有根都有负实部。

否则，具有正实部根的个数和符号变化的次数相等。

赫尔维茨判据是另⼀种判断连续系统特征⽅程的所有根都有负实部的⽅法。

实际上，虽然形式或⽅式不同，它和劳斯判据原理相同，因此它们常被称为：劳斯-赫尔维茨判据。

简单滞后：⼀阶系统
对形如式（2-21）的传递函数，系统的阶次被定义为特征⽅程D(s)的阶次，也就是其中s的最⾼次幂决定了系统的阶次。

简单⼀阶系统的传递函数
为，如图2-21所⽰，
如果输⼊是⼀个单位阶跃R(s)=1，则输出为
因此暂态响应。

第⼀项为强制分量，由输⼊引起，第⼆项为暂态分量，由系统的极点决定。

图2-22 给出了暂态和
c(t)。

暂态呈指数衰减，常⽤的表⽰衰减速度的量是时间常数：
时间常数是衰减指数暂态降到初始值1=0.368倍所⽤的秒数。

因为1当时，可以看出简单滞后1/(1)的时间常数是T秒。

实际上，这就是简单滞后传递函数常被写为这种形式的原因。

s的系数直接表明衰减的速度，4T秒后，暂态衰减到初值的1.8%。

简单滞后有两个重要特征。

1. 稳定性：对于系统稳定性，系统极点必须位于s平⾯的左半边，这样系统暂态衰减，⽽不是随时间增加⽽增加。

2. 响应速度：加速系统的响应（即减⼩时间常数），极点1应左移。

多阶滞后：⼆阶系统
这种常见的传递函数通常可以简化为如下的标准形式：
式中是⽆阻尼⾃然频率，z是阻尼⽐。

这些参数的意义将被讨论。

根据阻尼⽐，系统特征⽅程
的根（极点）有三种可能：
z>1: 过阻尼：z=1: 临界阻尼： z<1: ⽋阻尼：
图2-23 显⽰了绘制极点位置的s平⾯。

对于单位阶跃输⼊R(s)=1，输出的变换为
z >1时，极点在负实轴上的两侧，暂态是两个衰减指数的和，每个各有其⾃⼰的时间常数。

离原点最近的极点对应的指数项具有最⼤的时间常数，⽤最长的时间衰减。

这个极点称为主极点。

z =1时，两极点重合于。

z <1时，极点沿着以原点为中⼼，为半径的圆周上移动。

从图2-23中的三⾓形，可以看出。

输出为
图2-24中为对于不同阻尼⽐z的归⼀化响应曲线。

暂态项为以阻尼⾃然频率的震荡，其幅值按衰减。

重要的性能指标如图2-25所⽰：
稳定时间是响应永久在稳态值上下5%或2%所需的时间3T(5%)或 =4T(2%)。

超过稳态值的最⼤超调量百分⽐是⼀项严格的性能指标
令式(2-29)中c(t)的导数为零，得出响应的极值，得到⽅程：
这意味着在各峰值 1，3，因为左右相等。

因此最⼤值必在峰值(1)，峰值
时间为
如果式(2-210)的⾓度的正切
是，其正弦值，将式. (2-211)代⼊式 (2-29)中得到
上升时间，如式2-25定义为响应第⼀次达到稳态值的时间，同极值时间紧密相关。

应注意到各时间常数，，和同时依赖于和z，⽽.仅依赖于阻尼⽐z (图2-26)。

允许最⼤超调，和允许最⼩阻尼⽐z依赖于实际应⽤。

对于机床进给，超调会导致车⼑进⼊加⼯件，因此需要阻尼⽐⼤于1。

但在很多情况下，⼀定的超调是允许的，由于可缩短时间和，阻尼⽐⼩于1是合适的。

阻尼⽐等于0.7，超调仅为5%，响应达到稳态更快。

如果增加时阻尼⽐不变极点会沿圆周外移，稳态时间和上升时间会下降。

因此，我们可以通过调整闭环极点来调整暂态响应。

B 稳态
稳态误差控制系统的设计⽬标是控制⼀个系统的动态性能，使之响应于命令或扰动。

设计者应充分了解稳态⽅程和误差在整个过
程中的作⽤，同时也应知道它们在被控对象动态性能上的影响。