机电一体化复习题.pdf

第一章绪论1.机 电 一 体 化 的 2 个 狭 义 概 念 、 1 个 广 义 概 念狭 义 ： （ 1） 机 电 一 体 化 是 利 用 计 算 机 的 信 息 处 理 功 能 对 机 械 进 行各 种 控 制 的 技 术 。（ 2） 机 电 一 体 化 是 利 用 电 子 、 信 息 （ 包 括 传 感 器 、 控 制 、 计 算 机 等 ）技 术 使 机 械 柔 性 化 和 智 能 化 的 技 术 。广 义 上 可 以 简 要 概 括 为 “ 机 械 工 程 与 电 子 工 程 相 结 合 的 技 术 ， 以及 应 用 这 些 技 术 的 机 械 电 子 装 置 ” 。 2.机 电 一 体 化 系 统 的 基 本 组 成 与 控 制 方 式（ 1） 机 电 一 体 化 系 统 的 基 本 组 成 机 械 部 分 (机 构 要 素 )： 像 机 器 人 的 机 械 手 那 样 实 现 目 标 动 作 。 执 行 装 置 (能 量 转 换 要 素 )： 将 信 息 转 换 为 力 和 能 量 ， 驱 动 机 械 部 分运 动 。 传 感 器 (检 测 要 素 )： 对 机 械 运 动 结 果 进 行 测 量 、 监 控 和 反 馈 。 控 制 装 置 (控 制 要 素 )： 对 控 制 信 息 和 反 馈 信 息 进 行 处 理 ， 向 执 行 装置 发 出 动 作 指 令 。 （ 下 面 的 图 要 求 会 画 ） （ 2） 控 制 方 式 ： 开 环 ： 系 统 中 无 位 置 反 馈 ， 也 没 有 位 置 检 测 元 件 。 闭 环 ： 电 动 机带 有 速 度 反 馈 装 置 ， 被 控 对 象 装 有 位 移 测 量 元 件 。 半 闭 环 ： 这 类 系统 的 位 置 检 测 元 件 不 是 直 接 安 装 在 进 给 系 统 的 最 终 运 动 部 件 上 ， 而 是经 过 中 间 机 械 传 动 部 件 的 位 置 转 换 ， 称 为 间 接 测 量 。3.对 比 分 析 机 械 调 速 器 与 电 子 调 速 器（ 1） 机 械 式 调 速 器 利 用 了 著 名 的 离 心 力 原 理 ， 完 全 由 机 械 零 件 构 成 ，必 须 在 准 确 得 知 各 零 件 的 重 量 和 摩 擦 系 数 的 基 础 上 ， 通 过 选 择 和 调 整重 锤 及 弹 簧 来 进 行 精 确 控 制 。 优 点 ： 简 单 易 制 ， 调 整 及 维 护 比 较 方 便 ； 但 是 灵 敏 度 和 调 节 特 性 较 差 。 且 柔 性 差 ；（ 2） 电 子 调 速 器 ： 与 机 械 调 速 器 相 比 ， 电 子 调 速 器 调 速 精 度 高 ， 灵敏 度 也 高 ， 易 实 现 自 动 化 等 优 点 ， 只 要 改 变 设 定 值 和 电 路 或 者 改 变 软件 就 可 以 选 择 采 用 P、 I、 D、 PI、 PID， 甚 至 更 高 级 的 控 制 ， 对 于 实现 最 佳 控 制 具 有 很 好 的 柔 性 。 主 要 缺 点 是 需 要 工 作 电 源 ， 并 要 求 电 子元 器 件 具 有 很 高 的 可 靠 性 。第二章机电一体化机械、执行、检测装置1.机 电 一 体 化 机 械 系 统 的 组 成 、 特 点 、 解 决 措 施 （ 1） 机 电 一 体 化 机 械 系 统 的 组 成 传 动 机 构 导 向 机 构 执 行 机 构（ 2） 机 电 一 体 化 机 械 系 统 的 特 点 高 精 度 快 速 响 应 稳 定 性 （ 3） 解 决 措 施 采 用 低 摩 擦 阻 力 的 传 动 部 件 和 导 向 支 承 部 件 。 缩 短 传 动 链 ， 提 高 传 动 和 支 承 刚 度 。 选 用 最 佳 传 动 比 ， 提 高 系 统 分 辨 率 ， 减 少 等 效 到 执 行 元 件 输 出 轴 上的 等 效 转 动 惯 量 。 缩 小 反 向 死 区 误 差 。 改 进 支 承 和 架 体 的 结 构 设 计 以 提 高 刚 性 ， 减 少 振 动 ， 降 低 噪 声 。2.机 电 一 体 系 统 执 行 装 置 的 分 类 、 特 点执 行 装 置 分 为 电 动 、 液 压 和 气 动 执 行 装 置 。 (1)电 动 执 行 装 置优 点 以 电 源 为 能 源 ， 在 大 多 数 情 况 下 容 易 得 到 ； 容 易 控 制 ； 可 靠 性 、 稳 定性 和 环 境 适 应 性 好 ； 与 计 算 机 等 控 制 装 置 的 接 口 简 单 。缺 点 在 多 数 情 况 下 ， 必 须 使 用 变 换 机 构 ； 容 易 受 载 荷 的 影 响 ； 获 得 大 功 率比 较 困 难 。(2)液 压 执 行 装 置优 点 容 易 获 得 大 功 率 ； 功 率 重 量 比 大 ， 可 以 减 小 执 行 装 置 的 体 积 ； 刚 度高 ， 能 够 实 现 高 速 、 高 精 度 的 位 置 控 制 ； 通 过 流 量 控 制 可 以 实 现 无 级变 速 。缺 点 必 须 对 油 的 温 度 污 染 进 行 控 制 ， 有 因 漏 油 而 发 生 火 灾 的 危 险 ； 稳 定 性较 差 ；(3)气 动 执 行 装 置优 点 利 用 汽 缸 可 以 实 现 高 速 直 线 运 动 ； 无 火 灾 危 险 和 环 境 污 染 ； 系 统 结 构简 单 ， 价 格 低 。缺 点 由 于 空 气 的 可 压 缩 性 ， 高 精 度 的 位 置 控 制 和 速 度 控 制 都 比 较 困 难 ； 能量 效 率 较 低 。 3.机 电 一 体 系 统 执 行 装 置 选 用 时 应 考 虑 的 主 要 因 素 功 率 重 量 比 ； 体 积 和 重 量 ； 响 应 速 度 和 操 作 力 ； 能 源 及 自身 检 测 功 能 ； 成 本 及 寿 命 ； 能 量 的 效 率 等 。4.直 流 伺 服 电 机 的 两 种 驱 动 方 法（ 1） 利 用 晶 体 管 放 大 器 的 线 性 驱 动 方 式 ： 优 点 ： 在 控 制 作 用 的 快 速性 上 ， 整 流 器 是 毫 秒 级 的 ， 大 大 提 高 了 系 统 的 动 态 特 性 ； 缺 点 是 ： 电流 不 连 续 、 电 机 损 耗 及 发 热 都 较 大 ；（ 2） 利 用 晶 体 管 放 大 器 的 开 关 驱 动 方 式 （ 脉 宽 调 制 PWM） 优 点 ： 开关 频 率 高 ， 电 流 容 易 连 续 ， 谐 波 少 ， 电 机 损 耗 及 发 热 都 较 小 ， 低 速 性 能 好 ， 稳 速 精 度 高 ， 动 态 抗 扰 能 力 强 ； 缺 点 是 产 生 噪 音 和 电 磁 干 扰5.交 流 伺 服 电 机 的 种 类 、 原 理交 流 伺 服 电 机 可 分 为 同 步 电 机 、 异 步 电 机 还 有 无 刷 电 机 。（ 1） 同 步 电 机 将 永 磁 体 装 在 转 子 上 ， 定 子 上 装 有 绕 组 。 单 相 或 者 三 相 交 流 电 流 通 过 定 子 绕 组 ， 在 定 子 上 产 生 旋 转 磁 场 。 旋 转 磁 场 与 转 子磁 场 相 互 作 用 驱 动 转 子 转 动 。（ 2） 定 子 绕 组 通 入 交 流 电 旋 转 磁 场 切 割 转 子 绕 组 转 子 绕 组 产生 感 应 电 动 势 和 感 应 电 流 电 磁 转 矩 （ 与 旋 转 磁 场 同 向 ） 。（ 3） 无 刷 电 机 的 工 作 原 理 与 同 步 电 机 相 同 ， 其 特 性 与 直 流 电 机 相 同 。6.步 进 电 机 的 特 性 曲 线 、 驱 动 方 法特 性 曲 线（ 会 画 ） P114 图 3-18 （ 环 形 脉 冲 分 配 器 使 电 动 机 绕 组 的 通 电 顺 序 按 一 定 规律 变 化 ， 使 电 机 能 够 正 常 工 作 ； 环 形 分 配 器 输 出 的 信 号 脉 冲 电 流 一 般很 小 ， 不 能 直 接 驱 动 步 进 电 机 ， 必 须 采 用 功 率 放 大 器 将 脉 冲 电 流 进 行放 大 ， 从 而 驱 动 步 进 电 机 运 转 ）7.增 量 式 与 绝 对 式 旋 转 编 码 器 的 工 作 原 理（ 1） 增 量 编 码 器 有 A 相 、 B 相 、 Z 相 三 条 光 栅 ， A 相 与 B 相 的 相 位 差为 90 度 。 利 用 B 相 的 上 升 沿 触 发 检 测 A 相 的 状 态 ， 以 此 判 断 旋 转 方向 。（ 2） 绝 对 编 码 器 光 栅 盘 ， 与 位 数 (4， 8， 12， 16)相 对 位 置 有 栅 格 ， 光 敏 二 极 管 的 个 数 也 与 位 数 对 应 。 用 光 敏 二 极 管 输 出 的 二 进 制 码 可 以 检 测 转 动 的 绝 对 角 度 。8.视 觉 反 馈 系 统 的 工 作 原 理在 视 觉 伺 服 系 统 中 ， 要 求 对 视 觉 信 息 进 行 实 时 处 理 ， 按 控 制 目 标 值 的不 同 可 分 为 位 置 基 准 法 和 特 征 基 准 法 两 种 。 （ 用 自 己 的 语 言 描 述 一 下 这 个 框 图 ， 要 求 用 反 馈 串 起 来 ）第三章微机控制系统的选择及接口设计1 机 电 一 体 化 微 机 控 制 系 统 整 体 方 案 如 何 确 定 ？（ 1） 首 先 应 从 系 统 构 成 上 考 虑 是 采 用 开 环 控 制 还 是 闭 环 控 制 （ 2） 其次 考 虑 执 行 元 件 采 用 何 种 方 式 ， 是 电 动 、 气 动 还 是 液 动 （ 3） 要 考 虑是 否 有 特 殊 控 制 要 求 （ 4） 考 虑 微 机 在 整 个 控 制 系 统 中 的 作 用 （ 5） 最后 应 初 步 估 算 其 成 本 。2.机 电 一 体 化 微 型 计 算 机 应 满 足 哪 几 方 面 要 求 ？ （ 1） 从 控 制 角 度 出 发 1） 较 完 善 的 中 断 系 统2） 足 够 的 存 储 容 量 3） 完 备 的 输 入 输 出 通 道 和 实 时 时 钟 ；（ 2） 从 不 同 的 被 控 制 对 象 角 度 而 言 ， 还 应 考 虑 几 个 特 殊 要 求 :1)字 长 2） 速 度 3)指 令（ 3） 选 择 微 机 时 ， 还 应 考 虑 成 本 高 低 、 程 序 编 制 难 易 等 因 素 。 ）3.MCS-51单 片 机 应 用 系 统 构 成 图P159 图 4-26 会 画 图 及 描 述4.分 析 说 明 弱 电 转 强 电 的 几 种 电 路 原 理 方 框 图P171 图 4-48 会 画 、 说 清 原 理 及 方 案5.分 析 说 明 光 电 隔 离 电 路 的 工 作 原 理P168-171 分 析 所 有 图 的 原 理6.PLC应 用 举 例 分 析 P176 分 析7.试 说 明 检 测 传 感 器 与 微 机 接 口 基 本 方 式P193 图 4-32第四章机电一体化系统的元、部件特性分析1.简 述 自 动 控 制 理 论 与 机 电 一 体 化 系 统 设 计 的 关 系（ 1） 自 动 控 制 理 论 是 机 电 一 体 化 系 统 的 控 制 基 础 .机 电 一 体 化 系 统 的操 作 过 程 控 制 目 的 有 两 个 ， 其 一 是 根 据 操 作 条 件 的 变 化 ， 制 定 最 佳 操作 方 案 ； 其 二 是 对 操 作 过 程 进 行 自 动 检 测 和 自 动 控 制 ， 提 高 控 制 性 能 ， 实 现 规 定 的 目 的 功 能 。（ 2） 在 机 电 一 体 化 系 统 中 ， 对 被 控 对 象 来 说 ， 系 统 的 各 构 成 要 素 的特 性 参 数 比 较 容 易 掌 握 ， 而 随 操 作 条 件 和 环 境 条 件 变 化 的 过 程 控 制 较难 掌 握 ， 为 此 ， 以 反 馈 控 制 理 论 为 基 础 的 控 制 理 论 是 机 电 一 体 化 系 统 不 可 缺 少 的 理 论 基 础 。2.简 述 传 递 函 数 、 系 统 的 过 渡 过 程 、 伺 服 系 统 的 动 态 特 性 含 义（ 1） 传 递 函 数 ： 线 性 定 常 系 统 (或 元 件 )的 传 递 函 数 定 义 为 ： 零 初 始值 下 ， 系 统 （ 元 件 ） 输 出 量 拉 氏 变 换 与 输 入 量 拉 氏 变 换 之 比 。（ 2） 系 统 在 阶 跃 信 号 作 用 下 的 过 渡 过 程 ， 大 致 可 分 为 稳 定 过 程 、 不稳 定 过 程 (发 散 )、 稳 定 过 程 (有 振 荡 )三 种 情 况 ， 并 可 近 似 地 用 传 递 函数 表 示 。（ 3） 伺 服 系 统 有 时 也 称 伺 服 机 构 ， 它 是 以 机 械 位 置 或 角 度 作 为 控 制对 象 的 自 动 控 制 系 统 。 其 输 出 量 随 输 入 量 的 变 化 而 变 化 ， 因 此 ， 有 时 也 称 随 动 系 统 。通 过 随 动 系 统 的 传 递 函 数 可 以 分 析 ：1） 系 统 过 渡 过 程 品 质 ， 即 系 统 响 应 的 快 速 性 和 振 荡 性 。2） 系 统 的 稳 态 精 度 ， 即 稳 态 误 差 的 大 小 。3.机 械 系 统 的 动 态 特 性 模 型P207 图 5-15； P228 图 5-464.动 电 式 变 换 器 的 动 态 特 性 分 析P219 从 5.44以 下 会 写 出 推 导 步 骤5.振 动 传 感 器 的 动 态 特 性 分 析 P222 式 5.52、 5.536.电 磁 变 换 执 行 元 件 的 动 态 特 性 分 析P2247.执 行 元 件 与 机 械 惯 性 阻 转 矩 的 匹 配 方 法 分 析 P228 四 执 行 元 件 与 机 械 惯 性 阻 转 矩 的 匹 配 方 法第五章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计1.简 述 机 电 一 体 化 系 统 的 稳 态 与 动 态 设 计（ 1） 稳 态 设 计 包 括 使 系 统 的 输 出 运 动 参 数 达 到 技 术 要 求 、 执 行 元 件(如 电 动 机 )的 参 数 选 择 、 功 率 （ 或 转 矩 ） 的 匹 配 及 过 载 能 力 的 验 算 、各 主 要 元 部 件 的 选 择 与 控 制 电 路 设 计 、 信 号 的 有 效 传 递 、 各 级 增 益 的分 配 、 各 级 之 间 阻 抗 的 匹 配 和 抗 干 扰 措 施 等 ， 并 为 后 面 动 态 设 计 中 的校 正 补 偿 装 置 的 引 入 留 有 余 地 。 稳 态 设 计 初 步 确 定 系 统 的 主 回 路 各 部 分 特 性 、 参 数 之 后 ， 便 可 着 手 建 立 系 统 的 数 学 模 型 ， 为 系 统 的 动 态 设计 做 好 准 备 。（ 2） 动 态 设 计 ： 主 要 是 设 计 校 正 补 偿 装 置 ， 使 系 统 满 足 动 态 技 术 指标 要 求 ， 通 常 要 进 行 计 算 机 仿 真 ， 或 借 助 计 算 机 进 行 辅 助 设 计 。2.典 型 负 载 的 等 效 转 动 惯 量 与 转 矩 的 换 算 方 法P250 一 典 型 负 载 分 析 计 算 及 推 导3.不 同 控 制 方 式 下 的 传 递 函 数 的 建 立 方 法P255 式 7.19-式 7.215.PID控 制 作 用 的 三 种 基 本 形 式 及 其 作 用 P265 2 调 节 作 用 分 析 开 始 一 直 到 266 页 表 7.1 以 上6.速 度 反 馈 校 正 方 法 分 析P269 3.速 度 反 馈 校 正