光机电一体化控制技术

2013—2014第一学期

离线作业

科目:

名:
学号:

12830556

专业:

机电一体化技术

西南交通大学远程与继续教育学院

直属学习中心四、主观题（共5道小题）
16.机电一体化系统的关键技术有那些？

答：关键技术主要包括：系统总体技术、机械技术、传感器检测技术、计算机与信息技术口动控制技术及伺服传动技术。

系统总体技术：基于系统总线技术使机电一体化系统高度集成化、信息化、可靠性及实时性得到保证。机电一体化系统的多功能、高精度、高效能要求和多技术领域交叉特点，使系统本身和开发设计变得复杂，系统总休性能不仅与各构成要素功能、精度、性能相关，还与各构成要素Z间的相互协调和融合相关。系统总体技术即以整体为概念，组织应用各相关技术、从全局和系统忖标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，通过协调和组织齐个组成单元的技术方案，并找出最优总体技术方案。

机械技术：是机电一体化基础，实现结构、材料、性能的要求。主要包括：机械设计，机构学，材料，工艺等技术。机械技术是机电一体化的基础，通过现代设计理论和方法，运用计算机设计、有限元分析和制造等技术，实现现代机械系统设计和制造。

传感器和检测技术：传感器装置是系统的感受器，是系统实现控制，检测，调节的关键部件，主要包括：传感器技术，物理，信息检测与处理，数字信号处理技术等。传感检测装置是系统的受感器，是机屯一体化系统达到更高水平的保证。计算机与信息技术：通过采集，处理，分析机电一体化各种参数和状态，实现对机电一体化系统的检测，控制和智能决策。主要包括：计算机技术，人工智能技术，软件技术，微电子技术，硬件技术，电子技术、网络与通信技术等。在机电一体化系统中，与各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、交换识别、存取运算、判断及决策均属于该技术领域。机电一体化系统的计算机与信息处理装置是系统的核心。它是控制和指挥整个系统运行，了解各个部件和环境状态的核心。

自动控制技术：控制技术是在无人直接参与的情况下，通过控制器实现被控对象或过程自动按规律运行。主要技术包括：系统建模，控制系统设计理论和方法，系统仿真。自动控制作为机-体化系统中重要支撑技术，是其核心组成部分。控制技术是机电一体化系统在无人直接参与的环境下，通过控制器完成预定控制目标的技术保证。

伺服传动技术：主要是指机电一体化系统在执行元件的驱动装置设计技术，伺服装置包括电动，气动及液压等，是实现电信号到机械动作的转换装置。对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。作为机电一体化系统的主要执行部件，担负着机电一体化系统的最终功能实现，是实现屯信号到机械动作的转换和控制装置和部件。伺服驱动系统包括：电气、气动、液压各种类型的传动装置。17.为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度？

答：机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电了技术实现口动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。

18在机电一体化系统建模过程中，电路系统主要有三个基本元件：电阻、电 容 和 电感 。

19•传感器从结构上-•般由敏感元件、转换元件、接口电路三部分组成。

20.放人器主要技术指标包括：放人倍数、输入阻抗、输出阻抗及 通频 带

三、主观题（共14道小题）
7. 在未来机电一体化系统发展呈现模块化、智能化、网络化、微型化

、绿色化、人格化趋势
8.机电一体化系统的未來发展趋势？

答：模块化：设备和零部件的通用化和标准化，功能模块化。

智能化：控制论、信息论和系统论的技术应用和发展，使得智能科学不断地渗透于机电一体化系统或产品中，智能化使得机电一体化产品具有更加灵活的，科学的能力来完成更加复杂的，不确定的工作。智能化机电一体化系统具有一下几个特征：
复杂性：具有多功能，高适应性、高可靠性、是多技术集成与优化的产物。智能化机电一体化系统通常由机、光、电装置构成，计算机与信息处理，控制论在系统屮占据屮心位置。

交叉性：广泛应用以控制论、信息论及系统论为屮心的各种现代理论，在经典控制理论的基础上，吸收人工智能，运筹学，计算机科学，模糊数学等，以求得更高的控制和决策目标。

拟人性：模拟人的思维，具有基本的学习和判断能力，从而具有一定的推理，决策功能。

网络化：机电一体化系统作为网络终端，和各种系统组成一定的集成网络系统,从而具有更加广泛的应用和控制能力。

微型化：随着微机械电子系统（MEMS）的技术成熟和应用，越來越多的机电一体化系统的检测、执行功能由这些MEMS来实施，从而形成微机电-•体化系统和产品，具有体积小，能耗低，运动灵活等特点。

绿色化：机电一体化的绿色化主要指制造，使用时不污染生态环境，能回收利用。绿色机电一体化产品的设计和应用具有远大的前途。

人格化：注重产品与人的关系，机电一体化系统或产品具有良好的与人交互的能力。

9. 光机电一体化系统所涉及的信号有两类 模拟信号

和

数字信号。

10.论述模拟信息数字化的基本原理。

答:机电一体化系统所涉及的信号有两类，连续信号（模拟信息）和离散时间信息。由于计算机或微处理器的信息和控制都是基于数字信号（0.1）信息，而往往系统输入或输出确实模拟量，所以，就出现了将连续时间信号变为离散时间信息，离散时间信息变为数字信号或数字信息乂变为连续时间信号等信号转换问题。模拟信号数字化的第一步是在时间上对信号进行离散化处理，即将在时间上连续的信号处理为时间上离散的信息，这一过程称为采样。采样要遵循采样定理。模拟信号经采样后，虽然在时间上是离散的，但采用脉冲序列幅度仍然取决于输入模拟信号，采用信息仍屈于模拟信号，必须进行量化，使英在幅值上离散化。

这个过程称为量化。量化后的信息，即变为了时间离散、幅值离散的数字信号。

11・机电一体化系统的的数学模型一般按特征分类，常见的有静态模型 和

动态模型，

确泄性模型和不确沱性模型，线性模型和非线性模型和连续模型和离散模型。

12.在机电一体化系统建模过程小，机械系统主要有三个基本元件： 质量 、
弹簧和 阻尼
13•简述系统仿真的目的和意义

答：机电一体化系统分析和设计屮，常用系统实验或仿真方法来确定系统特性，以寻求改进系统性能的途径。在很多情况下，研究系统的忖的是要预测系统的若干特性，往往在建立系统Z前或在讨论方案阶段就能预测系统建成后将出现的情形。若用系统自身做实验难于达到冃的。因此，人们常借助于系统模型而不是系统木身进行仿真。仿真的H的在于：新系统的建立和调试，实现对系统最佳的设计和最佳控制问题以及模拟实验和训练。由于机电一体化系统越来越复杂，成本高，加上要考虑安全性耍求，数字仿真技术在机电一体化系统屮的系统分析、设计和调试尤为重耍。

14. 已知一系统结构如下图所示，求系统传递函数鵰

分析：整个方框图等价丁二首先，62和63串联，再与G4并联，再加入H反馈环节，再与G1串联，最后再引入一个单位负反馈。其总方框传递函数如下：

l+ Qi + HJg+GJ

说明，控制系统方框图的简化

5G) 丫2⑸

R(s)

15.机电一休化系统的执行机构的多采用电动机作为驱动器件，在机电一体化反馈控制系统中，常用的电动机有直流伺服电动机和交流伺服电动机 两种。

16.简述直流电动机的机械特性？

答：直流电动机的机械特性是指外加电压Uc励磁电流If和电枢冋路电阻Ra保持不变时，直流电动机的电磁转矩T与转速n之间的关系。即：n=f（T）.机械特性是直流电动机的一个重要特性。

17.控制系统从组成通路上分，可以分为开环 和 闭环 控制。

18.在机电一体化控制系统设计中，我们常用到PID控制器，试说明PID控制器中P,I,D的主要作用和特点。

答:P：比例控制器的作用是指控制器的输出与输入偏差（也即误差）信号成比例。比例控制器能迅速反映误差，从而使系统减少误差，但不能消除稳态误差。比例系数的加大，会引起系统的不稳定。即比例控制作用虽然及时，快速，但存在静态误差，被控对象不能完全回复到给定值，故控制精度不高.

I：调节器输出信号的变化速度与偏差信号成正比。则可以消除静态误差。因为积分作用是随时间的积累而逐渐增强，因此在时间上It输岀信号总是落后于输入偏差信号变化（称相位滞后），所有积分调节器的调节作用缓慢。即积分控制作用可以消除稳态误差，但它有滞后作用，会使系统超调量增加，甚至引起系统振荡。

D：调节器输出信号与偏差变化速度成正比，微分控制主要作用是克服被控参数的滞后。为减小滞后，可根据被控对象的变化趋势来进行控制。

19.说明智能系统与传统系统能的主要区别？

答:1、学习能力。智能系统所具备的学校功能使系统具有对一个过程或未知环境所提供的信息进行识别、记忆、学习并利用积累的经验进一步改善系统的能力。具有与人类学习功能相似的能力；
2、适应能力。除包括对输入输出自适应估计外，还包括故障情况下自修复等功能，具有处理不确定环境的能力。

3、组织能力。对应复杂任务和分散的传感信息具有白纽织和协调的功能，是系统具有主动性和灵活性。具有在任务要求范围内进行口行决策。主动采取行动,

当出现多忖标冲突时，在一定下，各控制器可以在一定的范围内自行解决。

20.屏蔽技术通常分为：电磁屏蔽技术、屯场屏蔽技术、磁场屏蔽技术和电 磁场屏蔽技术。

三、主观题（共12道小题）

9. 举例说明光机屯一体化系统和机电一体化技术含义

答:机电一体化技术的定义：
是指机械技术、电子技术、传感器和测试技术、接口技术、信息及控制技术、计算机技术、自动控制技术等相结合的一种综合技术；
机电一体化系统定义及理解：

是指具有机电一体化技术的新型机电系统。是机械、电子、信息技术的有机结合

和应用。

机电一体化系统体现整休性，它不是简单机械系统、微电子系统、控制系统等系统的简单组合或拼凑。而是由相互区别和相互作用的机械与光、电子部分有机结合在一起，为同一冃的而完成特定功能的集合体。

机电一体化的特点
集成性
最优设计
智能化
基于模型和控制
设计上基于并行的科学设计，系统更具有协同性

10.通常情况下，将系统模型可以分为两大类：实验模型 和数学模型。

11.研究系统的动态品质与特征时，通常有两种数学模型描述方法：末端描述法和内部描述法。

12.简述基尔霍夫电流、电压定理

答：基尔霍夫电流定理：在一个闭环环路内，流入一个节点的电路的代数和等于流出此节点的电流代数和
基尔霍夫电压定理：在一个闭环环路内，一个封闭路径的所有电压的代数和为零。

13.机电一体化反馈控制系统的主要组成部分是什么？

答：反馈控制是将被控参数作为反馈信号引入系统输入端，来控制系统。其结构如下图：

+

反馈控制系统的主要组成部分：控制器、执行机构、被控对彖、检测装置及比较

器。

1:检测装置，进行信号检测和信息采集，如温度，压力，位置，速度等

2：执行机构，实现所要求的运动和动作，如电动机，液压缸和液压马达，气动装置等
3：控制器，根据控制系统的控制目标和系统模型，接收传感器所采集的输入信息，通过控制律计算，最后得出控制输出，并将其用于对执行机构的驱动
4：常见传感器，光电开关，声敏传感器，压电传感器，温度和湿度传感器，扭矩传感器，力传感器，应变传感器等

14. 下图RLC串联电路。写岀输出电压他与输入电压购之间传递函数

AAAA

Ui(t)

答：根据基尔霍夫电圧定理，可以得出如下表达式

.

dt

dt

⑴

式（1）为二阶微分方程。

对式（1）进行拉氏变换，得到RLC串联电路的传递函数为5⑹—1q（s）LCS2+RCS+\

15.传感器分辨率是？

答：传感器分辨率定义为传感器能检测到的测量值的最小増量，也称为测量的适应度。

16.测量准确度是？

答：测量准确度表示测量值与实际值Z间的偏差，它受限于仪器本身。如杲未受实验误差的影响，就称实验为准确的，在实际应用中，准确度用真值的百分比表示,即:
真值的百分比二（测量值•真值）滇值（100）

17.一他励直流电动机，额定电压UN=440V,额定功率^=%KW,额定电流

Z沖=25(L4,额定转速^=500r/min,电枢冋路总电阻=00780，额定励磁电流％ =

,忽略电枢反应影响。试求：额定输出转矩爲川和在额定电流时的电磁转矩丁。

解：计算额定输出转矩爲如

7^ =鸟/0 =学=9.55 冬二	冷N	9.55x 96xl03 500	= 1833.5 Num
加沖

计算在颔定电流时的电磁转矩T:

T=PN/Q=^

E^= U^-1^=440 - 250x0.078 = 420.5 V

7^= 420.5x250 = 105.125KW

30x1.05125x1()5

TTX500 =2008.76NUm

18.在机电一体化系统数字PID控制器设计中，需要确定的控制器主要参数是比

例系数、
积分系数、微分系数和采样周期T。

19.简述A/D、D/A接口的功能，并说明保持器应用的日的。

答：A/D接口的功能是将温度、压力等物理量经传感器变成的电压、电流

等信号转换为数字量。具体来说，包括如下阶段：
1：对物理信号(通常为电压信号进行采样，并将具转换成一个10至16位的二进

制数；
2：实现从模拟y⑴到采样值y(kt)的转换每隔T秒时间间隔重复一次，T为采样周期；3：\(kt)为采样后的信号，为离散信号；

D/A接口是将二进制数字量转换成电压信号。包括如下阶段：
1：将离散信号u(kt)转换成为连续信号u(t)并保持下来；
2：将二进制数转换成为模拟电压值；
3：零阶保持(ZOH)将电压值保持一个采样周期；
保持器的作用是保证在采用过程中，使被采用的信号能在电压上保持一个采样周期。从而保证后面的A/D转换能获得准备的数字。

20.在实际设计数字控制器时，采用周期的确定要考虑那些因素？

答：需要考虑如下因素：
（1）符合采样定理

（2）考虑系统稳泄性影响；采样周期对系统的稳定性有直接影响，应在满足系统稳定性的条件下选择最大采用周期。
（3）给定值与扰动信息频率的影响；
（4）计算机计算精度

（5）控制回路的影响
（6）执行机构的特征
（7）闭环系统的频带范围，要求采样周期的频率范围要人于（25-100）系统的频带宽度。

三、主观题（共10道小题）

11.光机电一体化系统的主耍组成耍素

答：一个完善的机电一体化系统，一般由如下机构组成部分:机械系统部分动力与驱动部分
执行机构部分
传感器测试部分
控制和信息处理部分
如图所示：

4-

机电一体化五大基本要素
结构组成要素
动力组成要素
运动组成要素
感知组成要素
智能要素
基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换有机结合，集成一个完整的系统。各要素（环节）之间必须遵循接口耦 物质流动、信息控制、能力转换的四大原则，完成如下内容：
:信息及信号变换，
:控制信息实现控制及能力匹配
:信息必须符合规处模式传递

能力转换：包括执行器。驱动器各要素Z间的不同能力转换
信息及控制：完成数据采集，分析，判断，决策及控制，知识驱动等运动传递：各要索Z间不同运动的变化和传输以及运动控制冃的12. 论述机电一体化系统信息传输过程。

上图为机电一体化系统信号传递过程，系统屮既有受控物理参量连续变化的模拟信号，乂有计算机等数字装置所能处理的离散数字信号。

在系统屮，数字控制器产生控制策略，也就是负责接收给定指令，采集传感器的反馈信号，按一定的控制规律计算出数字形式的控制信号，如其输入是经过A/D转换的时间误差e(t)的二进制数字信号e(kT)，其输出是二进制控制策略信号m(kT)•经过伺服放人后驱动执行机构并跟踪给定指令运动。

13.简述为什么在机电一体化系统设计，需要进行机电一体化系统建模和仿真分析。并说明模型建立的两种基本方式和他们的主要特点。

答：机电一体化系统中，机械系统，电子系统已经其他系统之间的连接往往是通过传感器或换能器，将被测物理量(位移，速度，加速度，声波，液压)等信号转换为电圧或电流，系统在给主条件下，完成一定的功能。因此，从结构上,系统复杂。与所有系统一样，无论在系统设计还是分析，都需要进行实验研究，以确保功能得以实现，各系统Z间工作协调，信息交流通畅，执行可靠。因此，在实验前，需要进行系统的描述，即建立系统模型，以便于从分析该模型得岀整个系统的性能，功能指标。利用模型进行实验，获取所需要的信息，这一过程称为模拟和仿真。即通过模拟来达到对真实系统的了解和分析。从而减少费用，降低风险，并提高整体性能。

建模的方式通常被分为两大类，物理模型和数学模型，物理模型是以系统间的相似原理为基础建立的。包括系统按比例缩小的实体模型。

数学模型是用数学符号描述系统的数学表达式，系统属性出变量表示。可以通过计算机方式进行仿真。

14.线性度是？

答：线性度是用来衡量输出是输入的线性函数的程度，因完全的线性特性并不能获得，与理想值的偏差定义为线性度容弟。线性度是指在校准周期内，输出曲线与最佳拟合直线之间的最人偏差的百分比。非线性度通常是由非线性元件、如机械滞后、粘性流动若蠕变以及电子放人器等引起。

15.传感器灵敏度是？

答：传感器灵敏度是仪表对被测量参数变化的响应能力。也可用输出变化量与输入变化量的比值来表示。

A/:输入变化量

Ae:输出变化量;

16.传感器的接口电路主要功能包括：对传感器的输出信号进行隔离、阻抗变换、信号变化、放大。线性化及模拟或数字计算等处理。

17.一台他励直流电动机，额定电压UN=220V,额定转速nN=1500r/min,电动机铁损^

=362w,机械摩擦损耗^=204w,电枢回路总电阻=0208°, ^=205

V,求电磁转矩T、输入功率召和效率乃。

计算效率乃：

乃=1一垃=1一」

按题意，代入已知壘，有

Pe= EJc=205x72.12 = 14784.6 炉

此=弓一尸理一&=14784.6-362-204= 14218.6炉

&二百一鸟=18565.4-14218.6=16.8炉

于杲，得效率

18.模糊控制系统从原理上讲，主要由：模糊化接口和模糊推理机和反模糊化三 部分组成。

19.机电控制系统性能指标主要包扌心上升时间、超调量和稳定时间和稳 定误差 四项。

20.从理论上讲，因数字控制器涉及到对信号（控制信号、反馈信号）的采样而会导致信息丢失，但为什么在实际应用系统中，数字控制方法的应用越来越广泛,同时说明奈奎斯特■香农采样定理对数字控制采样做了什么样的描述。

答：数字系统的使用，主耍基于如下的原因：
1:数字控制器易于对控制律进行修改和调节和升级；
2：计算机的应用使数字控制器成为可能，并可实现控制器的运算和具他能力的提

升；
3：数字控制器抗干扰强；

4：可更方便的实现通信、系统集成和数据传输。

奈奎斯特■香农采样定理主要说明了在数字采样过程屮，采样频率必须大于信号里

所包含的最大频率的两倍以上，从而保证所采集的信号不至于完全失真。