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第六章机电一体化机电一体化（Mechatronik）是由机械（Mechanik）和电子（Elektronik）构成的合成词。
其中，电子代表“硬件”和“软件”；机械是“机械”和“液压”方法的总称。
它不是简单的通过“电子化”替代机械装置，而是与全面的角度看问题和设计方法学有关。
其目标是对机械、电子硬件和软件进行整体优化，从而在低成本、低重量、小空间且高质量的情况下实现更多功能。
在解决问题的过程中，能否将如今已被分离的学科作为一个整体进行观察，对机电一体化方式是否成功起决定性作用。
第一节机电一体化系统及其组成部件1．1 应用如今机电一体化系统及其组成部件几乎布满在整个车辆系统中：从发动机管理、汽油机和柴油机电喷，到变速箱控制，电热能量管理，直到不同的制动-驱动力控制系统。
此外还有满足不同控制需求的通信和信息系统。
除系统及其组成部件层面外，机电一体化还在微机械领域中扮演着越来越重要的角色。
1．2系统级实例为了实现车辆全自动导向和转向，系统的进一步开发呈现出一个通用趋势：即机械系统在未来将越来越多地被线控（X by Wire）系统所代替。
“Drive by wire”（线控驱动），即电子油门，就是一个已经实际运用的例子。
“线控制动系统”省去了制动踏板和车轮制动器间的机械-液压连接。
传感器获取驾驶员刹车指令，并把这一信息传给电控单元。
控制单元通过相应的执行机构在车轮处产生所需的制动作用。
“线控制动系统”的一种可能实现形式为电动液压制动（SBC，测控一体化制动控制）。
在实施制动时或者在通过电子稳定程序ESP进行稳定性干预时，SBC控制器计算出每个车轮上期望的理想制动压力。
由于每个车轮所需的理想制动压力单独计算，且每个车轮的实际制动力独立获取，所以能通过轮压调节器对每个车轮的制动压力进行独立调节。
这四个压力调节器各由一个输入和输出阀组成，由控制器的驱动电路控制，相互配合，从而获得最佳的制动压力闭环调节。
在共轨系统中，压力生成和喷射是解耦的。
机电一体化系统设计试题及其规范标准答案《机电一体化技术》试卷（一）考试方法：闭卷考试时间12 0分钟共2页第1页一、名词解释（每小题2分，共10分）1. 测量2?灵敏度3.压电效应4.动态误差5?传感器二、填空题（每小题2分，共20分）1. 滚珠丝杆中滚珠的循环方式：_内旋换和外循环2. 机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括_________________ , __________ ,3. 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4. 某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角0 =0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是___________________________ 。
5. 连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的__________________________ ，使它们同步协调到达目标点。
6. 某4极交流感应电机，电源频率为50Hz,转速为1470r/min，则转差率为 _________________ 。
7.齿轮传动的总等效惯量与传动级数________________________________________________ 。
8. 累计式定时器工作时有___________________________________________________________ 。
9. 复合控制器必定具有 _____________________________________ 。
10. 钻孔、点焊通常选用___________________________________________ 类型。
三、选择题（每小题2分，共10分）1. 一般说来，如果增大幅值穿越频率3C的数值，则动态性能指标中的调整时间tS （）A.产大B.减小C.不变D.不定2. 加速度传感器的基本力学模型是（）A.阻尼一质量系统B.弹簧一质量系统C.弹簧一阻尼系统D.弹簧系统3. 齿轮传动的总等效惯量与传动级数（）A.有关B.无关C.在一定级数内有关D.在一定级数内无关4. 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（）A.单片机B. 2051C. PLCD. DSP5. 伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、比较环节和检测环节等个五部分。
机电一体化系统设计考试资料1.机电一体化：在机械的主功能、动力功能、信息与控制功能上引进了电子技术、并将机械装置与电子设备以以及软件等有机结合而成的系统的总称。
2.工业三大要素：物质、能量和信息3.机电一体化系统由机械系统、电子信息处理系统、动力系统、传感检测系统、执行元件系统等五个子系统构成。
4.机电一体化系统设计流程：（1）根据目的功能确定产品规格、性能指标（2）系统功能部件、功能要素的划分（3）接口的设计（4）综合评价（5）可靠性复查（6）试制与调试5.机电一体化系统设计的考虑方法：（1）机电互补法：利用通用或专用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统。
（2）结合法：将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件。
（3）组合法：将用结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化产品。
6.机电一体化设计类型：（1）开发性设计：是没有产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的系统。
（2）适应性设计：是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械机构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加价值。
（3）变异性设计：是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所变更的要求。
7.机电一体化设计程序：（1）明确设计思想（2）分析综合要求（3）划分功能模块（4）决定性能参数（5）调研类似产品（6）拟定总体方案（7）方案对比定型（8）编写总体设计论证书8.设计准则：在保证目的功能要求与适当寿命的前提下不断降低成本。
9.设计规律：根据设计要求首先确定离散元素间的逻辑关系，然后研究其相互间的物理关系这样就可根据设计要求和手册确定其结构关系，最终完成全部设计工作。
10.绿色设计：在新产品的开发阶段，就考虑其整个生命周期内对环境的影响，从而减少对环境的污染、资源的浪费、使用安全和人类健康等所产生的副作用。
习题七答案1、简述干扰的三个组成要素。
干扰的形成包括三个要素：干扰源、传播途径和接受载体.2、简述电磁干扰的种类。
（1）、静电干扰（2）、磁场耦合干扰（3）、漏电耦合干扰（4）、共阻抗干扰（5）、电磁辐射干扰3、简述干扰对机电一体化系统的影响。
在机电一体化系统的工作环境中，存在大量的电磁信号，如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等，当它们在系统中产生电磁感应和干扰冲击时，往往就会扰乱系统的正常运行，轻者造成系统的不稳定，降低了系统的精度；重者会引起控制系统死机或误动作，造成设备损坏或人身伤亡。
4、什么是共模干扰？共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口断的共有的信号干扰。
如图7-3所示检测信号输入A/D转换器的两个输入端上的公有的电压干扰。
5、分析在机电一体化系统中常用的抗干扰措施。
抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法6、什么是屏蔽技术及其分类？屏蔽是利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。
按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。
7、机电一体化中隔离方法有哪些？隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法8、常用的滤波器有哪些并分析他们的适用场合？滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。
由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，当接受器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。
这时，可以采用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。
常用滤波器根据其频率特性又可分为低通、高通、带通、带阻等滤波器。
低通滤波器只让低频成分通过，而高于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。
高通滤波器只通过高频成分，而低于截止频率的成分则受抑制、衰减，不让通过。
带通滤波器只让某一频带范围内的频率成分通过，而低于下截止和高于上截止频率的成分均受抑制，不让通过。
机电一体化技术与系统课程说课（实用版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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习题六答案1、什么是伺服控制？为什么机电一体化系统的运动控制往往是伺服控制？伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统.机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
2、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？（1）、按被控量参数特性分类按被控量不同，机电一体化系统可分为位移、速度、力矩等各种伺服系统。
其它系统还有温度、湿度、磁场、光等各种参数的伺服系统（2）、按驱动元件的类型分类按驱动元件的不同可分为电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。
电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统。
（3）、按控制原理分类按自动控制原理，伺服系统又可分为开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。
3、机电一体化对伺服系统的技术要求是什么？机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等。
4、试分析直流伺服电机的结构与工作原理。
直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图6-3所示）。
其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。
定子磁极用于产生磁场。
在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。
在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。
电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。
图6-3 直流伺服电动机基本结构图6-4 电枢等效电路直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。
通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。
第六章10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A.增大B.减小C.不变D.不定11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为( B )A.as+b B.2sbsa+ C. bsas+2D.asbs+311. 复合控制器必定具有( D )A. 顺序控制器B. CPUC. 正反馈D. 前馈控制器13. 一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间t s( B )A. 产大B. 减小C. 不变D. 不定10.一般来说，引入微分负反馈将使系统动态性能指标中的最大超调量( B )A.增加B.减小C.不变D.不定11.在采样—数据系统中，执行实时算法程序所花费的时间总和最好应小于采样周期的( A )A.0.1B.0.2C.0.5D.0.86.步进电机一般用于（A）控制系统中。
A.开环B.闭环C.半闭环D.前馈11.PD称为（B）控制算法。
A.比例B.比例微分C.比例积分D.比例积分微分13.如果增加相位裕量φm，则动态性能指标中的最大超调量σ%为（C）。
A.增大B.不变C.减小D.不能确定10．若考虑系统抑制干扰的能力，选择采样周期的一条法则是：采样速率应选为闭环系统通频带的【D 】A．5倍 B．8倍 C．10倍D．10倍以上11．在数控系统中，软伺服系统的系统增益K a为【B 】A．(2～5)1／s B．(8～50)1／s C．(50～100)1／s D．(120～150)1／s 10．若考虑对系统响应速度的影响，采样－数据系统中的采样周期应选为系统最小时间常数的【 A 】A．(O.1～1)倍 B．2倍 C．5倍 D．10倍11．在串联校正的比例－积分－微分(PID)控制器中，I的作用是【 C 】 A．改善稳定性B．加快系统响应速度C．提高无静差度 D．增大相位裕量10.在最佳阻尼比条件下，伺服系统的自然频率w n唯一取决于【 C 】A.速度环开环增益B.电动机机电时间常数C. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之比D. 速度环开环增益与电动机机电时间常数之积11在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联【A 】A.PI校正B.P校正C.PD校正D.D校正7．PID控制器中，P的作用是【 A 】A．降低系统稳态误差 B．增加系统稳定性C．提高系统无静差度 D．减小系统阻尼7．采样一数据系统中，若考虑系统的抑制干扰能力时，采样速率应为闭环系统通频带的【 A 】 A .10倍以上 B ．5倍 C .2倍 D.(0.1～1)倍8．PID 控制器中，P 的含义是 【 D 】 A.前馈 B.微分 C.积分 D.比例(2011 07)9.在软伺服系统中，一般认为速度环的闭环增益最好为系统的 【 】 A.0.1倍 B.2～4倍 C.5倍 D.10倍 1．PID 控制器中，I 的作用是 【 A 】A ．提高系统误差精度B ．增加系统通频带C ．加快系统调整时间D ．减小系统伺服刚度 2.要求系统响应应以零稳态误差跟踪输入信号可采用 （C ） A.前馈控制器 B.PI 控制器 C.复合控制器 D.反馈控制器3.一般说来，如果增大自然频率ωn 的数值，则动态性能指标中的调整时间t s 将 ( B ) A.增大 B.减小 C.不变 D.不定4. 在伺服系统中，若要提高系统无静差度，可采用串联 【 A 】 A.PI 校正 B.P 校正 C.PD 校正 D.D 校正5. 伺服系统的输入可以为 （B ） A.模拟电流 B.模拟电压 C.控制信号 D.反馈信号6. 伺服系统一般包括控制器、受控对象、比较器和（D ）等部分 A.换向结构 B.转化电路 C.存储电路 D.反馈测量装置7. 下列那一项是反馈控制系统 （ ） A.顺序控制系统 B.伺服系统 C.数控机床 D.工业机器人8. PD 称为（ B ）控制算法。
A.比例 B.比例微分 C.比例积分 D.比例积分微分9. 已知f(t)=δ（t ）+3，则它的拉氏变换式为 ( A )A. 1+s 3 B. s s 31 C. s 1 D. 31s10. 位置环采用PI 控制器,伺服系统对参考输入做到了(B )A.一阶无静差B. 二阶无静差C. 三阶无静差D.不起作用1、按照系统信号传递方式，伺服系统有哪几种类型?（2011）答：模拟式伺服系统、参考脉冲系统、采样——数据系统（计算机闭环控制系统）（模拟电压、参考脉冲信号、二进制数字信号）2、闭环伺服系统由哪几部分组成?(2011)答: 控制器、受控对象、比较器和反馈测量装置等部分3．半闭环控制系统的定义及特点是什么?答: （1）伺服系统中，当位置传感器安装在伺服电动机轴上，用以间接测量工作台的位移时，这种间接测量的系统称为半闭环系统。
（2）特点：可以避免传动机构非线性引起系统产生极限环和爬行振荡，比全闭环系统容易实现，可节省投资。
4．在实际系统中，数字PID控制器的两种实现方式是什么?答：（1）在双传感器系统中，PI由微处理器位置控制器实现，D的作用由测速机负反馈实现；（2）在单个位置传感器的系统中，PID由微型机单独实现。
5．全闭环控制系统的定义及特点是什么?答：伺服系统中，当位置传感器安装于输出轴（工作台）上时，传感器直接测量工作台移动，这种直接测量的系统统称为全闭环系统。
特点：对输出进行直接控制，可以获得十分良好的控制精度。
但受机械传动部件的非线性影响严重，只有在要求高精度的场合，才使用全闭环系统。
20026. 复合控制器答：在反馈控制器的基础上附加一个前馈控制器，二者的组合称为复合控制器。
它的作用是使系统能以零稳定误差跟踪已知的输入信号。
7. 伺服系统的刚度答：伺服系统的刚度定义为输出轴的单位位置误差做承受的负载转矩。
8．闭环技术答：将反馈控制技术与传感器相结合，可构成闭环测量系统。
9. 半闭环伺服系统19．采样——数据系统答：采样——数据系统是指计算机参与闭环控制的伺服系统，其输入往往是由上位机生成并经过精插补的参考指令，输出是转轴的角位移或工作台的线位移。
1、解：（2011）2. 最小相位系统的开环对数幅频渐近特性如图所示。
试求开环传递函数G(s)。
解：由对数幅频渐近特性可知：22某直流电机伺服系统结构如题22图所示，已知：ft v aKK K JR T M ==0.05s ，R a =4Ω，K v K t =0.1N ·m ／A ，K f =O.1V ·s ／rad ，K p =10V ／rad ， 求：（1）T d =0.002 N ·m 时，系统的稳态误差θessT ；（2）伺服刚度K R 。
11+s T K m t s 1）（s d T K K R t v a-++-pK ）（s θ）（s θ•）（s r θ)s (e θ22．某伺服系统结构如题22图所示，已知：K p =60V ／rad ，K f =O.24V ·s ／rad ，K n =2.5×103V ／V ，K t =7.1N ·m ／A求：(1)系统增益K v ： (2)伺服刚度K R 。
30．已知系统结构图如题30图所示。
(1)若1K =25，f K =0，求阶跃响应的最大超调量σ％( 定义：σ％=21ξξπ--e ⨯100% )和调节时间s t (取△=±0．05)． ‘（2）当1K =25，欲使系统为最佳阻尼，确定f K 的值。
四、简单应用题答：五、综合应用题1、（2011）解：P20826．某位置反馈系统如题26图所示，已知：电动机时间常数T=0.2s，K1=0.1V／(。
)， K2=400(r／min)／V，K3=0．5。
／(r．min1-.s)，求：。
(1)α=0时,系统的最大超调量σ%和调整时间t s(按△=±2％计算)；(2)欲使系统具有最佳阻尼比，增设转速负反馈校正，确定α的值；(3)校正后，系统的开环增益K及单位速度输入时的稳态误差。
26．控制系统的结构图如题26图所示，已知G(s)= ，G c(s)=Ts+l(1)当T=0时，试确定系统的自然频率ωn，阻尼比ξ和最大超调量σ%；(2)欲希望系统成为最佳阻尼比状态，试确定T值；(3)校正后，系统的开环增益和单位速度输人时的稳态误差e ssv。
20052004200326.某伺服系统的结构图如图所示，其中K p、T i均为正数，试确定使闭环系统稳定，K p、T i取值的条件。
30.已知控制系统结构图如下图所示。
①选择K1和K2，使系统性能满足：σ％≤20%和t s=1.8s。
②求系统的静态误差系数K p、K v和K a。
32.设单位反馈系统如图所示，已知T1=0.5s,T2=0.05s，为使系统获得最大的相应裕量φm，试确定此时的K值及相应的φm值。
浙江省200323.二阶系统结构图如图所示：设k1=0.4,k2=1.0,T1=11）求系统固有频率，阻尼比；2）求系统增益k s；3）求系统灵敏度k。
26.绘出由感应同步器等组成的工作台闭环伺服系统框图。
200232.某控制系统结构图如图所示，图中G C (s)=K p (1+T d s),G p (s)=K 1s (Ts +1)2 =2S (0.1s +1)2(1)确定K p 和T d 的值，以使系统性能同时满足：在单位抛物线(恒加速度)函数作用下的稳态误差e ssa ≤0.2，幅值穿越(截止)频率ωc =51s(2)计算系统在上述取值条件下的相位裕量ϕm 。
32.(1)开环传函 G(s)=G c (s)G p (s)=2112101122K T s s Ts K T s S s p d p d ()()()(.)++=++(2)确定K p 和T d由e ssa =1120225K K K a pp =≤∴≥.. 取K p =2.5 在ωωωc c c p c d s G j G j T =⋅=++=51151525105122/|()||()|(.)时，即（）1+25T d d T s 225102511=+∴=(.). ∴=+=+G s K T S s c p d ()().(.)125111(3)相应的ϕωωm d c c tg T tg T tg tg =-=⨯-⨯=-=----1111115015797266531.....οοο30.二阶系统结构图如图所示。
设K 1=0.1, K 2=10,T 1=0.5s(1)求系统对r(t)的阶跃响应的最大超调量σ%及调节时间t s (取△=±5%); (2)求系统增益Ks 及伺服刚度K R ;(3)求r(t)=1+t 及n(t)=0.1共同作用下系统的稳态误差e ss 。
