机电一体化技术

《机电一体化技术》复习题（交院 机械09级）

第一章 绪论

1、机电一体化系统的基本功能要素有哪些？功能各是什么？（P2）

答：(1)机械本体 其主要功能是使构造系统的各子系统，零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。(2)动力单元 按照机电一体化系统控制要求，为系统提供能量和动力，以保证系统正常运行。(3)传感检测单元 对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析处理产生相应的控制信息。(4)执行单元 根据控制信息和指令完成所要求的动作。(5)驱动单元 在控制信息作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。(6)控制与信息处理单元 将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。(7)接口 将各要素或子系统连接成一个有机整体。

2、机电一体化的相关技术有哪些？（P4）

答：①机械技术②检测传感技术③信息处理技术④自动控制技术⑤伺服驱动技术⑥系统总体技术

第二章 机械系统设计

1、各种机械特性（摩擦、阻尼、惯量）对系统性能有何影响？

答：⑴.摩擦的影响分析(P23)：①引起动态滞后和稳态误差——如果系统开始处于静止状态，当输入轴以一定的角速度转动时,由于静摩擦力矩T的作用,在一定的转角θi范围内, 输出轴将不会运动,θi值即为静摩擦引起的传动死区。在传动死区内,系统将在一段时间内对输入信号无响应,从而造成误差。当输入轴以恒速ω继续运动后,输出轴也以恒速ω运动, 但始终滞后输入轴一个角度θss, θss为系统的稳态误差。②引起低速抖动或爬行—导致系统运行不稳定——主动件低速匀速运动，运动件静止，压缩弹簧，加速，伸长，弹力减小，摩擦力下降，停止运动。重复此过程，从而产生低速爬行现象。产生爬行的原因：摩擦系数变化，刚度不足。

⑵.阻尼的影响分析(P24)：系统中阻尼的影响可以由二阶系统单位阶跃响应曲线来说明。阻尼比不同的系统，其时间响应特性也不同。①当阻尼比ξ＝0时，系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能无阻尼。②当ξ≥1时, 系统为临界阻尼或过阻尼系统。此时,过渡过程无振荡, 但响应时间较长。 ③当0

系统为欠阻尼系统。此时,系统在过渡过程中处于减幅振荡状态, 其幅值衰减的快慢取决于衰减系数ξωn。在ωn确定以后, ξ愈小, 其振荡愈剧烈, 过渡过程越长。相反,ξ越大,则振荡越小,过渡过程越平稳,系统稳定性越好,但响应时间较长,系统灵敏度降低。

⑶.惯量的影响(P20)：对精度、稳定性和动态响应都有影响。惯量越大大：①响应慢，降低灵敏度，伺服特性变差；②ξ值将减小,从而使系统的振荡增强,稳定性下降；③会使系统的固有频率下降,容易产生谐振,因而限制了伺服带宽,影响了伺服精度和响应速度。④负载增大。

2、各级传动比的最佳分配原则。(P31)

答：⑴最小等效转动惯量原则：①小功率传动装置——各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则；②大功率传动装置——传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。⑵质量最小原则：①小功率传动装置——使各级传动比满足：niiii321；②大功率传动装置——各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。⑶输出轴转角误差最小原则：各级传动比应按“先小后大”原则分配。

3、对机电一体化系统的机械系统的特殊要求。

答：⑴较高的定位精度；⑵良好的动态响应特性 — 响应快、稳定性好；

⑶无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度；⑷高的谐振频率、合理的阻尼比。

第三章 传感器检测及其接口电路

1、传感器主要静态性能指标及定义。

答：传感器的静态特性：是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。

⑴线性度：指传感器实际输出—输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。⑵灵敏度：是指传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值。⑶迟滞性：是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出—输入特性曲线的不重合程度。⑷重复性：是指传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出—输入曲线的不一致程度。

2、转速传感器磁电式：结构、原理。

答：⑴磁电式结构：在被测量转速的轴上装一齿轮(正、斜齿轮或带槽圆盘)，将传感器安装在支架上，调整传感器与齿轮顶之间隙为1mm左右。⑵原理：当轴旋转带动齿轮旋转时，由于齿轮的齿顶与铁芯端部的间隙发生变化，造成磁路中的磁阻发生变化，每转过一个齿，在传感器内部线圈的两端就产生一个脉冲（正弦）信号，轴转动一圈时就产生Z个电压脉冲信号，根据下式就可计算出转速：n＝(F/Z )×60，式中：n—被测轴转速，转／分；

F—脉冲频率，Hz；Z—齿轮齿数。

3、接近开关：直流三线式NPN及PNP型输出形式负载的接法。

答：续流二极管：并联在电感类负载两端，二极管负极接电源正极。断电瞬间为电感类负载提供放电回路，消耗电磁能，防止瞬间产生很高的自感电动势。功能：保护三极管。

4、数字滤波定义及特点。，

答：①定义：就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，因此它实际上是一个程序滤波。②数字滤波器克服了模拟滤波器的许多不足，它与模拟滤波器相比有以下优点：⑴数字滤波器是用软件实现的，不需要增加硬设备，也不存在阻抗匹配问题，可靠性高，稳定性好，成本低。⑵数字滤波器可以对频率很低(如0.01 Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。⑶数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

5、常用数字滤波的原理。

答：①程序判断滤波法(P65): 程序判断滤波就是根据实践经验确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差ΔX，若超出此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；若小于此偏差值，可将信号作为本次采样值，又可分为限幅滤波和限速滤波两种。a.限幅滤波:把两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值ΔX比 ，若小于或等于ΔX，则取本次采样值；若大于ΔX，则取上次采样值作为本次采样值。即：若 | Xk – Xk-1 | <= ΔX, 采样值=Xk； 若 | Xk – Xk-1 | >

ΔX , 采样值=Xk-1。b.限速滤波:最多可用3次采样值来决定采样结果，设顺序采样时刻t1，t2，t3的采样值分别为X1，X2，X3，则若 | X2 –X1 | ≤ ΔX, 采样值=X2；若 | X2 –X1 | > ΔX , X2不采用，再采样一次，得X3 ；若 | X3 –X2 | ≤ ΔX, 采样值=X2 ；若 | X3 –X2 | > ΔX , 采样值=(X3 +X2)/2 。限速滤波较为折中，既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连续性。具体应用时，可用(|X1-X2|+|X2-X3|)/2作为ΔX。

②中值滤波法(P63)：原理是对信号连续进行n次（n一般取大于3的奇数）采样，并对采样值按由小到大或由大到小的顺序排序，然后取其中间的那个采样值作为本次采样值。

③算术平均滤波法：对信号连续进行n次采样，并以其算术平均值作为有效采样值，即niiXnX101

④防脉冲干扰平均值滤波法(P65)：即“去两头取平均”方法，该滤波法先对N个数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后计算余下的N-2个数据的算术平均值。即： Y=（X2+X3+X4„„.+XN-1)/(N-2)

N值的选取：3~14，在一般工程应用中，取N=5就可满足绝大多数系统的要求。这种方法可消除由于偶然出现的脉冲干扰所引起的采样值偏差。

5、常用非线性补偿方法及原理。

答：⑴计算法。前提是：被测参数与传感器的输出之间有确定关系，可用数学表达式表示。原理：编制一段完成数学表达式计算的程序，将经前期处理的被测参数值输入该程序，计算后的数值即为非线性校正值。⑵查表法。原理：将事先计算或通过测量获得的数据按顺序排列成表格形式存放在ROM中，由查表程序根据被测参数的值通过查表找出相应的结果。

⑶插值法是将非线性曲线按一定要求分成若干段，然后用直线代替相应的各段曲线。

6、标度变换定义及表达式。

答：定义：把经过处理后的数字信号转换成带有不同工程单位的测量值，这项工作称为标度变换。标度变换的前提是参数值与A／D转换结果成线性关系，它的变换公式如下：0000/))((NNNNAAAAmxmx，式中：Ax—参数测量值；Am—参数量程上限；A0—参数量程下限；Nm— Am对应的A／D转换后的输入值；N0 — A0对应的A／D转换后的输入值；Nx — 测量值Ax对应的A／D转换值。

7、差动放大器特点、电路图及输出电压的表达式。

答：特点：共模抑制比高，抗共模干扰能力强，但输入阻抗较低。通常用于双端输出的传感器，如称重传感器。

当 R1=R2，Rf=R3 时：i1f1i2i1fouRRuuRRu

8、程控增益放大器功能、原理图及原理。

答：图示为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合, S2和S3断开时, 放大倍数为：RRAvf/1，而当S2闭合, 而其余两个开关断开时, 其放大倍数为：RRAvf/2，

选择不同的开关闭合，即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择，即可实现程控增益变换。

9、画电路图说明多个应变式称重传感器串并联连接方式、优缺点。

答：⑴单独连接：每个传感器单独接线，线路复杂，系统成本高。

⑵串联连接：每个传感器使用独立电源单独供桥，而传感器的输出端串联连接.优点是传感器有相对较大的输出，适用于分辨力较低的称重系统。其缺点是输出阻抗大, 容易带来干扰，电源复杂。

⑶并联连接：各个传感器输入端并联, 使用一个公共电源供桥, 输出端也以并联的方式工作。优点是只用一个电源供电, 系统简单、经济, 输出阻抗小。缺点是对每只传感器要求较高, 即传感器灵敏度系数S的公差不能太大, 输出阻抗的平均偏差要小,以减小各个传感器参数不一致对总输出的影响。

第四章 机电一体化系统的执行元件（控制电机）

1、执行元件的分类。

答：⑴电气执行元件——主要是直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机。能实现定位伺服，响应快，易于CPU接口，体积小，动力大，无污染。⑵液压式执行元件——主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点。⑶气压式执行元件——除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差且具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。

2、可控硅的主要用途。

答：⑴整流—AC→DC；⑵逆变—将直流电转变为交流电；⑶变频—改变交流电频率；⑷交流调压 — 调节交流电压；⑸无触点开关—能迅速接通或切断大功率的交流或直流电路，而不产生火花，适用于防火、防爆的场合。