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1、机电系统控制技术,作业讲解,考试时间：本周五9-10节（19:00）,考试地点：12#229（诚字楼）,第三章作业,P85：39，310 3A：设计一种光电隔离传递1路数字信号，原副边的供电电压均为5V。 3B：画出一个44矩阵键盘的硬件原理图。 3C：描述软件进行“按键消抖”的机理，叙述或流程图均可。 3D:试画出共阳极LED显示器的结构。 3E：七段发光二极管显示器有哪些工作方式？工作特点是什么？ 3F：常用的可控电力电子器件有哪些？（多于3种）,3A：设计一种光电隔离传递1路数字信号，原副边的供电电压均为5V。,3C：描述软件进行“按键消抖”的机理，叙述或流程图均可。 软件消抖办法是在监
2、测到开关状态后，延时一段时 间再进行检测，若两次检测到的开关状态相同则认 为有效。延时时间应大于抖动时间（510ms）。,图3.2 按键的抖动,抖动,抖动,稳定,闭合,断开,断开,3E：七段发光二极管显示器有那些工作方式？工作特点是什么？将每一位的七段LED显示器的公共端（阳极或阴极）引线称为“位选”线，而把每一段的引线称为“段选”线，即位选线用于选择所需的七段LED显示器，而段选线用来控制该显示器所显示器的内容。七段LED有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。不同的显示的方式，位选线和段选线的连接方法不同。下面分别介绍静态锁存显示器接口和动态显示器接口。,通常，静态显示是把各位七段L
3、ED显示器的位选线连 在一起或接地（共阴极）或接电源（共阳接法）， 而每一位七段LED显示器的段选线与相应的8位并行 输出口（或锁存器）相连，各位是独立显示的。这 样，各显示位能同步显示不同的数字或字符，CPU为 显示器服务的时间短且软件简单，但硬件接口开销 大，接口电路复杂。动态显示是将各显示器的同名段选分别相连， 由同一个8位并行输出口控制，而各显示器的位选线 则分别由输出口线控制，这样各显示位不能同时显 示不同的数字或字符。动态显示通常采用扫描的方 法，即从左到右（或从右到左）依次轮流使每位显,示器显示数字或字符并保留一段时间（通常为1-10ms），以造成视觉暂留效果，这样也可达到各显示
4、位“同时”显示不同的数字或字符的目的。动态显示的最大优点是硬件开销省，接口电路简单，但它要求CPU频繁地为显示服务。,3F：常用的可控电力电子器件有哪些？（多于3种）功率二极管（Power Diode，不可控） 电力晶体管（GTR），极型电力晶体管（BJT） 功率场效应管 （MOSFET，电压驱动，可控开关） 绝缘栅极双极型晶体管（IGBT，电压驱动，可控开关，BJT+MOSFET） 晶闸管（SCR，又称为可控硅，电流驱动，可控开通，关断不可控） 晶闸管的派生器件（GTO、光控晶闸管、温控晶闸管）,按照驱动电路信号的性质，分为两类： 电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控
5、制。 电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 按内部结构可分为N沟道和P沟道，其中N沟道性能较好，使用广泛。,可控半导体功率开关器件,第四章作业,P133 43，414，415，419 试用运算放大器设计一个高共模抑制比差动放大器。 画出同相加法运算电路原理图。 常用数字滤波方法有哪些？分别叙述其思路。 在采用滤波平滑系数为0.1的低通数字滤波时，已知本次采样值为400，上次滤波器的输出值为500，试计算本次滤波器的输出值。 一阶无源RC滤波器，C0.47uF，若希望截止频率不大于10kHZ,则电阻R最小可取多少？,什么是低通、高通、带通、带阻滤波器
6、？各自的通频带如何？带宽如何确定？,各种滤波器的幅频特性,低通滤波器：允许低频信号通过，阻止高频信号。其通频带是 高通滤波器：允许高频信号通过，阻止低频信号。其通频 带是 带通滤波器：允许某一频带的信号通过，阻止该频带外的 信号。其通频带是 带阻滤波器：允许某一频带外的信号通过，阻止该频带的 信号。其通频带是 和 基本参数: 1.截止频率： 若滤波器在通频带内的增益为A,则当增益下降到0.707*A(即下降了3dB）时所对应的频率.,2.带宽B： 对于低通或带通滤波器,指其通频带宽度,对于高通或带阻滤波器,指其阻带宽度.带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力. 3.品质因数Q： 定义为带
7、通或带阻滤波器的中心频率fc与带宽B之比,即,品质因数的大小反映了滤波器频率选择能力的高低.,什么是增量码信号？什么是细分？什么是辨向？增量码信号是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号. 为了提高分辨率，采用细分电路使传感器信号每变化1/n个周期计一个数,n称为细分数.此所谓细分. 辨向就是指辨别信号变化的方向。,画出同相加法运算电路原理图。,同相加法运算电路,反相加法运算电路,反相加法运算电路,在采用滤波平滑系数为0.1的低通数字滤波时，已知本次采样值为400，上次滤波器的输出值为500，试计算本次滤波器的输出值。计算公式：故本次输出值为:,一阶无源RC滤波器，C0.47uF，若希望截止
8、频率不大于10kHZ,则电阻R最小可取多少？计算公式：,因此，电阻R最小可取34,第五章作业,画出H桥PWM功率放大器的电路原理图。 请用2种方案设计步进电机某相绕组斩波限流驱动的电路原理图， P182 55 (转子6个齿） 56，52，54,画出H桥PWM功率放大器的电路原理图。,请用2种方案设计步进电机某相绕组斩波限流驱动的电路原理图。 斩波限流驱动：采用单一高压电源供电，以加快电流上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终维持在规定值附近。出力大、功耗小、效率高、应用广泛。,方案1,方案2,某五相步进电动机，转子齿数为6，通电方式为AB ABC B
9、C BCD CD , 试计算其步距角。 步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：式中 ：步进电机的步距角m：电机相数Z：转子齿数K：系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，K2,相邻两次通电相数不同，故K=2，电机相数m=5，电机转子齿数Z=6，因此该步进电机的步距角为：,补充：软件环形分配器常用查表法实现，根据步进电机与计算机的接线情况及通电方式列出脉冲分配控制数据表，运行时根据要求的旋转方向按节拍序号查表获得相应控制数据，在规定的时刻通过输出口将数据输出到步进电机驱动电路。（负逻辑，如表5-4所示）,表54,试根据机械特性曲线，分析当负载转矩不变时，直流伺
10、服电动机的调压调速过程。 机械特性曲线方程：,由于绕组绝缘耐压的限制，调压一般在额定转速以下进行。属于恒转矩调速。,升压升速过程为：假定某一时刻电机电枢电压为Ua2，平衡点在b点。当电压由Ua2突然升至Ua1时，由于机械惯性转速来不及变化（此时电机转速为 ），运行点将由b点转移至b点。此时，b点的电磁转矩显然大于负载转矩，于是电机由b点沿直线ba向a点移动。一旦到达a点，则 ，于是电机稳定在a点，升速过程结束，此时电机转速为 。注：降压降速过程与上述过程相反。,补充： 串电阻调速,串电阻调速,Ra3 Ra2 Ra1,TL,第六章作业,写出常规数字PID算法步骤。 带死区的PID 数字控制器的指
11、导思想是什么？ 在PID控制中，积分系数KI的作用是什么？过大或过小会对控制系统产生什么影响？ 建立控制系统及被控对象数学模型的目的是什么？ 积分分离式PID数字控制器的指导思想是什么？ 数字控制器的控制周期过大可能造成什么后果？怎样初步确定控制周期的大小？ 在PID控制中，比例系数Kp的作用是什么？过大或过小会对控制系统产生什么影响？ 机电一体化产品的五个基本要素与功能？,写出常规数字PID算法步骤。,数字控制器算法如下：,误差,误差积分,误差微分,积分分离式PID数字控制器的指导思想是什么？在一般的PID控制系统中，由于系统惯性的存在，若积分作用太强，会使系统产生过大的超调量，振荡剧烈，且
12、调节时间过长，对某些系统来说是不允许的，为了克服这个缺点，可以采用积分分离的方法，即在系统误差较大时，取消积分作用，在误差绝对值减小到某一定值之后，再接上积分作用，这样就可以既减小超调量，改善系统动态特性，又保持了积分作用。,积分分离式PID的数学表达： 给定最大允许误差值 ，在控制过程中，当 时，PID控制输出为：,当 时，取消积分项，取 ，则PID控制输出为：,补充： 带死区的PID数字控制器在计算机控制系统中，某些生产过程的控制精度要求不太高，不希望控制系统频繁动作，如中间容器的液面控制等。这时可采用带死区的PID算法。所谓带死区的PID控制，就是在计算机中人为地设置一个不灵敏区，当偏差
13、进入不灵敏区时，其控制输出维持上次采样的输出，当偏差不在不灵敏区时，则进行正常的PID运算后输出。,带死区的PID控制数学表达： 设给定的误差死区宽度为 ，当 时，本步PID控制输出为：,当 时，本步PID控制输出为：,建立控制系统及被控对象数学模型的目的是什么？建立数学模型的目的：为仿真分析系统特性、仿真试验控制算法做准备。应根据仿真工具（软件）的要求建立数学模型。对于全软件仿真需要对所有环节建立数学模型，对半实物仿真只需对软件仿真部分建立数学模型。,数字控制器的控制周期过大可能造成什么后果？怎样初步确定控制周期的大小？控制周期：在一个控制周期内控制输出不变，控制周期的存在使数字控制器存在无
14、法消除的滞后，可能导致系统振荡。应尽可能减小控制周期，使在一个控制周期的时间内，系统以其最大速度变化所产生的误差小于允许误差带的1/10。,在PID控制中，比例系数Kp的作用是什么？过大或过小会对控制系统产生什么影响？比例调节器（P）比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数KP。比例调节器简单快速，但存在稳态误差。加大KP可以减小稳态误差，但KP过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。,补充： 比例积分调节器（PI）为了消除在比例调节中的残余稳态误差，可在比例调节的基础上加入
15、积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u(k)，从而减小偏差，直到偏差为零。 比例积分微分调节器（PID）为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调。克服振荡，使系统趋于稳定。但反馈信号的噪声也会引起偏差大幅变化，此时过大的微分调节会使系统稳定性变差。,机电一体化产品的五个基本要素与功能？1、机械本体 包括机身、框架、机械联接等在内的产品支持结构，属于基础部分，实现产品的构造功能。2、动力源向系统提供能量，并将输入的能量转化成需要的形式，实现动力功能。 3、检测与传感装置包括各种传感器及其信号检测电路，用于对产品运行时的内部状态和外部环境进行检测，提供运行控制所需的各种信息，实现计测功能。,4、控制与信息处理装置根据产品的功能和性能要求以及传感器的反馈信息，进行处理、运算和决策，对产品运行施以相应的控制。 5、执行机构包括机械传动与操作机构，在控制信息作用下完成要求的动作，实现产品的主功能。,
