机电一体化概论习题答案

《机电一体化概论习题答案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化概论习题答案（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 1 机电一体化概论机电一体化概论（机械工业出版社，2013）习题参考答案习题参考答案 第一章第一章 习题习题 1-1. 如图 1-1，将硬币塞入投币口，则推杆、阀片同时上移，弹簧受到压缩，阀片上的小孔正对出 水口，圣水流出。当硬币越过高点跌落时，弹簧带动阀片、推杆下移，阀片上的小孔也移开，出水 口被堵死。 此题答案不唯一，方案仅，马车直行，指向也不会改变。 马车向左拐弯时，车辆整体将绕左轮逆时针转动，车辕的前端向左，后端偏右 1-2 所示由左向右转动 了一个角度） 。因此马车右转，木人左转，则指向不变（只要设计好转动角度） 。马车向右拐 弯的情况道理与此相同。 总之，不管马车向任何方向转弯，

2、木人总能保持指向不变。 图 1-1 习题 1-1 参考答案 图 1-2 习题 1-2 参考答案 1-3. 1机械单元：包括发动机机身、曲轴、气门等。 2检测单元：一氧化碳传感器、氧传感器、曲轴位置传感器、转速传感器、水温传感器、节 气门位置传感器、空气流量计等。 3控制单元：电控单元（ECU）。 4伺服驱动单元：主要包括燃油分配器、喷油器、火花塞。 1-4. 例如，电子天平与传统的分析天平相比，无需复杂的调节过程，测量精度也很容易达到 0.001-0.1mg。医疗设备中，CT、血光造影等设备，可以清晰、直观的观察人体的内部构造，为临 床诊断、治疗提供最直接的证据。很显然，没有这些设备的技术支持

3、，无论是早期的诊断、还是后 期治疗都是非常困难的。也就是说机电一体化技术为其他技术（如精密质量测量、医学临床诊断与 治疗）需求提供了方便可行的技术方法，从而使其他技术的需求更容易实现，并为其下一步工作打 下基础。 2 1-5. 例如， 电子天平应用了机械设计与制造技术、 计算机与信息处理技术、 传感器技术、 软件技术。 1-6. 此题答案不唯一，方案仅供参考。 圣水壶内部设有中控芯片，投币口设有币值检测装置，出水口由电动阀来控制，水源水箱进水 管由电动阀门控制，这样，就可以根据币值大小，控制出水量，同时保证水源水箱水位合适。 1-7. （略）。 第二章第二章 习题习题 2-1. vj= v&#

4、215;L0= 180×5=900mm/min 2-2. 参考图 2-1。钢珠在丝杠与螺母之间的滚动是一个循环闭路。根据回珠方式，可分为两类： 内循环，回珠器处在螺母之内，图 3a；外循环，插管式回珠器位于螺母之外，图 3b。 a） 内循环 b） 外循环 图 2-1 习题 2-1 参考答案 钢珠每一个循环闭路称为列。每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。 滚珠丝杠预紧后可以消除间隙和提高滚珠丝杠副的刚度。 2-3. 1. 它在运转的时侯不会滑动，有精确的传动比。 2. 动力传递的效率高，非常节能。 3. 由于同步带动能传递是啮合传动， 它的带轮半径比依附摩擦力来传动的三角带的要小 很

5、多，另外因为同步带不用较大的张紧力，让带轮轴和轴承的规格都可以减小。 2-4. L=L0×2/100=6×2/100=0.12mm 2-5. 位置传感器（如限位开关、光电式位置传感器），位移传感器（如电阻式线位移传感器、电 感式线位移传感器），角度传感器（如电阻式角位移传感器、电感式角位移传感器），光电式速度 传感器 等等。 2-6. 光电管、光电倍增管、光电编码器、光栅式传感器等，可以检测位置、位移、速度、温 度等多种物理量。 适用于非接触、响应快等应用场合。 2-7. 负温度系数传感器、正温度系数传感器。 适合于测量精度高、测量范围大、远距离、自动化等场合。 2-8.

6、铂铑热电偶，镍铬-镍硅热电偶，镍铬-考铜热电偶，铜-康钢热电偶、特殊热电偶等等。 塞贝克热电偶原理：不同的金属将产生不同的、与温度梯度有关的电势。如果这些金属 焊接在一起构成温度传感器结，另一端未连接作为恒温参考端，在两端将呈现出电压，该电 3 压与焊接结的温度成正比。 式中：E热电偶实际输出电动势，mV；T热电偶的绝对温度，°C；Ej冷端热电偶等效输出电动势，mV；k 灵敏度， mV/°C 2-9. 直线位移传感器、角位移传感器、位置传感器、加速度传感器、压力传感器、流量传感器， 适于高温、低温、强辐射环境，测量相对变化量较大的场合。 2-10. 提示，方案一：在每一个运

7、动状态换接处设置一个位置传感器，检测到运动件到达时，将信 号发送给控制器，开始下一个动作。 2-11. 提示，方案一：采用光电管放置在旋转件上，每接受一次信号即为旋转一圈；方案二： 采用光电编码器，参见本章2.3.2，光电式转速传感器；方案一：采用电阻式传感器，参见本章2.3.2， 电阻式角位移传感器。 2-12. 可对位置、位移、转速、速度等进行测量。 2-13. 可以采用光电式、电阻式、电容式、电感式、激光式。 2-14. 1、适于确定测量对象与测量环境；2、灵敏度要适当；3、频率响应特性；4、稳定性好；5、 精度要适当。 2-15. 略。 2-16. 一分耕耘一分收获 瞄准后射出子弹 开

8、环控制 雨过天晴 团结就是力量，力量大可以战胜困难，增强团结意识 医生经 CT 检查确诊病人的病情 闭环控制 达尔文学说认为：生物的进化是生存竞争和自然选择的结果 2-17. 2-142a)图所示，水通过进水阀控制流入水箱，当水箱水位上升时，通过浮球经连杆机构使进 水阀门关小， 进水量减少； 当水箱水位下降时， 通过浮球经连杆机构使进水阀门开大， 进水量增加。 此系统利用浮球作为反馈环节，将实际水箱水位和预设的水位相比较，并通过连杆机构来控制阀门 的打开程度，从而对水位偏差进行修正，以保持水箱水位不变，这是一个水位自动控制系统，反馈 环节为负反馈。2-142b)图所示，水通过进水阀控制流入水箱

9、，当水箱水位上升时，通过浮球经连 杆机构使进水阀门开大，进水量增加；当水箱水位下降时，通过浮球经连杆机构使进水阀门关小， 进水量减少。此系统利用浮球作为反馈环节，将实际水箱水位和预设的水位相比较，并通过连杆机 构来控制阀门的打开程度，但是反馈的结果使水位偏差变大，无法对水位偏差进行修正。这是一个 水位控制系统，反馈环节为正反馈。 2-18. 分析智能控制与传统控制的优缺点： （1）处理复杂性、不确定性问题的能力。传统控制处理 此问题的能力很弱， 有时无法处理； 智能控制处理此问题的能力较强。 （2） 对被控对象模型的依赖。 传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式，大多数被控对象很难建立精确的

10、数学模型；智能控 制的核心是基于知识进行智能决策，采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。 （3） 传统控制适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题，这些问题采用智能控制也可解决，但传统 控制方法更成熟、更简单。 4 2-19. 智能控制在机器人系统的应用，如海洋机器人、足球机器人、家居智能机器人等；在计算机 集成制造系统（CIMS）和计算机集成过程控制系统（CIPS）中的应用；在航天航空中的应用，如 武器发射、机上故障诊断、空间站公共舱温度系统等；在交通运输系统的应用，如公路交通状况的 监测、地铁紧急事件处理、港口货物装卸方式处理等。 2-20. S7-200 系列 PLC 的特点

11、： 功能强，有 PID 参数自整定、配方、数据归档等功能；先进 的程序结构；灵活方便的寻址方法；功能强大、使用方便的编程软件；简化复杂编程任务的 向导功能；强大的通信功能；品种丰富的配套人机界面；有竞争力的价格；完善的网上技 术支持应用领域。S7-200 系列 PLC 的应用领域：数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数 据处理、通信联网等。 2-21. P 控制器特点是响应速度快，调节时间短，会存在稳态误差。适用于负荷变化较小，纯滞后 不太大，工艺要求不高，允许有一定稳态误差的控制场合。PI 控制器特点是既具有 P 控制器的快 速响应，又有 I 控制器能消除稳态误差的性能。适用于对象调节通

12、道时间常数较小、系统负荷变化 较大（需要消除干扰引起的稳态误差）、纯滞后不大（时间常数不太大）而被调参数不允许与给定 值有偏差的控制场合。PID 控制器特点是具有 P 控制器的快速响应，又具有 I 控制器的消除稳态误 差，还有 D 控制器的超前控制功能。适用于容量滞后较大、纯滞后不太大、不允许有余差的控制 场合。 2-22. 机械特性： 直流伺服电动机的机械特性是线性的， 且在不同控制电压下机械特性是平行的， 斜率不变。而交流伺服电动机的机械特性是非线性的，这种非线性特性将影响系统的动态精度。 自转现象：交流伺服电动机可能 出现“自转”现象，而直流不存在“自转”问题。 体积、重量和效率：交流伺

13、服电动机的转子电阻很大，因此其损耗大、效率低。它只适用于小功 率系统，对于功率较大的控制系统则多地采用直流伺服电动机。 结构、运行可靠性及对系统的干扰等：直流伺服电动机结构复杂，而且维护比较麻烦；存在换向 火花问题，会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰。交流伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方 便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用。 2-23. 特点：无刷直流电动机利用电子开关线路和位置传感器取代了换向器和电刷，既具有直流电 动机机械特性和调节特性，又具有交流电动机运行的可靠性、维护方便等优点，且输出功率大。 应用领域：现已得到越来越广泛的应用，如用于军事工业、家用电器、精密机床，载人

14、飞船等高精 度伺服控制系统中。 2-24. 利用伺服电机可对数控机床的工作台、主轴等移动部件的位置和速度进行控制，典型的系统 结构如图 2-2 所示，由检测元件组成反馈回路，检测机床工作台的移动速度和位移，由速度和位置 反馈信号来调节伺服电机的速度和位移，从而控制工作台的速度和位移。 图 2-2 习题 2-24 参考答案 2-25. 按键尺寸按照手指的尺寸和指端弧形设计，按键表面应为凹形以便于操作；按键之间留有一 定的间隙以避免误操作；按键应凸出面包一定高度以便于操作；按键只允许有两个工位；对于多个 5 按键，设计成键盘布置。对于不同用途的按键，可以配上不同的颜色。 2-26. 6.67 k

15、2-27. 当 P1.0 输出高电平时，发光二极管不发光；当 P1.0 输出低电平时，发光二极管发光。 2-28. 19.61mV 2-29. 参见 图 2-3 图 2-3 习题 2-29 参考答案 第三章第三章 习题习题 3-4. 参见 图 3-1 图 3-1 习题 3-4 参考答案 6 3-5. 电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)。当具有车载电子标签的车辆进入高速收 费口的 ETC 车道时，车道内的地感线圈检测到车辆进入收费口，控制器启动车道的路侧信号探测 器发出扫描信号， 检测车辆的电子标签， 识别车辆信息， 计算通行费， 控制器向道闸电机发出指令， 抬起闸杆，车辆通行。 ETC 的工作原理图参见图 3-2。 图 3-2 习题 3-5 参考答案 3-6. 工作原理参见 图 3-3 图 3-3 习题 3-6 参考答案 3-7. 设电容器两端电量为 q(t)，则微分方程为：U C tq t tq R t tq L )( d )(d d )(d 2 2 ，传递函数为： C RsLs sG 1 1 )( 2 。 3-8. 参见 图 3-4 7 图 3-4 习题 3-8 参考答案 3-9. 参见 图 3-5 8 图 3-5 习题 3