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1、长安大学2009 2010学年第1学期机电液一体化技术试题(A卷)答案一、简答体(30分)1、(3分)机电一体化的基本结构要素。答：机电一体化产品由以下五个基本要素构成：(1) 机械本体；(2) 动力源；(3) 检测与传感装置；(4) 控制与信息处理装置；(5) 执行机构.2、( 4分)机电一体化机械系统执行机构的性能要求.答：机电一体化产品的执行机构是实现其主动能的重要环节，它能快速地完成预期的动作并具有响应速度快、动态特性好、动静态精度高、动作灵敏度高等特点.3、( 4分)机电一体化机械系统导向机构的性能要求.答：机电一体化机械系统导向机构是导轨，它有以下几个方面的要求：(1) 导向精度；
2、(2) 耐磨性；(3) 疲劳和压溃；(4) 刚度；(5) 低速运动平稳性：(6) 机构工艺性.4、( 4分)闭环司服系统的机构原理框图。5、( 4分)步进电动机的主要参数及特性. 答：主要有以下一些参数和特性：(1) 步距误差；(2) 最大静转矩；(3) 启动炬频特性；(4) 启动惯频特性；(5) 运动炬频特性；(6) 步进运行和低频振荡；6、( 4分)闭环司服系统结构方块图.答：7、( 3分)数字滤波的基本方法。答：数字滤波的基本方法有：中值滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波、低通滤波。8、( 4分)机电一体化总体设计的主要内容。答：机电一体化总体设计包括以下几个内容：(1) 技术资料准备；(
3、2) 性能指标确定；(3) 总体方案拟定。二、问答题(70 分)1、(15分)用示意图表示包括人机接口和机电接口的机电一体化系统的基本组成，并回答下列问题：(1) 分别简要说明人机接口和机电接口的功能；(2) 分别列出人机接口和机电接口中常用接口；(3) 谈谈你对机电一体化系统接口设计的认识。答：机电一体化系统的基本组成:(1) 人机接口的功能包括：操作者通过输出接口对系统的运行状态、各种参数进行监测, 通过输入接口向系统输入各种命令及控制参数对系统进行控制；机电接口的功能包括：控制微机通过信息采集接口接受传感器输出信号，检测机械系统运行参数，经过运算处理后发出有关控制信号，经过控制输出接口的
4、匹配、 转换、功率放大,驱动执行元件来调节机械系统的运行状态，按其要求动作；（2）人机接口中常用的接口分为输入接口和输出接口，输入接口中常用的接口有开关输入 接口、拨盘输入接口、键盘输入接口；输出接口中常用的接口有二极管显示器接口、打印机 接口、CRT显示器接口、扬声器接口；机电接口中常用的接口分为信息采集接口和控制量输出接口，信号采集接口中常用的接口有A/D转换接口，控制量输出接口中常用的接口有D/A转换接口；（3）人机接口作为“人”与“机”之间进行信息传递的通道，有其自身的一些特点，需 要在进行设计时予以考虑：专用性 每一种机电一体化产品都有其自身特定的功能，对人机接口有着不同的要 求，所
5、以人机接口的设计方案要根据产品的要求而定；低速性 与控制微机的工作速度相比，大多数人机接口设备的工作速度是很低的，所以在进行人机接口设计时，要考虑控制微机与设备间的匹配，提高控制的工作效率；高性能价格比由于机电的组合，大大强化了机械系统功能，使整个机电系统具有高的性价比；由于机械系统与微电子系统在性质上有很大差别，二者之间的联系必须通过机电接口进行调整、匹配、缓冲，因此机电接口有着重要的作用。机电接口通过的信号具有多样性，针 对不同性质的信号，机电接口要对其进行不同的处理另外在机电一体化产品中，传感器要根据机械系统来布置， 往往环境比较恶劣， 易受干扰；再者，传感器与控制微机之间常要用长 线传
6、输，加之传感器输出信号一般比较弱，所以抗干扰设计也是机电接口设计的一个重要内容。2（ 25分）史密斯控制的原理框图如下图所示，请回答下列问题：（1）简述史密斯控制器的基本原理；（2）画出史密斯控制系统跨框图；（3）说明史密斯系统的离散化方案。（4） 若G0 （S）是一阶惯性环节，试推导用PID算法计算史密斯数字控制器输出c（n）的表 达式。答：（1）史密斯控制器的基本原理：将控制器的一部分与被控对象并联，用以补偿其重滞后环节的影响，另一部分则按通常的控制起来设计。（2）史密斯控制器的系统框图从图中可以看到在点划线内的部分就是等效的史密斯控制器D（s）,它的表达式为下；D（s）= C（警DsE（
7、s） 1+（1eYS）G（s）D（s）下:D(s)(3)、史密斯控制系统离散化方案：将系统框图按下图进行离散化，可得离散化方案如I D(z)其中点划线内的等效 Z传递函数为:D(z)二C(z)ED Z )N 1 (1 z )DGhGo(z)其中N二 T，D(z)常设计成PID数字控制器。(4)、可以将史密斯预估器改画成如下框图：由上图可以看到：FJs)二Gh(s)G(s)C(s)F (s) = R (s) - R (s)e_s，由于已知KGo(s)亠，可以得到:1iSFi(s)C(s)二 Gh(s)G(s)二Ka(-e)bzs(1 is)1 -az.其中./、 I .利用滞后定理对上式进行 z
8、反变换，得到相应的差分方程为:fi(n) = af1(n _1) bc(n T)考虑到：仁NT,则有：FSBdRf(n) = fn) f, nN)利用PID算法计算史密斯数字控制气的输出c (n),e(n) =x(n) -y(n)eg)二 e(n) - f( n) = x( n) - y(n) - f (n)将ec(n)或. ：ec(n)右式：c(n) =c(n-2) a0e(n) a&n-1) a2e(n-2)或lc(n)= ：c(n 2) a0 ：e(n) y = e(n 1) a2e(n 2)便可以得到控制量c(n) = c(n -2) a0x(n) - y(n) - f (n) a1x
9、(n -1) - y(n -1) - f (n -1) a2【x(n -2)-y( n-2) - f (n-2)3.( 15)对采用电枢电压控制的直流伺服电动机，请推导其机械特性和调节特性的数学表达 式，并回答下列问题：(1) 、画出采用电枢电压控制的直流伺服电动机的机械特性和调节特性图；(2 )、分析功放电路内阻对机械特性的影响；(3)、分析摩擦和负载变动对调节特性的影响。答：根据直流伺服电动机运动特性的一般表达式：Ua 艮 TCeGCeC2 m在采用电枢电压控制时，磁通门是一个常量。如果使用电枢电压Ua保持恒定，则上式可写成； -kTm式中，豹0 =Ua/(Ce)；k = Ra /(CeC
10、m)在静态特性方程中，如果把角速度看作是电磁转矩Tm的函数，即二f (Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式RaCeCm2Tm如果角速度看作是电枢Ua的函数，即=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式Ua,-kTmCj：(1)、wLi=O直流伺服电动机调节特性直流伺服电动机机械特性（2）、直流伺服电动机是由功放电路供电的，功放电路中必然存在一定内阻，因而加在电枢两端的电压由 Ua并不等于控制电压 Uc。如将功放电路考虑在内， 由于是考虑了功放的 影响后，滞留伺服电机的机械特性表达式变成RaRCeCm2与原来的特性表达式比较可知，由于功放电路内阻存在而使机械特性曲线变陡。（3
11、）、摩擦对调节特性的影响：直流伺服电动机在理想空载时，其调节特性是从原点开 始。但实际上直流伺服电动机内部存在摩擦，直流电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩,因而启动时电枢电压不可能为零，从而使调节特性曲线向前移动。负载变动对调节特性的影响：在负载转矩不变的情况下，直流伺服电动机的角速度与 电枢电压成线性关系，负载变化将导致调节特性的非线性化。4.（ 15分）画出步进电动机四相八拍脉冲分配控制的数据表和程序框图，并编写程序。 答：数据表如下：节 拍 序 号Y向电动机X向电动机通 电 相控 制 数 据旋 转 方 向P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0DCBADCBA1
12、11101110AEEH正反211001100ABCCH转 转311011101BDDH410011001BC99H510111011CBBH600110011CD33H701110111D77H801100110DA66H程序控制框图:对应的程序清单为:XPD :CLR01H;MOVR1, #52H;MOVC, 02H;AJMPPPDYPD :SETB01H;MOVR1, #53H;MOVC, 03H;PPD:JC PPD2;INCR1；CJNER1, #09H ,PPD3MOVR1, #01H;AJMPPPD3PPD2:DECR1；CJNER1, #00H ,PPD3MOVR1, #08H;PPD3:MOVA, R1;ADD A, #01HMOVC A, A+PCAJMPPPD5TABLE :DB :0EEH , 0CCH, 0DDH , 99HDB :0BBH , 33H , 77H , 66HPPD5:JB01H , PPD6;ANLA, #0FH;ANL55H , #0F0H;ORL55H, A;RETPPD6:ANLA, #0F0H;ANL 55H， #0FHORL 55H， ARET
