河南工业大学机电一体化复习材料

第一部分复习要求

课程的有关内容主要按“了解、掌握和熟练掌握”三个层次要求，具体要求如下：第一章绪论

第一节机电一体化的产生和发展

1．掌握机电一体化的基本概念和涵义

2．掌握机电一体化的发展趋势

第二节机电一体化的相关技术

1．掌握机电一体化的相关技术及其内容

第三节典型机电一体化系统

1．掌握机电一体化系统的基本功能要素

2．掌握有关控制系统的分类及其概念

3．了解机电一体化产品和系统的分类

第四节机电一体化系统设计简介

1．掌握拟定机电一体化系统设计方案的常用方法及其适用场合

2．掌握机电一体化系统（产品）设计的类型

3．掌握机电一体化系统设计的概念、基本原则

4．掌握系统设计的过程，现代设计方法的步骤

5．了解机电一体化系统（产品）开发的工程路线

第二章机械传动与支承技术

第一节机械传动系统数学模型的建立

1．掌握数控机床进给传动系统建模的步骤、方法

第二节机械结构因素对伺服系统性能的影响

1．掌握阻尼、摩擦、结构弹性变形、惯量及间隙对伺服系统性能的影响

第三节机械传动

1．掌握机电一体化系统对机械传动的要求

2．掌握总传动比的确定

3．掌握传动链的级数和各级传动比的分配原则和方法

4．掌握各种机械传动装置的特点

第四节支承部件

1．掌握机电一体化系统对支承部件的要求

2．了解机电一体化系统中常见的轴承及其特点

3．掌握常用导轨及其特点

4．掌握机身的特点及结构设计主要考虑的因素

第三章伺服传动技术

第一节概述

1．掌握伺服系统的结构组成及分类

2．了解伺服电动机应符合的基本要求、各种伺服电动机的特点及应用场合

3．了解功率放大器的种类

第二节直流伺服系统

1．了解直流伺服系统的各组成环节及其工作原理

2．掌握PWM功率放大器的基本原理

第三节交流伺服系统

1．掌握交流伺服系统的分类及应用场合

第四节步进电动机控制系统

1．掌握步进电动机的结构、工作原理及使用特性

2．掌握环行分配器的概念及实现环形分配的方法

3．了解步进电动机驱动电路的种类及其工作原理

4．了解提高系统精度的措施

第四章计算机控制技术

第一节概述

1．了解MCS-51单片机控制系统的组成及特点

第二节PLC工业控制计算机简介

1．S7-200PLC的编程方法（电气控制原理图转PLC程序图）

一、填空题：（20分，每空0.5分）

1、根据力—电压相似原理，机械系统质量与电系统中相似，速度与电

系统中相似，粘滞阻尼系数与电系统中相似。

2、机电一体化系统基本组成要素

有：、、、、。

3、对于斜齿圆柱齿轮常采用、方法消除齿侧隙。

4、根据传感器工作原理的不同，一般分、两种。。

5、微处理器系统接口包括接口、接口、接口、接口。

6、交流电动机三种基本调速方式是、、。

7、可编程控制器常用的编程语言有：、、、。

8、步进电机的角位移量和严格成正比。

9、驱动方式按动力源的不同分为：、、三种。

10、接近式位置传感器按其原理主要分为、、。

11、机电一体化中执行电动机的控制方式有方式、方式、方式。

12、变频器选择的依据是。

13、机电一体化系统设计方法有、、三种。

14、步进电机常用的功率放大电路有、、。

二、简答题：（40分，每题10分）

1、简述光电式传感器的原理，机电一体化系统中常用的光电式传感器有哪几种？试举例说明其中的两种在机电一体化系统设计中的应用。

2、画出分别由CH250、PMM8713芯片实现步进电机三相双三拍工作方式接线

图。

3、简述可编程控制器与普通计算机的不同点。

4、简述交流伺服电动机型号选择步骤。

三、设计应用题：（40分，每题20分）

1、画出以８０８６CPU为核心去控制一台直流伺服电动机的硬件连接图。

2、用机电一体化技术改造普通车床为经济性数控车床：

（1）写出改造方案和采用此方案的依据。

（2）画出采用单片机控制该系统硬件连接图。

一、名词解释(每小题2分，共10分)

1、线性度

2、伺服控制系统

3、三相六拍通电方式

4、传感器

5、系统精度

二、填空题（每小题2分，共20分)

1、计算机在控制中的应用方式主要有_____________________________。

2. 滚珠丝杆螺母副结构有两类：_____________________________。

3、应用于工业控制的计算机主要有______________________________等类型。

4. 机电一体化系统，设计指标和评价标准应包括________________________________。

5、可编程控制器主要由_____________________________等其它辅助模块组成。

6. 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_______________________________________________________。

7、现在常用的总线工控制机有________ 、PC总线工业控制机和CAN总线工业控制机等。

8、隔离放大器中采用的耦合方式主要有两种_____________________________。

9. 某光栅的条纹密度是50条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，

则莫尔条纹的宽度是_______________________。

10. 采样/保持器在保持阶段相当于一个“_____________________________”。

三、选择题（每小题2分，共10分）

1.一个典型的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：

A 机械本体

B 动力与驱动部分

C 执行机构 D. 控制及信息处理部分

2、机电一体化系统（产品）开发的类型

A 开发性设计

B 适应性设计

C 变参数设计

D 其它

3、机电一体化系统（产品）设计方案的常用方法

A 取代法

B 整体设计法C组合法D其它。

4、机电一体化的高性能化一般包含

A高速化B高精度C高效率D高可靠性。

5、抑制干扰的措施很多，主要包括

A屏蔽B隔离C滤波D接地和软件处理等方法

四、判断题（每小题2分，共10分)

1、变流器中开关器件的开关特性决定了控制电路的功率、响应速度、频带宽度、可靠性和等指标。（）

2、伺服控制系统的比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号。（ ）

3、感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件，有直线和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。（）

4、数字式位移传感器有光栅、磁栅、感应同步器等，它们的共同特点是利用自身的物理特

征，制成直线型和圆形结构的位移传感器，输出信号都是脉冲信号，每一个脉冲代表输入的位移当量，通过计数脉冲就可以统计位移的尺寸。（ ）

5、FMC控制系统一般分二级，分别是单元控制级和设备控制级。（）

五、问答题（每小题10分，共30分)

1、计算机控制系统中，如何用软件进行干扰的防护。

2、滚珠丝杠副的轴向间隙对系统有何影响？如何处理？

3、机电一体化系统中的计算机接口电路通常使用光电藕合器，光电藕合器的作用有哪些？

六、综合应用题(每小题10分，共20分)

1.编写程序：单片机读P1.0的状态,把这个状态传到P1.7指示灯去，当P1.0为高电平时指示灯亮,低电平时指示灯不亮,采用中断完成这一输入输出过程，每中断一次完成一个读写过程。

2. 光栅传感器，刻线数为100线/mm，设细分时测得莫尔条纹数为400，试计算光栅位

移是多少毫米？若经四倍细分后，记数脉冲仍为400，则光栅此时的位移是多少？测量分辨率是多少

一、填空题：（30分，每空1分）

1、机电一体化系统基本组成要素

有：、、、、。

2、根据力—电压相似原理，机械系统质量与电系统中相似，速度与电系统中相似，粘滞阻尼系数与电系统中相似。

3、滚动螺旋传动的消除间隙和调整预紧一般有、、三种。

4、伺服电机的控制方式有方式、方式、方式。

5、微处理器系统接口包括接口、接口、接口、接口。

6、MCS—51系列单片机是位机，其中数据线根，地址线根。

7、可编程控制器常用的编程语言有：、、。

8、湿度传感器是根据原理制成的。

10、对于启停频率低，但要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运动振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运行的机械，是主要的性能指标。对于启停频率高，但不特别要求低速平稳性能的机械设备，高的是主要的性能指标。

二、简答题：（20分，每题5分）

1、简述滚动螺旋传动的工作原理。

2、可编程控制器（PLC）与通用微机有何区别？

3、简述机电一体化对伺服电机性能的基本要求。

4、机电一体化产品中常用的位移传感器有哪几种？试举例说明其中的一种在机

电一体化系统设计中的应用。

三、将下图所示的继电器电路变换成梯形图并写出语句表。（20分）

SB2

SB1K11

K12

K11

SB3 SB4K11K12

K12

ST1K11K 13

K12

ST2K11K14

K12

一、填空题：（40分，每空1分）

1、对同一种步进电机，三相单三拍的步距角是三相六拍的倍。

2、步进电机常用的功率放大电路有、、。

3、机电一体化中常将工业控制计算机分为、、三类。

4、交流电动机三种基本调速方式是、、。

6、接近式位置传感器按其原理主要分为、、。

7、机电一体化中执行电动机的控制方式有方式、方式、方式。

8、在开环控制系统中,常用做驱动元件。

9、模块化生产培训系统由上料检测站、搬运站、加工站、、、六站连接而成。

10、滚动螺旋传动的消除间隙和调整预紧一般有、、三种。

11、设计齿轮传动装置时，各级传动比最佳分配原则有：、、。

12、描述传感器静态特性的主要技术指标有、、、。

13、变频器选择的依据是。

14、机电系统数学模型有、、。

15、机电一体化对机械传动的要求是：、、。

二、简答题：（30分，每题5分）

1、试举例说明机电一体化系统五大组成要素。

4、画出由PMM8713芯片实现步进电机三相六拍工作方式接线图。

5、简述可编程控制器与普通计算机的不同点。

6、简述直流伺服电动机脉宽调制的工作原理。

7、简述光电式传感器的原理，机电一体化系统中常用的光电式传感器有哪几

种？试举例说明其中的一种在机电一体化系统设计中的应用。

8、简述变频器的基本类型。

三、计算题：（15分）

某步进电机有80个齿, 采用3相6拍方式驱动, ?经丝杠螺母副驱动工作台做直线运动, 丝杠的导程为6mm。求:

1、步进电机的步矩角。

2、当脉冲当量要求为0.01mm时，试设计此传动系统。

四、设计应用题：（15分）

用机电一体化技术改造普通铣床为经济性数控铣床：

1、写出改造方案。

2、画出采用单片机控制该系统硬件连接图。

A 稳定性和时域响应

简介

连续系统或离散系统的稳定性是由其对输入或扰动的响应决定的。直观地说，稳定系统是在没有外部激励时保持静态或平衡的系统，如果去掉所有的激励，系统会返回到静止状态。输出将经过一个过度过程，稳定在一个与输入一致或由其决定的稳态。如果我们将同样的输入加到一个不稳定系统上，输出将不会稳定到稳态过程，它将无限制的增加，通常为指数形式或增幅震荡。

稳定性可以由连续系统的脉冲响应或离散系统的Kronecker delta响应如下精确地定义：当时间趋近无穷时，如果脉冲响应

为零，则连续系统是稳定的。一个可接受的系统至少应满足三

个基本指标：稳定性、精度和满意的暂态响应。这三项标准体

现在一个可接受的系统必须对特定的输入和扰动具有满意的时

间响应。因此，虽然我们为了方便在拉氏域和频域研究问题，但至少应在定性上将这两个域同时域联系起来。

实际上，拉氏域既能提供稳定和不稳定系统的暂态响应信息，也能提供稳定系统的稳态响应的信息。本文讨论拉氏域和时间响应的关系，并重点强调暂态响应，和在拉氏域中建立系统稳定性的判剧。精度将在下一篇文章中讨论，频率响应在以后的单元中讨论。

特征方程

系统对任何输入的时间响应可表示为下式：

式中css(t)是稳态响应，c tr(t)是暂态响应。如果系统是不稳定的，就将没有稳态响应，只有暂态响应。

没有传输延时的情况下，系统的传递函数可以表示为拉氏复变量s的多项式的比值。

将分母多项式等于零即得到特征方程

并可写作因子形式

式中ri表示特征方程的根，即使得D(s)等于零的s值。这些根

可以是实根、复根或零，如果为复根，则由于微分方程的系

数为实数，复根都是成对共扼的。

拉氏域中n个不同根的暂态响应如下：

在时域中为

后一个方程的每一项被称做暂态模式。每个根都有一个暂态模式，其形状仅由根在s域中的位置决定。

因此，系统稳定的充分必要条件就是特征方程根的实部为负。这保证脉冲响应将按指数形式随时间衰减。

劳斯稳定性判剧

劳斯判剧是判断连续系统稳定性的一种方法，适用于形式如下的n阶特征方程的系统。

使用劳斯判剧表的准则如下

这里是特征方程的系数

这张表向水平（向右）垂直（向下）方向延伸，直到得到的都是零为止。在计算下一行前，任一行都可以乘以一个正常数，这不会影响表的性质。

劳斯判剧：当且仅当劳斯表的第一列符号相同时，特征方程的所有根都有负实部。否则，具有正实部根的个数和符号变化的次数相等。

赫尔维茨判据是另一种判断连续系统特征方程的所有根都有负实部的方法。实际上，虽然形式或方式不同，它和劳斯判据原理相同，因此它们常被称为：劳斯-赫尔维茨判据。

简单滞后：一阶系统

对形如式（2-2A-1）的传递函数，系统的阶次被定义为特征方程D(s)的阶次，也就是其中s的最高次幂决定了系统的阶次。

简单一阶系统的传递函数为，如图2-2A-1所示，

如果输入是一个单位阶跃R(s)=1/s，则输出为

因此暂态响应。

第一项为强制分量，由输入引起，第二项为暂态分量，由系统的极点决定。图2-2A-2 给出了暂态和c(t)。暂态呈指数衰减，常用的表示衰减速度的量是时间常数：

时间常数是衰减指数暂态降到初始值e-1=0.368倍所用的秒数。

因为e-t/T=e-1当t=T时，可以看出简单滞后1/(Ts+1)的时间常数是T秒。实际上，这就是简单滞后传递函数常被写为这种形式的原因。s的系数直接表明衰减的速度，4T秒后，暂态衰减到初值的1.8%。

简单滞后有两个重要特征。

1. 稳定性：对于系统稳定性，系统极点必须位于s平面的左半边，这样系统暂态衰减，而不是随时间增加而增加。

2. 响应速度：加速系统的响应（即减小时间常数），极点1/T应左移。

多阶滞后：二阶系统

这种常见的传递函数通常可以简化为如下的标准形式：

式中ωn是无阻尼自然频率，ζ是阻尼比。这些参数的意义将被讨论。

根据阻尼比，系统特征方程

的根（极点）有三种可能：

ζ >1: 过阻尼：ζ =1: 临界阻尼：ζ <1: 欠阻尼：

图2-2A-3 显示了绘制极点位置的s平面。

对于单位阶跃输入R(s)=1/s，输出的变换为

ζ >1时，极点在负实轴上ωn的两侧，暂态是两个衰减指数的和，每个各有其自己的时间常数。离原点最近的极点对应的指数项具有最大的时间常数，用最长的时间衰减。这个极点称为主极点。ζ =1时，两极点重合于ωn。ζ <1时，极点沿着以原点为中心，ωn为半径的圆周上移动。从图2-2A-3中的三角形，可以看出cosφ =ωζn/ωn=ζ。输出为

图2-2A-4中为对于不同阻尼比ζ的归一化响应曲线。暂态项为以阻尼自然频率的震荡，其幅值按

衰减。

重要的性能指标如图2-2A-5所示：

稳定时间T s是响应永久在稳态值上下5%或2%所需的时间T s=3T (5%)或T s =4T (2%)。超过稳态值的最大超调量百分比是一项严格的性能指标

令式(2-2A-9)中c(t)的导数为零，得出响应的极值，得到方程：

这意味着在各峰值i=1，3，因为左右相等。因此最大值必在峰值(i=1)，峰值时间T p为

如果式(2-2A-10)的角度的正切是，其正弦值，将式Eq. (2-2A-11)代入式(2-2A-9)中得到

上升时间T r，如式2-2A-5定义为响应第一次达到稳态值的时间，同极值时间T p紧密相关。

应注意到各时间常数T s，T p，和T r同时依赖于ωn和ζ，而P.O.仅依赖于阻尼比ζ(图2-2A-6)。允许最大超调，和允许最小阻尼比ζ依赖于实际应用。对于机床进给，超调会导致车刀进入加工件，因此需要阻尼比大于1。但在很多情况下，一定的超调是允许的，由于可缩短时间T p和T r，阻尼比小于1是合适的。阻尼比等于0.7，超调仅为5%，响应达到稳态更快。

如果ωn增加时阻尼比不变极点会沿圆周外移，稳态时间和上升时间会下降。因此，我们可以通过调整闭环极点来调整暂态响应。

B 稳态

稳态误差控制系统的设计目标是控制一个系统的动态性能，使之响应于命令或扰动。设计者应充分了解稳态方程和误差在整个过

程中的作用，同时也应知道它们在被控对象动态性能上的影响。

控制系统的精度是对系统跟随控制命令情况的衡量尺度。它是一个重要的性能指标；一个导航系统，如果不能把航天器置于合适的轨道上，它的暂态响应再好也没用。

精度通常是按可接受的对特定输入(E r)或扰动(E d)的稳态误差而定的。误差e(t)定义为期望输出值r(t)和实际输出值c(t)的差。要注意，这里的误差并不一定是启动信号 (t)，除非是单位反馈系统。当系统的暂态结束后，误差e(t)成为稳态误差e ss。根据终值定理，时域中的稳态误差可写作下式：

指定输入的稳态误差

对如图2-2B-1中的单位反馈系统，闭环传递函数如下式：

式中G=G c G p 是开环传递函数。

指定输入的误差E为：

式中G r(s)=1/[1+G(s)]是指定输入的误差传递函数。

对开环传递函数G(s)，设有如下的通用式子：

在这个式子中：

1) K已知，在分子分母多项式中，以常数项出现，使分式单位化，即传递函数G的增益。它和下一节介绍的根轨迹增益不同，后者的最高次幂项的系数是单位值1。

2) G的型数是整数n。分母中s因子代表着积分，型数就是G中积分环节的数目n。

3) 增益，根据n的不同取值，通常的惯例，把下列名字和注解与K相联系。

n = 0: Kp = position error constant 位置误差常数

n = 1: Kv = velocity error constant 速度误差常数

n = 2: Ka = acceleration error constant 加速度误差常数

式(2-2B-4)显示，结合等式(2-2B-3)，这样式

(2-2B-1)可以写为：

这样容易得到对应于不同型数和输入的稳态误差表2-2B-1。

表2-2B-1 稳态误差

扰动误差

实际系统也受非期望输入的影响，比如：控制命令中的噪声，设备运行时由于设备参数变化和运行环境变化引起的扰动。夹杂在控制命令中的噪声输入，需要用滤波技术除去或抑制，使之不影响控制输入本身。我们仅讨论在设备处进入系统的扰动，而不是从控制器中进入的，如图

2-2B-2a。以干扰d作为主要输入的重画图如图2-2B-2b。

由于系统是线性的，叠加定理成立，我们可以假定r为零。单位反馈系统的扰动传递函数可写作下式：

将这个传递函数和d=0的普通输入输出传递函数相比较，如同期望的，其特征方程是一样的，但是分子函数是不同的。因此可知扰动输入不会影响系统的稳定性，但是可以改变暂态响应的形状，并且它要引入到在测量整个系统精度所必须考虑的稳态误差。

由于扰动而引起的输出的任何变化都是不希望发生的，扰动误差E d就是它的实际输出C d 系统总误差是输入误差和扰动误差的总和

同时减少误差的各方面因素通常是很困难的。很明显，了解一些关于干扰输入特性的知识是相当有必要的。在控制器中加一个积分器，可将式(2-2B-7)中两个误差项置为零。这个附加的积分增加了系统的型，消除了速度型误差。在扰动进入系统的入口处加上积分器，可以消除有扰动输入时阶跃信号引起的稳态误差，如果要系统稳定，这个附加的积分器必须伴有至少一个零点。