机电系统计算机控制
华东《机电系统计算机控制》2020年春季学期在线作业(二)答卷【标准答案】
试卷总分:100 得分:100
一、单选题 (共 15 道试题,共 75 分)
1.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:A
2.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:C
3.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:D
4.线性离散系统的数学模型描述不包括：
A.脉冲传递函数
D.A
答案:B
11.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:D
12.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:B
13.{图}
A.D
B.C
C.B
D.A
答案:C
14.与位置式PID相比，增量式PID的优点不包括：
A.误差动作影响小
B.易于实现手动自动的无扰动切换，且切换平滑过渡
C.整定方便
D.不易产生累积误差
答案:C
C.无关、有关
D.无关、无关
答案:C
8.设计线性离散控制系统时，选择极点的位置在Z平面上必须避免： （ ）
A.尽量靠近原点
B.单位圆的右半圆内
C.单位圆外
D.与实轴的夹角要适中
答案:C
9.下列不属于PLC的工作阶段的是：
A.输出刷新
B.输入采样
C.程序执行
D.扫描
答案:D10.{图} NhomakorabeaA.DB.C
C.B
B.离散状态空间方程
C.微分方程
D.差分方程
答案:C
5.机电系统的控制机构不包括
电子科技大学网络教育课程教材总表
电子科技大学网络教育课程教材总表注：打★课程为新增课件教材或新课程教材，艺术设计类教材无课件，表中教材仅作参考，表中未列艺术类课附件：全国高校网络教育公共基础课统一考试用书 出版社联系信息科学出版社：《高等数学（2007年修订版）》，ISBN：978-7-03-018883-0每册定价25.00元邮局汇款：地 址：北京东黄城根北街16号， 邮政编码：100717收款人：科学出版社销售中心银行汇款：开户行：中信银行北京中粮广场支行, 户 名：科学出版社有限责任公司, 账 号：7112610182600024615联 系 人：赵丛玉 电 话：010-********，传 真：010-********E-mail：zhouwenyu@中国财政经济出版社：《大学英语（2007年修订版）》，ISBN：978-7-5005-9859-6每册订价 36.00元邮局汇款：地 址：北京海淀阜成路甲28号新知大厦616邮政编码：100036 收款人：中国财政经济出版社教育分社银行汇款：开户行：中国银行北京航天桥支行, 户 名：中国财政经济出版社 账 号：815810653608091001联 系 人：王华莹 电 话：88190616/88190654， 传 真：88190655E-mail：wanghy@北京师范大学出版社：《大学语文（2007年修订版）》，ISBN：978-7-303-08536-1每册定价33.00元邮局汇款：地 址：北京新街口外大街19号， 邮政编码：100875收款人：北京师范大学出版社银行汇款：开户行：工商银行北京新街市支行 户 名：北京师范大学出版社账 号：0200002909004600967联 系 人：李迎娜 倪花，电 话：58802132/58804214，传 真：58800013E-mail地址：nihua02@清华大学出版社《计算机应用基础（2007年修订版）》，ISBN：978-7-302-15116-6每册定价38.00元邮局汇款：地 址：北京海淀双清路学研大厦A座517室邮政编码：100084 收款人：清华大学出版社发行部直销组银行汇款：开户行：北京银行清华园支行 户 名：清华大学出版社账 号：6001201053788-45联 系 人：刘秀文，电 话：62780549，62770175-3524，传 真：62780549E-mail：liuxw@统考用书征订单请登陆“资源中心”——教学管理中心资源下载—— “网络教育教育部统考用书术类课程教材由各学习中心辅导教师指定教材。
机电系统中的数字控制技术
861 全方位数字闭环的伺服控制技术以物体的方位、位置、姿式等作为被控量，是数字控制系统中的伺服系统。
这种控制系统的根本目的就是按照系统给予的速度以及运动轨迹，任意变化跟踪目标，来实现准确的跟踪与定位的一种技术。
它需要保障系统中有充足的能量，才能推动负载输入指令，在规律的运作下，输入与输出的偏差，不得超出规定的范围。
伺服系统作为一个高性能、高技术的产品，在一些定位精度与动态响应下，可以提供灵活、准确、快速、方便的驱动，这使得它在较高的机电一体化产品中，得到广泛的应用。
其中符合数字化控制模式的数字式伺服系统，非常跟得上数字控制技术的潮流，它在调试方面广受好评，使用起来也非常简单。
最近一段时间，工控机控制技术在大部分的交流伺服系统中都广泛被采用。
为了使操作简单易学，提供友好的人机界面给操作员，因而采用工控机与下位机的通信。
同时，还采用DSP（专用数字信号处理器）与新型高速微处理器的伺服控制技术，将全方位替代以模拟为电子器件为主的伺服控制技术。
使DSP的高速运算能力得到充分发挥，增强调节功能，自动完成整个伺服系统，甚至还可以实时调节系统增益，负载跟踪其中的变化。
为了将原来的硬件伺服控制转变为软件伺服控制，实现全方位数字化的闭环伺服控制，提高系统的定位精准度与动态响应的速度，有部分驱动器具备快速傅立叶变换的功能，将设备的机械共振点测算出来，再通过陷波滤波的方式，消除机械共振。
以下就是PC 运动控制卡的闭环伺服控制系统图。
图1 全数字闭环伺服控制系统组成结构图2 先进的现代化数字伺服驱动技术传统的工业控制单元需要向信息化、数字化转变，是因为信息技术的发展。
正是由于信息技术与传统驱动技术相结合，才会出现代表它们的数字驱动技术，这将是21世纪伺服驱动领域里的关键技术之一。
同时，伺服系统中数字化的交流应用也日趋广泛，客户对伺服驱动技术的要求也越来越高，引起了试析机电系统中的数字控制技术刘军高（广州数控设备有限公司，广东 广州 510165）摘要：在这个以“科技”为主题的现代化机电控制系统中，关键领域的科学技术就取决于数控技术，它集多种高新技术为一体，其中包括了微电子与计算机技术，信息处理与自动检测、控制技术等。
【DOC】第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接
第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计 3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。
通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。
2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。
1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。
（2）考虑执行元件采用何种方式。
（3）要考虑是否有特殊控制要求。
（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。
（5）应初步估算其成本。
2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。
数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。
它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。
控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。
3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。
计算机在机电一体化中的应用
计算机在机电一体化中的应用
计算机在机电一体化中有广泛的应用，可以涉及到以下几个方面：
1. 控制系统：计算机可以作为机电控制系统的核心，通过搭载控制算法和传感器，实
现对机械设备、工业自动化系统等的精确控制。
例如，工业机械自动化生产线、机器
人控制系统、汽车车身焊接系统等都离不开计算机的控制。
2. 数据采集与处理：计算机可以通过连接传感器和执行器，实时采集和处理机电系统
中的各种数据，例如温度、压力、位置等，用于系统的监控、分析和优化控制。
3. 仿真模拟与优化设计：计算机可以进行机电系统的仿真模拟，通过建立系统的数学
模型，并基于该模型进行系统的仿真分析和性能优化设计。
这样可以节省成本和时间，提高系统设计的效率和优化程度。
4. 人机界面：计算机可以通过触摸屏、图形界面等方式实现与机电设备的人机交互，
方便操作者对设备进行监控和控制，提高操作的便捷性和智能化程度。
5. 数据存储与管理：计算机可以对机电系统中的数据进行存储和管理，方便后续的数
据分析与决策支持。
例如，在工业自动化生产线中，可以通过计算机对生产数据进行
实时存储，以便进行质量分析和生产效率评估。
总之，计算机在机电一体化中的应用可以大大提升机械设备的智能化程度和自动化水平，优化系统的性能和效率，提高生产的质量和安全性。
3.2机电一体化中的微型计算机系统
第三章 微机控制系统及接口技术
8位机有单片和多片之分，主要用于控 制和计算。 16位机功能更强、性能更好，用于比较 复杂的控制系统,可以使小型机微型化。
32位和64位机是比小型机更有竞争力的 产品。人们把这些产品称为超级微机。它具大 提高了软件的生产效率。
第三章 微机控制系统及接口技术
第三章 微机控制系统及接口技术
在单板机的印制电路板上装有一个 十六进制的小键盘和数字显示器,可完 成一些简单的数据处理和编辑功能。 用单板机实现机电产品的机电一体 化成本低，在机械设备的简易数控、检 测设备、工业机器人的控制等领域中得 到广泛应用。
第三章 微机控制系统及接口技术
3) 微型计算机系统
根据需要，将微型计算机、ROM、RAM、 I/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路 板上， 然后组装在一个机箱内，再配上键盘、 CRT显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多 种外围设备和足够的系统软件,就构成了一个 完整的微机系统。
第三章 微机控制系统及接口技术
(2)按微处理机位数分类
按微处理机位数可将微型计算机分为 位片、4位、8位、16位、32位和64位等机 种。所谓位数是指微处理机并行处理的数 据位数，即可同时传送数据的总线宽度。 4位机目前多做成单片机。即把微处理 机、1~2KB的ROM、64~128KB的RAM、I/O接 口做在一个芯片上，主要用于单机控制、 仪器仪表、家用电器、游戏机等中。
第三章 微机控制系统及接口技术
2)操作系统 所谓操作系统(OS-Operating System)，就 是计算机系统的管理程序库。它是用于提高计 算机利用率、方便用户使用计算机及提高计算 机响应速度而配备的一种软件 。操作系统可以 看成是用户与计算机的接口，用户通过它而使 用计算机。它属于在数据处理监控程序控制之 下工作的一组基本程序，或者是用于计算机管 理程序操作及处理操作的一组服务程序集合。
机电系统计算机控制哈工大课件
1.4 计算机控制系统的一般要求
性能指标（performance specification）
（1）被控对象的最高运行加速度 （2）被控对象的最高运行速度 （3）最低平滑速度
T N .m Pw nrad / s
9.55
Pw nrpm
稳定判据之三： 双线性变换 bode图
稳定裕度（幅值裕度，相位裕度）
0
w0
w
-180°
w
在相角 1800时，如果20 lg G ( s) 0，即G ( jw) 1, 这时开环传递函数G ( s)
U 0 (s) 1, 系统的输出为收敛的。 U i ( s)
1.4 计算机控制系统的一般要求
2 信号采样与Z变换
•计算机控制系统的信号形式 •信号采样与保持 采样信号、采样定理、量化与量化误差、孔径时间、零阶采样保持器 • Z变换 Z变换与差分方程、Z变换定义、性质、常用定理、 方法、 Z反变换的方法、求 解差分方程
课程内容
3 计算机控制系统分析
•脉冲传递函数 开环系统脉冲传递函数、闭环系统脉冲传递函数 • 计算机控制系统性能分析 稳定性分析 、稳态误差分析、动态响应分析
机电系统的计算机控制
（28学时 学位课）
主讲：陈维山，董惠娟
教材：机电系统计算机控制 陈维山 赵杰 编著 哈尔滨工业大学出版社
课程基础
1.机电系统参数及动力学基础
performance-dependent mechanical factors: 驱动力、驱动力矩、负载、摩擦力、 摩擦力矩、间隙、刚性、惯性、共振频率、传动比对控制系统的影响，如摩擦对 系统的稳态误差的影响、对系统的稳定性、快速性等动态性能的影响。
机电系统计算机控制技术_实验指导书2017
机电系统计算机控制课程实验指导书电子科技大学机械电子工程学院目录实验一、采样控制实验 (3)实验二二阶PID控制 (10)实验三最少拍控制系统 (17)1.自控/计控原理实验机介绍信号源模块如图1所示，斜坡、阶跃、正弦和矩形波由插孔OUT1输出，非线性、微分脉冲和正弦波由插孔OUT2输出，该模块可同时发生两种不同类型信号，信号源参数（如幅度、频率、宽度、斜率、扰动等）在电脑上模拟示波器软件界面上由用户设置（每个实验范例都有其默认值），如图6中红框所示。
图1 信号源模块图2 基准电源模块和数据采集模块图2中是实验箱的基准电源模块和数据采集模块。
数据采集模块为虚拟示波器采集信号，虚拟示波器有四个信号输入通道，可将需要观察的波形接入任意一个输入口，就可通过软件观察到波形。
需要特别注意的地方是：虚拟示波器会限幅，只能显示+5V～-5V之间的波形，超出该范围的信号则对应输出为+5V或-5V。
图3 频率特性测试模块图4 控制器模块图5 运算放大器模块图3中式频率特性测试模块，插孔ADIN为测试信号输入，将系统的输出信号接入该插孔。
图4中是控制器模块，插孔AOUT1和AOUT2为信号输出孔，输出的是采样控制或PID控制信号。
图5是运算放大器模块，该模块有多个电阻可选。
插孔H1、H2和IN为运放的输入端。
插孔IN直接接入运放反相输入端，未接任何电阻；插孔H2通过固定电阻后接入运放反相输入端；插孔H1有多个电阻可选，白色的连线相当于电路线，两个连在一起的黑色排针是断开的；确定使用哪一个阻值的电阻后，用短解套连接该电阻左边的排针即可。
通过短解套可选用不同阻值的电阻，不同电容值的电容，就可控制增益和时间常数。
双击桌面图标打开软件，出现实验机实验项目选择界面如图6所示，点击蓝色框中串口右边的下拉按钮，如右图所示，若出现其他串口，则选择其中的任一串口（如果没有其他串口，则不用修改），则会出现通讯成功的界面，如图7所示。
图6实验机实验项目选择界面图7通讯成功界面②打开系统颜色设置按钮，如图6中红色框中的按钮，将坐标轴、背景色、测量文字和测量线改成下图中的颜色，如图8所示，然后点击确定键。
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中国海洋大学本科生课程大纲
课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修
一、课程介绍
1.课程描述：
机电系统控制是现代机电设备的灵魂，对提升机械制造自动化和智能化具有重要的作用。
机电系统计算机控制课程包括传统继电器控制和现代PLC控制两部分，是认识和掌握机电系统控制的关键环节。
通过课程的学习和大量的实践，要求学生掌握不同控制系统的参数计算、选型、设计和编程方法，并能够利用这些理论和方法，对机电设备进行控制、升级和改造等。
2.设计思路：
开设依据：通过课程基础知识的学习，掌握机电系统电气控制和PLC控制系统的参数计算、选型和设计的方法，并将以上方法应用到机电产品控制系统设计过程的计算、分析和研究中（支撑毕业要求的能力1.4和1.6），可针对复杂的机电系统控制问题进行分析、开发解决方案及研究（支撑毕业要求的能力2.1、2.2、2.3、2.5和2.6）。
在课程的实验环节中，学生将以小组为单位开展控制系统设计、优化、软件实现等任务，将课程的理论知识用于实践中，同时锻炼学生的独立担当与团队协作能力（支撑毕业要求的能力3.1和3.2）。
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课程内容：
（一）绪论：简要介绍机电控制系统的分类、发展历程，并用几个案例进行分析，使得学生对机电系统的控制部分有初步认识。
（二）第一章电气控制系统常用器件：主要讲解常用低压电器（接触器、继电器、开关电器、熔断器等）的作用、工作原理、参数及选型，为后续传统继电器控制打下基础。
此部分采用理论讲授和实践相结合的方式进行。
（三）第二章电气控制线路基础：学生将掌握电气控制线路图绘制原则和电气控制线路的图形文字符号及绘制原则，深入学习三相笼型异步电动机的控制线路（起保停控制、降压启动控制、制动控制、速度控制等），并对典型生产机械电气控制线路进行分析。
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（四）第三章可编程序控制器概述：学生将从PLC的产生和定义、发展、应用领域及特点，开始认识PLC。
并通过PLC与其他典型控制系统的对比，加深对PLC特点的认识。
通过PLC的分类、系统组成、工作原理和编程语言的学习，学生将进一步认识PLC。
（五）第四章 S7-200PLC基础知识：学生将认识到西门子S7-200系列PLC的硬件构成，掌握机电控制系统的PLC选型依据。
学生将掌握PLC的内部资源（软元件）的种类、特点和作用，并掌握软元件的寻址方式，从而为后续PLC程序开发奠定基础。
最后将学习PLC程序的简单设计法，激发学生编程的兴趣。
（六）第五章 PLC的基本指令及程序设计：学生将学习基本逻辑指令（逻辑取及线圈驱动、触点串并联、置位复位、比较指令、定时器、计数器等），并应用这些指令设计典型简单电路和环境的PLC程序（延时脉冲电路、瞬时接通/延时断开电路、延时接通、闪烁电路、报警电路等），最后通过案例加深PLC逻辑指令的认识。
（七）第六章 S7-200 PLC功能指令及应用：主要学习S7-200系列PLC的功能指令（包括传送移位和填充指令、运算和数学指令），并学习高级功能指令（中断指令、高速计数器指令、PID闭环指令等），通过功能指令的学习全面认识PLC的指令系统，并为后续开发大型控制程序打下基础。
（八）第七章 S7-200PLC顺序控制指令及应用：顺序功能图是S7-200PLC的高级功能，可以方便地实现顺序流程控制的需求。
主要学习顺序控制指令及顺序功能图的主要类型，通过选择合适类型的功能图（单流程、可选择的分支和连接、并行分支和连接、跳转和循环）实现不同的顺序控制流程，最后通过选择和循环电路举例、并行分支和连接电路举例、选择和跳转电路举例巩固顺序控制指令。
（九）第八章 S7-200网络通信技术及应用：主要学习工业网络结构、网络数据编码/通讯/传输/差错控制/传送介质/拓扑结构/串行通信接口/通讯协议等，然后针对
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S7-200介绍西门子工业网络结构、S7-200支持的通信协议等，最后通过案例学习通信指令。
（十）第九章 PLC控制系统综合设计：主要学习PLC控制系统设计步骤及内容，通过双恒压无塔供水控制系统设计和薄刀式分切压痕机控制系统设计提高PLC控制系统综合设计的能力。
（十一）第十章编程软件及其使用：主要学习S7-200的编程软件STEP 7，通过编程软件与S7-200的连接、编程、调试及运行监控，培养学生的实践能力。
本章节为PLC 编程实验的先修知识，因此，将在第五章PLC程序设计之前讲述。
3. 课程与其他课程的关系：
先修课程：机械原理，机械设计，电工电子学，工程测试技术，机械工程控制基础。
本课程与这五门课程密切相关，其中机械原理、机械设计和电工电子学是本专业的学科基础课程，帮助学生认识设备的机械传动原理和电子控制器件原理；工程测试技术和机械工程控制基础让学生掌握机电设备的控制和测试的基础知识。
本课程是连接前面课程的纽带，通过机电控制技术的学习，实现机械设计和电气控制的融会贯通。
二、课程目标
本课程的目标是培养学生的工程观点和工程设计能力，达到华盛顿公约规定的国际工程师认证的标准，培养符合国家经济发展需要的工程技术人才。
（1）学生将对机电控制系统遵循的电气规范增进认识，树立准确获取和计算工程数据的工程意识。
学生将提高查阅资料、使用手册、标准和规范的能力，做到基于规范和设计方法来分析和设计控制系统。
（2）学生将掌握机电控制系统中机电器控制和PLC控制的基本知识，尤其是西门子S7-200系列PLC的控制系统基本指令、控制流程和网络通信等。
通过案例分析和程序
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设计，学生可以实现控制功能分析、控制方案设计、控制器件选型和控制程序设计等。
在实验环节，学生将理论知识用于实际控制系统中，通过控制程序设计、问题诊断和调试等环境，培养学生的机电控制系统设计能力，力求达到工程教育认证标准。
三、学习要求
机电系统计算机控制是一门应用型综合性的课程。
通过本门课程和相关课程的学习，学生可以做为一名机电系统的电气控制工程师。
如果要胜任电气控制工程师的职位，在校期间学生不仅要掌握扎实的理论知识和专业技能，而且要有一定的经济常识，做到技术上先进经济上合理。
因此，学生务必做到：
（1）按时上课,上课认真听讲，积极参与课堂讨论、作业典型案例分析。
本课程将包含较多的课下作业、讨论、小组作业展示等课堂活动。
（2）保质保量的按时完成课下作业。
针对机电控制系统设计的各个环节均有书面作业需要提交，只有在作业中才能够不断掌握所学习的内容。
（3）积极搜集和学习各种案例，争取编程实现案例的功能需求。
不断的深入练习才能快速地设计出实现各种功能的控制系统。
四、教学进度
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五、参考教材与主要参考书
教材：
《现代电气控制及PLC应用技术（第3版）》王永华主编北京航空航天大学出版社2013年第3版；
参考书：
1．《电气控制与可编程序控制器》林明星主编机械工业出版社 2004年第1版；2．《电气控制与PLC应用》余雷声主编机械工业出版社 2002年第1版；3．《工厂电气控制技术》方承远、张振国编机械工业出版社 2006年第3版；
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六、成绩评定
（一）考核方式 A ：A.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他
（二）成绩综合评分体系：
七、学术诚信
学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假行为。
他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。
本课程如有发现上述不良行为，将按学校有关规定取消本课程的学习成绩。
八、大纲审核
教学院长：院学术委员会签章：
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