一、名词解释

1、 机电一体化：机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。

2、柔性制造系统：柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）是由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。

3、传感器：传感器适机电一体化系统中不可缺少的组成部分，能把各种不同的非电量转换成电量，对系统运行中所需的自身和外界环境参数及状态进行检测，将其变成系统可识别的电信号，传递给控制单元。

4、伺服电动机：伺服电动机又称控制电机，其起动停止、转速或转角随输入电压信号的大小及相位的改变而改变。输入的电压信号又称控制信号或控制电压，改变控制信号可以改变电动机的转速及转向，驱动工作机构完成所要求的各种动作。

5、感应同步器: 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。

6、人机接口：人机接口（HMI）是操作者与机电系统（主要是控制微机）之间进行信息交换的接口，主要完成输入和输出两方面的工作。

7、PLC：可编程控制器（Programmable Logical Controller）简称PLC.是一种在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装臵，广泛应用在各种生产机械和生产过程的自动控制中。

8、变频器：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装臵，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素以及过流/过压/过载保护等功能。

9、通信协议：通信协议是指通信双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程，包括逻辑电平的定义、应用何种物理传输介质、数据帧的格式、通信站地址的确定、数据传输方式等。

10、MPS系统：模块化生产加工系统（Modular Production System）简称MPS系统，它是德国FESTO公司结合现代工业的特点研制开发的模拟自动化生产过程，集机械、电子、传感器、气动、通信为一体的高度集成的机电一体化装臵。

二、填空题

1、电感式传感器是一种把微小位移变化量转变成电感变化量的位移传感器。

2、光电编码器根据结构可分为增量式和绝对式。

3、热电阻温度传感器的工作原理是基于金属的热电阻效应。

4、热电偶温度传感器的工作原理是基于物体的热电效应。

5、对伺服系统的技术要求是系统精度、稳定性、响应特性、工作频率。

6、液压系统一般包括动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分。

7、典型的气动驱动系统由气源装臵、执行元件、控制元件和辅助元件组成。

8、机电控制系统的机械装臵主要包括传动机构、导向机构和执行器三个部分。

9、机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节：静态设计、动态设计。

10、欠电流继电器利用其常开触点串接在被控线路中起欠流保护。

11、过电流继电器利用其常闭触点串接在被控线路中起过流保护。

12、接口的基本功能主要有数据格式转换、放大、通信联络。

13、伺服系统的基本组成包括控制器、执行环节、检测装臵、比较环节。

14、工作接地分为一点接地、多点接地。

15、机电一体化产品按用途可以划分为办公机电一体化产品、产业机电一体化产品和民

用机电一体化产品。

16、典型的可编程控制器由编程器、微处理器、存储器、电源和输入／输出接口等部分构成。

17、S7-200 PLC的控制程序通常由用户程序、数据块和参数组成。

18、PLC根据数据传输方式分为并行和串行通信通信方式。

19、PLC的串行通信接口有RS232C、RS485、RS422。

20、S7-200的通信协议为PPI协议。

21、交-直-交变频器的内部电路主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路和控制电路组成。

22、机电一体化系统常用的能源有电力源、液压源和气压源。

三、简答题

1. 机电一体化系统的基本构成要素有哪些？

答：一个较完整的机电一体化控制系统，包括以下几个基本要素：机械本体、动力源、传感装臵、驱动执行机构、控制器等，各要素和环节之间通过接口相联系。

2. 测试传感部分的作用

答：测试传感部分的作用：对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，传输到信息处理单元，经分析处理后产生控制信息。

3. 传感器是如何分类的？

答：传感器的分类方法有如下几种：按用途、工作原理、变换原理、输出信号性质分类。

4. 简述步进电动机驱动电路的组成。

答：步进电动机的驱动电路由脉冲信号发生器、分频器、脉冲分配器和脉冲放大器组成。

5. 简述直流伺服电机两种控制方式的特点。

答：直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。

采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。

6. 为什么说接触器自锁线路具有欠压和失压的保护作用？

当失压和欠压时，接触器线圈的电磁吸引力消失或不足，接触器触点释放，断开控制线路，从而使电动机主电路断开。

7. 简述PLC系统与继电器接触器控制系统的区别。

答：1）控制方式：继电器控制系统的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。PLC控制系统采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2）工作方式：继电器控制系统采用并行的工作方式，PLC控制系统采用串行工作方式。

3）控制速度：继电器控制系统控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。PLC控制系统是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

4）定时与计数控制：继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。继电器控制系统不具备计数功能。

PLC控制系统用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。另外PLC系统具备计数功能。

5）可靠性和维护性：继电器控制系统可靠性较差，线路复杂，维护工作量大，PLC控制系统可靠性较高，外部线路简单，维护工作量小。

8. PLC交流开关量输入模块和直流开关量输入模块分别适用什么场合？

答：由于交流输入模块电路中增加了限流、滤波和整流三个环节，因此，输入信号的延迟时间要比直流输入电路的要长，但由于其输入端是高电压，因此输入信号的可靠性要比直流输入电路要高。一般来说，交流输入方式用于有油雾、粉尘等恶劣环境，对系统响应要求不高的场合，而直流输入模块用于环境较好，电磁干扰轻，对系统响应要求较高的场合。

9. PLC开关量输出模块有哪几种类型？各能驱动何种负载？

答：PLC的输出模块有三种：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。继电器输出型既可用于交流输出，也用于直流输出。晶体管输出型用于直流输出。双向晶闸管输出型用于控制外部交流负载

10. PWM脉宽调速原理。

答：PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。

11. 控制系统接地的目的。

答：将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（大地）实现低阻抗的连接，称之谓接地。接地的目的有两个：一是为了安全，例如把电子设备的机壳、机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全，称为安全接地；二是为了给系统提供一个基准电位，例如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰，如屏蔽接地等。称为工作接地。工作接地包括一点接地和多点接地两种方式。

12. 机电一体化系统设计的指标主要包括哪些方面？

答：主要包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益。

13．为什么采用机电一体化技术可以提高系统的精度?

答：机电一体化技术使机械传动部分减少，因而使机械磨损，配合间隙及受力变形等所 引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测，控制，补偿和校正因各种干扰因素造成的误差，从而提高精度。

14．机电一体化相关技术有哪些?

答：机电一体化相关技术有：机械技术，计算机与信息处理技术，系统技术，白动控制技术，传感器测试技术和伺服驱动技术。

15．简述机电一体化产品设计中，详细设计的主要内容。

答：详细设计主要包括：系统总体设计；业务的分组；机械本体及工具设计；控制系统设计；程序设计；后备系统设计；完成详细设计书及制造图样；产品出厂及使用文件的设计。

16．简述A／D、D／A接口的功能。

答：A／D接口的功能是将温度、压力等物理量经传感器变成的电压、电流等信号转换为数字量。D／A接口是将二进制数字量转换成电压信号。

17. 机电一体化产品对机械传动系统有哪些要求？

答：机电一体化系统对机械传动系统的要求有：精度；稳定性；快速响应性；还应满足小型、轻量、高速、低冲击振动、低噪声和高可靠性。

18. S7-200 PLC有哪些硬件资源，如何对他们寻址？

答：S7-200 PLC的硬件资源包括输入输出映像寄存器区（I/Q）、标志位存储器区（M）、特殊标志位存储器区（SM）、定时器存储器区（T）、计数器存储器区（C）、顺序控制标志位区（S）、变量存储器区（V）、局部存储器区（L）、累加器（AC）/高速计数器（HC）、模拟量输入输出寄存器（AI/AQ）等，S7-200 PLC的寻址方式有立即数寻址、直接寻址和间接寻址三大类。

四、选择题。

1.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称( )

A.顺序控制系统 B.伺服系统 C.数控机床 D.工业机器人

2.直流测速发电机输出的是与转速( )

A.成正比的交流电压 B.成反比的交流电压

C.成正比的直流电压 D.成反比的直流电压

3.某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为( )

A.1450［r/min］ B.1470［r/min］

C.735［r/min］ D.2940［r/min］

4.计算步进电动机转速的公式为( )

A.

B.Tsmcos

C.

D. 180°-

5.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为( )

A.(A+

)〃(

+B)

〃B

+

) B.A〃

+

C.(A+B)〃(

D.A〃B+

〃

6. Mechatronics是两个不同学科领域名称的组合，这两个不同的学科是（ ）

A．机械学与信息技术 B．机械学与电子学

C．机械学与自动化技术 D．机械学与计算机

7. 计算机集成制造系统包括（ ）

A．CAD、CAPP、CAM B．FMS

C．计算机辅助生产管理 D．A、B和C

8. 直流伺服电动机的控制电压与输出转速之间的函数关系式称为其（ ）

A．转速特性 B．调节特性 C．工作特性 D．机械特性

9. 步进电机在转子齿数不变的条件下，若拍数变成原来的2倍，则步距角为原来的（ ）

A．0.5倍 B．2倍 C．0.25倍 D．不变

10. 感应同步器可用于检测（ ）

A．位臵 B．加速度 C．速度 D．位移

11. “机电一体化”在国外被称为（ ）

A．Machine B．Electronics C．Mechatronics D．A和B

12. 机电一体化产品的动力与驱动部分的主要功能是（ ）

A．提供动力 B．传递运动 C．传递动力 D．A、B和C

13. 在交流伺服电机中，控制绕组与励磁绕组在空间相差的电角度是（ ）

A．60° B．45° C．0° D． 90°

14. 光栅式位移传感器的栅距W、莫尔条纹的间距B和倾斜角θ之间的关系为（ ）

A．B．C．D．

15. 差分变压器传感器属于（ ）

A．涡流式 B．自感型 C．互感型 D．可变磁阻式

16. 在自动控制系统中，伺服电机通常用于控制系统的（ ）

A．开环控制 B．C和D C．全闭环控制 D．半闭环控制

五、应用题

1.采用PLC设计二台电动机A、B工作的系统。

（1） 按钮X1为A电动机起动，按钮X2为A电动机停止（输出Y1）；

（2） 按钮X3为B电动机起动，按钮X4为B电动机停止（输出Y2）；

（3） 只有A电动机在工作中，B电动机才能工作。

要求：画出梯形图，写出助记符指令程序。

B WB WB WB 1.5W

答：(1)梯形图：

（2）助记符指令程序：

STR X1

OR Y1

AND NOT X2

OUT Y1

STR X3

OR Y2

AND NOT X4

AND Y1

OUT Y2

2、下图为小车送料过程示意图。现采用可编程控制器控制，写出小车PLC控制的梯形图。小车的送料过程为：当小车处于左限位开关ST1处时，按下启动按钮，小车向右运行；碰到右限位开关ST2后，小车开始装料，装料时间为15秒；然后小车向左运行，碰到左限位开关ST1后，小车开始卸料，卸料时间为10秒；至此完成一次动作。任何时候压下停止按钮，小车将停止动作。根据上述描述写出用PLC控制的梯形图。

L2、L4、L6、L8亮，1秒后灭；接着L3、L5、L7、L9亮，1秒后灭；再接着L2、L4、L6、L8亮，1秒后灭，如此循环下去。根据上述描述写出用PLC

控制的梯形图。

1.A.2. B.增加而增加 C.减小而减小 D.变化而不变 A.增加而减小

3.滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和( D )

A.内循环插管式 B.外循环反向器式

C.内、外双循环 D.内循环反向器式

4.某光栅的条纹密度是100条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是( C )

A.100mm B.20mm C.10mm D.0.1mm

5.直流测速发电机输出的是与转速( C )

A.成正比的交流电压 B.成反比的交流电压

C.成正比的直流电压 D.成反比的直流电压

6.电压跟随器的输出电压( C )输入电压。

A.大于 B.大于等于 C.等于 D.小于

7.某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为( B )

A.1450［r/min］ B.1470［r/min］

C.735［r/min］ D.2940［r/min］

8.右图称( B )

A.直流伺服电动机调节特性

B.直流伺服电动机机械特性

C.直流伺服电动机动态特性

D.直流伺服电动机调速特性

9.计算步进电动机转速的公式为( C )

A.

B.Tsmcos

C.

D. 180°-

10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整

时间ts( B )

A.增大 B.减小 C.不变 D.不定

11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为( B )

A.

+b B.

C.

D.

12.连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的( C )使得它们同步协调到达目标点。

A.位置和加速度 B.速度和加速度

C.位置和速度 D.位置和方向

13.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为( A )

A.(A+

B.A²

)²(

+

+B) ²B

+

) C.(A+B)²(

D.A²B+

²

14.累计式定时器工作时有( B )

A.1个条件 B.2个条件

C.3个条件 D.4个条件

二、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)

15.机电一体化

16.轴系的动特性

17.灵敏度(测量)

18.永磁同步电动机

19.复合控制器

15.机械与电子的集成技术。

16.指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。

17.输出变化量与对应的输入(被测量)变化量的比值。有时称为增量增益或标度因子。

18.以电子换向取代了传统直流电动机的电刷换向，又称无刷电动机。

19.在反馈控制器的基础上附加一个前馈控制器，二者的组合称为复合控制器。它的作用是使系统能以零稳定误差跟踪已知的输入信号。

三、简答题(本大题共4小题，每小题4分，共16分)

20.机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面?

21.步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型?其中哪种电路适于永磁式步进电动机

?

22.步进电动机数控系统和参考脉冲伺服系统的输入信号是什么?输出轴的转速、转向、位置各自与哪些因素有关?

23.什么是PLC的扫描工作制?

20.应包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益。

21.主要有：单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波驱动电路、细分电路。其中双极性驱动电路适于永磁式步进电动机。

22.(1)参考脉冲序列。

转速与参考脉冲频率成正比。

(2)输出轴 转向由转向电平决定。

位置由参考脉冲数决定。

23.PLC的扫描工作制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令。重复进行。

四、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)

24.已知双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200, 刚轮齿数

Z2=202，波发生器的转速nH=600r/min。如图

试求：(1)刚轮固定时柔轮的转速n1;

(2)柔轮固定时刚轮的转速n2。

（1）刚轮固定时：

（2）柔轮固定时

25.已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示。若电位器的总电阻

R=2kΩ，电刷位移为X时的相应电阻Rx=1kΩ，电位器的工作电压Vi=12V,

负载电阻为RL。

(1)已测得输出电压Vo=5.8V,求RL。 n1=-

(2)试计算此时的测量误差。V0=

(1) 当V01=5.8时，5.8=

5.8=

(２)空载时ＲＬ＝

设测量出5.8Ｖ输出电压时的测量误差

则

26.某二阶系统如图所示

(1)求系统对r(t)阶跃响应的最大超调量σ%和调节时间ts。

(2)求r(t)=1+t,n(t)=0.1共同作用下的稳态误差ess。

.(1)求闭环传函及误差表达式

E(s)=R(s)-C(s)=[1-

(2)求

ts=

(3)求ess

二阶系统ai>0闭环稳定

R(s)=

]R(s)-

C(s)=CR(s)+CN(s)=

Ess=

27.三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。

(1)要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少?

(2)要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多

少?

五、简单应用题(本大题共4小题，每小题6分，共24分)

28.已知一阶低通有源滤波器电路如图所示。要求：

(1)一阶低通滤波器现存在什么弱点?

(2)将其改进为二阶低通滤波器，画出电路图；

(3)画出二阶低通的幅频特性示意图。

29.三相交流感应电动机，电源频率50Hz，空载转速为

1450r/min。

(1)该电动机为几极，空载转差率是多少?

(2)堵转时定子、转子绕组电势频率各为多少?

(3)空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少?

30.二阶系统结构图如图所示。

设K1=0.1, K2=10,T1=0.5s

(1)求系统对r(t)的阶跃响应的最大超调量σ%及调节时间ts(取△=±5%);

(2)求系统增益Ks及伺服刚度KR;

(3)求r(t)=1+t及n(t)=0.1共同作用下系统的稳态误差ess。

31.考虑x-y平面上的直线运动路径，源点坐标(5，-2)，终点坐标为(1，-1)。设两轴最大加速度限制：αxmax=αymax=±2。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。

六、综合应用题(本大题2小题，每小题8分，共16分)

32.某控制系统结构图如图所示，

图中GC(s)=Kp(1+Tds),Gp(s)=

=

(1) 确定Kp和Td的值，以使系统性能同时满足：

在单位抛物线(恒加速度)函数作用下的稳态误差essa≤0.2，幅值穿越(截止)频率ωc=5

(2) 计算系统在上述取值条件下的相位裕量 m。

33.采用PLC设计二台电动机A、B工作的

系统。

（1） 按钮X1为A电动机起动，按钮X2

为A电动机停止（输出Y1）；

（2） 按钮X3为B电动机起动，按钮X4

为B电动机停止（输出Y2）；

（3） 只有A电动机在工作中，B电动机

才能工作。

要求：画出梯形图，写出助记符指令程

序。

27.(1)

即

（2）

单拍制

即： f=

五、简单应用题（本大题共4小题，每小题6分，共24分）

28．（1）一阶低通滤波器存在过渡区域衰减缓慢的弱点。

2）二阶低通有源滤波器电路图

(3)低通滤波幅频率特性示意图。

29．（1）

即该电动机为四级

空载时转差率为：S=

（2）堵转时：S＝１

定子绕组电势频率f1=50Hz,转子绕组电势频率f2=Sf1=50Hz

(3) 空载时：

定子绕阻电势频率f1＝50Hz,转子绕组电势频率：

f2=

30.(1)G(s)=

1型 Ｋv=

Ｋp=

(2)性能指标

ts=

(3)系统增益与伺服刚度

Ks=Kv=K1K2=1， KR=K1=0.1

（4） essr=

essn=-

31.

所以协调运动先设计x轴，再利用下列直线方程变换成y轴控制指令 y(t)=-

x(t)=5+3(1-5)(

)2

-2(1-5)( )3=5-t2+

y(t)=-2+

六、综合应用题（本大题共２小题，每小题８分，共１６分）

32.(1)开环传函

G(s)=Gc(s)Gp(s)=

(2)确定Kp和Td

由essa=

在

取Kp=2.5

1+25T

(3)相应的

33.(1)梯形图：

（２）助记符指令程序：

STR X1

OR Y1

AND NOT X2

OUT Y1

STR X3

OR Y2

AND NOT X4

AND Y1

OUT Y2