光机电一体化控制技术

反馈控制系统的主要组成部分：控制器、执行机构、被控对象、检测装置及比较器。 1：检测装置，进行信号检测和信息采集，如温度，压力，位置，速度等

2：执行机构，实现所要求的运动和动作，如电动机，液压缸和液压马达，气动装置等

3：控制器, 根据控制系统的控制目标和系统模型，接收传感器所采集的输入信息，通过控制律计算，最后得出控制输出，

并将其用于对执行机构的驱动

4：常见传感器，光电开关，声敏传感器，压电传感器，温度和湿度传感器，扭矩传感器，力传感器，应变传感器等

14. 下图RLC串联电路。写出输出电压

与输入电压

之间传递函数

根据基尔霍夫电压定理，可以得出如下表达式

（1）

式（1）为二阶微分方程。

对式（1）进行拉氏变换，得到 RLC串联电路的传递函数为

（2）

15. 传感器分辨率是？

传感器分辨率 分辨率定义为传感器能检测到的测量值的最小增量，也称为测量的适应度。

16. 测量准确度是？

测量准确度 准确度表示测量值与实际值之间的偏差，它受限于仪器本身。如果未受实验误差的影响，就称实验为准确的，在实

际应用中，准确度用真值的百分比表示，即： 真值的百分比=（测量值-真值）/真值 （100）

17. 一他励直流电动机，额定电压 UN=440 V，额定功率路总电阻参考答案：

，额定励磁电流

KW,额定电流，额定转速r/min，电枢回

。

，忽略电枢反应影响。试求：额定输出转矩和在额定电流时的电磁转矩

18. 在机电一体化系统数字PID控制器设计中，需要确定的控制器主要参数是 、 、 和 。 在机电一体化系统数字PID控制器设计中，需要确定的控制器主要参数是 比例系数、 积分系数 、 微分系数 和 采样周期T 。

19. 简述A／D、D／A接口的功能, 并说明保持器应用的目的。

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。具体来说，包括如下阶段：

1：对物理信号（通常为电压信号进行采样，并将其转换成一个10至16位的二进制数； 2：实现从模拟y(t)到采样值y(kt)的转换每隔 T秒时间间隔重复一次，T为采样周期； 3：y(kt)为采样后的信号，为离散信号；

D／A接口是将二进制数字量转换成电压信号。包括如下阶段： 1：将离散信号u(kt)转换成为连续信号u(t)并保持下来； 2：将二进制数转换成为模拟电压值；

3：零阶保持(ZOH)将电压值保持一个采样周期；

保持器的作用是保证在采用过程中，使被采用的信号能在电压上保持一个采样周期。从而保证后面的A/D转换能获得准备的数字。

20. 在实际设计数字控制器时，采用周期的确定要考虑那些因素？ 需要考虑如下因素：

（1）符合采样定理

（2）考虑系统稳定性影响；采样周期对系统的稳定性有直接影响，应在满足系统稳定性的条件下选择最大采用周期。 （3）给定值与扰动信息频率的影响； （4）计算机计算精度 （5）控制回路的影响 （6）执行机构的特征 （7）闭环系统的频带范围，要求采样周期的频率范围要大于（25-100）系统的频带宽度。

11. 光机电一体化系统的主要组成要素

一个完善的机电一体化系统，一般由如下机构组成部分：机械系统部分 动力与驱动部分 执行机构部分 传感器测试部分 控制和信息处理部分

机电一体化五大基本要素:结构组成要素 动力组成要素 运动组成要素 感知组成要素 智能要素

基本要素内部及各要素之间，通过接口耦合、运动传递、物质流动、信息控制、能量转换有机结合，集成一个完整的系统。各要素（环节）之间必须遵循接口耦合、物质流动、信息控制、能力转换的四大原则，完成如下内容： 变换：信息及信号变换， 放大：控制信息实现控制及能力匹配 耦合：信息必须符合规定模式传递 能力转换：包括执行器。驱动器各要素之间的不同能力转换.

信息及控制：完成数据采集，分析，判断，决策及控制，知识驱动等 运动传递：各要素之间不同运动的变化和传输以及运动控制目的

12. 论述机电一体化系统信息传输过程。

上图为机电一体化系统信号传递过程，系统中既有受控物理参量连续变化的模拟信号，又有计算机等数字装置所能处理的离散数字信号。

在系统中，数字控制器产生控制策略，也就是负责接收给定指令，采集传感器的反馈信号，按一定的控制规律计算出数字形式的控制信号，如其输入是经过A/D转换的时间误差e(t)的二进制数字信号e(kT) ,其输出是二进制控制策略信号m(kT).经过伺服放大后驱动执行机构并跟踪给定指令运动。

13. 简述为什么在机电一体化系统设计，需要进行机电一体化系统建模和仿真分析。并说明模型建立的两种基本方式和他们的主要特点。

答，机电一体化系统中，机械系统，电子系统已经其他系统之间的连接往往是通过传感器或换能器，将被测物理量（位移，速度，加速度，声波，液压）等信号转换为电压或电流，系统在给定条件下，完成一定的功能。因此，从结构上，系统复杂。与所有系统一样，无论在系统设计还是分析，都需要进行实验研究，以确保功能得以实现，各系统之间工作协调，信息交流通畅，执行可靠。因此，在实验前，需要进行系统的描述，即建立系统模型，以便于从分析该模型得出整个系统的性能，功能指标。利用模型进行实验，获取所需要的信息，这一过程称为模拟和仿真。即通过模拟来达到对真实系统的了解和分析。从而减少费用，降低风险，并提高整体性能。

建模的方式通常被分为两大类，物理模型和数学模型，物理模型是以系统间的相似原理为基础建立的。包括系统按比例缩小的实体模型。

数学模型是用数学符号描述系统的数学表达式，系统属性由变量表示。可以通过计算机方式进行仿真。

14. 线性度是？

线性度 是用来衡量输出是输入的线性函数的程度，因完全的线性特性并不能获得，与理想值的偏差定义为线性度容差。线性度是指在校准周期内，输出曲线与最佳拟合直线之间的最大偏差的百分比。非线性度通常是由非线性元件、如机械滞后、粘性流动若蠕变以及电子放大器等引起。

15. 传感器灵敏度是？

传感器灵敏度 灵敏度是仪表对被测量参数变化的响应能力。也可用输出变化量与输入变化量的比值来表示。

：输入变化量

：输出变化量；

16. 传感器的接口电路主要功能包括：对传感器的输出信号进行 、 、 、 、 及 等处理。

参考答案：传感器的接口电路主要功能包括：对传感器的输出信号进行 隔离 、 阻抗变换 、 信号变化 、 放大。线性化 及 模拟或数字计算 等处理。

17. 一台他励直流电动机，额定电压 UN=220 V , 额定转速nN=1500r/min , 电动机铁损W ，电枢回路总电阻参考答案：

，

V，求电磁转矩

、输入功率

和效率

。

W ，机械摩擦损耗

18. 模糊控制系统从原理上讲，主要由： 和 和 三部分组成。 模糊控制系统从原理上讲，主要由：模糊化接口 和模糊推理机和反模糊化 三部分组成。

19. 控制系统性能指标主要包括： 、 和 和 四项。

参考答案：机电控制系统性能指标主要包括： 上升时间 、 超调量 和 稳定时间 和 稳定误差 四项。

20. 从理论上讲，因数字控制器涉及到对信号（控制信号、反馈信号）的采样而会导致信息丢失，但为什么在实际应用系统中，数字控制方法的应用越来越广泛，同时说明奈奎斯特-香农采样定理对数字控制采样做了什么样的描述。 答：数字系统的使用，主要基于如下的原因：

1：数字控制器易于对控制律进行修改和调节和升级；2：计算机的应用使数字控制器成为可能，并可实现控制器的运算和其

他能力的提升；3：数字控制器抗干扰强； 4：可更方便的实现通信、系统集成和数据传输。

奈奎斯特-香农采样定理主要说明了在数字采样过程中，采样频率必须大于信号里所包含的最大频率的两倍以上，从而保证所采集的信号不至于完全失真。