自考机电一体化技术及应用.docx
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自考机电一体化技术及应用
高纲1399
江苏省高等教育自学考试大纲
30453 机电一体化技术及应用
南京理工大学编
江苏省高等教育自学考试委员会办公室
Ⅰ课程性质与课程目标
一、课程性质和特点
《机电一体化技术及应用》课程是江苏省高等教育自学考试机电一体化工程专业的必修课，是为培养自学应考者了解和掌握现代机电一体化技术和系统所涵盖的基本知识、理论和应用而设置的一门重要的专业基础课。
机电一体化并不是机械技术和电子技术的简单叠加，而是有着自身体系的新型学科。
机电一体化包括六大共性关键技术：
精密机械技术、伺服驱动技术、传感检测技术、信息处理技术、自动控制和系统总体技术。
机电一体化的产生与迅速发展的根本原因在于社会的发展和科学技术的进步。
系统工程、控制论和信息论是机电一体化的理论基础，也是机电一体化技术的方法论。
微电子技术的发展，半导体大规模集成电路制造技术的进步，则为机电一体化技术奠定了物质基础。
现代产品的机电一体化进入到实用阶段。
机械工程及自动化专业的学生掌握机电一体化技术与应用中的理论和方法对今后的工作是非常有用的。
本课程的特点是理论性、应用性和综合性较强。
通过本课程的学习，使考生了解和掌握机电一体化技术中主要的相关技术、理论方法和应用领域。
二、课程目标
通过本课程的学习，要求考生应具有以下的理论知识和技能：
1．掌握机械系统数学模型的建立方法以及常用的机械传动装置；
2．掌握常用传感器、信号变换及接口电路，并能根据测试要求进行较合理地选用。
3．掌握伺服传动技术的概念和常用伺服系统的工作原理及特点；
4．了解计算机控制技术的概念、常用的接口技术以及计算机控制算法；
5．掌握典型的机电一体化技术的应用。
包括典型的机电一体化产品、工业机器人、柔性制造系统及计算机集成制造系统；
在自学过程中，要求考生在通读教材，理解和掌握所学基本原理知识及基本方法的基础上，结合习题与思考题的练习，提高分析问题和解决问题的能力。
三、与相关课程的联系与区别
学习本课程前，考生应具备的知识基础有：
电工、电子学、力学、工程数学控制工程基础等基础知识，以便使考生顺利地理解和掌握测试技术的基本知识。
在自学中要注意本课程与《数控技术》、《现代测试技术》等课程的区别。
本课程为考生学习“机电一体化技术基础”课程打下基础。
四、课程的重点和难点
本课程的重点为机电一体化技术中的关键技术；次重点为机电一体化技术中的计算机控制技术以及简单机电一体化系统和工业机器人等；一般知识点为柔性制造系统和计算机集成制造系统等。
其中信号变换及调理、信号的分类与描述为难点。
考生要注意把握重点和次重点知识点内容，用考核目标和各章的考核要求检验学习的效果，也要了解一般内容的知识点。
Ⅱ考核目标
本课程自学考试大纲在考核目标中，按照识记、领会、简单应用和综合应用四个层次规定其应达到的能力层次要求。
四个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。
各能力层次的含义是：
识记（Ⅰ）：
要求考生能够识别和记忆本大纲中规定的有关知识点的主要内容（如定义、定理、表达式、公式、原理、重要结论、方法及特征、特点等），并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。
领会（Ⅱ）：
要求考生能够领悟和理解本大纲中规定的有关知识点的内涵及外延，理解物理概念的确切含义，理解和熟悉内容要点及相关知识点之间的区别和联系，并能根据考核的不同要求对有关问题进行逻辑推理和论证，做出正确的解释、叙述和说明。
简单应用（Ⅲ）：
要求考生能够运用本大纲中规定的少量知识点，利用简单的数学方法分析和逻辑推理及论证，得出正确的结论，并能把推理过程正确地表达出来，分析和解决简单的应用问题，如简单的计算，设计简单实验系统，并能绘制出测试系统框图，分析和说明系统中各环节的功能。
综合应用（Ⅳ）：
要求考生能够运用本大纲中规定的多个知识点，面对较复杂的机电一体化系统，建立合理的系统模型，分析和解决一般应用问题，如较复杂的计算，根据实验要求，设计较复杂的机电系统，绘制出机电系统的系统框图，分析和说明系统中各环节的功能。
Ⅲ课程内容与考核要求
第1章绪论
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解机电一体化的定义、机电一体化系统的基本功能、相关技术和方法。
明确学习内容和目的，以及本课程的性质和任务。
二、课程内容
第一节机电一体化的定义
第二节机电一体化系统的基本功能
1.机械本体
2.动力部分
3.传感检测部分
4.执行部分
5.驱动部分
6.控制与信息处理部分
7.接口
第三节机电一体化的相关技术
1．机械技术
2．传感检测技术
3．信息处理技术
4．自动控制技术
5.伺服传动技术
6.系统总体技术
第四节现代机械的机电一体化方法
1．机电一体化产品和系统分类
2．现代机械的机电一体化目标
3．机电一体化技术方向
4.机电一体化系统开发的工程路线
三、考核知识点与考核要求
1.机电一体化的定义
识记：
机电一体化的基本概念；
领会：
机电一体化的理论基础和物质基础；
2.机电一体化系统的基本功能要素
识记：
一个较完善的机电一体化系统的几个基本要素；
领会：
机电一体化系统的工作原理；
每个功能要素在机电一体化系统中的作用。
3.机电一体化的相关技术
识记：
机电一体化的六个关键技术；
领会：
各项关键技术在机电一体化系统中的作用。
4．现代机械的机电一体化方法
领会：
机电一体化产品和系统的分类和现代机械的机电一体化目标。
四、本章重点、难点
机电一体化系统的基本功能要素；
机电一体化的相关技术。
第2章机械传动与支承技术
一、学习目的与要求
通过本章的学习，掌握建立机械系统数学模型的方法，掌握机械传动系统的特性，掌握典型的机械传动装置。
本章是本课程的重点，是理解、掌握和学好本课程的基础。
二、课程内容
第一节机械系统数学模型的建立
1．机械移动系统
2．机械转动系统
3.基本物理量的折算
4.液压系统
第二节机械传动系统的特性
1．机电一体化对机械传动的要求
2．机械传动系统的特性
第三节机械传动装置
1．齿轮传动
2．滚珠花键
3．谐波齿轮减速器
4．机械传动系统方案的选择
第四节支撑部件
1．回转运动支承
2．直线运动支承
三、考核知识点与考核要求
1.机械系统数学模型的建立
识记：
机械移动系统的基本元件；
机械移动系统的力学模型和二阶系统框图；
机械转动系统的基本参数；
机械传动系统的力学模型和二阶系统；
典型物理量的折算；
液压系统相关数学模型的建立；
2.机械传动系统的特性
识记：
影响机电一体化系统中传动链的动力学性能的因素；
机械传动系统的基本特性的概念和表达式；
领会：
主要间隙类型和消隙措施；
3.机械传动装置
识记：
齿轮传动中相关参数的计算；
领会：
滚珠花键的概念；
谐波齿轮减速器的相关概念；
简单应用：
机械传动系统方案的选择；
4.支承部件
识记：
回转运动支承的种类；
常用的直线运动支承；
领会：
各种回转运动支承的结构和特点；
常用直线运动支承的性能；
四、本章重点、难点
重点：
机械系统数学模型的建立；
机械传动系统的特性；
次重点：
机械传动装置；
支承部件；
难点：
典型机械系统的力学模型和传递函数；
基本物理量的折算；
第3章检测技术
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解各种常用传感器的类型、结构、静动态特性、测量范围、使用条件等，掌握常用传感器的工作原理及其应用。
二、课程内容
第一节传感器
1．传感器技术
2．传感器的分类及要求
3．传感器性能与选用原则
第二节位移测量传感器
1．电容传感器
2．电感式传感器
3．光栅
4．感应同步器
第三节速度传感器
1．直流测速机
2．光电式转速传感器
第四节位置传感器
1．接触式传感器
2．接近式传感器
第五节传感器前级信号处理
1．测量放大器
2．程控增益放大器
3．隔离放大器
第六节传感器接口技术
1．传感器信号的采样/保持
第七节传感器非线性补偿处理
1．计算法
2．查表法
3．插值法
第八节数字滤波
1．算术平均值法
2．中值滤波法
3．防脉冲干扰平均值法
4．程序判断滤波法
三、考核知识点与考核要求
1.传感器技术
识记：
传感器的定义；
传感器的分类法；
传感器的特性：
静态特性，动态特性；
领会：
传感器的类型；
传感器的选用原则；
2.位移测量传感器
识记：
电容传感器的定义；
电容传感器的种类；
电容传感器的工作原理；
电感式传感器的定义；
电感式传感器的工作原理；
光栅的结构和工作原理；
光栅测量系统的构成；
感应同步器的定义；
鉴相式的原理；
鉴幅式的原理；
领会：
变极距型电容传感器的工作原理及结构；
变面积型电容传感器的工作原理及结构；
气隙型和截面型电感式传感器的工作原理；
莫尔条纹的特点；
感应同步器的结构；
简单应用：
变极距型电容传感器的灵敏度计算；
变面积型电容传感器灵敏度和输出特性的计算；
电感式传感器的自感系数和灵敏度的计算。
3.速度传感器
识记：
直流测速机的定义；
直流测速及的分类；
光电式转速传感器的结构和测速原理；
领会：
直流测速机的输出特性；
永磁式测速机原理；
4.位置传感器
识记：
位置传感器的概念；
位置传感器的类型；
接触式位置传感器和接近式位置传感器的概念；
接近式位置传感器的分类；
光电式传感器分类；
领会：
微动开关式位置传感器的构造和形式；
接近式位置传感器原理图；
透光型光电传感器接口电路；
简单应用：
反射型光电传感器的应用电路；；
5.传感器前级信号处理
识记：
传感器输出信号的常见参量类型；
测量放大器的特点；
测量放大器的放大倍数计算公式；
专用测量芯片AD522的性能；
程控增益放大器的概念和放大倍数的计算；
AD524增益控制放大器原理；
隔离放大器的应用环境及概念；
隔离放大器的特点；
耦合式隔离放大器的类型；
领会：
测量放大器工作原理；
专用测量芯片AD522的典型应用；
AD521构成的程控增益放大器；
284型隔离放大器电路结构；
6.传感器接口技术
识记：
采样/保持的概念；
采样/保持器的原理；
常用的集成采样/保持器系列；
L398的原理；
领会：
集成采样/保持器的特点；
L398的特点；
L398的外引脚图；
L398的典型应用；
7.传感器非线性补偿处理
识记：
软件数字量非线性校正的概念；
常用非线性软件处理方法；
查表法的分类；
分段线性插值原理；
领会：
计算法的应用场合；
查表法的应用场合；
插值法的应用场合；
插值法的计算机实现步骤；
8.数字滤波
识记：
数字滤波的概念；
数字滤波的优点；
常用的数字滤波方法；
算数平均值法的公式；
中值滤波法的概念；
防脉冲干扰平均值法的概念；
领会：
程序判断滤波法中的两种方法；
四、本章重点、难点
重点：
传感器的定义；
传感器的分类；
传感器的性能；
电容传感器；
电感式传感器；
光栅传感器；
感应同步器；
速度传感器；
位置传感器；
传感器前级信号处理；
传感器信号的采样保持；
传感器非线性补偿处理；
难点：
线性度、灵敏度和迟滞性的概念；
电容传感器灵敏度和输出特性的计算
自感式位移传感器的自感系数L的计算；
自感式传感器灵敏度的计算；
光栅莫尔条纹宽度放大倍数的计算；
感应同步器鉴相和鉴幅的概念；
速度传感器转速的计算；
测量发大器放大倍数的计算；
光栅传感器组成及工作原理；
光栅传感器的辨向电路及其原理；
第4章伺服传动技术
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解伺服系统的组成和分类、常用的伺服执行部件、伺服驱动放大和速度控制的方法以及典型的伺服传动系统。
二、课程内容
第一节概述
1．伺服系统的结构组成及分类
2．伺服电动机
3．电力电子技术简介
第二节直流伺服系统
1．直流伺服系统结构和原理
2．直流伺服系统的稳态误差分析
3.直流伺服系统的动态校正
第三节交流伺服系统
1．异步型交流电动机的变频调速的基本原理与特性
2．异步电动机变频调速系统
第四节步进电动机控制系统
1．步进电动机
2．环形分配器
3．功率驱动器
4．提高系统精度的措施
第五节电液伺服系统
1.电液位置伺服控制系统
2.电液速度伺服控制系统
3.电液力伺服控制系统
三、考核知识点与考核要求
1.概述
识记：
伺服的定义；
伺服系统的结构组成；
伺服系统的分类；
伺服电动机的作用；
常用的伺服电动机；
功率放大器的组成；
变流器的类型；
常用电力电子器件的结构和作用；
领会：
伺服电动机的基本要求；
各种伺服电动机的特点和适用范围；
常用电力电子器件的特性；
简单应用：
基极驱动电路；
2.直流伺服系统
识记：
直流伺服系统的概念；
直流伺服系统的工作原理；
旋转变压器的概念；
旋转变压器的工作原理；
相敏放大器（鉴幅器）的概念；
相敏放大器的工作原理；
位置检测与信号综合环节的工作原理；
脉宽调制型功率放大的概念及工作原理；
占空比的概念；
双极性H型可逆PWM变换；
PWM控制电路的组成；
检测误差、原理误差和扰动误差的概念；
设计多环控制系统的一般原则；
经典控制理论校正系统的常用方法；
速度调节器的传递函数；
位置调节器的传递函数；
领会：
PWM功率发大器的传递函数；
直流伺服电动机和减速器的传递函数；
3.交流伺服系统
识记：
交流伺服系统的概念；
交流伺服系统的分类；
异步交流电动机的转速方程；
变频调速的概念；
恒磁通变频调速的概念；
恒功率变频调速的概念；
SPWM变频器的组成；
调制波和载波的概念；
载频比的概念；
同步调制和异步调制的概念；
领会：
变频恒磁通的目的；
SPWM变频器的输入和输入波形；
SPWM变频调速系统的组成及各部分的作用；
4．步进电机控制系统
识记：
步进电机控制系统的组成；
步进电机的分类；
步进电机的结构和工作原理；
步距角的概念；
最高启动频率的概念；
最高工作频率的概念；
步进电机的矩频特性的概念；
环形分配器的作用；
环形分配器的类型；
步进电机功率放大器的功能；
常用功率放大器的类型；
步进电机位移、速度和方向的控制；
领会：
步距误差的作用；
CH250环形分配器的管脚图和接线图；
单电压驱动电路；
高低压驱动电路；
执行部件的位移量计算；
5.电液伺服系统
识记：
电液伺服系统的组成；
电液伺服系统的分类；
电液速度伺服控制系统的概念；
电液力伺服控制系统的概念；
阀控液压缸电液位置控制系统的结构；
阀控液压马达电液位置控制系统的结构；
领会：
电液伺服系统的特点；
阀控液压缸电液位置控制系统的输出电压；
阀控液压马达电液位置控制系统的输出电压；
简单应用：
带材跑偏控制系统；
带钢张力控制系统；
四、本章重点、难点
重点：
伺服的概念；
伺服系统的组成；
伺服电机的作用及分类；
变流器的概念及相关元器件；
直流伺服系统的结构；
旋转变压器的工作原理；
PWM的概念和方法；
直流伺服系统的动态校正；
交流伺服电动机变频调速的基本原理；
变频调速系统的组成和调速原理；
SPWM变频调速系统的结构；
步进电机的概念；
步进电动机控制系统的组成；
步进电机的特性；
环形分配器的作用和分类；
功率放大器的作用和分类；
电液伺服系统的概念和组成结构；
难点：
旋转变压器的工作原理；
PWM的原理；
直流伺服系统的动态校正；
变频调速的工作原理；
第5章计算机控制技术
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解机电一体化系统中计算机控制技术的组成、特点和类型。
掌握接口技术在机电一体化系统中应用以及常用的控制方法。
二、课程内容
第一节概述
1．计算机控制系统的组成及特点
2．计算机控制系统的类型
3.计算机控制技术的发展方向
第二节计算机控制系统的接口技术
1．并行输入/输出接口
2．数/模（D/A）转换接口
3．模/数（A/D）转换接口
第三节工业控制计算机简介
1．工业控制计算机系统硬件组成的一般形式
2．工业控制机分类
3.STD总线工业控制计算机
第四节计算机控制算法
1．模拟装置的数字化方法
2．数字PID调节器的设计
三、考核知识点与考核要求
1.概述
识记：
计算机控制系统的典型结构；
计算机控制系统的硬件组成；
计算机控制系统的软件组成；
计算机控制系统的类型；
领会：
直接数字控制系统；
分布式控制系统；
简单应用：
计算机控制技术的发展；
2.计算机控制系统的接口技术
识记：
接口方式的种类；
并行接口传输数据类型和传输方法；
接口的寻址方式；
8255A接口芯片的结构和数据总线驱动器的功能；
D/A转换接口的概念和组成；
R-2R网络D/A原理；
DAC0832芯片的结构原理以及与CPU的连接。
.
A/D转换接口的概念和组成；
ADC0809芯片的结构和功能；
领会：
8255芯片的端口及功能；
8255芯片的三种工作方式；
简单应用：
ADC0809芯片在MSC-51单片机中的应用；
3.工业控制计算机简介
识记：
典型的工业控制计算机系统的组成；
可编程序控制器的结构和特点；
单回路调节器的作用和结构；
总线式工业控制机的结构；
集散控制系统的概念和组成；
STD总线的概念；
领会：
常用现场总线；
单片微计算机控制系统的概念；
STD总线的特点；
简单应用：
典型的STD系统II的结构；
4．计算机控制算法
识记：
数字调节器的设计方法；
直接查分法的算法和分类；
匹配Z变换法的算法；
双线性变换法的算法；
连续化设计的一般步骤；
模拟PID调节器的微分方程；
数字PID调节器的原理和算法；
数字PID调节器的改进算法；
四、本章重点、难点
重点：
计算机控制系统的典型结构；
计算机控制系统的分类；
并行输入/输出接口的传送及寻址方式；
8255芯片的结构及工作方式；
数/模转换接口的原理和作用；
典型的数/模转换接口芯片的功能和结构；
模/数转换接口的原理和作用；
典型的模/数转换接口芯片的功能和结构；
工业控制计算机系统的组成；
工业控制机的类型；
计算机控制算法；
难点：
直接查分法；
匹配Z变换法；
双线性变换法；
PID调节器的设计和改进；
第6章简单机电一体化系统
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解机电一体化技术在典型产品如：
全自动洗衣机、小型智能绘图机和二维表面粗糙度自动测量仪中的应用。
二、课程内容
第一节全自动洗衣机
1.模糊全自动洗衣机的模糊推理
2.洗衣机物理量检测
3.控制电路
第二节小型智能绘图机
1．绘图机的工作原理
2．绘图机机械零部件结构
3．绘图机控制系统及其控制软件
第三节二维表面粗糙度自动测量仪
1．二维表面粗糙度测量仪结构
2．控制和信号处理系统
3.微型计算机接口电路
4.程序设计
三、考核知识点与考核要求
1.全自动洗衣机
识记：
模糊推理的概念；
洗衣机检测的物理量；
控制电路的结构和功能；
2.小型智能绘图机
识记：
绘图机的工作原理；
绘图机控制系统的组成；
绘图机控制程序的组成；
3.二维表面粗糙度自动测量仪
识记：
表面粗糙度仪的控制和信号处理系统；
控制系统中的关键接口电路及其作用；
领会：
表面粗糙度测量仪的结构；
四、本章重点、难点
重点：
模糊推理；
洗衣机测量的物理量；
粗糙度仪中的接口电路；
第7章工业机器人
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解工业机器人的发展及应用。
学习工业机器人的机械结构，探讨工业机器人的运动学和动力学问题。
了解工业机器人的控制系统的类型和相关技术问题。
二、课程内容
第一节概述
1.工业机器人的定义与发展
2.工业机器人的组成与分类
第二节工业机器人操作机的机械结构
1.手臂
2.手腕
3.手部
第三节工业机器人运动学与力学分析
1.工业机器人运动学
2.工业机器人力学分析
第四节工业机器人的控制系统
1.工业机器人控制系统的特点和基本要求
2.工业机器人控制系统的分类
3.工业机器人的控制系统
第五节工业机器人的应用注：
本节不作考核要求
三、考核知识点与考核要求
1.概述
识记：
机器人的定义；
机器人的组成；
机器人的分类；
2.工业机器人操作机的机械结构
识记：
工业机器人操作机的组成；
手腕自由度配置形式；
领会：
手臂结构和功能；
手腕结构和功能；
手部结构和功能；
3.工业机器人运动学与力学分析
识记：
机器人运动学的研究内容；
坐标变换原理与变换矩阵；
运动学方程的建立与求解；
机器人力学分析的研究内容；
静力平衡方程；
惯性矩阵；
牛顿运动方程；
4.工业机器人的控制系统
识记：
工业机器人控制系统的特点；
对工业机器人控制系统的基本要求；
工业机器人控制系统的分类；
四、本章重点、难点
重点：
工业机器人的组成；
工业机器人的分类；
操作机的组成；
手腕自由度；
机器人运动学的目的；
坐标变换；
运动学方程；
静力平衡方程；
动力学的相关公式；
控制系统的要求；
控制系统的分类；
第8章柔性制造系统和计算机集成制造系统
一、学习目的与要求
通过本章的学习，了解柔性制造系统和计算机集成制造系统的概念以及应用。
二、课程内容
第一节柔性制造系统
1.工业机器人的定义与发展
2.工业机器人的组成与分类
第二节计算机集成制造系统
1.CIMS的涵义
2.CIMS的构成
3.分级控制结构
4.实现CIMS的关键技术
三、考核知识点与考核要求
1.柔性制造系统
识记：
柔性制造系统的定义；
柔性制造系统的功能；
柔性制造系统的分类；
柔性制造系统的组成；
柔性制造系统各个组成部分的功能；
2.计算机集成制造系统
识记：
CIMS的定义；
CIMS的组成及各个组成部分的功能；
CIMS的分级控制结构；
四、本章重点、难点
重点：
柔性制造系统的概念；
CIMS的概念；
柔性制造系统的功能；
柔性制造系统的类型；
柔性制造系统的组成和结构；
CIMS的组成；
Ⅳ关于大纲的说明与考核实施要求
一、自学考试大纲的目的和作用（共性部分）
课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而确定。
其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。
课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深广度，规定了课程自学考试的范围和标准。
因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，也是进行自学考试命题的依据。
二、课程自学考试大纲与
升级会员 