宁波大学机电一体化设计基础考试题及答案Word文件下载.doc
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产品各组成环节的特性是相互关联的，而且共同影响系统的性能，这种机、电环节互相关联、相辅相成为互补性。
可比性，它是指被评价的方案之间在基本功能、基本属性及强度上要有可比性。
等效性是可以进行机电一体化设计的充分条件之一。
互补性，是机电一体化设计的另一充分条件。
7.试结合等效性与互补性阐述机电一体化优化设计的条件。
机电一体化优化设计要在具有等效性的功能中和具有互补性的环节中进行机械、电子、软件等技术之间的比较和权衡。
首先找出它们具有可比性的表达形式，用具有相同量纲的优化指标（如成本、可靠度、相对精度等）对各方案进行比较。
8.目前大多采用什么方法进行机电一体产品的总体设计？
其具体含义是什么？
多方案优化的方法：
在满足约束条件（特征指标）的前提下，采用不同原理及不同品质的组成环节构成多种可行方案，用优化指标对这些方案进行比较、优选，从而获得满足特征指标要求，且优化指标最合理的总体设计方案。
9.多目标规划的求解策略有哪些？
含义分别是什么？
降维法：
用一个其主要作用的指标作为目标函数，而将其它优化指标转化为约束条件，从而使多目标优化问题转化为单目标优化问题。
顺序单目标法：
首先对各优化指标按重要程度排序，按单目标优化方法依序求出每个指标所对应的最优解，然后对这些单目标优化解进行折衷处理，从而得到整体最优解。
评价函数法：
首先将各优化指标依一定关系进行组合，从而构造出一个单目标问题的目标函数，被称为评价函数，然后依据这个评价函数对各种方案进行评价，最终确定出最优方案。
10.为何在机电一体化总体方案设计时要进行功能分配和性能指标分配?
如何进行功能分配和性能指标分配？
性能指标分配目的：
总体方案中一般有多个环节对同一性能指标产生影响，需要合理地限定这些环节对总体性能指标的影响程度。
为保证以最佳的结构方案实现产品性能。
功能分配时应首先把这些形式尽可能的全部列出来，用这些具体实现形式构成不同的结构方案，采用适当的优化指标对这些方案进行比较，选出最优或较优的方案。
性能分配时，首先要把各互补环节对性能指标可能产生的影响作用范围琢一列出，对于不可比较的变量应先变换成相同量纲的变量，在满足约束的条件下，采用不同的分配方法将性能指标分配给各互补环节，构成多个可行方案，进一步选择适当的优化指标，对这些可行方案进行评价，选出最优方案。
11.基本转换电路的作用是什么？
基本转换电路有哪些种？
其具体作用各是什么？
作用：
将传感器输入的电参数形式的信号转换成电量形式。
分压电路：
差动电路：
用于差动式传感器信号的转换。
非差动桥式电路：
调频电路：
脉冲调宽电路：
12.减小放大器噪声及提高放大器工作稳定性的措施有哪些？
抑制放大器噪声的措施：
（1）压缩放大器带宽，滤除通带以外的各种噪声信号；
（2）减少信号源电阻，并尽量使其与放大器的等效噪声电阻相等，以实现噪声阻抗匹配；
（3）选用低噪声放大器件，以减少噪声的产生；
（4）减少接线电缆电容的影响以及各种干扰因素的影响。
提高放大器稳定性的措施：
（1）采用具有高稳定度的无源元件或引入直流负反馈来稳定静态工作点；
（2）采用集成运算放大器及深度负反馈来稳定放大倍数；
（3）采用电容和电阻进行相位补偿，以消除由寄生电容或其他寄生耦合所引起的自激震荡；
（5）采取散热与均热措施，以保证温度稳定，减小热漂移。
13.高输入阻抗放大器、高共模抑制比放大器的作用是什么？
高输入阻抗放大器：
与传感器电路或基本转换电路相匹配，希望放大器具有较高的输入阻抗。
高共模抑制比放大器：
在对两被测信号的差值进行放大的同时，抑制来自环境的共模干扰。
14.在检测系统中，为何常对传感器信号进行调制？
常用的调制方法有哪些？
其含义分别是什么？
在检测系统中，进入检测电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。
而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是检测系统的一项重要任务。
为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，因此进行调制。
信号调制就是用一个信号（调制信号）去控制另一作为载体的信号（载波信号），【或者将基带信号加载到载波信号上的过程】让后者的某一参数（幅值、频率、相位、脉冲宽度等）按前者的值变化。
目的：
把信号加载到载波上发送出去
幅值调制：
让一个具有特定角频率的高频信号的幅值随被测量x而变化。
高频信号为载波信号，被测量x为调制信号。
相位调制：
让一个具有特定角频率的高频载波信号的相位随着被测量x而变化。
频率调制：
让一个高频震荡的载波信号的频率随着被测量x而变化。
15.什么是调制信号？
什么是载波信号？
什么是已调制信号？
调制信号：
被测信号
载波信号：
用一个频率较高、波长较短的正弦信号作为发射基带信号的载体，该信号称为载波信号。
已调制信号：
调制之后的信号，即携带有调制信号的载波信号，其幅值、相位、频率随被测信号变化的信号。
16.对调幅波进行解调的方法有哪几种？
各是如何实现的？
包络检波：
利用二极管等具有单向导电性能的器件，截去条幅信号的下半部，再用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化的调制信号。
相敏检波：
包络检波有两个问题：
一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。
第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。
对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。
为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。
17.什么是低通、高通、带通、带阻滤波器？
各自的通频带如何？
带宽如何确定？
对于低通滤波器，带宽指其通频带宽度；
对于高通或带阻滤波器，带宽指其阻带宽度。
18.滤波器的基本参数有哪些？
分别是什么含义？
提高滤波器的阶次会带来什么好处和问题？
19.图示RC低通、高通、带通滤波器，给出它们的传递函数及幅相频率特性。
20.什么是增量码信号？
什么是细分？
什么是辨向？
增量码信号：
指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。
将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，每一个脉冲都进行增量计算。
细分，需要测量比栅距更小的位移量，为了提高分辨率。
辨向，根据传感器的输出信号判别移动的方向，即判断是正向移动还是反向移动，是顺时针旋转还是逆时针旋转。
21.什么是伺服系统？
图示说明伺服系统的构成。
伺服系统有哪些种类？
伺服系统：
能够跟踪输入的指令信号动作，从而获得精确的位置、速度、或力输出的自动控制系统。
位置/速度/力伺服系统
电气/液压/气动伺服系统
开环/闭环/半闭环伺服系统
22.试从结构、成本、稳定性和精度方面，分析开环、闭环和半闭环控制的伺服系统的特点及应用场合？
开环伺服系统中无检测反馈元件，结构简单，但精度低。
闭环伺服系统直接对输出量进行检测和反馈，并根据输出量对输入量的实际偏差进行控制，因而精度高，但结构复杂、成本高。
半闭环伺服系统的检测反馈元件位于机械执行装置的中间某个部位，将大部分机械构件封闭在反馈控制环之外，性能介于开环和闭环伺服系统之间。
23.伺服系统的性能指标有哪些？
这些性能指标的好坏各受哪些因素影响？
各是如何影响的？
稳定性：
当作用在系统上的扰动信号小时候，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。
伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界作用信号（包括指令信号和扰动信号）的性质或形式无关。
精度：
指其输出量复现输入指令信号的精确程度。
伺服系统工作过程中存在三种误差，动态误差、稳态误差、静态误差。
影响精度因素很多，就系统的组成元件本身误差来讲，有传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。
从构成原理讲，无论多么精密的元器件都存在稳态误差。
快速响应性，一指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的快速程度，二指动态响应过程结束的快速程度。
取决于阻尼比，阻尼比小则响应快。
24.伺服系统动态误差、稳态误差、静态误差的含义分别是什么？
影响这些误差的因素各有哪些？
动态响应过程中输出量与输入量之间的偏差称为系统的动态误差。
在动态响应过程结束后，即在振荡完全衰减之后，输出量对输入量的偏差可能会继续存在，这个偏差称为系统的稳态误差。
静态误差指由系统组成元件本身的误差及干扰信号所引起的系统输出量对输入量的偏差。
25.步进电动机有哪几种？
每种是如何构成的？
各有何特点？
步进电机分三种：
永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）
永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；
反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
26.步进电动机三相单三拍、三相双三拍、三相六拍通电方式是什么含义？
某五相步进电动机，其转子有4个齿，通电方式为AB®
ABC®
BC®
BCD®
CD®
×
，其步距角为多少？
27.图示说明直流伺服电动机的机械特性与调速特性。
试根据机械特性曲线，分析当负载转矩不变时，直流伺服电动机的调压调速过程。
28.影响直流伺服电动机静态特性的因素有哪些？
功放电路对机械特性的影响，直流伺服电动机是由功放电路供电，功放电路必然存在内阻，因而加在电枢绕组两端的电压并不等于控制电压。
2、直流伺服电动机内部的摩擦对调速特性的影响，实际的直流伺服电动机内部存在摩擦，电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩，因而启动电压不可能为零。
3、负载变动对调节特性的影响，实际伺服系统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，由于负载变动将导致调节特性的非线性。
29.试分析电枢电路内阻Ra、转子与负载转动惯量J对直流伺服电动机动态特性（tj、td、wn、x）的影响。
30.直流伺服电动机是几阶系统？
如何使直流伺服电动机既可加快过渡过程，又不至于引起振荡？
二阶系统，通过加大力矩-惯量比的方法即可加快过渡过程，又不至于引起振荡。
31.丝杠-工作台的纵振系统与扭振系统各是几阶系统？
影响其动态特性的参数主要有哪几个？
纵振系统是二阶振荡系统，影响动态性能参数有固有频率和阻尼比。
其中当系统有一定超调时，可取系统阻尼比为0.4-0.8使系统在输入信号变化或有外界扰动输入时，其输出响应可以较快达到稳定值，当系统不允许有任何超调时可取阻尼比=1，使系统输出响应不出现振荡。
加大系统无阻尼固有频率，可加快系统的响应速度，有利于避开输入信号频率范围，防止共振产生。
扭振系统是二阶系统，影响系统动态特性主要有系统惯性、刚度和阻尼。
一般在设计机械系统时，应注意增大刚度，减少惯性，以提高固有频率，但惯性不是越小越好。
较大的系统阻尼不利于定位精度的提高、降低系统的快速响应性，但可提高系统的稳定性，减少过渡过程的超调量，并降低振动响应的幅值。
32.伺服系统中为何要进行惯量匹配？
怎样实现惯量匹配？
电动机轴上的总当量负载转动惯量与电动机轴自身转动惯量的比值应控制在一定范围内，既不能太大，也不应太小，如果太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，使伺服系统的综合能力变差，或给控制系统设计造成困难。
如果该比值太小，说明电动机选择或传动系统设计不太合理，经济性较差，为使系统达到合理的匹配，进行惯量匹配。
应将该比值控制在所规定的范围。
33.控制系统有哪些种类？
按是否有被控对象状态的函数，分为顺序控制（依据时间、逻辑、条件等顺序决定被控对象的运行步骤）和反馈控制（依据被控对象的运行状态决定对象的变化趋势）
按系统输出的变化规律，分为镇定控制系统（在外界干扰作用下使系统输出基本保持为常量）、程序控制系统（在外界条件作用下系统的输出按预定程度变化）和随动系统（系统的输出能相应于输入在较大范围内按任意规律变化）
所处理的信号形式，分为连续控制（信号以连续的模拟信号形式被处理和传递）和离散控制（主要采用计算机对数字信号进行处理）
被控对象自身的特性，分成线性系统与非线性系统，确定系统与随机系统、集中参数系统与分布参数系统、时变系统与时不变系统。
34.建立被控对象数学模型的方法有哪些？
各方法的思想分别是什么？
各有什么特点？
分析法和实验法。
分析法：
将复杂的对象按其结构分解成若干独立的单元或组合，每一个单元或组合又进一步分解成元件或环节，根据每一环节所遵循的物理、化学规律或被控对象的特点，用数学分析方法分别写出各自的运动规律方程式，然后将这些方程式按系统的结构原理和相互作用关系联立起来，从而得到以方程式或方程组表达的整个被控对象的数学模型。
特点：
可反映被控对象的本质，有较大范围的适应性。
实验法：
在实测系统输入和输出对应数据的基础上，分析其内在规律，建立一个与所测系统等效的数学模型。
35.什么是z变换？
给出其表达式及实现的步骤。
连续信号f（t）的z变换实质上就是离散信号f*（t）的拉氏变换，只不过在f*（t）的拉氏变换式中采用了z=esT的代换。
36.实现z变换的方法有哪几种？
给出z变换的滞后定理与超前定理的表达式，这两个定理的含义分别是什么？
定义法和查表法。
37.z反变换的含义是什么？
实现z反变换的方法有哪几种？
根据z变换函数反求出原来的采样函数，记为f（kT）=f*（t）=Z-1[F（z）]在微机控制系统中，实际的控制过程都是在时域内进行的，控制算法及程序是按差分方程设计的。
因此，在采用z变换方法对控制系统进行分析、求解并设计出合适的控制器后，还要通过z反变换的方法将z平面上的解转换回时域内，以得到一个脉冲序列或差分方程。
幂级数展开法，将z变换函数展开成幂级数形式。
部分分式法，当F（z）是有理分式时，先将其分解成部分分式之和。
长除法。
38.z传递函数的含义是什么？
连续系统离散化的方法有哪几种？
其思想分别是什么？
在输入和输出的初始条件均为零的情况下，一个环节或系统的输出脉冲序列（即输出采样信号）y*（t）的z变换Y（z）与输入脉冲序列（即输入采样信号）x*（t）的z变换X（z）之比，称为该环节或系统的z传递函数，表达为：
脉冲响应不变法，基于系统对单位脉冲信号的响应的拉氏变换或z变换在形式上与系统的拉氏传递函数或z传递函数一致。
零阶保持器法，采样保持电路又叫零阶保持器，其输入是各采样时刻的脉冲信号，输出是由持续时间等于采样周期的脉冲响应组成的分段连续信号。
双线性变换法，基于梯形法数值积分原理来实现连续系统离散化。
39.离散系统的稳定性条件是什么？
图示说明该稳定条件的获得过程。
离散系统在时域内常用差分方程来描述，如果差分方程的解是收敛的，该系统就是稳定的，否则就是不稳定的。
离散系统的稳定性可用其z传递函数的特征来判别。
离散系统在z平面上的稳定性条件可由连续系统在s平面上的稳定性条件转化而来。
稳定性条件：
闭环Z传递函数的所有极点
40.PID控制中P、I、D各有什么好的、不好的作用？
常用的PID控制规律有哪几种？
P、I、D三种控制规律可以单独应用，也可以组合起来应用。
比例控制：
主要用于加强系统的调节作用；
提高增益可减小稳态误差，但不能消除稳态误差。
比例积分控制：
既可保证系统快速响应性，又可消除系统稳态误差，使系统稳态和瞬态特性得到改善，但对系统稳定性无改善。
比例微分控制：
缩短动态响应过渡过程，使系统稳定性和动态精度都得到提高；
对具有较大容量滞后的系统具有显著的控制效果，但不能消除稳态误差。
比例微分积分控制：
兼有三种控制规律的优点，可使系统稳定性、动态性能和稳态性能均得到改善。
41.PID算法有哪几种？
各应用在什么场合？
PID位置控制算式。
可设计计算机控制程序
增量式PID算法
42.PID控制器参数的工程整定法有哪几种？
各方法是如何实现的？
怎样合理地确定PID控制器中的采样周期？
1、过渡过程响应法，对被控对象进行测试实验。
2、临界稳定测量法，选定足够短的采样周期，取τi=∞，τd=0，对被控对象施加比例控制，逐渐加大增益K，使对象出现等幅临界振荡，测量并记录临界增益Kpmax和振荡周期Tp。
选择原则1、当系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取高，使给定值的变化得到迅速响应。
2、当被控对象变化缓慢时（如热工、化工过程），采样周期可取大；
当被控对象是快速系统时，采样周期应取小。
3、当执行机构惯性较大时，采样周期可取大。
4、当系统中控制回路较多时，考虑到控制程序的执行时间，采样周期可取大。
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