機(jī) 電 傳 動(dòng) 控 制習(xí)題解答機(jī)械工程學(xué)院 郝昕玉習(xí)題集及解答第1章 概 述1-1什么是機(jī)電傳動(dòng)控制？機(jī)電傳動(dòng)與控制的發(fā)展各經(jīng)歷了哪些階段?答：從廣義上講，機(jī)電傳動(dòng)控制就是要使生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備、生產(chǎn)線、車間甚至整個(gè)工廠都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；具體地講，就是以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)、停止及調(diào)速，滿足各種生產(chǎn)工藝過程的要求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化因此，機(jī)電傳動(dòng)控制，既包含了拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)，又包含了控制電動(dòng)機(jī)的一整套控制系統(tǒng)例如，一些精密機(jī)床要求加工精度達(dá)百分之幾毫米，甚至幾微米，重型鏜床為保證加工精度和控制粗糙度，要求在極慢的穩(wěn)速下進(jìn)給，即要求在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速；軋鋼車間的可逆式軋機(jī)及其輔助機(jī)械，操作頻繁，要求在不到一秒鐘時(shí)間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過程，即要求能迅速地啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；對(duì)于電梯和提升機(jī)則要求啟動(dòng)和制動(dòng)平穩(wěn)、并能準(zhǔn)確地停止在給定的位置上；對(duì)于冷、熱連軋機(jī)以及造紙機(jī)的各機(jī)架或分部，則要求各機(jī)架或各分部的轉(zhuǎn)速保持一定的比例關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)；為了提高效率，由數(shù)臺(tái)或數(shù)十臺(tái)設(shè)備組成的生產(chǎn)自動(dòng)線，要求統(tǒng)一控制和管理諸如此類的要求.都是靠電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)的。

它主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：最早的機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)韌，它僅借助于簡(jiǎn)單的接觸器與繼電器等控制電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的啟動(dòng)、停車以及有級(jí)調(diào)速等控制，它的控制速度慢，控制精度差，30年代出現(xiàn)了電機(jī)放大機(jī)控制，它使控制系統(tǒng)從斷續(xù)控制發(fā)展到連續(xù)控制，連續(xù)控制系統(tǒng)可隨時(shí)檢查控制對(duì)象的工作狀態(tài)，并根據(jù)輸出且與給定量的偏差對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，它的快速性及控制精度都大大超過了最初的斷續(xù)控制，并簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，減少了電路中的觸點(diǎn)，提高了可靠性，使生產(chǎn)效率大力提高；40年代～50年代出現(xiàn)了磁放大器控制和大功率可控水銀整流器控制；可時(shí)隔不久，于50年代末期出現(xiàn)了大功率固體可控整流元件——晶閘管，很快晶閘管控制就取代了水銀整流器控制，后又出現(xiàn)了功率晶體管控制，由于晶體管、晶閘管具有效率高、控制特性好、反應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、可靠性高、維護(hù)容易、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，它的出現(xiàn)為機(jī)電傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)開辟了新紀(jì)元；隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用特別是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，又使控制系統(tǒng)發(fā)展到一個(gè)新階段——采樣控制，它也是一種斷續(xù)控制，但是和最初的斷續(xù)控制不同，它的控制間隔(采樣周期)比控制對(duì)象的變化周期短得多，因此，在客觀上完全等效于連續(xù)控制，它把晶閘管技術(shù)與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，使晶體管與晶閘管控制具有強(qiáng)大的生命力。

20世紀(jì)70年代韌，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心，這不僅加強(qiáng)了自動(dòng)化程度，而且提高了機(jī)床的通用性和加工效率，在生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的誕生，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工全盤自動(dòng)化創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)，80年代以來，出現(xiàn)了由數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)搬運(yùn)車等組成的統(tǒng)一由中心計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械加工自動(dòng)線——柔性制造系統(tǒng)(FMS)，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化車間和自動(dòng)化工廠的重要組成部分機(jī)械制造自動(dòng)化高級(jí)階段是走向設(shè)計(jì)、制造一體化，即利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的完整系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品構(gòu)思和設(shè)計(jì)直至裝配、試驗(yàn)和質(zhì)量管理這一全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化為了實(shí)現(xiàn)制造過程的高效率、高柔性、高質(zhì)量，研制計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)(CIMS)是人們今后的任務(wù)1-2機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)有哪五大基本要素?各具有什么功能？答：雖然隨著機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的要求不同，其控制系統(tǒng)也不同但是歸納起來，它們通常是由五大要素與功能組成的，即由機(jī)械裝置（結(jié)構(gòu)功能）、執(zhí)行裝置（驅(qū)動(dòng)功能和能量轉(zhuǎn)換功能）、傳感器與檢測(cè)裝置（檢測(cè)功能）、動(dòng)力源（運(yùn)轉(zhuǎn)功能）、信息處理與控制裝置（控制功能）五部分組成，如圖1-1所示1.機(jī)械裝置（結(jié)構(gòu)功能）機(jī)械是由機(jī)械零件組成的、能夠傳遞運(yùn)動(dòng)并完成某些有效工作的裝置。

機(jī)械由輸入部分、轉(zhuǎn)換部分、傳動(dòng)部分、輸出部分及安裝固定部分等組成通用的傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零件有齒輪、齒條、鏈輪、蝸輪、帶、帶輪、曲柄及凸輪等兩個(gè)零件互相接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)就形成了運(yùn)動(dòng)副由若干運(yùn)動(dòng)副組成的具有確定運(yùn)動(dòng)的裝置稱為機(jī)構(gòu)就傳動(dòng)而言，機(jī)構(gòu)就是傳動(dòng)鏈為了實(shí)現(xiàn)機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)整體最佳的目標(biāo)，從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面來考慮，傳動(dòng)鏈越短越好因?yàn)樵趥鲃?dòng)副中存在“間隙非線性”，根據(jù)控制理論的分析，這種間隙非線性會(huì)影響系傳感器與檢測(cè)裝置（檢測(cè)功能）信息處理與控制裝置（控制功能）動(dòng)力源（運(yùn)轉(zhuǎn)功能）執(zhí)行裝置（驅(qū)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換功能）機(jī)械裝置（結(jié)構(gòu)功能）能）圖1-1 控制系統(tǒng)五大要素與功能統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性另外，傳動(dòng)件本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性在數(shù)控機(jī)床中之所以存在“半閉環(huán)控制”，其原因就在于此據(jù)引，提出了“軸對(duì)軸傳動(dòng)（d-d傳動(dòng)）”，如電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)機(jī)床的主軸，軸就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，從而出現(xiàn)了各種電主軸這對(duì)執(zhí)行裝置提出了更高的要求：如機(jī)械裝置、執(zhí)行裝置及驅(qū)動(dòng)裝置之間的協(xié)調(diào)與匹配問題必須保留一定的傳動(dòng)件時(shí)，應(yīng)在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，力求傳動(dòng)裝置細(xì)、小、巧，這就要求采用特種材料和特種加工工藝2.執(zhí)行裝置（驅(qū)動(dòng)功能和能量轉(zhuǎn)換功能）執(zhí)行裝置包括以電、氣壓和液壓等作為動(dòng)力源的各種元器件及裝置。

例如，以電作為動(dòng)力源的直流電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、變頻三相交流電動(dòng)機(jī)、三相交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、比例電磁鐵、電磁粉末離合器/制動(dòng)器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及電磁泵等；以氣壓作為動(dòng)力源的氣動(dòng)馬達(dá)和氣缸；以油壓作為動(dòng)力源的液壓馬達(dá)和液壓缸等選擇執(zhí)行裝置時(shí)，要考慮執(zhí)行裝置與機(jī)械裝置之間的協(xié)調(diào)與匹配，如在需要低速、大推力或大扭矩的場(chǎng)合下，可考慮選用液壓缸或液壓馬達(dá)為了實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制系統(tǒng)整體最佳的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)要素之間的最佳匹配，已經(jīng)研制出將電動(dòng)機(jī)與專用控制芯片、傳感器或減速器等合為一體的裝置，如德國西門子公司的變頻器與電動(dòng)機(jī)一體化的高頻電機(jī)，日本東芝公司的電動(dòng)機(jī)和傳感器一體化的永磁電動(dòng)機(jī)等近年來，出現(xiàn)了許多新型執(zhí)行裝置，如壓電執(zhí)行器、超聲波執(zhí)行器、靜電執(zhí)行器、機(jī)械化學(xué)執(zhí)行器、光化學(xué)執(zhí)行器、磁伸縮執(zhí)行器、磁性液體執(zhí)行器、形狀記憶合金執(zhí)行器等特別是一些微型執(zhí)行器的出現(xiàn)，如直徑為0.1mm的靜電執(zhí)行器，這些新的機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了微電子機(jī)械的發(fā)展3.傳感器與檢測(cè)裝置（檢測(cè)功能）傳感器是從被測(cè)對(duì)象中提取信息的器件，用于檢測(cè)機(jī)電控制系統(tǒng)工作時(shí)所要監(jiān)視和控制的物理量、化學(xué)量和生物量。

大多數(shù)傳感器是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于顯示和構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字化、集成化和智能化為了實(shí)現(xiàn)機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的整體優(yōu)化，在選用或研制傳感器時(shí)，要考慮傳感器與其他要素之間的協(xié)調(diào)與匹配例如，集傳感檢測(cè)、變送、信息處理及通信等功能為一體的智能化傳感器，已廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)總線控系統(tǒng)4.動(dòng)力源（運(yùn)轉(zhuǎn)功能）動(dòng)力或能源是指驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的“電源”、驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的液壓源和驅(qū)動(dòng)氣壓系統(tǒng)的氣壓源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)常用的“電源”包括直流調(diào)速器、變頻器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等液壓通常稱為液壓站，氣壓通常稱為空壓站使用時(shí)應(yīng)注意動(dòng)力與執(zhí)行器、機(jī)械部分的匹配5.信息處理與控制裝置（控制功能）機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是信息處理與控制機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)部分必須以控制論為指導(dǎo)，由控制器（繼電器、可編程控制器、微處理器、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)等）實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)與匹配，使整體處于最優(yōu)工況，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能在現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品中，機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中控制部分的成本已占總成本的50%特別是近年來微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前，越來越多的控制器使用具有微處理器、計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)，輸入/輸出、通信功能也越來越大1-3什么叫開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)？答：輸出量只受輸入量控制的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。

輸出量同時(shí)受輸入量和輸出量控制，即輸出量對(duì)系統(tǒng)有控制作用，這種存在反饋回路的系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)那些以交、直流伺服電動(dòng)機(jī)的角位移作為輸出量，用圓光柵作為反饋元件的系統(tǒng)則稱為半閉環(huán)系統(tǒng)目前使用中的CNC機(jī)床絕大多數(shù)均為半閉環(huán)控制系統(tǒng)1-4機(jī)電一體化傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？答：機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)是由相互制約的五大要素組成的具有一定功能的整體，不但要求每個(gè)要素具有高性能和高功能，更強(qiáng)調(diào)它們之間的協(xié)調(diào)與配合，以便更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能特別是在機(jī)電一體化傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，存在著機(jī)電有機(jī)結(jié)合如何實(shí)現(xiàn)，機(jī)、電、液傳動(dòng)如何匹配，機(jī)電一體化系統(tǒng)如何進(jìn)行整體優(yōu)化等問題，以達(dá)到系統(tǒng)整體最佳的目標(biāo)機(jī)電一體化傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有如下幾種：1.模塊化設(shè)計(jì)方法機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)由相互制約的五大要素的功能部件組成，也可以設(shè)計(jì)成由若干功能子系統(tǒng)組成，而每個(gè)功能部件或功能子系統(tǒng)又包含若干組成要素這些功能部件或功能子系統(tǒng)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，就成為功能模塊每一個(gè)功能模塊可視為一個(gè)獨(dú)立體，在設(shè)計(jì)時(shí)只需了解其性能規(guī)格，按其功能來選用，而無須了解其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)2.柔性化設(shè)計(jì)方法將機(jī)電一體化產(chǎn)品或系統(tǒng)中完成某一功能的檢測(cè)傳感元件、執(zhí)行元件和控制器作成機(jī)電一體化的功能模塊，如果控制器具有可編程的特點(diǎn)，則該模塊就成為柔性模塊。

3.取代設(shè)計(jì)方法取代設(shè)計(jì)又稱為機(jī)電互補(bǔ)設(shè)計(jì)方法該方法的主要特點(diǎn)是利用通用或?qū)Ｓ秒娮悠骷〈鷤鹘y(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品中的復(fù)雜機(jī)械部件，以便簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，獲得更好的功能和特性4.融合設(shè)計(jì)方法融合設(shè)計(jì)方法是把機(jī)電一體化產(chǎn)品的某些功能部件或子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成該產(chǎn)品所專用的用這種方法可以使該產(chǎn)品各要素和參數(shù)之間的匹配問題考慮得更充分、更合理、更經(jīng)濟(jì)、更能體現(xiàn)機(jī)電一體化的優(yōu)越性融合法還可以簡(jiǎn)化接口，使彼此融為一體5.系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)法是以優(yōu)化的工藝為主線，以控制理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為手段，以系統(tǒng)整體最佳為目標(biāo)的一種綜合設(shè)計(jì)方法第2章 機(jī)電傳動(dòng)控制的數(shù)學(xué)模型2-1 簡(jiǎn)述機(jī)電傳動(dòng)控制的數(shù)學(xué)建模的意義以及其數(shù)學(xué)模型的種類答：l.數(shù)學(xué)模型的概念及其建立意義數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述由于系統(tǒng)從初始狀態(tài)向新的穩(wěn)定狀態(tài)過渡過程中，系統(tǒng)中的各個(gè)變量都要隨時(shí)間而變化，因而在描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型中不僅會(huì)出現(xiàn)這些變量本身，而且也包含這些變量的各階導(dǎo)數(shù)，所以，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性方程式就是微分方程式，它是表示系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的最基本的形式在研究與分析一個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)時(shí)，不僅要定性地了解系統(tǒng)的工作原理及特性，而且還要定量地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

通過定量的分析與研究，找到系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系這樣，在系統(tǒng)不能按照預(yù)先期望的規(guī)律運(yùn)行時(shí)，便可通過對(duì)模型的分析，適當(dāng)?shù)馗淖兿到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使其滿足規(guī)定性能的要求另外，在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的過程中，對(duì)于給定的被控對(duì)象及其控制任務(wù)，可以借助數(shù)學(xué)模型來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，以構(gòu)成完整的系統(tǒng)這些都離不開數(shù)學(xué)模型2描述機(jī)電控制系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型常用的模型有：時(shí)域模型、復(fù)數(shù)域模型和頻域模型2-2 簡(jiǎn)述傳遞函數(shù)的物理含義與作用答：傳遞函數(shù)是在零初始條件下定義的控制系統(tǒng)的零初始條件有兩方面的含義： (1) 指輸入量是在≥0時(shí)才作用于系統(tǒng)，因此，在=時(shí)輸入量及其各階導(dǎo)數(shù)均為零； (2) 指輸入量加于系統(tǒng)之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)在=時(shí)的值也為零，現(xiàn)實(shí)的工程控制系統(tǒng)多屬此類情況 因此，傳遞函數(shù)可表征控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并可用來求解出輸入量給定時(shí)系統(tǒng)的零初始條件響應(yīng)2-3 求圖2-34所示電路網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)圖2-34 習(xí)題3圖2-4 求圖2-35所示機(jī)械平移系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并畫出它們的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-35 習(xí)題4圖第。