2025年大四（機(jī)械電子工程）機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)試題

（考試時(shí)間：90分鐘滿分100分）班級(jí)______姓名______第I卷（選擇題共30分）答題要求：本卷共10小題，每小題3分。在每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的。請(qǐng)將正確答案的序號(hào)填在括號(hào)內(nèi)。1.機(jī)電一體化系統(tǒng)中，機(jī)械本體的作用不包括（）A.支撐B.傳遞運(yùn)動(dòng)C.實(shí)現(xiàn)控制算法D.安裝其他部件2.以下哪種傳感器不屬于位置傳感器（）A.光柵尺B.磁電式傳感器C.光電編碼器D.超聲波傳感器3.步進(jìn)電機(jī)的步距角精度主要取決于（）A.電機(jī)的制造工藝B.驅(qū)動(dòng)電源的性能C.負(fù)載大小D.控制系統(tǒng)的精度4.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可靠性設(shè)計(jì)的目的是（）A.提高系統(tǒng)的性能B.降低系統(tǒng)的成本C.延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命D.減小系統(tǒng)的體積5.對(duì)于PID控制算法，積分環(huán)節(jié)的作用是（）A.加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度B.消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差C.改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性D.抑制系統(tǒng)的干擾6.以下哪種傳動(dòng)方式適用于高精度的傳動(dòng)場(chǎng)合（）A.齒輪傳動(dòng)B.鏈傳動(dòng)C.帶傳動(dòng)D.絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)7.機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心是（）A.機(jī)械本體B.傳感器C.控制器D.執(zhí)行機(jī)構(gòu)8.工業(yè)機(jī)器人的手部通常采用（）A.液壓驅(qū)動(dòng)B.氣壓驅(qū)動(dòng)C.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)D.以上都可以9.以下哪種編程語(yǔ)言常用于PLC編程（）A.C語(yǔ)言B.BASIC語(yǔ)言C.梯形圖D.匯編語(yǔ)言10.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的兼容性，以下說(shuō)法正確的是（）A.只需要考慮硬件之間的兼容性B.只需要考慮軟件之間的兼容性C.硬件和軟件都需要考慮兼容性D.不需要考慮兼容性第II卷（非選擇題共70分）二、填空題（共10分）答題要求：本大題共5小題，每小題2分。請(qǐng)?jiān)跈M線上填寫(xiě)正確答案。1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大組成要素是機(jī)械本體、______、______、______和______。2.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有______、______、______、______等。3.直流伺服電機(jī)的調(diào)速方法有______、______、______。4.常用的控制算法有______、______、______及其改進(jìn)算法。5.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則有______、______、______、______。三、簡(jiǎn)答題（共20分）答題要求：本大題共4小題，每小題5分。簡(jiǎn)要回答問(wèn)題。1.簡(jiǎn)述機(jī)電一體化系統(tǒng)中機(jī)械本體的設(shè)計(jì)要求。2.說(shuō)明傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用。3.簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)的工作原理。4.什么是PID控制算法，簡(jiǎn)述其三個(gè)參數(shù)的作用。四、分析題（共20分）答題要求：閱讀以下材料，回答問(wèn)題。材料：某機(jī)電一體化系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的位置信息，利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)位置的精確控制。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了位置超調(diào)現(xiàn)象。問(wèn)題：1.請(qǐng)分析位置超調(diào)可能的原因。（10分）2.針對(duì)位置超調(diào)問(wèn)題，提出改進(jìn)措施。（10分）五、設(shè)計(jì)題（共20分）答題要求：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)電一體化系統(tǒng)，用于控制一個(gè)工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)。要求：1.簡(jiǎn)述系統(tǒng)的工作原理。（5分）2.畫(huà)出系統(tǒng)的組成框圖，并說(shuō)明各部分的作用。（10分）3.說(shuō)明系統(tǒng)中主要部件的選型依據(jù)。（5分）答案：第I卷1.C2.D3.A4.C5.B6.D7.C8.B9.C10.C第II卷1.傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、接口2.精度、重復(fù)性、遲滯、分辨率3.調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速；減弱勵(lì)磁磁通調(diào)速；改變電樞回路電阻調(diào)速4.PID控制；模糊控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制5.機(jī)電互補(bǔ)原則；功能優(yōu)化原則；自動(dòng)化、省力化原則；效益最大原則三、簡(jiǎn)答題1.機(jī)械本體的設(shè)計(jì)要求包括：具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，以減小系統(tǒng)的體積重量降低成本；便于安裝調(diào)試維修和更換零部件；具有良好的動(dòng)態(tài)性能，如低慣量、高阻尼等，以適應(yīng)控制系統(tǒng)的要求。2.傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用：檢測(cè)系統(tǒng)的各種物理量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力等，并將這些物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；為控制器提供系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，以便控制器進(jìn)行分析和決策；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋控制，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。3.步進(jìn)電機(jī)的工作原理：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為步距角。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。4.PID控制算法是一種線性控制算法，由比例（P）、積分（I）微分（D）三個(gè)環(huán)節(jié)組成。比例環(huán)節(jié)的作用是成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差；積分環(huán)節(jié)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，它對(duì)偏差進(jìn)行積分，隨著時(shí)間的積累，積分項(xiàng)會(huì)逐漸增大，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差；微分環(huán)節(jié)的作用是反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。四、分析題1.位置超調(diào)可能的原因：比例系數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)于靈敏，容易出現(xiàn)超調(diào)；積分時(shí)間常數(shù)過(guò)小，積分作用過(guò)強(qiáng)，使得系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中容易出現(xiàn)過(guò)沖；微分時(shí)間常數(shù)過(guò)大，微分作用過(guò)強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)的干擾響應(yīng)過(guò)度，也可能導(dǎo)致超調(diào)；系統(tǒng)的固有頻率與控制頻率不匹配，引起共振，導(dǎo)致超調(diào)。2.改進(jìn)措施：適當(dāng)減小比例系數(shù)，降低系統(tǒng)的增益，使系統(tǒng)響應(yīng)更加平穩(wěn)；增大積分時(shí)間常數(shù)，減弱積分作用的強(qiáng)度，避免積分過(guò)強(qiáng)引起的超調(diào)；減小微分時(shí)間常數(shù)，減弱微分作用的強(qiáng)度，減少對(duì)干擾的過(guò)度響應(yīng)；調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，使系統(tǒng)的固有頻率與控制頻率錯(cuò)開(kāi)，避免共振。五、設(shè)計(jì)題1.系統(tǒng)工作原理：通過(guò)傳感器檢測(cè)工作臺(tái)的位置信息，并將其反饋給控制器?？刂破鞲鶕?jù)設(shè)定的目標(biāo)位置和反饋的實(shí)際位置，利用PID控制算法計(jì)算出控制量，驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)達(dá)到并保持在目標(biāo)位置。2.系統(tǒng)組成框圖：傳感器→控制器→功率放大器→直流伺服電機(jī)→工作臺(tái)。傳感器用于檢測(cè)工作臺(tái)的位置；控制器根據(jù)傳感器反饋的信息進(jìn)行PID控制算法運(yùn)算，輸出控制信號(hào)；功率放大器將控制器輸出的微弱信號(hào)放大，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)；直流伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)；工作臺(tái)是被控對(duì)象。3.主要部件選型依據(jù)：傳感器選擇光柵尺，因其精