2025年大學第四學年（機電系統(tǒng)設計）開發(fā)技術階段測試題及答案

（考試時間：90分鐘滿分100分）班級______姓名______第I卷（選擇題共30分）（總共10題，每題3分，每題只有一個選項符合題意，請將正確答案填在括號內(nèi)）1.機電一體化系統(tǒng)中，機械傳動部件的作用不包括以下哪一項（）A.傳遞動力B.改變運動形式C.提高系統(tǒng)精度D.存儲能量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.編碼器D.超聲波傳感器3.機電一體化系統(tǒng)設計中，可靠性設計的核心是（）A.提高系統(tǒng)的平均無故障工作時間MTBFB.降低系統(tǒng)的故障率C.采用冗余設計D.進行故障診斷與預測4.步進電機的步距角精度主要取決于（）A.電機的制造精度B.驅(qū)動電源的性能C.負載的大小D.控制系統(tǒng)的算法5.在機電一體化系統(tǒng)中，PID控制器的作用是（）A.比例調(diào)節(jié)B.積分調(diào)節(jié)C.微分調(diào)節(jié)D.以上都是6.以下哪種總線常用于工業(yè)控制領域（）A.USB總線B.RS-232總線C.CAN總線D.PCI總線7.機電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的選擇應考慮的因素不包括（）A.負載特性B.運動速度C.控制方式D.外觀尺寸8.智能控制系統(tǒng)的特點不包括（）A.學習能力B.自適應能力C.自組織能力D.確定性9.以下哪種軟件不屬于機電一體化系統(tǒng)開發(fā)中的輔助軟件（）A.CAD軟件B.CAM軟件C.PLC編程軟件D.MATLAB軟件10.機電一體化系統(tǒng)設計的總體目標不包括（）A.高性能B.高可靠性C.低成本D.高能耗第II卷（非選擇題共70分）11.（10分）簡述機電一體化系統(tǒng)的組成部分及其相互關系。12.（15分）某機電一體化系統(tǒng)需要設計一個速度控制系統(tǒng)，已知被控對象的傳遞函數(shù)為G(s)=1/(s(0.1s+1))，要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.01，超調(diào)量小于20%。請設計一個合適的PID控制器，并說明設計過程。13.（15分）在機電一體化系統(tǒng)中，如何提高系統(tǒng)的可靠性？請列舉至少三種方法并簡要說明。14.（15分）閱讀以下材料：隨著智能制造的發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛。某工廠采用了一套機電一體化的自動化生產(chǎn)線，包括機器人、傳送帶、傳感器等設備。該生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的自動加工、裝配和檢測。然而，在運行過程中，發(fā)現(xiàn)機器人的定位精度有時會出現(xiàn)偏差，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)是由于傳感器的數(shù)據(jù)采集不準確導致的。問題：請分析可能導致傳感器數(shù)據(jù)采集不準確的原因，并提出相應的解決措施。15.（15分）請設計一個簡單的機電一體化系統(tǒng)，如自動售貨機。要求說明系統(tǒng)的功能、組成部分以及各部分之間的工作原理。答案：1.D2.D3.A4.A5.D6.C7.D8.D9.C10.D11.機電一體化系統(tǒng)主要由機械本體、動力系統(tǒng)、執(zhí)行機構、傳感器、控制器和接口等部分組成。機械本體是系統(tǒng)的基礎支撐結構；動力系統(tǒng)提供能量；執(zhí)行機構實現(xiàn)各種運動；傳感器檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)等信息；控制器對傳感器反饋的信息進行處理并發(fā)出控制指令；接口則用于各部分之間的連接與通信。各部分相互協(xié)作，機械本體為其他部分提供安裝基礎，動力系統(tǒng)為執(zhí)行機構提供動力，執(zhí)行機構在控制器的指揮下完成動作，傳感器將運行信息反饋給控制器，控制器根據(jù)反饋調(diào)整控制策略，接口保證各部分之間能準確傳遞信息和能量，共同實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。12.首先，根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差要求，采用PI控制器。設PI控制器的傳遞函數(shù)為Gc(s)=Kp+Ki/s。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gk(s)=Gc(s)G(s)=(Kp+Ki/s)×1/(s(0.1s+1))。由穩(wěn)態(tài)誤差公式ess=1/(1+Kv)，其中Kv為速度誤差系數(shù)，對于PI控制器，Kv=Ki/0.1。要使ess<0.01，則Ki/0.1>99，取Ki=10。然后，根據(jù)超調(diào)量要求，通過調(diào)節(jié)Kp來實現(xiàn)。利用二階系統(tǒng)的超調(diào)量公式σ%=e^(-ζπ/√(1-ζ2))×100%，其中ζ為阻尼比。通過試湊法，調(diào)節(jié)Kp使ζ在合適范圍內(nèi)，最終確定合適的Kp值，從而設計出滿足要求的PID控制器。13.提高系統(tǒng)可靠性的方法有：一是采用冗余設計，如硬件冗余（備份部件），當主部件故障時備份部件能及時投入工作；二是進行故障診斷與預測，利用傳感器和診斷算法實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)潛在故障并預警；三是優(yōu)化系統(tǒng)結構，減少不必要的環(huán)節(jié)和復雜度，降低故障發(fā)生概率；四是選用高可靠性的元器件，提高單個部件的可靠性；五是加強系統(tǒng)的抗干擾能力，通過屏蔽、濾波等措施減少外界干擾對系統(tǒng)的影響。14.可能導致傳感器數(shù)據(jù)采集不準確的原因有：傳感器老化，性能下降；安裝位置不當，未對準檢測目標；環(huán)境干擾，如電磁干擾、溫度變化等影響傳感器工作；傳感器與控制器之間的通信線路故障。解決措施：定期檢查和更換老化傳感器；重新調(diào)整傳感器安裝位置，確保準確檢測；采取屏蔽措施減少電磁干擾，對溫度變化大的環(huán)境進行溫度補償；檢查通信線路，修復或更換故障線路。15.自動售貨機功能：能展示商品、接受貨幣或其他支付方式、出貨并找零。組成部分：機械結構（貨柜、出貨裝置等）、控制系統(tǒng)（單片機等）、支付識別系統(tǒng)（掃碼器