2025年大學(xué)第一學(xué)年（機(jī)械電子工程）機(jī)電系統(tǒng)控制試題及答案

（考試時(shí)間：90分鐘滿分100分）班級(jí)______姓名______第I卷（選擇題，共40分）答題要求：本卷共8小題，每小題5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)電系統(tǒng)中，反饋控制的核心作用是（）A.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性B.增加系統(tǒng)復(fù)雜性C.降低系統(tǒng)精度D.減少系統(tǒng)響應(yīng)速度2.以下哪種傳感器不屬于機(jī)電系統(tǒng)中常用的位置傳感器（）A.光柵尺B.熱電偶C.磁柵D.光電編碼器3.PID控制器中，積分環(huán)節(jié)的作用是（）A.加快系統(tǒng)響應(yīng)速度B.消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差C.提高系統(tǒng)增益D.增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力4.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，強(qiáng)調(diào)的“一體化”不包括以下哪方面的融合（）A.機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)B.計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)C.光學(xué)技術(shù)與聲學(xué)技術(shù)D.軟件技術(shù)與硬件技術(shù)5.對(duì)于一個(gè)二階系統(tǒng)，其阻尼比ζ=0.5時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)特性為（）A.過(guò)阻尼B.欠阻尼C.臨界阻尼D.無(wú)阻尼6.機(jī)電系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的步距角精度主要取決于（）A.電機(jī)的功率B.電機(jī)的相數(shù)C.控制電路的精度D.負(fù)載的大小7.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是（）A.系統(tǒng)穩(wěn)定性好B.能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)影響C.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低D.控制精度高8.在機(jī)電系統(tǒng)中，常用的數(shù)字濾波方法不包括（）A.算術(shù)平均濾波B.加權(quán)平均濾波C.中值濾波D.模擬濾波第II卷（非選擇題，共60分）二、填空題（共15分）答題要求：請(qǐng)?jiān)跈M線上填寫(xiě)正確答案，每空1分。1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大組成要素是機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、______和______。2.傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)主要有線性度、______、______、重復(fù)性和零點(diǎn)輸出。3.直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有改變電樞電壓調(diào)速、______調(diào)速和______調(diào)速。4.機(jī)電系統(tǒng)中常用的控制算法有PID控制、______控制、______控制等。5.閉環(huán)控制系統(tǒng)是基于______原理工作的，通過(guò)______將輸出量反饋到輸入端與輸入量進(jìn)行比較。三、簡(jiǎn)答題（共20分）答題要求：簡(jiǎn)要回答問(wèn)題，每題5分。1.簡(jiǎn)述機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。2.說(shuō)明傳感器在機(jī)電系統(tǒng)中的作用。3.分析開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。4.簡(jiǎn)述PID控制器的工作原理及各參數(shù)的作用。四、綜合分析題（共15分）答題要求：閱讀以下材料，回答問(wèn)題。材料：某機(jī)電系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求實(shí)現(xiàn)速度穩(wěn)定控制。已知該直流電動(dòng)機(jī)的電樞電阻為R，電樞電感為L(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)為Kt，反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為Ke，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL。系統(tǒng)采用PID控制器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，PID控制器的比例系數(shù)為Kp，積分系數(shù)為Ki，微分系數(shù)為Kd。1.請(qǐng)畫(huà)出該機(jī)電系統(tǒng)的速度控制系統(tǒng)原理圖，并標(biāo)注各部分名稱。（5分）2.推導(dǎo)該直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程。（5分）3.分析PID控制器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)速度控制的影響。（5分）五、設(shè)計(jì)題（共10分）答題要求：根據(jù)題目要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)電一體化溫度控制系統(tǒng)，要求采用熱電偶作為溫度傳感器，PID控制器進(jìn)行控制，電加熱器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一空間溫度的精確控制。請(qǐng)說(shuō)明系統(tǒng)的工作原理、組成部分及各部分的作用。答案：第I卷答案1.A2.B3.B4.C5.B6.C7.C8.D第II卷答案二、填空題答案1.檢測(cè)與傳感部分、控制及信息處理單元2.靈敏度、遲滯3.改變電樞回路電阻、弱磁4.模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制5.負(fù)反饋、檢測(cè)裝置三、簡(jiǎn)答題答案1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：整體性、相關(guān)性、層次性、目的性、環(huán)境適應(yīng)性。2.傳感器在機(jī)電系統(tǒng)中的作用：感受被測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，為系統(tǒng)提供原始信息，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。3.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)：控制精度低，不能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)影響。閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，能自動(dòng)補(bǔ)償擾動(dòng)影響；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、穩(wěn)定性相對(duì)較差。4.PID控制器工作原理：根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值的偏差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量。比例系數(shù)Kp加快系統(tǒng)響應(yīng)速度但可能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；積分系數(shù)Ki消除穩(wěn)態(tài)誤差但可能使系統(tǒng)響應(yīng)變慢；微分系數(shù)Kd改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，抑制超調(diào)。四、綜合分析題答案1.原理圖：直流電源經(jīng)PID控制器控制直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)軸上帶測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)到輸入端，標(biāo)注出直流電源、PID控制器、直流電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)。2.機(jī)械特性方程推導(dǎo)：由電動(dòng)機(jī)基本方程E=Ken，T=KtI，U=E+IR，可得T=(U-Ken)/RKt-TL。3.比例環(huán)節(jié)加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，增大Kp可減小穩(wěn)態(tài)誤差但可能使系統(tǒng)超調(diào)增大；積分環(huán)節(jié)消除穩(wěn)態(tài)誤差，增大Ki可加快消除穩(wěn)態(tài)誤差速度但可能使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；微分環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，增大Kd可抑制超調(diào)但可能使系統(tǒng)抗干擾能力下降。五、設(shè)計(jì)題答案工作原理：熱電偶將溫度轉(zhuǎn)換