2025年機(jī)電一體化真題測(cè)試考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題均有四個(gè)選項(xiàng)，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置。多選、錯(cuò)選、漏選均不得分。）1.機(jī)電一體化系統(tǒng)區(qū)別于一般機(jī)械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的核心特征是（）。A.高精度B.高速度C.自動(dòng)化與集成化D.高可靠性2.在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，用于檢測(cè)位移量，特別是微小位移量的常用傳感器是（）。A.溫度傳感器B.壓力傳感器C.光電編碼器D.流量傳感器3.對(duì)于需要快速響應(yīng)、定位精度要求高的場(chǎng)合，通常優(yōu)先選擇的執(zhí)行元件是（）。A.液壓馬達(dá)B.步進(jìn)電機(jī)C.伺服電機(jī)D.直流電機(jī)4.在經(jīng)典控制理論中，描述系統(tǒng)輸入輸出動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)工具是（）。A.狀態(tài)方程B.傳遞函數(shù)C.頻率響應(yīng)D.離散化方程5.具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，但低速運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)共振和步失步的執(zhí)行元件是（）。A.伺服電機(jī)B.步進(jìn)電機(jī)C.直流伺服電機(jī)D.交流伺服電機(jī)6.用于將傳感器檢測(cè)到的微弱信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)電路處理的信號(hào)的電路通常是（）。A.驅(qū)動(dòng)電路B.濾波電路C.信號(hào)調(diào)理電路D.功率放大電路7.在PLC系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)條件成立時(shí)執(zhí)行一段程序邏輯的功能指令是（）。A.聯(lián)鎖指令B.定時(shí)器指令C.計(jì)數(shù)器指令D.跳轉(zhuǎn)指令8.描述系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)是（）。A.上升時(shí)間B.超調(diào)量C.穩(wěn)態(tài)誤差D.自然頻率9.將傳感器、執(zhí)行器、控制器等部件根據(jù)系統(tǒng)功能要求有機(jī)地組合起來，并完成系統(tǒng)整體安裝、連接和調(diào)試的過程稱為（）。A.系統(tǒng)設(shè)計(jì)B.硬件選型C.系統(tǒng)集成D.軟件開發(fā)10.在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用于比較期望值（參考輸入）與實(shí)際輸出值，產(chǎn)生誤差信號(hào)的部分是（）。A.執(zhí)行元件B.測(cè)量元件C.控制器D.對(duì)象對(duì)象二、填空題（每空1分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置。）1.機(jī)電一體化系統(tǒng)通常由機(jī)械本體、傳感器、執(zhí)行器、控制器和______五個(gè)基本部分組成。2.常用的位置傳感器有______、光柵尺、容柵尺等。3.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、______和位置反饋單元組成。4.控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是在______條件下，系統(tǒng)輸出量的拉普拉斯變換與輸入量的拉普拉斯變換之比。5.在PID控制中，P代表______控制，I代表______控制，D代表______控制。6.選擇傳感器時(shí)，需要考慮精度、量程、分辨率、______、線性度、響應(yīng)時(shí)間等性能指標(biāo)。7.PLC（可編程邏輯控制器）具有可靠性高、編程簡單、______、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。8.機(jī)電一體化系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要包括精度、速度、______、可靠性、成本等。9.絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，滾珠絲杠相比梯形絲杠具有傳動(dòng)效率高、______等優(yōu)點(diǎn)。10.系統(tǒng)調(diào)試是機(jī)電一體化系統(tǒng)建設(shè)過程中的重要環(huán)節(jié)，其主要目的是發(fā)現(xiàn)并排除系統(tǒng)中的故障，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的______。三、簡答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置。）1.簡述伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的主要區(qū)別和各自的應(yīng)用場(chǎng)合。2.簡述PID控制器中積分（I）作用和微分（D）作用各自的作用和可能帶來的問題。3.簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟。4.簡述傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用。四、計(jì)算題（每小題10分，共20分。請(qǐng)將計(jì)算過程和答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置。）1.某閉環(huán)控制系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/(s(s+1)(s+5))。試判斷該系統(tǒng)在K=10時(shí)的穩(wěn)定性。（提示：可用Routh判據(jù)）2.有一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8度/步?，F(xiàn)要求控制其實(shí)現(xiàn)每分鐘旋轉(zhuǎn)600轉(zhuǎn)。請(qǐng)計(jì)算所需的脈沖頻率是多少？（假設(shè)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)一步）五、設(shè)計(jì)題（共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上對(duì)應(yīng)位置。）設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的二自由度機(jī)械臂的閉環(huán)控制系統(tǒng)。請(qǐng)簡述系統(tǒng)組成，說明各部分（機(jī)械臂、傳感器、執(zhí)行器、控制器）選型的依據(jù)，并畫出系統(tǒng)框圖。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.B5.B6.C7.D8.B9.C10.B解析思路：1.機(jī)電一體化的核心在于系統(tǒng)的自動(dòng)化和各組成部分的集成，而非單一的高精度、高速度等特性。2.光電編碼器是應(yīng)用最廣泛的位置傳感器之一，尤其適用于微小位移測(cè)量。3.伺服電機(jī)具有高精度、高響應(yīng)速度的特點(diǎn)，適合高速、高精度定位場(chǎng)合。4.傳遞函數(shù)是經(jīng)典控制理論中描述線性定常系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的核心數(shù)學(xué)工具。5.步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但低速時(shí)易出現(xiàn)共振和失步問題。6.信號(hào)調(diào)理電路的作用是放大、濾波、轉(zhuǎn)換等，使傳感器信號(hào)適合后續(xù)處理。7.跳轉(zhuǎn)指令可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)條件是否滿足而跳過后續(xù)部分程序執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)邏輯選擇。8.超調(diào)量是系統(tǒng)響應(yīng)超過穩(wěn)態(tài)值的部分，直接反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性（欠阻尼系統(tǒng)）。9.系統(tǒng)集成是將各部件組合并完成安裝調(diào)試的過程，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵步驟。10.測(cè)量元件（傳感器）負(fù)責(zé)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際輸出，與期望值比較產(chǎn)生誤差信號(hào)。二、填空題1.控制器2.電位器式位移傳感器3.驅(qū)動(dòng)器4.零初始條件5.比例；積分；微分6.可靠性7.維護(hù)方便（或易于維護(hù)）8.可靠性（或魯棒性）9.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性（或低摩擦）10.性能三、簡答題1.解析思路：對(duì)比伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的原理、性能和特點(diǎn)。伺服電機(jī)通常采用反饋控制，精度高、速度高、力矩平穩(wěn)，但成本較高，控制復(fù)雜；步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，精度相對(duì)較低，低速時(shí)易失步，但結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、控制方便。答：伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的主要區(qū)別在于控制方式、精度、速度和力矩特性。伺服電機(jī)通常采用反饋控制，定位精度高，響應(yīng)速度快，輸出力矩平穩(wěn)，但成本較高，控制復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，精度相對(duì)較低，低速時(shí)容易出現(xiàn)步失步現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，控制方便，常用于中低速、精度要求不高的場(chǎng)合。應(yīng)用場(chǎng)合：伺服電機(jī)適用于要求高精度、高速度、高響應(yīng)的場(chǎng)合，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、精密測(cè)量設(shè)備等；步進(jìn)電機(jī)適用于中低速、精度要求不高的場(chǎng)合，如打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、紡織機(jī)械、簡單定位系統(tǒng)等。2.解析思路：分別解釋I作用（消除穩(wěn)態(tài)誤差，可能引起超調(diào)和振蕩）和D作用（提高系統(tǒng)阻尼，加快響應(yīng)，可能引入噪聲）。I作用通過積分累計(jì)誤差，直到誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。但積分作用會(huì)累積偏差，可能導(dǎo)致系統(tǒng)在達(dá)到穩(wěn)態(tài)前產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至引起振蕩。D作用根據(jù)誤差變化率預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)，提供前饋補(bǔ)償，能有效提高系統(tǒng)阻尼，加快響應(yīng)速度，抑制超調(diào)。但微分作用對(duì)噪聲敏感，會(huì)放大高頻噪聲，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。答：PID控制器中，積分（I）作用的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)輸出能夠完全跟蹤輸入。但積分作用可能導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)和振蕩加劇。微分（D）作用的作用是利用誤差的變化率進(jìn)行預(yù)測(cè)，提供前饋補(bǔ)償，可以提高系統(tǒng)的阻尼比，加快響應(yīng)速度，抑制超調(diào)。但微分作用對(duì)噪聲敏感，可能引入噪聲干擾。3.解析思路：概括機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要階段。通常包括需求分析、方案設(shè)計(jì)（功能、結(jié)構(gòu)、控制方案）、硬件選型（傳感器、執(zhí)行器、控制器等）、軟件設(shè)計(jì)（控制算法、程序）、系統(tǒng)集成（機(jī)械、電氣、軟件連接）、系統(tǒng)調(diào)試和性能評(píng)估。答：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟通常包括：1）需求分析：明確系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能、性能指標(biāo)、工作環(huán)境等。2）方案設(shè)計(jì)：確定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、控制策略、各功能模塊劃分。3）硬件選型：根據(jù)方案選擇合適的傳感器、執(zhí)行器、控制器、驅(qū)動(dòng)器等部件。4）軟件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)控制算法，編寫控制程序。5）系統(tǒng)集成：將各硬件和軟件模塊連接起來。6）系統(tǒng)調(diào)試：對(duì)集成后的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，排除故障。7）性能評(píng)估：檢驗(yàn)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4.解析思路：闡述傳感器在閉環(huán)控制和開環(huán)校準(zhǔn)中的作用。傳感器是獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息（如位置、速度、溫度、壓力等）的來源，是形成控制閉環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過將實(shí)際狀態(tài)與期望值比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，為控制器提供反饋。在開環(huán)系統(tǒng)中，傳感器可用于校準(zhǔn)，確保執(zhí)行器動(dòng)作的精確性，或用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和顯示。答：傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，傳感器用于檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)（如位置、速度、溫度等），將其與給定的期望值（參考輸入）進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)。這個(gè)誤差信號(hào)被送入控制器，控制器根據(jù)誤差信號(hào)調(diào)整控制作用，使系統(tǒng)輸出趨于期望值，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。2）在開環(huán)系統(tǒng)中，傳感器可以用于標(biāo)定或校準(zhǔn)，例如校準(zhǔn)執(zhí)行元件的輸入脈沖數(shù)與實(shí)際位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以提高系統(tǒng)的控制精度。此外，傳感器還可以用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為操作人員提供信息，或用于故障診斷。四、計(jì)算題1.解析思路：使用Routh判據(jù)判斷穩(wěn)定性。首先寫出Routh陣列表，根據(jù)陣表第一列元素的符號(hào)變化情況判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。若第一列元素全為正，則系統(tǒng)穩(wěn)定；若第一列出現(xiàn)符號(hào)變化，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，變化的次數(shù)等于特征方程在s右半平面根的個(gè)數(shù)。對(duì)于G(s)=K/(s(s+1)(s+5))，其特征方程為s(s+1)(s+5)+K=0，即s^3+6s^2+5s+K=0。將系數(shù)代入Routh陣表。答：系統(tǒng)特征方程為s(s+1)(s+5)+K=0，即s^3+6s^2+5s+K=0。Routh陣表：s^315s^26Ks^1(30-K)/60s^0K0第一列元素為：1,6,(30-K)/6,K。若系統(tǒng)穩(wěn)定，則第一列所有元素必須為正。*1>0（滿足）*6>0（滿足）*(30-K)/6>0=>30-K>0=>K<30*K>0（滿足）綜上，系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是0<K<30。當(dāng)K=10時(shí)，0<10<30，滿足條件，因此該系統(tǒng)在K=10時(shí)是穩(wěn)定的。2.解析思路：計(jì)算脈沖頻率。已知步距角和每分鐘轉(zhuǎn)速，可以求出每分鐘需要多少步，再除以60得到每秒鐘需要的步數(shù)（即脈沖頻率）。步距角為1.8度/步，意味著每360度（即1轉(zhuǎn)）需要360/1.8=200步。每分鐘旋轉(zhuǎn)600轉(zhuǎn)，即每分鐘需要600*200=120000步。脈沖頻率（單位Hz）等于每秒脈沖數(shù)，即120000/60=2000Hz。答：步距角為1.8度/步，即360度/1.8度/步=200步/轉(zhuǎn)。要求每分鐘旋轉(zhuǎn)600轉(zhuǎn)，則每分鐘需要的步數(shù)為600轉(zhuǎn)/分*200步/轉(zhuǎn)=120000步/分。脈沖頻率f(Hz)=每分鐘步數(shù)/60=120000步/分/60秒/分=2000Hz。所需脈沖頻率為2000Hz。五、設(shè)計(jì)題解析思路：設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的二自由度機(jī)械臂閉環(huán)控制系統(tǒng)需要確定系統(tǒng)組成，并合理選擇各部分元件，說明選擇依據(jù)，最后畫出框圖。機(jī)械臂：根據(jù)應(yīng)用需求確定臂長、自由度等。傳感器：用于檢測(cè)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的角度或位置。執(zhí)行器：通常是電機(jī)（如伺服電機(jī)），驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。控制器：根據(jù)傳感器反饋信號(hào)和指令信號(hào)，計(jì)算誤差并輸出控制信號(hào)給執(zhí)行器?？驁D：將各部分用方框表示，并用箭頭表示信號(hào)流向。答：一個(gè)簡單的二自由度機(jī)械臂閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：1.系統(tǒng)組成：*機(jī)械臂：由兩個(gè)剛性連桿和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)臂長分別為L1和L2。*傳感器：采用旋轉(zhuǎn)角度傳感器（如編碼器）分別安裝在兩個(gè)關(guān)節(jié)處，用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)角度θ1和θ2。*執(zhí)行器：采用兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)通過減速器連接到關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精確的角度控制。*控制器：采用單片機(jī)或PLC作為控制器?？刂破鹘邮罩噶钚盘?hào)（期望關(guān)節(jié)角度θd1,θd2）和兩個(gè)關(guān)節(jié)角度傳感器的反饋信號(hào)（θ1,θ2）。控制器根據(jù)期望角度和實(shí)際角度的差值（誤差ε1=θd1-θ1,ε2=θd2-θ2）計(jì)算控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度趨向于指令值。2.選型依據(jù)：*傳感器：選擇旋轉(zhuǎn)編碼器是因?yàn)樗軌蚓_測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，輸出信號(hào)穩(wěn)定可靠，易于與控制器接口。需要兩個(gè)傳感器分別測(cè)量兩個(gè)關(guān)節(jié)角度。*執(zhí)行器：選擇伺服電機(jī)是因?yàn)樗哂懈呔?、高響?yīng)速度、力矩可控性好、位置控制性能優(yōu)異的特點(diǎn)，能夠滿足機(jī)械臂對(duì)精確定位的要求。兩個(gè)伺服電機(jī)需要根據(jù)負(fù)載和精度要求選擇合適的型號(hào)。*控制器：選擇單片機(jī)或PLC是因?yàn)樗鼈兙哂凶銐虻挠?jì)算能力、I/O接口資源，能夠?qū)崿F(xiàn)控制算法（如PID控制），并讀取傳感器信號(hào)和發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。選擇哪種取決于系統(tǒng)復(fù)雜度和成本要求。對(duì)于簡單系統(tǒng)，單片機(jī)可能足夠；對(duì)于需要復(fù)雜通信或較高可靠性的場(chǎng)合，PLC可能更合適。3.系統(tǒng)框圖：```+-----------------++-----------------++-----------------+指令(θd1,θd2)---->|控制器|----->|執(zhí)行器(伺服M1,|----->|機(jī)械臂|+-----------------++--------+-------++--------+-------+|||vvv+-----------------++-----------------++-----------------++-----------------+|測(cè)量元件(編碼器C1)||測(cè)量元件(編碼器