華中農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電一體化

1、第一章 概論1. 機(jī)電一體化是以機(jī)械學(xué)、電子學(xué)和信息科學(xué)為主的多門技術(shù)學(xué)科在機(jī)電產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程中相互叉、相互滲透而形成的一門新興邊緣性技術(shù)學(xué)科。2. 機(jī)電一體化系統(tǒng)包括：機(jī)械本體、檢測(cè)傳感部分、電子控制單元、執(zhí)行器和動(dòng)力源，各要素之間通過(guò)接口相聯(lián)系。機(jī)械本體是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，起著支撐系統(tǒng)中其它功能單元，傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的作用。檢測(cè)傳感部分監(jiān)測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)工作過(guò)程中本身和外界環(huán)境有關(guān)參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)檢測(cè)到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的控制指令。電子控制單元，又稱ECU (Electrical Control Unit), 是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)將來(lái)自各

2、傳感器的檢測(cè)信號(hào)和外部輸入命令進(jìn)行集中、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析，根據(jù)信息處理結(jié)果，按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。 執(zhí)行器的作用是根據(jù)電子控制單元的指令驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器是運(yùn)動(dòng)部件，通常采用電力驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)幾種方式。動(dòng)力源作用就是按照系統(tǒng)控制要求向機(jī)器系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力使系統(tǒng)正常運(yùn)行。提供能量的方式包括電能、氣能和液壓能，以電能為主。3. 機(jī)電一體化共性關(guān)鍵技術(shù)主要有：檢測(cè)傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)。 第2章 檢測(cè)與傳感器1. 傳感器按輸出信號(hào)的性質(zhì)分為開(kāi)關(guān)型、模擬型、數(shù)字型。2. 傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)

3、指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。3. 光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測(cè)量裝置。根據(jù)載體，分為透射光柵和反射光柵；根據(jù)外形，分為直線光柵和圓光柵。 4. 光柵位移傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光電器件和光源等組成。一般標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，而刻線之間的距離W 稱為柵距。5. 光柵位移傳感器工作原理：如果把兩塊柵距W 相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列。特點(diǎn)：測(cè)量精確度高（可達(dá)±1m）、響應(yīng)速度快、量程范圍大、可進(jìn)

4、行非接觸測(cè)量等。其易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量和自動(dòng)控制。6. 莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。7. 通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)。測(cè)量分辨率等于柵距。提高測(cè)量分辨率的常用方法是細(xì)分。8. 感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)原理把兩個(gè)平面繞組間的位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種位移傳感器。按測(cè)量機(jī)械位移的對(duì)象不同，感應(yīng)同步器分為直線型和圓盤(pán)型。直線型感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。9. 定尺繞組是連續(xù)的?；呱戏植贾鴥蓚€(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。10. 感應(yīng)同步器的工作原理：在滑尺的正弦繞

5、組中，施加頻率為f（一般為10kHz）的交變電流時(shí)定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。特點(diǎn)：成本低，受環(huán)境溫度影響小，測(cè)量精度高，且為非接觸測(cè)量。11. 感應(yīng)同步器是利用感應(yīng)電壓的變化來(lái)進(jìn)行位置檢測(cè)的。測(cè)量方式有：相位工作法和幅值工作法。12. 磁柵是利用電磁特性來(lái)進(jìn)行機(jī)械位移的檢測(cè)。13. 磁柵工作原理：磁柵式位移傳感器由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測(cè)電路等部分組成。磁尺是采用錄磁的方法，記錄磁化信號(hào)，作為基準(zhǔn)刻度標(biāo)尺。磁頭把磁柵上的磁信號(hào)檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。檢測(cè)電路主要用來(lái)供給磁頭激勵(lì)電壓和磁頭檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便

6、、動(dòng)態(tài)范圍大（120m）和磁信號(hào)可以重新錄制。但需要屏蔽和防塵。磁柵的測(cè)量方式有鑒幅測(cè)量方式和鑒相測(cè)量方式。14. 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號(hào)的傳感器。工作原理：旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)以一定頻率的激磁電壓加于定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，輸出信號(hào)大，抗干擾好。15. 光電編碼器是一種碼盤(pán)式角度數(shù)字檢測(cè)元件。兩種基本類型：增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器 16. 增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，

7、以此來(lái)表示轉(zhuǎn)過(guò)的角位移量。17. 絕對(duì)式編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過(guò)讀取碼盤(pán)上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測(cè)元件。編碼盤(pán)有光電式、接觸式和電磁式三種。18. 由于制造和安裝精度的影響，當(dāng)碼盤(pán)回轉(zhuǎn)在兩碼段交替過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)誤差，這種誤差稱非單值性誤差。19. 為了消除非單值性誤差，可采用以下的方法：（1） 循環(huán)碼盤(pán)。 是消除非單值性誤差的一種有效方法。（2） 帶判位光電裝置的二進(jìn)制循環(huán)碼盤(pán)。只有當(dāng)信號(hào)位處的光電元件有信號(hào)時(shí)才讀數(shù)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生非單值性誤差。22. 根據(jù)定子磁極激磁方式的不同，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。 23. 差動(dòng)變壓器式速度傳感器除了可測(cè)量位移外，還可測(cè)量速度

8、。24. 加速度傳感器常用的有應(yīng)變片式和壓電式。25. 通常測(cè)力傳感器的彈性元件有柱式、梁式。26. 固態(tài)圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，常稱電荷耦合器件（簡(jiǎn)稱CCD）。 特點(diǎn)：體積小，析像度高，功耗小，廣泛用于非接觸的尺寸、形狀、損傷的測(cè)量，以及圖像處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。27. CCD的基本功能，即電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸出。 構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器。28. 固態(tài)圖像傳感器依其光敏元排列方式分為線型、面型等種。應(yīng)用：可以判別被測(cè)物體的位置、尺寸、形狀和異物的混入29. 激光檢測(cè)主要是利用激光的方向性、單色性、相干

9、性以及隨時(shí)間、空間的可聚焦性的特點(diǎn)。30. 當(dāng)激光照射到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，被物體散射（或反射）光的頻率將發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。相應(yīng)地，將散射（或反射）光的頻率與光源光頻率的差值稱為多普勒頻移。31. 超聲波檢測(cè)基本原理：利用某些非聲量的物理量與描述超聲波介質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量之間存在著直接或間接的關(guān)系。依據(jù)這些規(guī)律，通過(guò)超聲量的測(cè)定來(lái)測(cè)出某些被測(cè)物理量。32. 超聲波檢測(cè)多采用超聲波源向被測(cè)介質(zhì)發(fā)射超聲波，然后接收與被測(cè)介質(zhì)相作用之后的超聲波，從中得到所需信息。檢測(cè)過(guò)程如下：33. 傳感器的選擇：（1）測(cè)試要求和條件。（2）傳感器特性。（3）使用條件。34. 傳感器的正確使用是指：

10、（1）傳感器的輸出特性進(jìn)行線性化處理和補(bǔ)償。（2） 傳感器的標(biāo)定。（3）抗干擾措施。分為屏蔽、接地、隔離、濾波。38. 振蕩器用于對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并為解調(diào)提供參考信號(hào)；量程變換電路的作用是避免放大器飽和并滿足不同測(cè)量范圍的需要；解調(diào)器用于將已調(diào)制信號(hào)恢復(fù)成原有形式；濾波器可將無(wú)用的干擾信號(hào)濾除，并取出代表被測(cè)物理量的有效信號(hào)；運(yùn)算電路可對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理，以正確獲得所需的物理量，其功能也可在對(duì)信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，由數(shù)字計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。39. 數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)分為絕對(duì)碼數(shù)字式、增量碼數(shù)字式。40. 絕對(duì)碼數(shù)字式：傳感器輸出的編碼與被測(cè)量一一對(duì)應(yīng)。41. 增量碼數(shù)字式：傳感器輸出增量碼信號(hào)，

11、即信號(hào)變化的周期數(shù)與被測(cè)量成正比。 在圖244中，傳感器的輸出多數(shù)為正弦波信號(hào)，需先經(jīng)放大、整形后變成數(shù)字脈沖信號(hào)。為提高分辨率，常采用細(xì)分電路使傳感器信號(hào)每變化1/n 個(gè)周期計(jì)一個(gè)數(shù)，其中n稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。辨向電路用于辨別被測(cè)量的變化方向。42. 開(kāi)關(guān)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)傳感器的輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)信號(hào)，這類信號(hào)的測(cè)量電路實(shí)質(zhì)為功率放大電路。43. 多路模擬開(kāi)關(guān)又稱為多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)稱多路開(kāi)關(guān)，其作用是分別或依次把各路檢測(cè)信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器接通，以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器件。44. 采集，就是把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成一串不連續(xù)的脈沖時(shí)間序列的過(guò)程。信號(hào)采樣是通過(guò)采樣開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。每隔時(shí)間間隔T閉合一次，每次閉合持續(xù)時(shí)間，其

12、中，T稱為采樣周期，其倒數(shù)fs=1/T稱為采樣頻率，稱為采樣時(shí)間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號(hào)。采樣信號(hào)是一個(gè)離散的模擬信號(hào)，它在時(shí)間軸上是離散的，但在函數(shù)軸上仍是連續(xù)的，因而還需要用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。45. 采樣/保持電路：A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定時(shí)間，為防止產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號(hào)不變。46. 數(shù)字信號(hào)預(yù)處理的目的：去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性、零位誤差和增益誤差等進(jìn)行補(bǔ)償和修正。47. 消除混雜在有用信號(hào)中的干擾的方法：（1）采用積分時(shí)間為20ms整數(shù)倍的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，可有效地消除周期性干擾。 （2）對(duì)于隨機(jī)性干擾，可采用數(shù)

13、字濾波的方法予以削弱或消除。48. 數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波，與模擬濾波相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問(wèn)題?？梢詫?duì)頻率很低或很高的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波?？梢愿鶕?jù)信號(hào)的不同而采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)。49. 常用的數(shù)字濾波方法：（1） 中值濾波：原理是對(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，然后對(duì)采樣值排序，并取序列中位值作為采樣有效值。（2） 算術(shù)平均濾波方法：原理是對(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，以其算術(shù)平均值作為有效采樣值。（3） 滑動(dòng)平均濾波：采用循環(huán)隊(duì)列作為采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，隊(duì)列長(zhǎng)度固定為n，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用。

14、（4） 低通濾波：用軟件算法來(lái)模擬硬件低通濾波的功能。第3章 接口技術(shù)1. 接口定義：各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間相互聯(lián)接的硬件及相關(guān)協(xié)議軟件。2. 接口以信息處理系統(tǒng)分為人機(jī)接口、機(jī)電接口。人機(jī)接口包括輸入接口與輸出接口兩類。按照信息和能量的傳遞方向，機(jī)電接口可分為信息采集接口（傳感器接口）與控制輸出接口。3. 常用的輸入設(shè)備：控制開(kāi)關(guān)、 BCD 二十進(jìn)制碼撥盤(pán)、鍵盤(pán)等； 常用的輸出設(shè)備：狀態(tài)指示燈、發(fā)光二極管顯 示器、液晶顯示器、微型打印機(jī)、陰極射線管顯示器等。4. 人機(jī)接口的特點(diǎn)：專用性、低速性、高性價(jià)比5. 輸入接口的方法和適用場(chǎng)合：（1） 開(kāi)關(guān)輸入接口：一些二值型控制命令和參數(shù)

15、（2） 撥盤(pán)輸入接口：系統(tǒng)需要輸入少量的參數(shù)（3） 鍵盤(pán)輸入接口：當(dāng)需要操作者輸入的指令或參數(shù)比較多時(shí)6. 軟件消抖是在檢測(cè)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)后，延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行檢測(cè)，若兩次檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同則認(rèn)為有效。延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于抖動(dòng)時(shí)間。7. 控制微機(jī)通過(guò)信息采集接口檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。8. 信息采集接口：A/D轉(zhuǎn)換接口、USB接口?？刂屏枯敵鼋涌冢汗怆婑詈掀?、晶閘管、功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、C絕緣柵雙級(jí)晶體管、固態(tài)繼電器。9. 信號(hào)調(diào)節(jié)器作用是調(diào)節(jié)模擬信號(hào)的幅度，使模擬信號(hào)的

16、大小符合A/D轉(zhuǎn)換的要求。采樣保持的作用是減小孔徑誤差。10. 分辨率：A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度的描述。11. 量化誤差是由于用有限數(shù)字對(duì)模擬數(shù)值進(jìn)行離散取值（量化）而引起的誤差。12. 奈奎斯特采樣定理的內(nèi)容是:為了使采樣輸出信號(hào)能無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)原輸入信號(hào)， 必須使采樣頻率至少為輸入信號(hào)最高有效頻率的兩倍，否則會(huì)出現(xiàn)頻率混疊誤差。13. 抗混疊濾波的作用是依據(jù)采樣定理，濾除輸入信號(hào)過(guò)高的頻率成分，減小混疊誤差。14. A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間為 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。15. A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度反映了實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器的量化值與理想值的差值，可表示

17、成絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差。16. 計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)主要有三種形態(tài)：數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量和頻率量。17. DAC0832的輸出是電流型的。18. 在控制微機(jī)和功率放大電路之間，常常使用光電耦合器。光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，當(dāng)在發(fā)光二極管二端加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，照射光敏晶體管使之導(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號(hào)。19. 光電耦合器的信號(hào)傳遞采取電-光-電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)電部分和弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機(jī)。光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，能夠吸收尖峰干擾信號(hào)，所以具有很強(qiáng)的抑制干擾能力。20. 特點(diǎn):光電耦合器作為開(kāi)

18、關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用、可靠性高和高速等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)微秒以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于10ns 。21.圖示是光電耦合器的接口電路，圖中的VT1是大功率晶體管，W是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、接觸器等的線圈，VD2 是續(xù)流二極管。若無(wú)二極管VD2，當(dāng) VT1 由導(dǎo)通到截止時(shí)，由換路定則可知，電感W的電流不能突然變?yōu)?，它將強(qiáng)迫通過(guò)晶體管VT1 。由于VT1 處于截止?fàn)顟B(tài)，在VT1 兩端產(chǎn)生非常大的電壓，有可能擊穿晶體管。若有續(xù)流管VD2，則為W 的電流提供了通路，電流不會(huì)強(qiáng)迫流過(guò)晶體管，從而保護(hù)了晶體管。22. 在接口電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮光電耦合器的兩個(gè)參數(shù):電流傳輸比與時(shí)間延遲。電流傳輸比

19、是指光電晶體管的集電極電流IC與發(fā)光二極管的電流Ii之比。時(shí)間延遲是指光電耦合器在傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的延遲時(shí)間。23. 因?yàn)?Ic/ Ii 20%，Ic/ 10 20%，所以 Ic2mA 在圖（b）中，當(dāng)DAC8031的P1.O為低電平時(shí)，設(shè)發(fā)光二極管中的電流為1OmA，由于4N25的電流傳輸比20%，所以光敏晶體管中的電流Ic2mA，大功率晶體管把這個(gè)電流放大就可以帶動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等負(fù)載。24. 單向晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極對(duì)晶閘管就不起控制作用了。只有當(dāng)流過(guò)晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需要的電流即維持電流時(shí)，晶閘管才關(guān)斷。25. 光控晶閘管特點(diǎn)：受光信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)了輸入與輸

20、出的隔離。26. 溫控晶閘管的溫度特性是負(fù)特性，也就是說(shuō)當(dāng)溫度升高時(shí)，正向溫控晶閘管的門檻電壓會(huì)降低。27. 溫控晶閘管陰極電壓固定，溫度升高至某值，溫控晶閘管導(dǎo)通，溫度繼續(xù)上升，保持導(dǎo)通；溫度下降至某值，溫控晶閘管截止?？蓪?shí)現(xiàn)溫度的開(kāi)關(guān)控制。28. 功率晶體管，高電壓，強(qiáng)電流下使用。可以工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也可以工作在模擬狀態(tài)。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，它基本上被用來(lái)做高速開(kāi)關(guān)器件。29. 固態(tài)繼電器(SSR)是一種無(wú)觸點(diǎn)功率型通斷電子開(kāi)關(guān)，又名固態(tài)開(kāi)關(guān)。第4章 控制系統(tǒng)1. 控制系統(tǒng)分類（1） 按照有無(wú)反饋測(cè)量裝置分為：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)（2） 按照信號(hào)處理技術(shù)分類：模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系

21、統(tǒng)（3） 按照應(yīng)用分類：調(diào)節(jié)系統(tǒng) 、跟蹤系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)（4） 按系統(tǒng)給定信號(hào)的特點(diǎn)分類：恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)2. 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)通常為：延遲時(shí)間td、上升時(shí)間tt、峰值時(shí)間tp、調(diào)節(jié)時(shí)間ts、超調(diào)量3. 輸入信號(hào)與反饋信號(hào)比較后的差值供給控制器，以調(diào)節(jié)被控對(duì)象輸出的大小，從而形成閉環(huán)控制回路。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)亦稱為反饋控制系統(tǒng)。4. 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、容易維修以及價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：精度低，對(duì)環(huán)境變化和干擾十分敏感。5. 閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：精度高，動(dòng)態(tài)性能好，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，價(jià)格昂貴6. 用數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的關(guān)系，這

22、種系統(tǒng)特性的數(shù)學(xué)描述就稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。7. 數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式主要有兩大類 ：非參量模型、參量模型8. 當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用曲線或數(shù)據(jù)表格等來(lái)表示時(shí)，就稱為非參量模型。非參量模型可以用系統(tǒng)在一定形式的輸入作用下的輸出曲線或數(shù)據(jù)來(lái)表示。根據(jù)輸入形式的不同，主要有:階躍響應(yīng)曲線、脈沖響應(yīng)曲線、矩形脈沖響應(yīng)曲線9. 當(dāng)數(shù)學(xué)模型是采用數(shù)學(xué)方程式來(lái)描述時(shí)，稱為參量模型。參量模型可分為 ： 時(shí)域模型、復(fù)數(shù)域模型、頻域模型10. 線性定常系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定義為零初始條件下，輸出量（響應(yīng)函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（輸入函數(shù)）的拉普拉斯變換之比。 11. 數(shù)學(xué)模型的兩種建立方式：機(jī)理建模、實(shí)驗(yàn)建模12. 描述系

23、統(tǒng)特性的參數(shù):(1)放大系數(shù)K。K越大，表示系統(tǒng)的輸入量有一定變化時(shí)，對(duì)輸出量的影響就越大。(2)時(shí)間常數(shù)T。時(shí)間常數(shù)T越大，表示系統(tǒng)受到干擾作用后，被控變量變化越慢，達(dá)到新的穩(wěn)定值所需的時(shí)間越長(zhǎng)。（3）滯后時(shí)間T有的系統(tǒng)在受到輸入作用后，被控變量卻滯后一定的時(shí)間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象。根據(jù)滯后性質(zhì)的不同，可分為傳遞滯后和容量滯后兩類。傳遞滯后又叫純滯后，一般用0表示。容量滯后也叫過(guò)渡滯后。即系統(tǒng)在受到階躍輸入作用后，被控變量開(kāi)始變化很慢，后來(lái)才逐漸加快，最后又變慢直至逐漸接近穩(wěn)定值。13.14. 從計(jì)算機(jī)的角度來(lái)看，微機(jī)控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計(jì)

24、算機(jī)本身及其外圍設(shè)備。計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備一般包括中央處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、各種接口電路、以AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換為核心的模擬量IO通道、數(shù)字量IO通道以及各種顯示、記錄設(shè)備、運(yùn)行操作臺(tái)等。15.軟件是指支持系統(tǒng)運(yùn)行、并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制的程序的總和。從功能上分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。15. 微機(jī)控制系統(tǒng)是一種離散控制系統(tǒng)，它相對(duì)于連續(xù)控制系統(tǒng)，主要有以下特點(diǎn)：（1）具有完善的輸入輸出通道。（2）具有實(shí)時(shí)控制功能。（3）便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律和對(duì)控制方案進(jìn)行在線修改。（4）利用依次巡回的方式實(shí)現(xiàn)多路分時(shí)控制。（5）可靠性高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。16. 按干擾的來(lái)源，可以把干擾分為外部干擾和內(nèi)部干

25、擾。17. 干擾按其特性可分為直流干擾、交流干擾和隨機(jī)干擾三類。18. 干擾按作用可分為常態(tài)干擾和共態(tài)干擾。19. 常態(tài)干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾。被測(cè)信號(hào)一般是直流或緩變信號(hào)，而干擾多是快變的雜亂的交變信號(hào)。常態(tài)干擾和被測(cè)信號(hào)在信號(hào)輸入回路中地位相同，所以它以電壓源的形式與信號(hào)源串聯(lián)。20. 抗干擾技術(shù)主要有硬件抗干擾技術(shù)、軟件抗干擾技術(shù)。21. 接地分為接實(shí)地、接虛地。接實(shí)地指的是與大地作良好的連接。接虛地指的是與電位的基準(zhǔn)點(diǎn)相連接。22. 如果把電位基準(zhǔn)點(diǎn)與大地連接，則稱為共地連接，如果把電位基準(zhǔn)點(diǎn)自行浮置或浮空(即與大地電氣絕緣)，則稱為浮地連接。23. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)與

26、一般電氣設(shè)備強(qiáng)電的接地設(shè)計(jì)的區(qū)別：一般強(qiáng)電設(shè)備的接地，主要是以通路為目的；而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的接地，主要是從屏蔽、從信號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)的選取，即從抗干擾的角度考慮的。24. 采用接地技術(shù)時(shí)，應(yīng)注意的問(wèn)題：機(jī)殼接地（其余部分浮空）優(yōu)于全機(jī)浮空。一般低頻(1MHz以下)電路應(yīng)一點(diǎn)接地，高頻(10MHz以上)電路應(yīng)多點(diǎn)接地。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)宜采用一點(diǎn)接地。一點(diǎn)接地又分為串聯(lián)一點(diǎn)接地和并聯(lián)一點(diǎn)接地，后者較前者抗干擾能力強(qiáng)。 交流地和信號(hào)地不能共用。所有的模擬公共導(dǎo)(地)線應(yīng)該與數(shù)字公共導(dǎo)(地)線分開(kāi)走線。功率地，這種地線電流大，地線應(yīng)粗些，且應(yīng)與小信號(hào)地線分開(kāi)走線。25. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常采用“三套法”接地系統(tǒng)，

27、即把系統(tǒng)中接地分成三類：信號(hào)地、功率地、機(jī)殼26. 數(shù)字控制器一般采用兩種設(shè)計(jì)方法：（1）模擬化的設(shè)計(jì)方法，也稱間接設(shè)計(jì)方法；（2） 離散化設(shè)計(jì)方法，也稱直接設(shè)計(jì)方法27. 間接設(shè)計(jì)方法的基本思路是 ：當(dāng)系統(tǒng)的采樣頻率足夠高時(shí)，采樣系統(tǒng)的特性接近于連 續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，因而可以忽略采樣開(kāi)關(guān)和保持器，將整個(gè)系統(tǒng)看成是連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)而進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)模擬控制器離散化，用數(shù)字控制器取代模擬控制器。28. 模擬控制器離散化必須要滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和精確度的要求。29. 常用的差分近似方法有兩種：后向差分和前向差分。為便于編程，離散化只采用后向差分法。30. 數(shù)字PID控制算法：位

28、置式算式、增量式算式、速度式算式31. 若執(zhí)行機(jī)構(gòu)不帶積分部件，其位置和計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量是一一對(duì)應(yīng)的話(如電液伺服閥)，就要采用位置式算式。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件(如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)閥門或帶動(dòng)多圈電位器)，就可用增量式算法。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求速度設(shè)定就選用速度式算式。32. 用擴(kuò)充臨界比例度法選擇PID參數(shù)選擇一個(gè)合適的采樣周期T，控制器作純比例Kp控制。調(diào)整Kp的值，使系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下相應(yīng)的臨界振蕩周期Ts和臨界振蕩增益Ks。選擇合適的控制度，通常，當(dāng)控制度為1.05時(shí)，數(shù)字控制器和模擬控制器的控制效果相當(dāng)。第5章 伺服系統(tǒng)1. 伺服系統(tǒng)亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)

29、作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。是根據(jù)輸入指令值與輸出物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的。2. 從系統(tǒng)組成元件的性質(zhì)，伺服系統(tǒng)分為電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電氣液壓伺服系統(tǒng)、電氣氣動(dòng)伺服系統(tǒng) 。3. 伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型 ：由控制器、執(zhí)行元件、被控對(duì)象、反饋測(cè)量裝置等部分組成 。4. 對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求有穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)性。在進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先滿足穩(wěn)定性要求，然后在滿足精度要求的前提下盡量提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。5. 伺服系統(tǒng)對(duì)輸入指令信號(hào)的響應(yīng)速度常由系統(tǒng)的上升時(shí)間來(lái)表征。伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束的迅速程度用系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間來(lái)描述。6. 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)

30、本身特性決定的。7. 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要有電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、油缸和液壓馬達(dá)等。8. 將執(zhí)行元件分為電氣式、液壓式和氣壓式。9. 伺服電動(dòng)機(jī)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，當(dāng)信號(hào)電壓的大小和極性(或相位)發(fā)生變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向?qū)㈧`敏、準(zhǔn)確地跟著變化。10. 伺服電動(dòng)機(jī)有交流和直流兩種。交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子分為鼠籠轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)型式。11. 消除自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的措施（兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，勵(lì)磁繞組始終接在電源上的原因）：當(dāng)轉(zhuǎn)子阻值增大到一定程度，會(huì)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。那么，可把伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻設(shè)計(jì)得很大。當(dāng)交流伺服電機(jī)去掉控制電壓后，單相供電時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩的方向總是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相

31、反。所以，是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在，可使轉(zhuǎn)子迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。增大伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子阻值，既有利于消除“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，同時(shí)還使穩(wěn)定運(yùn)行段加寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大。12. 兩相交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制方法有三種：幅值控制；相位控制；幅值相位控制。13. 利用改變控制電壓幅值大小來(lái)改變轉(zhuǎn)速的方法，稱為幅值控制方法。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的改變是利用改變控制電壓Uc的極性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。14. 交流伺服電動(dòng)機(jī)用于小功率，直流伺服電動(dòng)機(jī)用于大功率。15. 直流伺服電動(dòng)機(jī)類型：電磁式、永磁式。16. 直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制可以通過(guò)改變控制電壓Uc或改變磁通來(lái)實(shí)現(xiàn)。改變控制電壓的方法稱為電樞控制，改變磁通

32、的方法稱為磁場(chǎng)控制。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中大都采用電樞控制方式(永磁式伺服電動(dòng)機(jī)只能采取電樞控制)。17. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能將脈沖信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移(或直線位移)，這在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中特別方便，使用它可省去數(shù)模轉(zhuǎn)換接口。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。18. 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移是一個(gè)步距一個(gè)步距（對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖）移動(dòng)的，所以稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。19. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。同一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因通電方式不同，運(yùn)行時(shí)步距角也是不同的。20. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率低于運(yùn)行頻率。21. 不失步啟動(dòng)的最高脈沖頻率為啟動(dòng)頻率。運(yùn)行頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率連續(xù)上升時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)

33、機(jī)能不失步的最高頻率。22. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制電流一般都較大，而且需要一定的順序供給，所以信號(hào)脈沖不能直接送給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而需加脈沖分配器，以使得能按一定控制方式把脈沖分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相，并且通過(guò)功放電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 23. 當(dāng)轉(zhuǎn)子帶有負(fù)載力矩通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就不再能和定子上的某極對(duì)齊，而是相差一定的角度，該角度所形成的電磁轉(zhuǎn)矩正好和負(fù)載力矩相平衡。這個(gè)角度稱為失調(diào)角。24. 失調(diào)角影響步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精度，它隨負(fù)載力矩的變化而變化。所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所能帶的靜轉(zhuǎn)矩是受到限制的。25. 在伺服系統(tǒng)中，執(zhí)行元件以輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩為主，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則多為直線運(yùn)動(dòng)。用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)

34、構(gòu)主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。26. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲桿之間的運(yùn)動(dòng)傳遞有：聯(lián)軸器直接連接。通過(guò)減速器傳動(dòng)絲桿。當(dāng)電動(dòng)機(jī)與絲桿中心距較大時(shí)，可采用同步齒形帶傳動(dòng)。27. 減速器傳動(dòng)比的計(jì)算及分配：教材P145兩個(gè)圖(去年考過(guò)） 以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，其傳動(dòng)比可按下式計(jì)算： 、式中為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角(o)；p為絲杠導(dǎo)程(mm)；p為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量(mm)。脈沖當(dāng)量應(yīng)據(jù)系統(tǒng)精度要求來(lái)確定，對(duì)于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，一般取為0.0050.01mm。如計(jì)算出的i值較小，可采用同步齒形帶或一級(jí)齒輪傳動(dòng)，否則應(yīng)采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)。選擇齒輪傳動(dòng)級(jí)數(shù)時(shí)，一方面應(yīng)使齒輪總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jp與電動(dòng)機(jī)軸上主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1的比值

35、較小，另一方面還要避免因級(jí)數(shù)過(guò)多而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即Jp/ J1 較 小，N較小。通常是根據(jù)重量最輕，或等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，或輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則進(jìn)行各級(jí)傳動(dòng)比ii的分配。輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則的含義：各級(jí)轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差最小。28. 按照校正裝置在系統(tǒng)中的聯(lián)接方法，可把校正分為串聯(lián)校正和并聯(lián)校正。按校正環(huán)節(jié)的并聯(lián)方式，并聯(lián)校正可分為反饋校正和順饋校正。29. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率越低。30. W：步距角小，最大靜轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為什么啟動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率高？ A：n=f*60/2  f=n/ *30 

36、60;越小運(yùn)行f就越高第6章 機(jī)械技術(shù)1. 機(jī)械系統(tǒng)要求：高精度、快速響應(yīng)、良好的穩(wěn)定性2. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動(dòng)部件以及連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等非線性傳動(dòng)部件、導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件、軸系及架體等機(jī)構(gòu)組成。 3.4. 同步帶傳動(dòng)按用途分：（1）一般工業(yè)用同步帶傳動(dòng):即梯形齒同步帶傳動(dòng)。它主要用于中、小功率的同步帶傳動(dòng)。（2）高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動(dòng)：由于其齒形呈圓弧狀。在我國(guó)通稱為圓弧齒同步帶傳動(dòng)。它主要用于重型機(jī)械的傳動(dòng)中。（3）特種規(guī)格的同步帶傳動(dòng)。（4）特殊用途的同步帶傳動(dòng)。5. 同步帶傳動(dòng)按規(guī)格制度分：(1) 模數(shù)制：目前僅前蘇聯(lián)及東歐各國(guó)仍采用模數(shù)制。(2)