机电一体化系统设计试题
课程代码：02245
一、单项选择题(本大题共14小题，每小题1分，共14分)在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。
1.受控变量是机械运动的一种反馈控制系统称( )
A.顺序控制系统 B.伺服系统 C.数控机床 D.工业机器人
2.齿轮传动的总等效惯量随传动级数( )
A.增加而减小 B.增加而增加 C.减小而减小 D.变化而不变
3.滚珠丝杠螺母副结构类型有两类：外循环插管式和( )
A.内循环插管式 B.外循环反向器式
C.内、外双循环 D.内循环反向器式
4.某光栅的条纹密度是100条/mm，光栅条纹间的夹角θ=0.001孤度，则莫尔条纹的宽度是( )
A.100mm B.20mm C.10mm D.0.1mm
5.直流测速发电机输出的是与转速( )
A.成正比的交流电压 B.成反比的交流电压
C.成正比的直流电压 D.成反比的直流电压
6.电压跟随器的输出电压( )输入电压。
A.大于 B.大于等于 C.等于 D.小于
7.某4极交流感应电动机，电源频率为50Hz，当转差率为0.02时，其转速为( )
A.1450［r/min］ B.1470［r/min］
C.735［r/min］ D.2940［r/min］
8.右图称(
)
A.直流伺服电动机调节特性
B.直流伺服电动机机械特性
C.直流伺服电动机动态特性
D.直流伺服电动机调速特性
9.计算步进电动机转速的公式为( )
A. 
B.Tsmcos 
C.
D. 180°- 
10.一般说来，如果增大幅值穿越频率ωc的数值，则动态性能指标中的调整时间ts( )
A.增大 B.减小 C.不变 D.不定
11.已知f(t)=a+bt，则它的拉氏变换式为( )
A. 
+b
B. 
C. 
D.
12.连续路径控制类中为了控制工具沿任意直线或曲线运动，必须同时控制每一个轴的( )使得它们同步协调到达目标点。
A.位置和加速度
B.速度和加速度
C.位置和速度 D.位置和方向
13.图示利用继电器触点实现的逻辑函数为( )
A.(A+ 
)·( 
+B)
B.A· + ·B
C.(A+B)·( +
)
D.A·B+ ·
14.累计式定时器工作时有( )
A.1个条件 B.2个条件
C.3个条件 D.4个条件
二、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)
15.机电一体化
16.轴系的动特性
17.灵敏度(测量)
18.永磁同步电动机
19.复合控制器
三、简答题(本大题共4小题，每小题4分，共16分)
20.机电一体化系统设计指标大体上应包括哪些方面?
21.步进电动机常用的驱动电路有哪几种类型?其中哪种电路适于永磁式步进电动机?
22.步进电动机数控系统和参考脉冲伺服系统的输入信号是什么?输出轴的转速、转向、位置各自与哪些因素有关?
23.什么是PLC的扫描工作制?
四、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)
24.已知双波谐波齿轮的柔轮齿数Z1=200, 刚轮齿数
Z2=202，波发生器的转速nH=600r/min。如图
试求：(1)刚轮固定时柔轮的转速n1;
(2)柔轮固定时刚轮的转速n2。
25.已知某一线性电位器的测量位移原理如图所示。若电位器的总电阻R=2kΩ，电刷位移为X时的相应电阻Rx=1kΩ，电位器的工作电压Vi=12V,负载电阻为RL。
(1)已测得输出电压Vo=5.8V,求RL。
(2)试计算此时的测量误差。
26.某二阶系统如图所示
(1)求系统对r(t)阶跃响应的最大超调量σ%和调节时间ts。
(2)求r(t)=1+t,n(t)=0.1共同作用下的稳态误差ess。
27.三相变磁阻式步进电动机，转子80个齿。
(1)要求电动机转速为60r/min,单双拍制通电，输入脉冲频率为多少?
(2)要求电动机转速为100r/min，单拍制通电，输入脉冲频率为多少?
五、简单应用题(本大题共4小题，每小题6分，共24分)
28.已知一阶低通有源滤波器电路如图所示。要求：
(1)一阶低通滤波器现存在什么弱点?
(2)将其改进为二阶低通滤波器，画出电路图；
(3)画出二阶低通的幅频特性示意图。
29.三相交流感应电动机，电源频率50Hz，空载转速为1450r/min。
(1)该电动机为几极，空载转差率是多少?
(2)堵转时定子、转子绕组电势频率各为多少?
(3)空载时，定子、转子绕组电势频率各为多少?
30.二阶系统结构图如图所示。
设K1=0.1, K2=10,T1=0.5s
(1)求系统对r(t)的阶跃响应的最大超调量σ%及调节时间ts(取△=±5%);
(2)求系统增益Ks及伺服刚度KR;
(3)求r(t)=1+t及n(t)=0.1共同作用下系统的稳态误差ess。
31.考虑x-y平面上的直线运动路径，源点坐标(5，-2)，终点坐标为(1，-1)。设两轴最大加速度限制：αxmax=αymax=±2。试设计三次多项式样条函数点位控制指令。
六、综合应用题(本大题2小题，每小题8分，共16分)
32.某控制系统结构图如图所示，
图中GC(s)=Kp(1+Tds),Gp(s)=
=
(1) 确定Kp和Td的值，以使系统性能同时满足：
在单位抛物线(恒加速度)函数作用下的稳态误差essa≤0.2，幅值穿越(截止)频率ωc=5
(2) 计算系统在上述取值条件下的相位裕量 
m。
33.采用PLC设计二台电动机A、B工作的系统。
（1） 按钮X1为A电动机起动，按钮X2为A电动机停止（输出Y1）；
（2） 按钮X3为B电动机起动，按钮X4为B电动机停止（输出Y2）；
（3） 只有A电动机在工作中，B电动机才能工作。
要求：画出梯形图，写出助记符指令程序。
机电一体化系统设计试题参考答案
课程代码：02245
一、单项选择题(本大题共14小题，每小题1分，共14分)
1.B 2.A 3.D 4.C 5.C
6.C 7.B 8.B 9.C 10.B
11.B 12.C 13.A 14.B
二、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)
15.机械与电子的集成技术。
16.指轴系抵抗冲击、振动、噪声的特性。
17.输出变化量与对应的输入(被测量)变化量的比值。有时称为增量增益或标度因子。
18.以电子换向取代了传统直流电动机的电刷换向，又称无刷电动机。
19.在反馈控制器的基础上附加一个前馈控制器，二者的组合称为复合控制器。它的作用是使系统能以零稳定误差跟踪已知的输入信号。
三、简答题(本大题共4小题，每小题4分，共16分)
20.应包括系统功能、性能指标、使用条件、经济效益。
21.主要有：单极性驱动电路、双极性驱动电路、高低压驱动电路、斩波驱动电路、细分电路。其中双极性驱动电路适于永磁式步进电动机。
22.(1)参考脉冲序列。
转速与参考脉冲频率成正比。
(2)输出轴 转向由转向电平决定。
位置由参考脉冲数决定。
23.PLC的扫描工作制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令。重复进行。
四、计算题(本大题共4小题，每小题5分，共20分)
24.（1）刚轮固定时： 
n1=-
（2）柔轮固定时 
25.V0= 
(1) 当V01=5.8时，5.8= 
5.8= 
(２)空载时ＲＬ＝ 
设测量出5.8Ｖ输出电压时的测量误差
则 
26.(1)求闭环传函及误差表达式
C(s)=CR(s)+CN(s)=
E(s)=R(s)-C(s)=[1- 
]R(s)-
(2)求 
ts= 
(3)求ess
二阶系统ai>0闭环稳定
R(s)= 
Ess= 
27.(1) 
即 
（2） 
单拍制
即： f= 
五、简单应用题（本大题共4小题，每小题6分，共24分）
28．（1）一阶低通滤波器存在过渡区域衰减缓慢的弱点。
2）二阶低通有源滤波器电路图
(3)低通滤波幅频率特性示意图。
29．（1） 
即该电动机为四级
空载时转差率为：S=
（2）堵转时：S＝１
定子绕组电势频率f1=50Hz,转子绕组电势频率f2=Sf1=50Hz
(3) 空载时：
定子绕阻电势频率f1＝50Hz,转子绕组电势频率：
f2= 
30.(1)G(s)= 
1型 Ｋv=
Ｋp= 
(2)性能指标
ts= 
(3)系统增益与伺服刚度
Ks=Kv=K1K2=1， KR=K1=0.1
（4） essr= 
essn=- 
31. 
所以协调运动先设计x轴，再利用下列直线方程变换成y轴控制指令
y(t)=- 
x(t)=5+3(1-5)( 
)2-2(1-5)(
)3=5-t2+
y(t)=-2+ 
六、综合应用题（本大题共２小题，每小题８分，共１６分）
32.(1)开环传函
G(s)=Gc(s)Gp(s)=
(2)确定Kp和Td
由essa= 
取Kp=2.5
在 
1+25T 
(3)相应的 
33.(1)梯形图：
（２）助记符指令程序：
STR X1
OR Y1
AND NOT X2
OUT Y1
STR X3
OR Y2
AND NOT X4
AND Y1
OUT Y2