机电传动控制习题集及解答

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机 电 传 动 控 制

习 题 解 答

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郝昕玉

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习题集及解答

第1章 概 述

1-1什么是机电传动控制？机电传动与控制的发展各经历了哪些阶段?

答：从广义上讲，机电传动控制就是要使生产机械设备、生产线、车间甚至整个工厂都实现自动化；具体地讲，就是以电动机为原动机驱动生产机械，将电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止及调速，满足各种生产工艺过程的要求，实现生产过程的自动化。因此，机电传动控制，既包含了拖动生产机械的电动机，又包含了控制电动机的一整套控制系统。例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米，重型镗床为保证加工精度和控制粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求在很宽的范围内调速；轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在不到一秒钟时间内就得完成从正转到反转的过程，即要求能迅速地启动、制动和反转；对于电梯和提升机则要求启动和制动平稳、并能准确地停止在给定的位置上；对于冷、热连轧机以及造纸机的各机架或分部，则要求各机架或各分部的转速保持一定的比例关系进行协调运转；为了提高效率，由数台或数十台设备组成的生产自动线，要求统一控制和管理。诸如此类的要求.都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置来实现的。

它主要经历了四个阶段：最早的机电传动控制系统出现在20世纪韧，它仅借助于简单的接触器与继电器等控制电器，实现对控制对象的启动、停车以及有级调速等控制，它的控制速度慢，控制精度差，30年代出现了电机放大机控制，它使控制系统从断续控制发展到连续控制，连续控制系统可随时检查控制对象的工作状态，并根据输出且与给定量的偏差对控制对象进行自动调整，它的快速性及控制精度都大大超过了最初的断续控制，并简化了控制系统，减少了电路中的触点，提高了可靠性，使生产效率大力提高；40年代～50年代出现了磁放大器控制和大功率可控水银整流器控制；可时隔不久，于50年代末期出现了大功率固体可控整流元件——晶闸管，很快晶闸管控制就取代了水银整流器控制，后又出现了功率晶体管控制，由于晶体管、晶闸管具有效率高、控制特性好、反应快、寿命长、可靠性高、维护容易、体积小、重量轻等优点，它的出现为机电传动自动控制系统开辟了新纪元；随着数控技术的发展，计算机的应用特别是微型计算机的出现和应用，又使控制系统发展到一个新阶段——采样控制，它也是一种断续控制，但是和最初的断续控制不同，它的控制间隔(采样周期)比控制对象的变化周期短得多，因此，在客观上完全等效于连续控制，它把晶闸管技术与微电子技术、计算机技术紧密地结合在一起，使晶体管与晶闸管控制具有强大的生命力。

20世纪70年代韧，计算机数字控制(CNC)系统应用于数控机床和加工中心，这不仅加强了自动化程度，而且提高了机床的通用性和加工效率，在生产上得到了广泛的应用。工业机器人的诞生，为实现机械加工全盘自动化创造了物质基础，80年代以来，出现了由数控机床、工业机器人、自动搬运车等组成的统一由中心计算机控制的机械加工自动线——柔性制造系统(FMS)，它是实现自动化车间和自动化工厂的重要组成部分。机械制造自动化高级阶段是走向设计、制造一体化，即利用计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)形成产品设计和制造过程的完整系统，对产品构思和设计直至装配、试验和质量管理这一全过程实现自动化。为了实现制造过程的高效率、高柔性、高质量，研制计算机集成生产系统(CIMS)是

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人们今后的任务。

1-2机电传动控制系统有哪五大基本要素?各具有什么功能？

答：虽然随着机电传动系统的要求不同，其控制系统也不同。但是归纳起来，它们通常是由五大要素与功能组成的，即由机械装置（结构功能）、执行装置（驱动功能和能量转换功能）、传感器与检测装置（检测功能）、动力源（运转功能）、信息处理与控制装置（控制功能）五部分组成，如图1-1所示。

1.机械装置（结构功能） 机械是由机械零件组成的、能够传递运动并完成某些有效工作的装置。机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及安装固定部分等组成。通用的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、链轮、蜗轮、带、带轮、曲柄及凸轮等。两个零件互相接触并相对运动就形成了运动副。由若干运动副组成的具有确定运动的装置称为机构。就传动而言，机构就是传动链。

为了实现机电传动控制系统整体最佳的目标，从系统动力学方面来考虑，传动链越短越好。因为在传动副中存在“间隙非线性”，根据控制理论的分析，这种间隙非线性会影响系

动力源 （运转功能） 传感器与检测装置 （检测功能） 信息处理与控制装置 （控制功能） 执行装置 （驱动和能量转换功能） 机械装置 （结构功能） 图1-1 控制系统五大要素与功能

统的动态性能和稳定性。另外，传动件本身的转动惯量也会影响系统的响应速度及系统的稳定性。在数控机床中之所以存在“半闭环控制”，其原因就在于此。

据引，提出了“轴对轴传动（d-d传动）”，如电动机直接传动机床的主轴，轴就是电动机的转子，从而出现了各种电主轴。这对执行装置提出了更高的要求：如机械装置、执行装置及驱动装置之间的协调与匹配问题。必须保留一定的传动件时，应在满足强度和刚度的前提下，力求传动装置细、小、巧，这就要求采用特种材料和特种加工工艺。

2.执行装置（驱动功能和能量转换功能）

执行装置包括以电、气压和液压等作为动力源的各种元器件及装置。例如，以电作为动力源的直流电动机、直流伺服电动机、三相交流异步电动机、变频三相交流电动机、三相交流永磁伺服电动机、步进电动机、比例电磁铁、电磁粉末离合器/制动器、电动调节阀及电磁泵等；以气压作为动力源的气动马达和气缸；以油压作为动力源的液压马达和液压缸等。

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