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2025年电气工程伺服系统扭矩控制进阶试题及答案

一、选择题（每题3分，共30分）
1. 以下哪种方法不属于伺服系统扭矩控制的基本策略？（ ）
A. 电流控制
B. 速度控制
C. 电压控制
D. 位置控制
答案：D
解析：伺服系统扭矩控制基本策略有电流控制、速度控制、电压控制等，位置控制不属于扭矩控制基本策略。
2. 在伺服系统扭矩控制中，通过调节（ ）可以直接控制扭矩大小。
A. 电机转速
B. 电机电流
C. 电机电压
D. 电机温度
答案：B
解析：在扭矩控制中，调节电机电流可直接控制扭矩大小，因为扭矩与电流有直接关系。
3. 以下哪种传感器常用于伺服系统扭矩控制的反馈检测？（ ）
A. 温度传感器
B. 压力传感器
C. 扭矩传感器
D. 位移传感器
答案：C
解析：扭矩传感器用于检测扭矩大小，能为扭矩控制提供反馈信号，以实现精确控制。
4. 伺服系统扭矩控制的PI控制器中，积分环节的作用是（ ）。
A. 消除稳态误差
B. 加快响应速度
C. 抑制超调
D. 提高系统稳定性
答案：A
解析：积分环节主要作用是消除稳态误差，使系统输出更接近理想值。
5. 当伺服系统扭矩控制中负载突然增大时，以下说法正确的是（ ）。
A. 电机转速会立即上升
B. 电机电流会立即减小
C. 控制系统会自动增加扭矩输出
D. 系统会进入失控状态
答案：C
解析：负载增大时，控制系统会检测到并自动增加扭矩输出以维持系统运行。
6. 在伺服系统扭矩控制中，采用矢量控制技术的目的是（ ）。
A. 提高电机效率
B. 降低电机温度
C. 实现更精确的扭矩控制
D. 减小电机体积
答案：C
解析：矢量控制技术可通过对电机电流矢量的精确控制，实现更精确的扭矩控制。
7. 以下哪种算法不适用于伺服系统扭矩控制的优化？（ ）
A. 模糊控制算法
B. 神经网络算法
C. 遗传算法
D. 牛顿迭代法
答案：D
解析：牛顿迭代法主要用于求解方程根等问题，不适用于扭矩控制优化，其他几种算法可用于优化扭矩控制。
8. 伺服系统扭矩控制中，若要实现快速响应，应（ ）。
A. 增大比例系数
B. 减小积分时间常数
C. 增大微分时间常数
D. 以上都对
答案：D
解析：增大比例系数可加快响应速度，减小积分时间常数可减少积分作用带来的延迟，增大微分时间常数可对变化趋势提前响应，综合起来可实现快速响应。
9. 在扭矩控制的伺服系统中，电机的额定扭矩与（ ）有关。
A. 电机功率
B. 电机转速
C. 电机效率
D. 电机极对数
答案：A
解析：电机额定扭矩与电机功率成正比关系，功率越大，额定扭矩越大。
10. 以下哪种情况会导致伺服系统扭矩控制出现偏差？（ ）
A. 传感器精度不够
B. 控制器参数设置不当
C. 负载变化
D. 以上都是
答案：D
解析：传感器精度不够会使反馈信号不准确，控制器参数设置不当影响控制效果，负载变化会改变扭矩需求，这些都会导致扭矩控制出现偏差。

二、填空题（每题3分，共15分）
1. 伺服系统扭矩控制的核心是通过控制电机的____来实现扭矩的精确调节。
答案：电流
解析：电机电流与扭矩直接相关，控制电流可实现扭矩精确调节。
2. 在PI控制器中，比例系数越大，系统的响应速度越____。
答案：快
解析：比例系数越大对偏差的反应越迅速，响应速度越快。
3. 伺服系统扭矩控制中，常用的前馈控制方法是基于____的前馈补偿。
答案：负载模型
解析：基于负载模型的前馈补偿可提前对负载变化进行补偿，提高扭矩控制精度。
4. 为了提高伺服系统扭矩控制的稳定性，可采用____控制技术。
答案：自适应
解析：自适应控制技术可根据系统运行情况自动调整控制参数，提高稳定性。
5. 在扭矩控制的伺服系统中，电机的扭矩特性曲线通常是____曲线。
答案：非线性
解析：电机扭矩特性曲线受多种因素影响，通常是非线性的。

三、简答题（每题10分，共30分）
1. 简述伺服系统扭矩控制中电流控制的原理及优点。
答案：电流控制原理是通过直接控制电机的电流大小来控制扭矩。优点在于响应速度快，能快速跟随扭矩指令变化；控制精度高，可以精确控制扭矩输出；抗干扰能力较强，能有效抵抗负载等干扰因素对扭矩控制的影响。
解析：电流与扭矩直接关联，直接控制电流就能精准控制扭矩大小，快速响应指令，精确输出扭矩，并且在有干扰时能保持较好的控制效果。
2. 说明在伺服系统扭矩控制中，如何通过调节PI控制器参数来改善系统性能。
答案：增大比例系数可加快系统响应速度，但可能导致超调增大；减小比例系数可减小超调，但响应速度会变慢。增大积分时间常数可消除稳态误差，但会使系统响应变慢且可能产生积分饱和现象；减小积分时间常数可加快响应，但稳态误差可能增大。增大微分时间常数可抑制超调，改善系统的动态性能；减小微分时间常数则相反。需要根据系统具体情况综合调整这些参数，以达到最佳性能。
解析：比例系数影响响应速度和超调，积分时间常数影响稳态误差和响应速度，微分时间常数影响超调和动态性能，通过合理调整这些参数可优化系统性能。
3. 阐述伺服系统扭矩控制中负载扰动对系统的影响及常用的补偿方法。
答案：负载扰动会使电机输出扭矩与指令扭矩产生偏差，导致系统转速、位置等出现波动，影响控制精度。常用补偿方法有基于负载模型的前馈补偿，通过建立负载模型预测负载变化并提前补偿扭矩；还有自适应补偿，根据系统实时运行情况自动调整补偿量，以减小负载扰动的影响。
解析：负载变化打破系统平衡，使控制出现偏差，前馈补偿和自适应补偿能分别从提前预测和实时调整角度来减小这种影响。

四、分析题（15分）
在一个采用扭矩控制的伺服系统中，发现电机输出扭矩不稳定，波动较大。请分析可能的原因，并提出相应解决措施。
答案：可能原因：
- 传感器故障，如扭矩传感器精度下降或损坏，导致反馈信号不准确，影响扭矩控制。
- 控制器参数设置不合理，比例、积分、微分参数不合适，不能有效调节扭矩。
- 负载变化频繁且剧烈，超出了系统的补偿能力。
- 干扰因素影响，如电磁干扰等导致控制信号失真。

解决措施：
- 检查和更换扭矩传感器，确保其精度和可靠性。
- 重新调整控制器参数，根据系统特性进行优化，如通过实验确定最佳的比例、积分、微分系数。
- 采用更精确的负载模型和补偿算法，提高对负载变化的适应能力。
- 采取抗干扰措施，如屏蔽电磁干扰源、合理布线等，保证控制信号的稳定性。
解析：从传感器、控制器、负载和干扰等方面分析不稳定原因，然后针对性地提出解决办法，以恢复系统扭矩控制的稳定性。

五、设计题（20分）
设计一个基于模糊控制的伺服系统扭矩控制方案，要求说明模糊控制器的输入、输出变量，模糊规则以及推理过程。
答案：
- 输入变量：扭矩偏差e和扭矩偏差变化率ec。扭矩偏差反映当前扭矩与目标扭矩的差值，偏差变化率体现扭矩变化的趋势。
- 输出变量：控制量u，用于调节电机电流以控制扭矩。
- 模糊规则：根据扭矩偏差和偏差变化率的大小来制定模糊规则。例如，当扭矩偏差较大且偏差变化率也较大时，应大幅度增加控制量；当扭矩偏差较小且偏差变化率较小时，应小幅度调整控制量等。具体规则如下：
- If (e is NB) and (ec is NB) then (u is PB)
- If (e is NB) and (ec is NM) then (u is PB)
- ……（根据不同的偏差和偏差变化率组合制定多条规则）
- 推理过程：首先将输入的扭矩偏差和偏差变化率进行模糊化，转化为模糊集合中的元素。然后根据模糊规则进行匹配，得到相应的模糊控制量。最后通过解模糊化方法，将模糊控制量转化为实际的控制量输出，用于调节伺服系统的扭矩。
解析：通过定义合适的输入输出变量，制定合理的模糊规则，并按照推理过程进行控制，可实现基于模糊控制的伺服系统扭矩控制方案。