機(jī)電一體化系統(tǒng)的元部件特性分析分析PPT課件

1、返回結(jié)束放映返回本章目錄1 5-1 機(jī)電一體化系統(tǒng)與自動控制理論機(jī)電一體化系統(tǒng)與自動控制理論 自動控制理論是機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)，隨著機(jī)電一體 化技術(shù)的發(fā)展，控制理論在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的操作過程控制目的有兩個(gè)： 其一是根據(jù)操作條件的變化，制訂最佳操作方案； 其二是對操作過程進(jìn)行自動檢測和自動控制，提高控制性能， 實(shí)現(xiàn)規(guī)定的目的功能。 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，伺服控制的首要目標(biāo)是系統(tǒng)的輸出， 要盡可能使輸出量跟蹤隨時(shí)刻變化的輸入量，因此對抗外部干擾 的能力要求更高。對被控對象來說，系統(tǒng)的各構(gòu)成要素的特性參 數(shù)比較容易掌握，而隨操作條件和環(huán)境條件變化的過程控制較難

2、 掌握，為此以反饋控制理論為基礎(chǔ)的控制理論是機(jī)電一體化系統(tǒng) 不可缺少的理論基礎(chǔ)。第1頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄2 所謂“反饋”，是通過適當(dāng)?shù)臋z測傳感裝置將輸出量的全部或一部分返回到輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，用其偏差對系統(tǒng)進(jìn)行控制，反饋控制的目標(biāo)是使該偏差為零。在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)時(shí)，首先必須明確其靜態(tài)和動態(tài)特性要求，研究其外部干擾的形式、強(qiáng)弱、持續(xù)時(shí)間及其作用點(diǎn)，其次必須選擇具有適合該系統(tǒng)特性的調(diào)節(jié)器、檢測傳感器及執(zhí)行元件。 在經(jīng)典控制理論中，研究機(jī)電體化系統(tǒng)的動態(tài)特性是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，而傳遞函數(shù)是通過數(shù)學(xué)中的拉普拉斯變換定義的。 當(dāng)系統(tǒng)(或執(zhí)行元件)的運(yùn)動能夠用相

3、關(guān)定律(如電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等的某些定律)描述時(shí)，該系統(tǒng)(或執(zhí)行元件)的傳遞函數(shù)就可用理論推導(dǎo)的方法求出。對那些無法用相關(guān)定律推導(dǎo)其傳遞函數(shù)的系統(tǒng)(或執(zhí)行元件)，可用實(shí)驗(yàn)法建立其傳遞函數(shù)?！胺答仭钡暮x第2頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄3 經(jīng)典控制理論研究機(jī)電一體化系統(tǒng)的動態(tài)特性是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，而傳遞函數(shù)是通過數(shù)學(xué)中的拉普拉斯變換定義的。這里僅就機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的動態(tài)特性的分析基礎(chǔ)做以概述。第3頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄4 系統(tǒng)（或執(zhí)行元件）在階躍信號作用下(即操作量階躍變化時(shí))的過渡過程，大致可分為穩(wěn)定過程、不穩(wěn)定過程(發(fā)散)、穩(wěn)定過程(有振蕩)三種情況，并可近似

4、地用傳遞函數(shù)表示。 伺服系統(tǒng)有時(shí)也稱伺服機(jī)構(gòu)，它是以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。其輸出量隨輸入量的變化而變化，因此有時(shí)也稱隨動系統(tǒng)。 在隨動系統(tǒng)中，輸出量不僅受輸入量控制，而且反饋回來影響輸入量，所以稱其為閉環(huán)控制或反饋控制。并且由于系統(tǒng)是利用輸出量與輸入量之間的偏差進(jìn)行控制的，故又稱負(fù)反饋控制。對于輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯(lián)系的控制，則稱其為開環(huán)控制。 通過隨動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以分析： 1）系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)，即系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和振蕩性。 2）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，即穩(wěn)態(tài)誤差的大小。第4頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄5 流經(jīng)系統(tǒng)的信號隨時(shí)間連續(xù)變化時(shí)，則稱系統(tǒng)為連

5、續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，其信號為連續(xù)時(shí)間信號；在系統(tǒng)中，只要有一個(gè)地方的信號是脈沖信號或數(shù)字信號時(shí)，就稱系統(tǒng)為離散系統(tǒng)或稱采樣系統(tǒng)，其脈沖信號或數(shù)字信號稱為離散信號或采樣信號。 所謂采樣，是指將連續(xù)時(shí)間信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖或數(shù)字信號的過程。采樣控制系統(tǒng)包括一般的采樣系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。 由于采樣系統(tǒng)中存在脈沖(或數(shù)碼)信號，所以不能直接利用拉氏變換的方法建立各元件的傳遞函數(shù)。通常用z變換方法來研究采樣系統(tǒng)。由于篇幅所限，關(guān)于z變換，需要時(shí)請讀者閱讀其他有關(guān)參考書。第5頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄6 一、拉普拉斯變換與傳遞函數(shù)一、拉普拉斯變換與傳遞函數(shù)第6頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄7第7頁/共3

6、6頁返回結(jié)束放映返回本章目錄8第8頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄9 二、系統(tǒng)的過渡過程特性二、系統(tǒng)的過渡過程特性第9頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄10第10頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄11三、伺服系統(tǒng)及其動態(tài)特性三、伺服系統(tǒng)及其動態(tài)特性第11頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄12第12頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄13第13頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄14第14頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄15 四、采樣控制簡介四、采樣控制簡介 1. 采樣控制概念 首先介紹一下流經(jīng)系統(tǒng)信號的性質(zhì)。 流經(jīng)系統(tǒng)的信號隨時(shí)間連續(xù)變化時(shí)，則稱系統(tǒng)為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，其信號為連續(xù)時(shí)

7、間信號；在系統(tǒng)中，只要有一個(gè)地方的信號是脈沖信號或數(shù)字信號時(shí)，就稱系統(tǒng)為離散系統(tǒng)或稱采樣系統(tǒng)，其脈沖信號或數(shù)字信號稱為離散信號或采樣信號。 所謂采樣，是指將連續(xù)時(shí)間信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖或數(shù)字信號的過程。采樣控制系統(tǒng)包括一般的采樣系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。下面通過一個(gè)一般采樣控制系統(tǒng)實(shí)例，介紹采樣控制的有關(guān)概念。右圖是爐溫控制系統(tǒng)原理圖。第15頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄16第16頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄17第17頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄18 2. 數(shù)字控制系統(tǒng)第18頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄19第19頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄20第20頁/共36頁返回結(jié)

8、束放映返回本章目錄21第21頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄22第22頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄23 5-2 機(jī)電一體化系統(tǒng)元、部件動力學(xué)特性分析 機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)、執(zhí)行元件系統(tǒng)和電子信息處理(控制)系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成。各子系統(tǒng)的輸入與輸出之間不一定成比例關(guān)系，可具有某種頻率特性(動態(tài)特性或傳遞函數(shù))，即輸出可能具有與輸入完全不同的性質(zhì)。機(jī)械系統(tǒng)一般都具有非線性環(huán)節(jié)，在非線性不能忽略時(shí)，只能用微分方程來研究其特性。 考慮各子系統(tǒng)的動態(tài)特性和非線性進(jìn)行電子信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。本章主要介紹機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和執(zhí)行元件系

9、統(tǒng)等幾個(gè)子系統(tǒng)的基本特性，并從機(jī)電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的角度說明其分析方法。第23頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄24 一、 機(jī)械系統(tǒng)特性及變換機(jī)構(gòu) 機(jī)械系統(tǒng)是由軸、軸承、絲杠及連桿等機(jī)械零件構(gòu)成的，其功能是將一種機(jī)械量變換成與目的要求對應(yīng)的另一種機(jī)械量。例如，有的連桿機(jī)構(gòu)就是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動。機(jī)械系統(tǒng)在傳遞運(yùn)動的同時(shí)還將進(jìn)行力(或轉(zhuǎn)矩)的傳遞。因此，機(jī)械系統(tǒng)的各構(gòu)成零部件必須具有承受其所受力(或轉(zhuǎn)矩)的足夠強(qiáng)度和剛度的尺寸。但尺寸一大，質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量就大，系統(tǒng)的響應(yīng)就慢。第24頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄25第25頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄26第26頁/共36頁返

10、回結(jié)束放映返回本章目錄27第27頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄28 齒輪傳動機(jī)構(gòu)圖第28頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄29第29頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄30 回轉(zhuǎn)-直線線性變換機(jī)構(gòu) 第30頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄31二、 機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)靜力學(xué)特性1. 負(fù)載力(或轉(zhuǎn)矩)向輸入端的換算 機(jī)構(gòu)靜力學(xué)所研究的問題是：機(jī)構(gòu)輸出端所受負(fù)載(力或轉(zhuǎn)矩)向輸入端的換算；機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力(或轉(zhuǎn)矩)對輸入端的影響；求由上述各種力或重力加速度引起的機(jī)構(gòu)內(nèi)部各連桿、軸承等的受力。這里主要對研究機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中機(jī)電有機(jī)結(jié)合最重要的第一、第二個(gè)問題加以敘述。第三個(gè)問題是機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)中要研究的重要問題，此處予以省略。第31頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄32 2. 機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響 1) 線性變換機(jī)構(gòu)第32頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄33第33頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄34 讀者注意 其他系統(tǒng)的動態(tài)特性，這里從略，請讀者參看教材補(bǔ)充。第34頁/共36頁返回結(jié)束放映返回本章目錄35 習(xí)題與思考題5-1 回顧所學(xué)機(jī)械控制工程（自動控制理論基礎(chǔ)）的相關(guān)知識，簡述 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)與機(jī)械控制工程理論的關(guān)系。5-2 機(jī)