機電一體化系統(tǒng)的元部件特性ch資料PPT課件

1、1 第一節(jié)第一節(jié) 自動控制理論與機電一體化自動控制理論與機電一體化系統(tǒng)系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)的操作過程控制目的有兩個：其一是根據(jù)操作條件的變化，制定最佳操作方案；其二是對操作過程進行自動檢測和自動控制，提高控制性能，實現(xiàn)規(guī)定的目的功能。 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掌握，為此，以反饋控制理論為基礎(chǔ)的控制理論是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的理論基礎(chǔ)。第1頁/共39頁2 反饋：“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，使之與輸入量進行比較，用其偏差對系統(tǒng)進行控制，反饋控制的目標(biāo)是使該偏差為零。 傳遞函數(shù)與拉普拉斯變

2、換：在經(jīng)典控制理論中，研究機電體化系統(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。 獲取傳遞函數(shù)的方法： 當(dāng)系統(tǒng)(或執(zhí)行元件)的運動能夠用相關(guān)定律(如電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等的某些定律)描述時，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)，可用實驗法建立其傳遞函數(shù)。第2頁/共39頁3 常用函數(shù)的拉氏變換和反變換可從拉氏變換表中查出，通常不必自己計算。一、拉普拉斯變換與傳遞函數(shù)第3頁/共39頁4 一般來說，機電一體化系統(tǒng)(或元件)的輸入量(或稱輸入信號)和輸出量(或稱輸出信號)可用時間函數(shù)描述，輸入量與

3、輸出量之間的因果關(guān)系或者說系統(tǒng)（或元件）的運動特性可用微分方程描述。 系統(tǒng)(或元件)的運動特性也可以用傳遞函數(shù)描述。 線性定常系統(tǒng)( (或元件) )的傳遞函數(shù)定義為：零初始值下，系統(tǒng)（元件）輸出量拉氏變換與輸入量拉氏變換之比。 當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾時，其輸出量必將發(fā)生變化，但由于系統(tǒng)總含有慣性或儲能元件，其輸出量不可能立即變化到與外部干擾相應(yīng)的值，而需要有一個過程，這個過程就是系統(tǒng)的過渡過程。 二、系統(tǒng)的過渡過程特性第4頁/共39頁5 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)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，并可近似地

4、用傳遞函數(shù)表示。圖5.1 過程的瞬態(tài)響應(yīng)第5頁/共39頁6 伺服系統(tǒng)有時也稱伺服機構(gòu)，它是以機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，有時也稱隨動系統(tǒng)。 如果輸出量不僅受輸入量控制，而且反饋回來影響輸入量，則稱其為閉環(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行控制的，故又稱負反饋控制。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。 實例 三、伺服系統(tǒng)及其動態(tài)特性第6頁/共39頁7第7頁/共39頁8 根據(jù)控制系統(tǒng)框圖，和系統(tǒng)中各元件的傳遞函數(shù)，以及控制理論，可以寫出系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)?？梢苑治觯?1）系統(tǒng)過渡過程品

5、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8頁/共39頁9 流經(jīng)系統(tǒng)的信號隨時間連續(xù)變化時，則稱系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)，其信號為連續(xù)時間信號；在系統(tǒng)中，只要有一個地方的信號是脈沖信號或數(shù)字信號時，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)。四、采樣控制簡介一般采樣控制系統(tǒng)實例 第9頁/共39頁圖5.7 爐溫控制系統(tǒng)原理圖第10頁/共39頁11圖5.10 5.10 采樣系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)保持器保持器被控對象被控對象反饋元件反饋元件誤差信號誤差

6、信號采樣信號采樣信號保持器處理之后保持器處理之后的采樣信號的采樣信號第11頁/共39頁12圖5.11 5.11 數(shù)字控制系統(tǒng)工作原理框圖系統(tǒng)中含有數(shù)字計算機或者數(shù)字式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)，稱之為數(shù)字控制系統(tǒng)。信號的采樣信號的采樣信號的復(fù)現(xiàn)信號的復(fù)現(xiàn)第12頁/共39頁13圖5.12 A/D5.12 A/D轉(zhuǎn)換過程將采樣信號，也就是時間上離散而幅值上連續(xù)的信號，量化后成為數(shù)字信號的過程，這是一個近似過程，稱為量化過程量化過程。第13頁/共39頁14圖5.12 D/A 5.12 D/A 轉(zhuǎn)換過程每個采樣周期內(nèi)保持?jǐn)?shù)字信號為常值。第14頁/共39頁15 第二節(jié)第二節(jié) 機電一體化系統(tǒng)元、部件的動態(tài)特機電一體化

7、系統(tǒng)元、部件的動態(tài)特性性 機電一體化系統(tǒng)由機械系統(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)。 本章主要介紹機電一體化系統(tǒng)中的機械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和執(zhí)行元件系統(tǒng)等幾個子系統(tǒng)的基本特性，并從機電一體化系統(tǒng)構(gòu)成要素的角度說明其分析方法。第15頁/共39頁16 一、一、 機械系統(tǒng)特性及變換機機械系統(tǒng)特性及變換機構(gòu)構(gòu) 機械系統(tǒng)是由軸、軸承、絲杠及連桿等機械零件構(gòu)成的，其功能是將一種機械量變換成與目的要求對應(yīng)的另一種機械量。 例如，有的連桿機構(gòu)就是將回轉(zhuǎn)運動變換為

8、直線運動。機械系統(tǒng)在傳遞運動的同時還將進行力(或轉(zhuǎn)矩)的傳遞。因此，機械系統(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16頁/共39頁 齒輪傳動機構(gòu)圖（線性傳動機構(gòu)）第17頁/共39頁（線性傳動機構(gòu)）第18頁/共39頁 回轉(zhuǎn)-直線(或直線-回轉(zhuǎn))線性變換機構(gòu)圖a齒輪齒條機構(gòu)圖；圖b滾珠絲杠副第19頁/共39頁20二、二、 機械系統(tǒng)的機構(gòu)靜力學(xué)特性機械系統(tǒng)的機構(gòu)靜力學(xué)特性 機構(gòu)靜力學(xué)所研究的問題是： 機構(gòu)輸出端所受負載(力或轉(zhuǎn)矩)向輸入端的換算； 機構(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

9、的機構(gòu)內(nèi)部各連桿、軸承等的受力。 這里主要對研究機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中機電有機結(jié)合最重要的第一、第二個問題加以敘述。第三個問題是機構(gòu)的強度、剛度設(shè)計中要研究的重要問題，此處予以省略。第20頁/共39頁21（1）負載力（或轉(zhuǎn)矩）向輸入端的轉(zhuǎn)算）負載力（或轉(zhuǎn)矩）向輸入端的轉(zhuǎn)算 在機構(gòu)內(nèi)部摩擦損失小時，應(yīng)用虛功在機構(gòu)內(nèi)部摩擦損失小時，應(yīng)用虛功原理便可得到輸出負載向輸入端的換算。原理便可得到輸出負載向輸入端的換算。1）單輸入）單輸入單輸出機械系統(tǒng)單輸出機械系統(tǒng)yyxyxFxyFFddnnynnxMMMyFTTTxF),(),(22112211yTxFxyFFxxyyFy = f(x),M,M,M,T,T

10、,TFxxFyyy = f(x)2）多輸入）多輸入多輸出機械系統(tǒng)多輸出機械系統(tǒng) 輸入功的總和與輸出功的總和：輸入功的總和與輸出功的總和：輸入力與輸出負載的關(guān)系：輸入力與輸出負載的關(guān)系：第21頁/共39頁22（2）機構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響）機構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響 機構(gòu)內(nèi)部由于摩擦阻力的存在，機構(gòu)的輸入與輸出變換關(guān)系難于確定。但對于機構(gòu)內(nèi)部由于摩擦阻力的存在，機構(gòu)的輸入與輸出變換關(guān)系難于確定。但對于線性系統(tǒng)而言，變換關(guān)系的變化可認為僅與摩擦角相關(guān)，與輸入轉(zhuǎn)角無關(guān)。線性系統(tǒng)而言，變換關(guān)系的變化可認為僅與摩擦角相關(guān)，與輸入轉(zhuǎn)角無關(guān)。 1）機械線性變換機構(gòu)）機械線性變換機構(gòu) 主要有絲杠螺母傳動機構(gòu)和齒輪齒條傳

11、動機構(gòu)。主要有絲杠螺母傳動機構(gòu)和齒輪齒條傳動機構(gòu)。圖5.21 滑動絲杠變換機構(gòu) 第22頁/共39頁23圖5.21 滑動絲杠變換機構(gòu)r0絲杠螺紋中徑處半徑；Tx使絲杠產(chǎn)生轉(zhuǎn)動所需轉(zhuǎn)矩；FxFn 、 uFn在x向的分力；Fy螺母所受的向上推力，也為Fn 、 uFn在y向的分力；u摩擦系數(shù)；第23頁/共39頁24 絲杠螺母傳動機構(gòu)，絲杠螺母傳動機構(gòu)，F(xiàn)n與與uFn在在x向和向和y向的傳動分力向的傳動分力Fx, Fy：sincoscossinnnynnxFFFFFF)arctantan(00rFrFTyxx)arctantan(0r可推導(dǎo)出使絲杠轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩：可推導(dǎo)出使絲杠轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩：得出得出F

12、y 向向Tx 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換的變換系數(shù)為：變換系數(shù)為：因摩擦阻力存在，該值會有變化，因摩擦阻力存在，該值會有變化， 但不受輸入轉(zhuǎn)角的影響。但不受輸入轉(zhuǎn)角的影響。第24頁/共39頁252）非線性變換機構(gòu)）非線性變換機構(gòu) 由于機械變換中固然存在摩擦阻力，一般情況下，由于機械變換中固然存在摩擦阻力，一般情況下，非線性變換機構(gòu)的變換關(guān)系具有不確定性。非線性變換機構(gòu)的變換關(guān)系具有不確定性。 因此，在機械變換機構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡可能地減少機因此，在機械變換機構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡可能地減少機械傳動的摩擦阻力。械傳動的摩擦阻力。 第25頁/共39頁26例如曲柄滑塊機構(gòu)例如曲柄滑塊機構(gòu)其輸入動力其輸入動力T與輸出外載荷與輸出

13、外載荷Fy的關(guān)系可寫為：的關(guān)系可寫為：yFaT)cos()sin(cosarctan其中：其中：ABCabFyy因摩擦阻力存在，從因摩擦阻力存在，從Fy向向T的變換系數(shù)與的變換系數(shù)與有有關(guān)，但不是比例關(guān)系。關(guān)，但不是比例關(guān)系。第26頁/共39頁27三、機構(gòu)動力學(xué)特征三、機構(gòu)動力學(xué)特征 機構(gòu)動力學(xué)是研究機構(gòu)要素的慣性、機構(gòu)中各元部件的剛性所產(chǎn)生的振動問題。機構(gòu)動力學(xué)是研究機構(gòu)要素的慣性、機構(gòu)中各元部件的剛性所產(chǎn)生的振動問題。 主要研究內(nèi)容：主要研究內(nèi)容： 1、平面平面運動機構(gòu)要素的動態(tài)力和動態(tài)轉(zhuǎn)矩運動機構(gòu)要素的動態(tài)力和動態(tài)轉(zhuǎn)矩 剛體動力學(xué)問題剛體動力學(xué)問題 2、空間空間運動機構(gòu)要素的動態(tài)力和動態(tài)

14、轉(zhuǎn)矩運動機構(gòu)要素的動態(tài)力和動態(tài)轉(zhuǎn)矩 剛體動力學(xué)問題剛體動力學(xué)問題 3、Lagrange公式與動態(tài)力或轉(zhuǎn)矩向輸入端的換算公式與動態(tài)力或轉(zhuǎn)矩向輸入端的換算 剛體動力學(xué)問題。剛體動力學(xué)問題。 4、機構(gòu)輸出端的彈性與動態(tài)特性。、機構(gòu)輸出端的彈性與動態(tài)特性。 彈性動力學(xué)問題。彈性動力學(xué)問題。 由于動力學(xué)問題的研究較為復(fù)雜，在此不做講解。由于動力學(xué)問題的研究較為復(fù)雜，在此不做講解。第27頁/共39頁28第三節(jié)第三節(jié) 傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性 機電一體化中傳感器輸入量多為機械物理量，最終輸出應(yīng)機電一體化中傳感器輸入量多為機械物理量，最終輸出應(yīng)為與控制系統(tǒng)相匹配的電信號物理量。在此過程中要經(jīng)過一定為與

15、控制系統(tǒng)相匹配的電信號物理量。在此過程中要經(jīng)過一定的參量變換，即需的參量變換，即需傳遞函數(shù)（動態(tài)特性）轉(zhuǎn)換傳遞函數(shù)（動態(tài)特性）轉(zhuǎn)換。 傳感器檢測信號的一般變換過程：傳感器檢測信號的一般變換過程：機械量變換機械-電氣變換運算放大電路GmGmeGexsyvv 輸入量與電信號輸出量之間的變換關(guān)系（傳遞函數(shù)）輸入量與電信號輸出量之間的變換關(guān)系（傳遞函數(shù)） Gs = Gm Gme Ge 除此之外，有時還需整形濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理變換等信除此之外，有時還需整形濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理變換等信號轉(zhuǎn)換過程。號轉(zhuǎn)換過程。第28頁/共39頁29 傳感器變換器的變換類型傳感器變換器的變換類型 傳感器變換器的變換過程，依

16、據(jù)所選用傳感器的傳感器變換器的變換過程，依據(jù)所選用傳感器的類型和所轉(zhuǎn)換物理量的處理過程及要求不同，通常類型和所轉(zhuǎn)換物理量的處理過程及要求不同，通常分為以下幾種形式。分為以下幾種形式。 1）電）電/磁變換磁變換 機械機械電電/磁變換、電磁變換、電磁變換。動電式、靜電磁變換。動電式、靜電式、磁阻式、式、磁阻式、霍爾效應(yīng)式霍爾效應(yīng)式等。等。 2）壓電變換：壓電元件。）壓電變換：壓電元件。 3）應(yīng)變）應(yīng)變/電阻轉(zhuǎn)換電阻轉(zhuǎn)換 機械位移機械位移阻抗轉(zhuǎn)換。應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片等。阻抗轉(zhuǎn)換。應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片等。 4）光電變換）光電變換 光信號光信號電信號轉(zhuǎn)換。光電二極管、光敏晶體管。電信號轉(zhuǎn)換。光電二極管

17、、光敏晶體管。第29頁/共39頁301. 電子2. 導(dǎo)體3. 磁鐵4. 磁場5. 電源霍爾效應(yīng)：是指當(dāng)固體導(dǎo)體有電流通過，且放置在一個磁場內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷載子受到磁場力而偏向一邊，繼而產(chǎn)生電壓。電場力會平衡磁場力。第30頁/共39頁31一、動電式變換器的動態(tài)特性一、動電式變換器的動態(tài)特性 動電式變換器：動電式變換器：將回轉(zhuǎn)或平移機械量轉(zhuǎn)換成電信號的一種將回轉(zhuǎn)或平移機械量轉(zhuǎn)換成電信號的一種變換器。變換器。dtdiLvdxdyksdtdiLvdtdksRLsKsGme/1動電式變換器的變換式為（動電式變換器的變換式為（k感應(yīng)電壓常數(shù)）：感應(yīng)電壓常數(shù)）：或或傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：當(dāng)當(dāng)Ls/R1時，時，

18、Gmed/C，輸出與力成比例。，輸出與力成比例。第32頁/共39頁33具有其他平滑特性變換器（傳感器）具有其他平滑特性變換器（傳感器） 這類傳感器變換器指在一定檢測范圍內(nèi)輸入與輸出之間這類傳感器變換器指在一定檢測范圍內(nèi)輸入與輸出之間近似地成正比。近似地成正比。 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：Gm = K。鐵氧體鐵芯一次線圈二次線圈yyy發(fā)光元件受光元件（1）差分變壓器。）差分變壓器。（2）靜電式變換器。）靜電式變換器。（3）應(yīng)變計測量應(yīng)力變）應(yīng)變計測量應(yīng)力變化的變換器。化的變換器。（4）光電編碼器。）光電編碼器。第33頁/共39頁34三、傳感檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性三、傳感檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性 將被檢測量將被檢

19、測量x變換成機械變量變換成機械變量y的過程中，在力或位移的過程中，在力或位移的變化速度較快時，若要滿足一定的變換精度，變換器的變化速度較快時，若要滿足一定的變換精度，變換器的頻率使用范圍將受到一定的限制，即避免變換器產(chǎn)生的頻率使用范圍將受到一定的限制，即避免變換器產(chǎn)生共振（共振（變換器固有頻率變換器固有頻率n應(yīng)為使用最高頻率的應(yīng)為使用最高頻率的10倍以倍以上上）。這一特性是傳感檢測系統(tǒng)的重要特性。）。這一特性是傳感檢測系統(tǒng)的重要特性。第34頁/共39頁35 對于典型的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)（檢測對象為位移對于典型的質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)（檢測對象為位移x）0kyyyxm 運動方程：運動方程：mkn

20、/固有頻率：固有頻率：mk2/阻阻 尼尼 比：比： 2222nnmssssxsysG 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：0.11010.110= 0.10.20.50.711振幅頻率特性曲線振幅頻率特性曲線只有當(dāng)只有當(dāng)/n1 1時，才有時，才有|Gm|=1。只有降低系統(tǒng)的固有頻率，才能只有降低系統(tǒng)的固有頻率，才能正確測量變化緩慢的振動信號。正確測量變化緩慢的振動信號。/n|Gm|第35頁/共39頁36第四節(jié)第四節(jié) 電氣執(zhí)行元件的特性分析電氣執(zhí)行元件的特性分析 常用執(zhí)行元件有電氣式、液壓式、氣壓式，輸入信號盡管有所不同，但輸出均常用執(zhí)行元件有電氣式、液壓式、氣壓式，輸入信號盡管有所不同，但輸出均為機械量（位移、力等），由此所具有的工作特性也有所不同。為機械量（位移、力等），由此所具有的工作特性也有所不同。 簡要介紹電氣執(zhí)行元件的工作特性。簡要介紹電氣執(zhí)行元件的工作特性。 電氣執(zhí)行元