06有機結合的分析與設計ppt課件

1、第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第六章第六章機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計分析與設計第一節(jié)第一節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設計機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設計第二節(jié)第二節(jié) 機電有機結合之一機電有機結合之一 機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計的考慮方法機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計的考慮方法第三節(jié)第三節(jié) 機電有機結合之二機電有機結合之二 機電一體化系統(tǒng)動態(tài)設計的考慮方法機電一體化系統(tǒng)動態(tài)設計的考慮方法第四節(jié)第四節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設計機電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設計習題與思考題習題與思考題第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 機

2、電一體化系統(tǒng)產品的設計過程是機電參數相互匹機電一體化系統(tǒng)產品的設計過程是機電參數相互匹配，即機電有機結合的過程。機電伺服系統(tǒng)是典型的機電一配，即機電有機結合的過程。機電伺服系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)。本章將以機電伺服系統(tǒng)為例，說明機電一體化系體化系統(tǒng)。本章將以機電伺服系統(tǒng)為例，說明機電一體化系統(tǒng)設計的一般考慮方法。伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和統(tǒng)設計的一般考慮方法。伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經過速度伺服控制系統(tǒng)的共同點是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經過傳動系統(tǒng)驅動被控對象，從而完成所需要的機械運動。因而，傳動系統(tǒng)驅動被控對象，從而完成所需要的機械運

3、動。因而，工程上是圍繞機械運動的規(guī)律和運動參數對它們提出技術要工程上是圍繞機械運動的規(guī)律和運動參數對它們提出技術要求的。求的。第一節(jié)第一節(jié) 機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設計機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 在進行機電伺服系統(tǒng)設計時，首先要了解被控對象的特點和在進行機電伺服系統(tǒng)設計時，首先要了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，通過調查研究制訂出系統(tǒng)的設計方案。該方對系統(tǒng)的具體要求，通過調查研究制訂出系統(tǒng)的設計方案。該方案通常只是一個初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要元部件的種類、各部案通常只是一個初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要元部件的種類、各部分之間的連接方式、

4、系統(tǒng)的控制方式、所需能源形式、校正補償分之間的連接方式、系統(tǒng)的控制方式、所需能源形式、校正補償方法，以及信號轉換的方式等。有了初步設計方案就要進行定量方法，以及信號轉換的方式等。有了初步設計方案就要進行定量的分析計算，分析計算包括穩(wěn)態(tài)設計計算和動態(tài)設計計算。穩(wěn)態(tài)的分析計算，分析計算包括穩(wěn)態(tài)設計計算和動態(tài)設計計算。穩(wěn)態(tài)設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數達到技術要求、執(zhí)行元件設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數達到技術要求、執(zhí)行元件( (如電動如電動機機) )的參數選擇、功率或轉矩的匹配及過載能力的驗算、各主的參數選擇、功率或轉矩的匹配及過載能力的驗算、各主要元部件的選擇與控制電路設計、信號的有效傳遞、各級增益

5、的要元部件的選擇與控制電路設計、信號的有效傳遞、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并為后面動態(tài)設計分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并為后面動態(tài)設計中的校正補償裝置的引入留有余地。中的校正補償裝置的引入留有余地。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 初步確定系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數，便可著手建立初步確定系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數，便可著手建立系統(tǒng)的數學模型，為系統(tǒng)的動態(tài)設計做好準備。系統(tǒng)的數學模型，為系統(tǒng)的動態(tài)設計做好準備。 主要是設計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技主要是設計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足

6、動態(tài)技 術指標要求，通常要進行計算機仿真，或術指標要求，通常要進行計算機仿真，或 借助計算機進行輔助設計。借助計算機進行輔助設計。 通過上述理論設計計算，完成的還僅是一個較詳細的設計方通過上述理論設計計算，完成的還僅是一個較詳細的設計方案，這種工程設計計算一般是近似的，只能作為工程實踐的基礎。案，這種工程設計計算一般是近似的，只能作為工程實踐的基礎。系統(tǒng)的實際電路及實際參數，往往要通過樣機的試驗與調試，才系統(tǒng)的實際電路及實際參數，往往要通過樣機的試驗與調試，才能最后確定下來。這并不等于以上設計計算是多余的，因經過設能最后確定下來。這并不等于以上設計計算是多余的，因經過設計計算后確定的方案，考慮

7、了機電參數的有機結合與匹配，這對計計算后確定的方案，考慮了機電參數的有機結合與匹配，這對工程實踐是必需的，這有利于減少盲目性和加快樣機的調試與電工程實踐是必需的，這有利于減少盲目性和加快樣機的調試與電路參數的確定。隨著機電一體化技術的發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)的路參數的確定。隨著機電一體化技術的發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)的自動化程度越來越高。為滿足人們生活和生產安全、可靠地使用自動化程度越來越高。為滿足人們生活和生產安全、可靠地使用要求，在機電一體化有機結合分析與設計過程中，必須充分注意要求，在機電一體化有機結合分析與設計過程中，必須充分注意其可靠性、安全性設計要求。其可靠性、安全性設計要求。穩(wěn)態(tài)設計穩(wěn)態(tài)

8、設計動態(tài)設計動態(tài)設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 第二節(jié)第二節(jié) 機電有機結合之一機電有機結合之一 機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法考慮方法 位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的被控對象作機械運動時，該位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的被控對象作機械運動時，該被控對象就是系統(tǒng)的負載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機械傳動聯(lián)系有被控對象就是系統(tǒng)的負載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機械傳動聯(lián)系有多種形式。機械運動是組成機電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它多種形式。機械運動是組成機電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它們的運動學、動力學特性與整個系統(tǒng)的性能關系極大。們的運動學、動力學特性與整個系統(tǒng)的性

9、能關系極大。 被控對象被控對象( (簡稱負載簡稱負載) )的運動形式有直線運動、回轉運動、間的運動形式有直線運動、回轉運動、間歇運動等，具體的負載往往比較復雜，為便于分析，常將它分解歇運動等，具體的負載往往比較復雜，為便于分析，常將它分解為幾種典型負載，結合系統(tǒng)的運動規(guī)律再將它們組合起來，使定為幾種典型負載，結合系統(tǒng)的運動規(guī)律再將它們組合起來，使定量設計計算得以順利進行。量設計計算得以順利進行。一、典型負載一、典型負載第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 1. 1. 典型負載分析典型負載分析 所謂典型負載是指慣性負載、外力負載、彈性負載、摩擦負所謂典型負載是指慣性負載、外力負載

10、、彈性負載、摩擦負載載( (滑動摩擦負載、粘性摩擦負載、滾動摩擦負載等滑動摩擦負載、粘性摩擦負載、滾動摩擦負載等) )。對具體系。對具體系統(tǒng)而言，其負載可能是以上幾種典型負載的組合，不一定均包含統(tǒng)而言，其負載可能是以上幾種典型負載的組合，不一定均包含上述所有負載項目。在設計系統(tǒng)時，應對被控對象及其運動作具上述所有負載項目。在設計系統(tǒng)時，應對被控對象及其運動作具體分析，從而獲得負載的綜合定量數值，為選擇與之匹配的執(zhí)行體分析，從而獲得負載的綜合定量數值，為選擇與之匹配的執(zhí)行元件及進行動態(tài)設計分析打下基礎。元件及進行動態(tài)設計分析打下基礎。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 2. 2

11、.負載的等效換算負載的等效換算 被控對象的運動，有的是直線運動，如機床的工作臺被控對象的運動，有的是直線運動，如機床的工作臺X X、Y Y 及及Z Z 軸，機器人臂部的升降、伸縮運動，繪圖機的軸，機器人臂部的升降、伸縮運動，繪圖機的X X、Y Y方向運動；也有的是旋轉運動，如機床主軸的回轉、工方向運動；也有的是旋轉運動，如機床主軸的回轉、工作臺的回轉、機器人關節(jié)的回轉運動等。執(zhí)行元件與被作臺的回轉、機器人關節(jié)的回轉運動等。執(zhí)行元件與被控對象有直接連接的，也有通過傳動裝置連接的。控對象有直接連接的，也有通過傳動裝置連接的。 執(zhí)行元件的額定轉矩執(zhí)行元件的額定轉矩( (或力、功率或力、功率) )、加

12、減速控制及、加減速控制及制動方案的選擇，應與被控對象的固有參數制動方案的選擇，應與被控對象的固有參數( (如質量、轉如質量、轉動慣量等動慣量等) )相互匹配。相互匹配。 因而，要將被控對象相關部件的固有參數及其所受因而，要將被控對象相關部件的固有參數及其所受的負載的負載( (力或轉矩等力或轉矩等) )等效換算到執(zhí)行元件等效換算到執(zhí)行元件(k)(k)的輸出軸上，的輸出軸上，即計算其輸出軸承受的等效轉動慣量和等效負載轉矩即計算其輸出軸承受的等效轉動慣量和等效負載轉矩( (回回轉運動轉運動) )或計算等效質量和等效力或計算等效質量和等效力( (直線運動直線運動) )。第第6章章 有機結合的分析與設計

13、有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例。下圖所示的系統(tǒng)由以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例。下圖所示的系統(tǒng)由 個移動部件個移動部件和和 個轉動部件組成。個轉動部件組成。 、 和和 分別為移動部分的質量分別為移動部分的質量kgkg）、運動速）、運動速度度m/sm/s和所受的負載力和所受的負載力N N）；）； 、 和和 分別為轉動部件的轉動分別為轉動部件的轉動慣量（慣量（ ）、轉速（）、轉速（ 或或 ）和所受負載轉矩（）和所受負載轉矩（ ）。）。iMmniviFjJjn()jjT2kg m/minrN m/rad s22111122mn

14、iijjijEM vJkeqJ1 1求等效轉動慣量求等效轉動慣量 。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為：。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為：212kkeqkEJ設等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為：設等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為：第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計2211mnjkieqijijkkvJMJ由于由于 ，故：，故：kEE用工程上常用單位時，可改寫上式如下：用工程上常用單位時，可改寫上式如下：2221114mnjkieqijijkknvJMJnn式中，式中， 執(zhí)行元件的轉速執(zhí)行元件的轉速r/minr/min）. .kn11mniijjijWFvtTtkeqT2 2求等效負載轉矩

15、求等效負載轉矩 。設上述系統(tǒng)在時間。設上述系統(tǒng)在時間t t內克服負載所做功的總和為：內克服負載所做功的總和為：同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間t t內的轉角為內的轉角為kkt那么，執(zhí)行元件所作的功為：那么，執(zhí)行元件所作的功為： ，又，又kkeqkWTtkWW故：故：11/mnkeqiikjjkijTFvT采用工程單位又：采用工程單位又：111/2mnkeqiikjjkijTFvnT nn第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計meqT等效負載轉矩等效負載轉矩 ：/meqjjjmTT22jjmeqjjmjJJJimeqJ等效負載慣量等效負載慣量 ：meqB等效阻尼

16、系數等效阻尼系數 ：22jjmeqjjmjBBBimeqK等效彈簧剛度等效彈簧剛度 ：22jjmeqjjmjKKKi結論：機械傳動系統(tǒng)中，轉動慣量、質量、阻尼系數、彈性系數由低速端結論：機械傳動系統(tǒng)中，轉動慣量、質量、阻尼系數、彈性系數由低速端向高速端轉換時需要除以傳動比的平方。向高速端轉換時需要除以傳動比的平方?；貞洠簷C械傳動系統(tǒng)中，速度、位移、加速度由低速端向高速端轉換時需回憶：機械傳動系統(tǒng)中，速度、位移、加速度由低速端向高速端轉換時需要乘以傳動比；力、轉矩由低速端向高速端轉換時需要除以傳動比。要乘以傳動比；力、轉矩由低速端向高速端轉換時需要除以傳動比。第第6章章 有機結合的分析與設計有機

17、結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 二、二、 執(zhí)行元件的匹配選擇執(zhí)行元件的匹配選擇 伺服系統(tǒng)是由若干元部件組成的，其中有些元部件伺服系統(tǒng)是由若干元部件組成的，其中有些元部件已有系列化商品供選用。為降低機電一體化系統(tǒng)的成已有系列化商品供選用。為降低機電一體化系統(tǒng)的成本，縮短設計與研制周期，應盡可能選用標準化零部本，縮短設計與研制周期，應盡可能選用標準化零部件。擬定系統(tǒng)方案時，首先確定執(zhí)行元件的類型，然件。擬定系統(tǒng)方案時，首先確定執(zhí)行元件的類型，然后根據技術條件的要求進行綜合分析，選擇與被控對后根據技術條件的要求

18、進行綜合分析，選擇與被控對象及其負載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動機的匹配象及其負載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動機的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法。被控對象由選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法。被控對象由電動機驅動，因而，電動機的轉速、轉矩和功率等參電動機驅動，因而，電動機的轉速、轉矩和功率等參數應和被控對象的需要相匹配，如冗余量大，易使執(zhí)數應和被控對象的需要相匹配，如冗余量大，易使執(zhí)行元件價格高，使機電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場行元件價格高，使機電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場競爭力下降，在使用時，冗余部分用戶用不上，易造競爭力下降，在使用時，冗余部分用戶用不上，易造成浪費。如果選用的執(zhí)行

19、元件的參數數值偏低，將達成浪費。如果選用的執(zhí)行元件的參數數值偏低，將達不到使用要求。所以，應選擇與被控對象的需要相適不到使用要求。所以，應選擇與被控對象的需要相適應的執(zhí)行元件。應的執(zhí)行元件。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計meqTTT慣meqT1 1系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉矩匹配系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉矩匹配 設伺服進給系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效負載轉矩為設伺服進給系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效負載轉矩為 ，等效，等效慣性負載轉矩為慣性負載轉矩為 ，則電動機軸上的總負載轉矩為：，則電動機軸上的總負載轉矩為：T慣()/meqTTT慣 考慮到機械的總傳動效率考慮到機械的總傳動效率 時，則有

20、：時，則有： 以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例，運動軸所采用的執(zhí)行元件電動機以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例，運動軸所采用的執(zhí)行元件電動機的額定轉速基本上應該是系統(tǒng)所需最大轉速；額定轉矩應大于考慮機械損的額定轉速基本上應該是系統(tǒng)所需最大轉速；額定轉矩應大于考慮機械損失所需的最大轉矩，即大于等效負載轉矩與等效慣性負載轉矩之和。失所需的最大轉矩，即大于等效負載轉矩與等效慣性負載轉矩之和。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計maxmax()(W)9.55mmeqeqmTJnPT2 2系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配直流、交流伺服電動機）系統(tǒng)執(zhí)行元

21、件的功率匹配直流、交流伺服電動機） 預選電動機的估算功率可由下式確定預選電動機的估算功率可由下式確定maxmaxn式中，式中， 電動機的最高轉速電動機的最高轉速r/minr/min）；）； 電動機的最高角速度電動機的最高角速度rad/srad/s）；）； 考慮電動機、減速器等的功率系數，一般考慮電動機、減速器等的功率系數，一般1.21.22 2。在功率預選后，需要進行過熱、過載驗算。在功率預選后，需要進行過熱、過載驗算。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計eqdxTT（a a過熱驗算：當負載轉矩為變量時，應用等效法求其等效轉矩過熱驗算：當負載轉矩為變量時，應用等效法求其等效轉矩

22、 ，在電動機磁通在電動機磁通 近似不變時，有：近似不變時，有： 預選電動機的估算功率可由下式確定預選電動機的估算功率可由下式確定22112212eqdxT tT tTTtt式中，式中， ， 時間間隔，在此時間間隔內的負載轉矩分別為時間間隔，在此時間間隔內的負載轉矩分別為 ， 。1t1TNeqNdxTTPP2t2T則所選電動機的不過熱的條件為：則所選電動機的不過熱的條件為：式中式中 電動機的額定轉矩；電動機的額定轉矩； 電動機的額定功率；電動機的額定功率；由等效轉矩換算的電動機功率由等效轉矩換算的電動機功率, , 。其中其中 為電動機的額定轉速。為電動機的額定轉速。()/9.55dxeqNPT

23、nNTNPNndxP第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計maxmNTkTmaxT（b b過載驗算：應使得瞬時最大負載轉矩過載驗算：應使得瞬時最大負載轉矩 與電動機的額定轉矩與電動機的額定轉矩 的的比值不大于某一系數，即比值不大于某一系數，即NTmk式中，式中， 電動機的過載系數。電動機的過載系數。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 三、減速比的匹配選擇與各級減速比的分配三、減速比的匹配選擇與各級減速比的分配 減速比主要根據負載性質、脈沖當量和機電一體化系統(tǒng)減速比主要根據負載性質、脈沖當量和機電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇確定，既要使減速比達到一定條件下最佳，的綜

24、合要求來選擇確定，既要使減速比達到一定條件下最佳，同時又要滿足脈沖當量與步距角之間的相應關系，還要同時滿同時又要滿足脈沖當量與步距角之間的相應關系，還要同時滿足最大轉速要求等。當然要全部滿足上述要求是非常困難的。足最大轉速要求等。當然要全部滿足上述要求是非常困難的。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計1/2LFLFLmmmTTJiTTJ（a a使加速度最大的選擇方法，當輸入信號變化快、加速度又很大時，應使加速度最大的選擇方法，當輸入信號變化快、加速度又很大時，應使得：使得：1/2LFLFLmmmTTfiTTf（b b使速度最大的選擇方法，當輸入信號近似恒值，即加速度很小時，應使

25、速度最大的選擇方法，當輸入信號近似恒值，即加速度很小時，應使得：使得：其中，其中， 電動機的粘性摩擦系數；電動機的粘性摩擦系數； 負載的粘性摩擦系數。負載的粘性摩擦系數。1f2f0/(360)il（c c滿足送進系統(tǒng)傳動基本要求的選擇方法。即滿足脈沖當量滿足送進系統(tǒng)傳動基本要求的選擇方法。即滿足脈沖當量 、步距、步距角角 和絲桿基本導程和絲桿基本導程 之間的匹配關系：之間的匹配關系： 。0lmax()/nkk ni（d d減速器輸出軸角誤差最小原則，即減速器輸出軸角誤差最小原則，即 最小最小 。maxLmi（e e對速度和加速度均有一定要求的時，依照對速度和加速度均有一定要求的時，依照a a選

26、擇減速比選擇減速比i i，然后驗，然后驗算是否滿足算是否滿足 ，式中的，式中的 為負載的最大角速度；為負載的最大角速度； 為電為電動機輸出的角速度。動機輸出的角速度。maxLm第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 執(zhí)行元件與機械傳動系統(tǒng)確定之后，需要根據所擬系統(tǒng)的初步方案，執(zhí)行元件與機械傳動系統(tǒng)確定之后，需要根據所擬系統(tǒng)的初步方案，選擇和設計系統(tǒng)的其余部分，把初步方案逐步具體化。各部分的設計計選擇和設計系統(tǒng)的其余部分，把初步方案逐步具體化。各部分的設計計算，必須從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號的有效算，必須從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號的有效傳

27、遞傳遞( (防干擾措施防干擾措施) )、輸入輸出的阻抗匹配?？傊?，要使整個系統(tǒng)在各、輸入輸出的阻抗匹配?？傊拐麄€系統(tǒng)在各種運行條件下，達到各項設計要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計就是要從兩頭種運行條件下，達到各項設計要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計就是要從兩頭入手，即首先從系統(tǒng)應具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳入手，即首先從系統(tǒng)應具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置動裝置; ;其次是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設計檢測裝置及信號的前其次是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設計檢測裝置及信號的前向和后向通道；最后通過動態(tài)設計計算，設計適當的校正補償裝置、完向和后向通道；最后通過動態(tài)設計計算

28、，設計適當的校正補償裝置、完善電源電路及其他輔助電路，從而達到機電一體化系統(tǒng)的設計要求。善電源電路及其他輔助電路，從而達到機電一體化系統(tǒng)的設計要求。 檢測傳感裝置的精度檢測傳感裝置的精度( (即分辨力即分辨力) )、不靈敏區(qū)等要適應系統(tǒng)整體的精、不靈敏區(qū)等要適應系統(tǒng)整體的精度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內，其輸入輸出應具有固定的線性特性，度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內，其輸入輸出應具有固定的線性特性，信號的轉換要迅速及時，信噪比要大，裝置的轉動慣量及摩擦阻力矩要信號的轉換要迅速及時，信噪比要大，裝置的轉動慣量及摩擦阻力矩要盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。 信號轉換接口電路應盡量選

29、用商品化的集成電路，要有足夠的輸入信號轉換接口電路應盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的輸入輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器的輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器的輸入阻抗符合匹配要求。伺服系統(tǒng)放大器的設計與選擇主要考慮以下幾輸入阻抗符合匹配要求。伺服系統(tǒng)放大器的設計與選擇主要考慮以下幾個問題：個問題： 四、檢測傳感裝置、信號轉換接口電路、放大電路及四、檢測傳感裝置、信號轉換接口電路、放大電路及電源等的匹配選擇與設計電源等的匹配選擇與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計（a) a) 功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配，其輸出

30、電壓、電流應滿足執(zhí)功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配，其輸出電壓、電流應滿足執(zhí)行元件的容量要求，不僅要滿足執(zhí)行元件額定值的需要，而且還應該能夠行元件的容量要求，不僅要滿足執(zhí)行元件額定值的需要，而且還應該能夠保證執(zhí)行元件短時過載、短時快速的要求?？傊?，輸出級的輸出阻抗要小，保證執(zhí)行元件短時過載、短時快速的要求?？傊敵黾壍妮敵鲎杩挂?，效率要高效率要高, , 時間常數要小。時間常數要小。（b b放大器應為執(zhí)行元件放大器應為執(zhí)行元件( (如電動機如電動機) )的運行狀態(tài)提供適宜條件。例如：的運行狀態(tài)提供適宜條件。例如：為大功率電動機提供制動條件，為力矩電動機或永磁式直流電動機的電樞為大功率電動機提

31、供制動條件，為力矩電動機或永磁式直流電動機的電樞電流提供限制保護措施。電流提供限制保護措施。（c c放大器應有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。放大器應有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。（d d輸入級應能與檢測傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕輸入級應能與檢測傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕檢測傳感裝置的負荷。檢測傳感裝置的負荷。（e e放大器應具有足夠的放大倍數，其特性應穩(wěn)定可靠，便于調整。放大器應具有足夠的放大倍數，其特性應穩(wěn)定可靠，便于調整。 第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 伺服系統(tǒng)的能源特別是電源伺服系統(tǒng)的能源特

32、別是電源) )支持：在一個系統(tǒng)中，所需電源支持：在一個系統(tǒng)中，所需電源一般很難統(tǒng)一，特別是放大器的電源常常為適應各放大級的不同需一般很難統(tǒng)一，特別是放大器的電源常常為適應各放大級的不同需要而進行適應性設計。但是最關鍵的還是動力電源，它常常制約系要而進行適應性設計。但是最關鍵的還是動力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式。系統(tǒng)對電源的穩(wěn)定度和對頻率的穩(wěn)定度都有一定要統(tǒng)方案的形式。系統(tǒng)對電源的穩(wěn)定度和對頻率的穩(wěn)定度都有一定要求，設計時要注意不要讓干擾信號從電源引入，所使用電源應具有求，設計時要注意不要讓干擾信號從電源引入，所使用電源應具有足夠的保護措施，如過電壓保護、掉電保護、過電流保護、短路保足夠的保

33、護措施，如過電壓保護、掉電保護、過電流保護、短路保護等?？垢蓴_措施有濾波、隔離、屏蔽等。此外，要有為系統(tǒng)服務護等?？垢蓴_措施有濾波、隔離、屏蔽等。此外，要有為系統(tǒng)服務的自檢電路、顯示與操作裝置?？傊到y(tǒng)設計牽涉的知識面較廣，的自檢電路、顯示與操作裝置?？傊?，系統(tǒng)設計牽涉的知識面較廣，每一個環(huán)節(jié)均要給予充分注意。每一個環(huán)節(jié)均要給予充分注意。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計五、系統(tǒng)數學模型的建立及主諧振頻率的計算五、系統(tǒng)數學模型的建立及主諧振頻率的計算 在穩(wěn)態(tài)設計的基礎上，利用所選元、部件的有在穩(wěn)態(tài)設計的基礎上，利用所選元、部件的有關參數，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據自動控制關

34、參數，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據自動控制理論基礎課程所學知識建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數，理論基礎課程所學知識建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數，進而建立系統(tǒng)傳遞函數?，F(xiàn)以工作臺閉環(huán)伺服進進而建立系統(tǒng)傳遞函數。現(xiàn)以工作臺閉環(huán)伺服進給系統(tǒng)為例，分析在不同控制方式下傳遞函數的給系統(tǒng)為例，分析在不同控制方式下傳遞函數的建立方法。建立方法。 1. 1.半閉環(huán)控制方式半閉環(huán)控制方式 下圖下圖a a為檢測傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺為檢測傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。服控制系統(tǒng)。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖b b所示。所示。第

35、第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計上圖的傳遞函數為上圖的傳遞函數為: :第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 2 2 . . 全全閉閉環(huán)環(huán)控控制制方方式式第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計hPhP第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計1 2/(2)hPii221 22mheqPBBii1 22( )/(2)( )( )ihjmmmieqeqX sKPiiG ssJ sB sK第

36、第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 3. 3. 工作臺進給系統(tǒng)的主諧振頻率工作臺進給系統(tǒng)的主諧振頻率 對于帶非剛性軸的傳動系統(tǒng)，上述完整的對于帶非剛性軸的傳動系統(tǒng)，上述完整的傳遞函數必然是高階的。而在控制系統(tǒng)應用中，傳遞函數必然是高階的。而在控制系統(tǒng)應用中，往往感興趣的是機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率。往往感興趣的是機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率。現(xiàn)就其主諧振頻率的求法分析如下：現(xiàn)就其主諧振頻率的求法分析如下：第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析

37、與設計有機結合的分析與設計 根據上面拉氏變換得到的方程，可畫出如下圖所示的簡化系統(tǒng)框圖。根據上面拉氏變換得到的方程，可畫出如下圖所示的簡化系統(tǒng)框圖。通過系統(tǒng)框圖的進一步簡化可得系統(tǒng)的傳遞函數為通過系統(tǒng)框圖的進一步簡化可得系統(tǒng)的傳遞函數為第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計hP1 2/(2)hPi i第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分

38、析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 第三節(jié)第三節(jié) 機電有機結合之二機電有機結合之二 機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法 機電一體化系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計只是初步確定了系統(tǒng)的機電一體化系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計只是初步確定了系統(tǒng)的主回路，還很不完善。在穩(wěn)態(tài)設計基礎上所建立的系統(tǒng)數學模型一主回路，還很不完善。在穩(wěn)態(tài)設計基礎上所建立的系統(tǒng)數學模型一般不能滿足系統(tǒng)動態(tài)品質的要求，甚至是不穩(wěn)定的。為此，必須進般不能滿足系統(tǒng)動態(tài)品質的要求，甚至是不穩(wěn)定的。為此，必須進一步進行系統(tǒng)的動態(tài)設計。一步進行系統(tǒng)的動態(tài)設計。 系統(tǒng)的動態(tài)設計

39、包括：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正系統(tǒng)的動態(tài)設計包括：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正( (或補償或補償) )形形式，設計校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設計階段所設計的系統(tǒng)式，設計校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設計階段所設計的系統(tǒng)中去，使補償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項動態(tài)指標的要求。中去，使補償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項動態(tài)指標的要求。一、機電伺服系統(tǒng)的動態(tài)設計一、機電伺服系統(tǒng)的動態(tài)設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 伺服系統(tǒng)常用的控制方式為反饋控制方式伺服系統(tǒng)常用的控制方式為反饋控制方式( (即誤差控制方式即誤差控制方式) )，也可采，也可采用前饋和反饋相結合的復合控制

40、等方式。它們各具特點，需要按被控對象用前饋和反饋相結合的復合控制等方式。它們各具特點，需要按被控對象的具體情況和要求，從中選擇一種適宜的方式。同樣，校正形式也多種多的具體情況和要求，從中選擇一種適宜的方式。同樣，校正形式也多種多樣，設計者需要結合穩(wěn)態(tài)設計所得到系統(tǒng)的組成特點，從中選擇一種或幾樣，設計者需要結合穩(wěn)態(tài)設計所得到系統(tǒng)的組成特點，從中選擇一種或幾種校正形式，這是進行定量計算分析的前提。具體的定量分析計算方法很種校正形式，這是進行定量計算分析的前提。具體的定量分析計算方法很多，每種方法都有其自身的優(yōu)點和不足。而工程上常用對數頻率法即借助多，每種方法都有其自身的優(yōu)點和不足。而工程上常用對數

41、頻率法即借助波德波德Bode)Bode)圖和根軌跡方法進行設計，這些方法作圖簡便，概念清晰，圖和根軌跡方法進行設計，這些方法作圖簡便，概念清晰，應用廣泛。應用廣泛。 對數頻率法即波德圖法，主要適用于線性定常最小相位系統(tǒng)。系統(tǒng)以單位反饋對數頻率法即波德圖法，主要適用于線性定常最小相位系統(tǒng)。系統(tǒng)以單位反饋構成閉環(huán)，若主反饋系統(tǒng)不為構成閉環(huán)，若主反饋系統(tǒng)不為l l單位反饋），則需要等效成單位反饋的形式來處單位反饋），則需要等效成單位反饋的形式來處理。這是因為該方法主要用系統(tǒng)開環(huán)對數幅頻特性進行設計，必須將各項設計指理。這是因為該方法主要用系統(tǒng)開環(huán)對數幅頻特性進行設計，必須將各項設計指標反映到波德圖上

42、，并畫出一條能滿足要求的系統(tǒng)開環(huán)對數幅頻特性，并與原始標反映到波德圖上，并畫出一條能滿足要求的系統(tǒng)開環(huán)對數幅頻特性，并與原始系統(tǒng)系統(tǒng)( (穩(wěn)態(tài)設計基礎上建立的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計基礎上建立的系統(tǒng)) )的開環(huán)對數幅頻特性相比較，找出所需補償的開環(huán)對數幅頻特性相比較，找出所需補償( (或或校定校定) )裝量的對數幅頻特性。然后根據此特性來設計校正裝量的對數幅頻特性。然后根據此特性來設計校正( (或補償或補償) )裝置，將該裝置裝置，將該裝置有效地連接到原始系統(tǒng)的電路中去，使校正有效地連接到原始系統(tǒng)的電路中去，使校正( (或補償或補償) )后的開環(huán)對數幅頻特性基本后的開環(huán)對數幅頻特性基本上與所希望系統(tǒng)的特性

43、相一致。這就是動態(tài)設計的一般考慮方法和步驟。上與所希望系統(tǒng)的特性相一致。這就是動態(tài)設計的一般考慮方法和步驟。第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 二、系統(tǒng)的調節(jié)方法二、系統(tǒng)的調節(jié)方法 在研究機電伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性時，一般先在研究機電伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性時，一般先根據系統(tǒng)組成建立系統(tǒng)的傳遞函數根據系統(tǒng)組成建立系統(tǒng)的傳遞函數( (即原始系統(tǒng)數即原始系統(tǒng)數學模型學模型) )，不易用理論方法求解的可用實驗方法建，不易用理論方法求解的可用實驗方法建立。進而可以根據系統(tǒng)傳遞函數分析系統(tǒng)的穩(wěn)定立。進而可以根據系統(tǒng)傳遞函數分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的過渡過程品質性、系統(tǒng)的過渡過程品質( (響應的快速

44、性和振蕩響應的快速性和振蕩) )及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 當系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸出必當系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部輸入能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部輸入或干擾相對應的值，也就是說需要有一個變化過或干擾相對應的值，也就是說需要有一個變化過程，這個變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。程，這個變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。 當系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系統(tǒng)的當系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系統(tǒng)的輸出按指數規(guī)

45、律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即輸出按指數規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。能趨于穩(wěn)態(tài)值。 第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 當系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程大致有以下三種情況：當系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系系統(tǒng)的輸出按指數規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；統(tǒng)的輸出按指數規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)

46、是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。 當系統(tǒng)的過渡過程結束后，其輸出當系統(tǒng)的過渡過程結束后，其輸出值達到與輸出相對應的穩(wěn)定狀態(tài)，此時值達到與輸出相對應的穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統(tǒng)的輸出值與目標值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤系統(tǒng)的輸出值與目標值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量差。具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量指標就是系統(tǒng)過渡過程的品質指標，在指標就是系統(tǒng)過渡過程的品質指標，在時域內，這種品質指標一般用單位階躍時域內，這種品質指標一般用單位階躍響應曲線如下圖中的參數來表示，響應曲線如下圖中的參數來表示，即即第第6章章 有機結合的分析與設計有機結

47、合的分析與設計 1. PID 1. PID調節(jié)器及其傳遞函數調節(jié)器及其傳遞函數第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計 2. 2. 調節(jié)作用分析調節(jié)作用分析 第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有

48、機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計3. 3. 速度反饋校正速度反饋校正第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計第第6章章 有機結合的分析與設計有機結合的分析與設計三、機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響三、機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響1.1.結構諧振的影響結構諧振的影響 傳動系統(tǒng)因彈性變形而產生的振動，稱為結構傳動系統(tǒng)因彈性變形而產生的振動，稱為結構諧振諧振( (或機械諧振或機械諧振) )。 為了使問題簡化，在分析系統(tǒng)時，常假定系為

49、了使問題簡化，在分析系統(tǒng)時，常假定系統(tǒng)中的機械裝置為絕對剛體，即無任何結構變形。統(tǒng)中的機械裝置為絕對剛體，即無任何結構變形。實際上，機械裝置并非剛體，而具有柔性。其物實際上，機械裝置并非剛體，而具有柔性。其物理模型是質量理模型是質量- - 彈簧系統(tǒng)。例如機床進給系統(tǒng)中，彈簧系統(tǒng)。例如機床進給系統(tǒng)中，床身、電動機、減速箱、各傳動軸都有不同程度床身、電動機、減速箱、各傳動軸都有不同程度的彈性變形，并具有一定的固有諧振頻率。但對的彈性變形，并具有一定的固有諧振頻率。但對于一般要求不高且控制系統(tǒng)的頻帶也比較窄，只于一般要求不高且控制系統(tǒng)的頻帶也比較窄，只要傳動系統(tǒng)設計的剛度較大，結構諧振頻率通常要傳動系統(tǒng)設計的剛度較大，結構諧振頻率通常遠大于閉環(huán)上限頻率，故結構諧振問題并不突出。遠大于閉環(huán)上限頻率，故結構諧振問題并不突出。 隨著科學技術的發(fā)展，對控制系統(tǒng)的精度和隨著科學技術的發(fā)展，對控制系統(tǒng)的精度和響應快速性要求愈來愈高，這就必須提高控制系響應快速性要求愈來愈高，這就必須提高控制系統(tǒng)的頻帶寬度，從而可能導致結構諧振頻率逐漸統(tǒng)的頻帶寬度，從而可能導致結構諧振頻率逐漸接近控制系統(tǒng)的帶寬，甚至可能落到帶寬之內，接近控制系統(tǒng)的帶寬，甚至可能落到帶寬之內，使系統(tǒng)產生自激振蕩而無法工作，或使機構損壞。使系統(tǒng)產生自激振蕩而無法工作，或使機構損壞。第