機(jī)電一體化系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、第7章機(jī)電(jdin)一體化系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)7.1各單元部件特性分析7.2機(jī)電有機(jī)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析7.3機(jī)電有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析7.4系統(tǒng)的可靠性及安全技術(shù)7.5機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形和傳動(dòng)間隙對(duì)系統(tǒng)性能(xngnng)的影響共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析7.1.1自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)所謂自動(dòng)控制，就是采用控制裝置使被控對(duì)象的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）能夠在一定的精度范圍內(nèi)按照給定的規(guī)律變化。1.自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式開(kāi)環(huán)控制和反饋控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本控制方式。(1)開(kāi)環(huán)控制：開(kāi)環(huán)控制是指控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用，而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制過(guò)程(guchng)，按這種方式組成

2、的系統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是輸出量不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的控制作用發(fā)生影響。共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析(2)閉環(huán)控制:閉環(huán)控制是指控制裝置(zhungzh)與被控對(duì)象之間既有順向作用，又有反饋?zhàn)饔玫目刂七^(guò)程，按這種方式組成的系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是輸出量通過(guò)反饋回路引回到系統(tǒng)的輸入端，對(duì)系統(tǒng)的控制作用產(chǎn)生影響。共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析圖7-2正反饋閉環(huán)系統(tǒng)示意(shy)框圖圖7-3負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)示意框圖2.控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部各物共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析理量(或變量)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。(1)微分方

3、程:在建立(jinl)控制系統(tǒng)的微分方程時(shí)，首先要確定系統(tǒng)的輸入量和輸出量，然后列寫(xiě)描述系統(tǒng)內(nèi)各變量之間關(guān)系的一組微分方程，消去中間變量，求出描述系統(tǒng)輸入量與輸出量之間關(guān)系的微分方程。例7-1圖7-4所示是由電阻R、電感L和電容C組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，試列寫(xiě)以u(píng)R(t)為輸入量、uC(t)為輸出量的網(wǎng)絡(luò)微分方程。共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析解設(shè)回路(hul)電流為i(t),由克?；舴蚨煽蓪?xiě)出圖7-4RLC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析(2)傳遞函數(shù):控制系統(tǒng)的微分方程是在時(shí)間域描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能(xngnng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)給定外作用及初始條件，求解微分方

4、程可以得到系統(tǒng)的輸出響應(yīng)。(3)結(jié)構(gòu)圖：控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是用于描述系統(tǒng)各元器件之間信號(hào)傳遞關(guān)系的數(shù)學(xué)圖形。1)方框。2)信號(hào)線(xiàn)。3)引出點(diǎn)。4)比較點(diǎn)。(4)結(jié)構(gòu)圖的等效：根據(jù)控制系統(tǒng)的每個(gè)元器件的傳遞函數(shù)以及每個(gè)元器件之間的信號(hào)傳遞關(guān)系，我們可以畫(huà)出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析圖7-5結(jié)構(gòu)圖的基本組成(z chn)單元a)方框b)信號(hào)線(xiàn)c)引出點(diǎn)d)比較點(diǎn)1)串聯(lián)方框的等效。2)并聯(lián)方框的等效。共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析圖7-7并聯(lián)方框(fn kun)的等效a)兩個(gè)方框并聯(lián)b)兩個(gè)方框并聯(lián)的等效3)反饋連接的等效。共八十八頁(yè)7.1各單元部件

5、特性(txng)分析圖7-8反饋(fnku)連接的等效a)反饋連接b)反饋連接的等效4)綜合點(diǎn)和引出點(diǎn)的移動(dòng)共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析綜合點(diǎn)的移動(dòng)。綜合點(diǎn)的移動(dòng)有前移和后移兩種等效結(jié)構(gòu)(jigu)。移動(dòng)時(shí)應(yīng)保持移動(dòng)前后綜合點(diǎn)后的各信號(hào)保持不變。綜合點(diǎn)前移的等效結(jié)構(gòu)(jigu)如圖7-9所示，綜合點(diǎn)后移的等效結(jié)構(gòu)(jigu)如圖7-10所示。圖7-9綜合點(diǎn)的前移a)綜合點(diǎn)移動(dòng)前b)綜合點(diǎn)移動(dòng)后引出點(diǎn)的移動(dòng)。引出點(diǎn)的移動(dòng)分為前移和后移兩種等效結(jié)構(gòu)。移動(dòng)時(shí)應(yīng)保持移動(dòng)前后引出的信號(hào)保持不變。引出點(diǎn)前移的等效結(jié)構(gòu)如圖7-11所示，引出點(diǎn)后移的等效結(jié)構(gòu)如圖7-12所示。共八十八頁(yè)7.

6、1各單元部件(bjin)特性分析圖7-10綜合(zngh)點(diǎn)的后移a)綜合點(diǎn)移動(dòng)前b)綜合點(diǎn)移動(dòng)后共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析圖7-11引出(yn ch)點(diǎn)前移a)引出點(diǎn)移動(dòng)前b)引出點(diǎn)移動(dòng)后共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析圖7-12引出(yn ch)點(diǎn)后移a)引出點(diǎn)移動(dòng)前b)引出點(diǎn)移動(dòng)后相鄰引出點(diǎn)之間的移動(dòng)。若干個(gè)引出點(diǎn)相鄰，表明同一信號(hào)輸送到不同的位置，引出點(diǎn)之間變換位置不會(huì)改變引出信號(hào)的性質(zhì)，不需進(jìn)行任何變換。共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析3.反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)典型(dinxng)的反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。圖7-13反饋

7、控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)R(s)輸入信號(hào)C(s)輸出信號(hào)N(s)擾動(dòng)輸入E(s)誤差信號(hào)(偏差信號(hào))(1)閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：所謂閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，是指將閉環(huán)系統(tǒng)的反饋回路斷開(kāi)，系統(tǒng)前向通道傳遞函數(shù)與反饋通道傳遞函數(shù)的乘積。共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析(2)輸入信號(hào)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)：令擾動(dòng)(rodng)輸入N(s)0，系統(tǒng)輸出信號(hào)C(s)與輸入信號(hào)R(s)的比值稱(chēng)為輸入信號(hào)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)。(3)擾動(dòng)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)：令輸入信號(hào)R(s)0，系統(tǒng)輸出信號(hào)C(s)與擾動(dòng)輸入N(s)之間的比值稱(chēng)為擾動(dòng)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)。(4)閉環(huán)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)：閉環(huán)系統(tǒng)在輸

8、入信號(hào)和擾動(dòng)輸入作用時(shí)，以誤差信號(hào)作為輸出量的傳遞函數(shù)稱(chēng)為誤差傳遞函數(shù)。1)R(s)作用下的系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)e(s)為2)N(s)作用下的系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)en(s)為3)系統(tǒng)的總誤差E(s)為共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析4.典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)一個(gè)控制系統(tǒng)由多個(gè)環(huán)節(jié)組成，組成控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)有比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分(jfn)環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)等6種。(1)比例環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)的輸出量和輸入量之間為一種固定的比例關(guān)系，輸出量C(t)和輸入量R(t)滿(mǎn)足以下表達(dá)式，即(2)慣性環(huán)節(jié)：慣性環(huán)節(jié)的輸出量C(s)和輸入量R(t)之間滿(mǎn)足以下表達(dá)式，即(3)積分環(huán)節(jié)：積

9、分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程為(4)微分環(huán)節(jié):微分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程為(5)振蕩環(huán)節(jié)：振蕩環(huán)節(jié)的微分方程為(6)純滯后環(huán)節(jié)：純滯后環(huán)節(jié)的輸出量比輸入量要滯后一段時(shí)間，滿(mǎn)足以下關(guān)系式，即共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析7.1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)(xtng)中的常用元器件機(jī)電一體化系統(tǒng)是由各種元器件組成的。1.晶閘管觸發(fā)-整流裝置晶閘管觸發(fā)-整流裝置廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)中，用于將交流電轉(zhuǎn)換成電壓可調(diào)的直流電，給電動(dòng)機(jī)供電。圖7-14晶閘管觸發(fā)-整流裝置示意圖共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析圖7-15直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖電樞(din sh)電壓電樞(din sh)電流R電樞(din

10、sh)回路電阻L電樞(din sh)回路電感E電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析2.額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)中，一般采用調(diào)壓調(diào)速，其勵(lì)磁電壓為額定值，改變加在電樞回路上的電壓可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析圖7-16額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)(dngj)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析3.脈寬調(diào)制變換器脈寬調(diào)制變換器(PWM變換器)也是直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)中被廣泛采用的部件，其作用是將電壓不可調(diào)的直流電轉(zhuǎn)換成電壓可調(diào)的直流電，且性能要優(yōu)于晶

11、閘管整流裝置。共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析圖7-18脈寬調(diào)制變換器結(jié)構(gòu)示意圖控制電壓電壓不可(bk)調(diào)的直流電壓PWM輸出的電壓可調(diào)的直流電壓共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析圖7-19晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置(zhungzh)的工作原理示意圖共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析4.晶閘管交流調(diào)壓器和觸發(fā)裝置晶閘管交流調(diào)壓器主要應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中，用以改變(gibin)交流電動(dòng)機(jī)的工作電壓，從而改變(gibin)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其作用是將電壓不可調(diào)的交流電轉(zhuǎn)換成電壓可調(diào)的交流電。5.交流電動(dòng)機(jī)隨著半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

12、已越來(lái)越廣泛。1)改變定子電流頻率f1調(diào)速，變頻調(diào)速就屬于這一類(lèi)。2)改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速，降壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子傳電阻調(diào)速、繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速都屬于這一類(lèi)調(diào)速。3)變極對(duì)數(shù)p調(diào)速。共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析圖7-20直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的示意圖共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析6.速度檢測(cè)器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常用作速度檢測(cè)器的裝置(zhungzh)是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)和交流測(cè)速發(fā)電機(jī)。共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析(1)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)：直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的示意圖如圖7-20所示。(2)交流(jioli)測(cè)速發(fā)電機(jī)：交流(

13、jioli)測(cè)速發(fā)電機(jī)的示意圖如圖7-21所示。共八十八頁(yè)7.1各單元部件(bjin)特性分析7.位置檢測(cè)器在機(jī)電一體化系統(tǒng)(xtng)中，除了對(duì)速度進(jìn)行控制外，圖7-21交流測(cè)速發(fā)電機(jī)的示意圖共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析通常還要對(duì)位置進(jìn)行控制，那么就需要利用位置檢測(cè)器將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)引入控制系統(tǒng)的輸入端。8.機(jī)械傳動(dòng)裝置在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，機(jī)械傳動(dòng)裝置用于改變不同運(yùn)動(dòng)部件之間的運(yùn)動(dòng)速度。7.1.3典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)一個(gè)(y )典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)通常要對(duì)速度和位置同時(shí)進(jìn)行控制，下面通過(guò)一個(gè)(y )速度、位置上閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)了解一下典型機(jī)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其原

14、理圖如圖722所示。共八十八頁(yè)7.1各單元部件特性(txng)分析圖7-22直流雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖1.校正環(huán)節(jié)2.檢測(cè)環(huán)節(jié)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，檢測(cè)環(huán)節(jié)起到兩個(gè)(lin )作用：一是檢測(cè)出被測(cè)信號(hào)的大小；二是把被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與給定信號(hào)進(jìn)行比較的物理量。共八十八頁(yè)7.1各單元(dnyun)部件特性分析3.晶閘管觸發(fā)整流裝置(zhungzh)4.直流伺服電動(dòng)機(jī)5.機(jī)械傳動(dòng)裝置圖7-23直流雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析7.2.1穩(wěn)定(wndng)性及穩(wěn)定(wndng)判據(jù)1.穩(wěn)定的概念如果系統(tǒng)受到外界干擾，不論它的初始偏差有多大，當(dāng)干擾消失后，系統(tǒng)都能以足夠的精

15、確度恢復(fù)到初始平衡狀態(tài)，這種系統(tǒng)叫做穩(wěn)定系統(tǒng)。2.穩(wěn)定判據(jù)(1)系統(tǒng)的特征方程：設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G(s)為表7-1勞斯表(2)勞斯穩(wěn)定判據(jù)：系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：勞斯表中第一列所有共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析元素(yun s)的值均大于零。例7-2設(shè)系統(tǒng)的特征方程為解勞斯表見(jiàn)表7-2。表7-2例7-2的勞斯表7.2.2穩(wěn)態(tài)誤差的定義及分類(lèi)1.穩(wěn)態(tài)誤差的定義一個(gè)典型的負(fù)反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7-24所示。共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析圖7-24典型(dinxng)的負(fù)反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖共八十八頁(yè)7.2機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析2.穩(wěn)態(tài)誤差(wch

16、)的分類(lèi)按照誤差(wch)來(lái)源的不同，穩(wěn)態(tài)誤差(wch)可分為檢測(cè)誤差(wch)、原理誤差(wch)和擾動(dòng)誤差(wch)3類(lèi)。1)檢測(cè)誤差。2)原理誤差。共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析3)擾動(dòng)誤差。7.2.3穩(wěn)態(tài)誤差的分析1.檢測(cè)誤差檢測(cè)誤差是由檢測(cè)元器件的檢測(cè)精度引起的，這一部分誤差通常作用于控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的反饋回路上，系統(tǒng)無(wú)法克服。2.原理誤差原理誤差與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的特征參數(shù)和輸入信號(hào)的形式有關(guān)。(1)系統(tǒng)類(lèi)型：機(jī)電一體化系統(tǒng)多數(shù)屬于I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)，III型及III型以上的系統(tǒng)幾乎不采用，判斷系統(tǒng)類(lèi)型要依據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。(2)典型輸入信號(hào)

17、1)階躍輸入。2)斜坡輸入。共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析3)加速度輸入(shr)。圖7-25典型輸入信號(hào)a)階躍輸入b)斜坡輸入c)加速度輸入共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析(3)原理誤差的求解：一個(gè)典型的負(fù)反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-26所示。(4)型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的原理誤差：型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳函W(s)可寫(xiě)成如下(rxi)形式，即圖7-26負(fù)反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析1)階躍輸入。2)斜坡輸入。3)加速度輸入。(5)型系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)作用下的原理誤差：型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)W(s)可寫(xiě)成如下形式，即(6)穩(wěn)

18、定品質(zhì)因素：在控制系統(tǒng)中，常使用穩(wěn)態(tài)品質(zhì)因素來(lái)具體描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，包括(boku)速度品質(zhì)因素和加速度品質(zhì)因素。1)速度品質(zhì)因素Kv。2)加速度品質(zhì)因素Ka。3.擾動(dòng)誤差控制系統(tǒng)在工作的時(shí)候，不僅有給定輸入信號(hào)的作用，而且還有各種干擾信號(hào)的作用。1)負(fù)載擾動(dòng)。共八十八頁(yè)7.2機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析2)系統(tǒng)(xtng)參數(shù)擾動(dòng)。3)噪聲擾動(dòng)。圖7-27反饋控制系統(tǒng)前向通道上擾動(dòng)作用下的影響共八十八頁(yè)7.2機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析圖7-28擾動(dòng)(rodng)作用下的結(jié)構(gòu)圖7.2.4機(jī)電一體化的穩(wěn)態(tài)性能實(shí)例分析下面以一個(gè)典型的速度負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)為例說(shuō)明一下機(jī)電一體化系統(tǒng)

19、的原理誤差、擾動(dòng)誤差的分析過(guò)程。共八十八頁(yè)7.2機(jī)電有機(jī)結(jié)合(jih)的穩(wěn)態(tài)分析圖7-29速度(sd)負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖共八十八頁(yè)7.2機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)分析圖7-30速度(sd)負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析1)對(duì)系統(tǒng)的分析依賴(lài)于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新分析。2)采用時(shí)域分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的各種信號(hào)都沒(méi)有發(fā)生變化，實(shí)際上，一個(gè)系統(tǒng)在工作的大部分時(shí)間里，其內(nèi)部各種信號(hào)都是在不斷變化的，時(shí)域分析法不適合于分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。3)難以(nny)研究系統(tǒng)參數(shù)和

20、結(jié)構(gòu)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。4)對(duì)系統(tǒng)的分析依賴(lài)于系統(tǒng)的微分方程，當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，微分方程的求解困難，甚至無(wú)法求出，這也會(huì)給對(duì)系統(tǒng)的時(shí)域分析造成困難。7.3.1控制系統(tǒng)的頻率特性共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析1.頻率特性當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)在正弦輸入信號(hào)作用下，系統(tǒng)各部件內(nèi)的信號(hào)以及被控對(duì)象最終都近似(jn s)以正弦形式作穩(wěn)態(tài)振蕩。圖7-31控制系統(tǒng)的頻率特性曲線(xiàn)a)幅頻特性曲線(xiàn)b)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析2.頻域性能指標(biāo)頻域性能指標(biāo)包括(boku)零頻幅比峰值、頻帶和相頻寬。1)零頻幅比。共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析2)峰

21、值。3)頻帶。4)相頻寬。3.頻率特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式4.典型環(huán)節(jié)對(duì)數(shù)幅相特性曲線(xiàn)在頻域分析中，通常采用對(duì)數(shù)幅相特性描述系統(tǒng)(xtng)的頻率特性。(1)比例環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)G(s)為共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-32比例(bl)環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅相特性曲線(xiàn)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析(2)積分(jfn)環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)G(s)為(3)微分環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)G(s)為圖7-33積分環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅相特性曲線(xiàn)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-34微分環(huán)節(jié)(hunji)的對(duì)數(shù)

22、幅相特性曲線(xiàn)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析(4)慣性(gunxng)環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)G(s)為圖7-35慣性環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅相特性曲線(xiàn)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析(5)一階微分(wi fn)環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)G(s)為(6)振蕩環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)G(s)為圖7-36一階微分環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅相特性曲線(xiàn)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-37振蕩環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)幅相特性曲線(xiàn)(qxin)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)7.3.2控制系統(tǒng)的開(kāi)

23、環(huán)頻率特性共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-38某單位(dnwi)負(fù)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析例7-3已知某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(s)為解該系統(tǒng)可看作(kn zu)3個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)。1)G1(s)2的對(duì)數(shù)幅相特性為2) G2(s)1/s+1的對(duì)數(shù)幅相特性為3) G3(s)1/05s+1的對(duì)數(shù)幅相特性為共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-39例7-2的對(duì)數(shù)(du sh)頻率特性曲線(xiàn)7.3.3穩(wěn)定判據(jù)和穩(wěn)定裕度共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析1.穩(wěn)定判據(jù)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性的分析，可以對(duì)系統(tǒng)的

24、閉環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行判定。2.穩(wěn)定裕度在控制系統(tǒng)中，常以穩(wěn)定裕度來(lái)衡量閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，常用的有幅值裕度h和相角裕度。(1)幅值裕度h：定義為在對(duì)數(shù)幅相曲線(xiàn)上，相角為-180時(shí)對(duì)應(yīng)的幅值的倒數(shù)，即(2)相角裕度：指幅頻值等于0時(shí)的相頻值與-的相位差。7.3.4動(dòng)態(tài)(dngti)校正在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，如果有些控制性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，我們可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。1.串聯(lián)校正所謂串聯(lián)校正，就是在控制系統(tǒng)的前向通道中串聯(lián)校正元件。共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析(1)超前校正：又稱(chēng)比例微分校正，就是在控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的前向通道上串聯(lián)一個(gè)比例微分裝置。圖7-40比例微分裝置共八

25、十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-41比例微分(wi fn)環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析(2)滯后校正：又稱(chēng)為比例積分校正，就是在系統(tǒng)的前向通道中串聯(lián)一個(gè)(y )比例積分裝置。圖7-42比例積分裝置共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-43比例積分環(huán)節(jié)(hunji)的對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn)a)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)b)對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析2.反饋校正所謂反饋校正就是在閉環(huán)系統(tǒng)的反饋通道中設(shè)置(shzh)一些校正元件，改變被包圍環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，減弱

26、這部分環(huán)節(jié)特性參數(shù)變化和干擾信號(hào)給系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響。(1)利用反饋校正改變局部結(jié)構(gòu)和參數(shù)1)比例反饋包圍積分環(huán)節(jié)。圖7-44比例反饋包圍積分環(huán)節(jié)2)比例反饋包圍慣性環(huán)節(jié)。共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-45比例反饋包圍慣性(gunxng)環(huán)節(jié)3)微分環(huán)節(jié)包圍慣性環(huán)節(jié)。共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-46微分環(huán)節(jié)(hunji)包圍慣性環(huán)節(jié)(hunji)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電(jdin)有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析圖7-47微分(wi fn)包圍振蕩環(huán)節(jié)共八十八頁(yè)7.3機(jī)電有機(jī)(yuj)結(jié)合的動(dòng)態(tài)分析4)微分包圍振蕩環(huán)節(jié)。(2)利用反饋(fnku)校正取代局部結(jié)

27、構(gòu)：如圖7-48所示，前向通道上的傳遞函數(shù)為G(s)，反饋(fnku)回路上的傳遞函數(shù)為H(s)。圖7-48利用反饋回路取代局部結(jié)構(gòu)共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)的可靠性及安全(nqun)技術(shù)7.4.1系統(tǒng)可靠性概述要使機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有的作用，首先應(yīng)使系統(tǒng)可靠地工作，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用時(shí)系統(tǒng)的可靠性是必須要注意的一個(gè)問(wèn)題，利用系統(tǒng)的可靠性和安全技術(shù)可以在一定程度上保證系統(tǒng)在規(guī)定條件和時(shí)間內(nèi)正常工作。1)早期故障。2)耗損故障。3)偶發(fā)故障。1)提高(t go)元器件和設(shè)備的可靠性。2)采用抗干擾措施，提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。3)采用可靠性技術(shù)。7.4.2可靠性指標(biāo)共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)(xtng)的

28、可靠性及安全技術(shù)表征可靠性的特征量主要有可靠度、失效率和平均故障間隔時(shí)間。1.可靠度可靠度是系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。2.失效率失效率(故障率)是指系統(tǒng)工作到t時(shí)尚未失效的系統(tǒng)，在該時(shí)刻后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。3.平均故障間隔時(shí)間平均故障間隔時(shí)間(MTBF)表示從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間。4.維修度和平均維修時(shí)間維修度是指在規(guī)定條件下工作的系統(tǒng)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照規(guī)定的程序和方法(fngf)進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到能完成規(guī)定功能狀態(tài)的概率；平均維修時(shí)間是指系統(tǒng)發(fā)生故障后恢復(fù)到能完成規(guī)定功能所需要的平均時(shí)間。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)的可靠性及安全(nqun)技

29、術(shù)5.有效度有效度(利用率)分為瞬時(shí)有效度、平均有效度和極限有效度3種。1)瞬時(shí)有效度。2)平均有效度。3)極限有效度。7.4.3可靠性技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)生產(chǎn)對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)性能要求的提高，機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程序也在不斷提高，構(gòu)成控制系統(tǒng)的硬件和軟件的復(fù)雜程序也不斷增加(zngji)，從而使系統(tǒng)發(fā)生故障的頻率也隨之增加(zngji)；同時(shí)，機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)生故障所導(dǎo)致的設(shè)備損壞和加工件的報(bào)廢，也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人身傷亡。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)的可靠性及安全(nqun)技術(shù)1.提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量這是保證系統(tǒng)可靠性的最根本的方法。1)設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行(jnxng)

30、可靠性分析，估計(jì)系統(tǒng)和各元器件中引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低系統(tǒng)的故障率。2)在選用和制造構(gòu)成系統(tǒng)的各種設(shè)備和元器件時(shí)，要保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)指標(biāo)，使設(shè)備和元器件工作在其規(guī)定條件的一半值或一半值以下，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，以確定系統(tǒng)實(shí)際的可靠性指標(biāo)。早期失效期。這段時(shí)期元器件工作不穩(wěn)定，故障率高，隨著時(shí)間的推移故障率會(huì)逐步降低。偶然失效期。這段時(shí)期元器件的故障率低，且故障率基本不變。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)(xtng)的可靠性及安全技術(shù)耗損失效期。這段時(shí)期因?yàn)榭斓皆骷氖褂脡勖沟霉收下试黾?，且隨著時(shí)間的推移故障率會(huì)越來(lái)越高。2.機(jī)電一體化系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)把系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)

31、或即將出現(xiàn)的故障暴露出來(lái)，以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修、維護(hù)或調(diào)整，及時(shí)修復(fù)故障或者防止故障的發(fā)生。(1)故障診斷技術(shù)：故障診斷技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種檢測(cè)技術(shù)，它的任務(wù)有兩個(gè)：一是故障出現(xiàn)后，迅速確定故障的種類(lèi)和位置，以便及時(shí)修復(fù)；二是在故障尚未發(fā)生時(shí)，確定產(chǎn)品中有關(guān)元器件距離極限狀態(tài)程度，查明產(chǎn)品工作能力下降(xijing)的原因，以便采取維護(hù)措施。(2)自診斷技術(shù)：機(jī)電一體化系統(tǒng)通常具有自診斷功能，可以在不停止工作的情況下迅速地對(duì)故障進(jìn)行判定，并進(jìn)行一定的處理。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)(xtng)的可靠性及安全技術(shù)1)自診斷的概念。2)自診斷的功能加電時(shí)對(duì)主要部件進(jìn)行可靠性檢測(cè)，以保證系統(tǒng)能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

32、若某一步驟發(fā)生檢測(cè)錯(cuò)誤，能根據(jù)錯(cuò)誤的性質(zhì)做出相應(yīng)的處理(chl)。對(duì)于致命性錯(cuò)誤，要做出停機(jī)處理(chl)，發(fā)出故障信息；對(duì)于非致命性錯(cuò)誤，不做停機(jī)處理(chl)，只發(fā)出故障信息。對(duì)操作錯(cuò)誤或軟件程序錯(cuò)誤，采取程序自動(dòng)恢復(fù)技術(shù)或軟件錯(cuò)誤報(bào)警。3)常用的自診斷技術(shù)共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)的可靠性及安全(nqun)技術(shù)開(kāi)機(jī)自診斷。是指系統(tǒng)從通電開(kāi)始到進(jìn)入正常的運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)為止自動(dòng)執(zhí)行的診斷，如果發(fā)現(xiàn)故障，顯示(xinsh)故障信息并停止等待故障處理。開(kāi)機(jī)自診斷通常要檢查系統(tǒng)中最關(guān)鍵的硬件和軟件。運(yùn)行自診斷。是指系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的各部件以及與系統(tǒng)相連的外部設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、檢查，顯示有關(guān)狀態(tài)信

33、息和故障信息。運(yùn)行自診斷只要系統(tǒng)不斷電，就會(huì)不斷地反復(fù)進(jìn)行。圖7-49并聯(lián)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖、裝置共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)的可靠性及安全(nqun)技術(shù)脫機(jī)診斷(zhndun)。是指系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后，需要停機(jī)讀入專(zhuān)門(mén)的故障診斷(zhndun)程序并運(yùn)行，以確定系統(tǒng)故障的位置和類(lèi)型。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)(xtng)的可靠性及安全技術(shù)3.冗余技術(shù)冗余技術(shù)就是在系統(tǒng)中采用冗余結(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)可靠性的技術(shù)，即采用并聯(lián)(bnglin)型控系統(tǒng)將故障造成的影響隱蔽起來(lái)，使系統(tǒng)能夠在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)正常工作，這種方法適合于對(duì)隨機(jī)故障的處理。(1)冗余結(jié)構(gòu)：常用的冗余結(jié)構(gòu)有并聯(lián)結(jié)構(gòu)、備用系統(tǒng)和表決系統(tǒng)3種形式。1)并聯(lián)

34、結(jié)構(gòu)。2)備用系統(tǒng)。3)表決系統(tǒng)。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)(xtng)的可靠性及安全技術(shù)圖7-50備用系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖、工作單元(dnyun)、失效檢測(cè)器S轉(zhuǎn)換器共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)(xtng)的可靠性及安全技術(shù)圖7-51表決系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖、工作(gngzu)單元m表決器(2)冗余系統(tǒng)的選擇:一般來(lái)講，采用冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的可靠度要高一些，但會(huì)增加設(shè)備的投入。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)的可靠性及安全(nqun)技術(shù)1)性能價(jià)格比。2)應(yīng)用場(chǎng)合。3)擴(kuò)展性。4)冗余結(jié)構(gòu)(jigu)的控制性能。(3)冗余結(jié)構(gòu)的控制：采用冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須采取措施更換或切離故障裝置，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新組合，以

35、排除故障，稱(chēng)為冗余結(jié)構(gòu)的控制。1)手動(dòng)控制。2)自動(dòng)控制。4.抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù)主要用以減小或消除各種干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響。共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)的可靠性及安全(nqun)技術(shù)(1)屏蔽干擾源：所謂干擾源的屏蔽，就是將構(gòu)成干擾源的器件封閉在一個(gè)屏蔽體內(nèi)，即在這些器件外加裝對(duì)電和磁均是良導(dǎo)體的金屬外罩，以實(shí)現(xiàn)靜電和磁的屏蔽。(2)隔離干擾源：干擾源的隔離，就是從電路上將干擾源與易受干擾的部分隔離開(kāi)來(lái)，使之盡可能不發(fā)生電的聯(lián)系。(3)濾波法：所謂濾波法，就是用電容和電感線(xiàn)圈或電容和電阻組成濾波器，接在系統(tǒng)的適當(dāng)(shdng)位置，以阻止干擾信號(hào)進(jìn)入放大器，使干擾信號(hào)衰減。(4)選用合理的電源方案：

36、電源是向系統(tǒng)引入干擾的重要來(lái)源，選用合理的電源方案，能有效地抑制這部分干擾，通常采用的方法有：共八十八頁(yè)7.4系統(tǒng)(xtng)的可靠性及安全技術(shù)1)在電源交流穩(wěn)壓器前加上低通濾波電路，以抑制電網(wǎng)中的高頻瞬態(tài)干擾。2)在電源變壓器的一次線(xiàn)圈和二次線(xiàn)圈之間加靜電屏蔽層，以抑制高頻干擾信號(hào)。3)直流穩(wěn)壓器選用抗干擾性好的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。4)采用分立式供電(n din)方案，將組成系統(tǒng)的各部分分別用獨(dú)立的電源供電(n din)，以減少集中供電(n din)產(chǎn)生的危險(xiǎn)性。5)電源引入線(xiàn)要盡可能短，交流電的引入線(xiàn)要采用粗導(dǎo)線(xiàn)，直流輸出線(xiàn)應(yīng)采用雙絞線(xiàn)。5.軟件可靠性技術(shù)一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件可能出現(xiàn)故障，軟件也有可能發(fā)生故障，軟件可靠性技術(shù)用于減少或排