機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計

1、機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計1 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第六章第六章 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計合分析與設(shè)計6.1 機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設(shè)計 6.2 穩(wěn)態(tài)設(shè)計考慮方法穩(wěn)態(tài)設(shè)計考慮方法 6.3 動態(tài)設(shè)計考慮方法動態(tài)設(shè)計考慮方法 6.4 可靠性、安全性設(shè)計可靠性、安全性設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計第第6章章 機電一體化系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電有機結(jié)合分析與設(shè)計機電伺服系統(tǒng)機電伺服系統(tǒng)位置伺服控制位置伺服控制速度伺服控制速度伺服控制執(zhí)行元件執(zhí)行元件被控對象被控對象(負載）

2、負載）研究研究機械運動的規(guī)律機械運動的規(guī)律運動的參數(shù)運動的參數(shù)機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計3 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計典型機電一體化系統(tǒng)典型機電一體化系統(tǒng)工業(yè)機器人的組成與運動特征工業(yè)機器人的組成與運動特征v工作空間工作空間 自由度自由度 位姿位姿 關(guān)節(jié)變量關(guān)節(jié)變量連桿連桿移動關(guān)節(jié)移動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法研究的主要內(nèi)容或步驟：穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法研究的主要內(nèi)容或步驟：位置位置,速速度檢測度檢測單元單元 機械機械 部件部件 位置位置,速度反速度反饋饋 數(shù)控機床數(shù)控機床 伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)組成 使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到所要求技術(shù)狀使

3、系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到所要求技術(shù)狀態(tài)。態(tài)。 執(zhí)行元件的參數(shù)選擇。執(zhí)行元件的參數(shù)選擇。 功率功率( (力力/ /力矩力矩) )匹配以及過載能力的驗算。匹配以及過載能力的驗算。 各主要元件的選擇與控制電路的設(shè)計。各主要元件的選擇與控制電路的設(shè)計。 信號的有效傳遞。信號的有效傳遞。 各級增益的分配。各級增益的分配。 各級之間阻抗的匹配和所各級之間阻抗的匹配和所 采取的抗干擾的措施。采取的抗干擾的措施。 系統(tǒng)總體方案的確定系統(tǒng)總體方案的確定機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：(1)(1)負載分析。負載分析。 (2)(2)執(zhí)行元件匹配選擇。執(zhí)行元

4、件匹配選擇。 (3)(3)機械傳動比選擇與各級減機械傳動比選擇與各級減速比確定原則。速比確定原則。 (4)(4)檢測傳感裝置、信號轉(zhuǎn)換檢測傳感裝置、信號轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路、電源匹接口電路、放大電路、電源匹配與設(shè)計。配與設(shè)計。 (5)(5)機電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立。機電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立。 (6)(6)分析研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。分析研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。 單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)特性穩(wěn)態(tài)特性機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計伺服系統(tǒng)設(shè)計的流程：伺服系統(tǒng)設(shè)計的流程：提出對系統(tǒng)的要求提出對系統(tǒng)的要求制定系統(tǒng)設(shè)計方案制定系統(tǒng)設(shè)計方案定量的分析與計算定量的分析與計算完成設(shè)計方案完成設(shè)計方

5、案穩(wěn)態(tài)設(shè)計計算穩(wěn)態(tài)設(shè)計計算動態(tài)設(shè)計計算動態(tài)設(shè)計計算輸出運動參數(shù)輸出運動參數(shù)執(zhí)行元件參數(shù)的選執(zhí)行元件參數(shù)的選擇擇功率的匹配、過載能力的驗算功率的匹配、過載能力的驗算主要元部件的選擇主要元部件的選擇控制電路的設(shè)計控制電路的設(shè)計信號的有效傳遞信號的有效傳遞各級增益的分配各級增益的分配各級阻抗的匹配各級阻抗的匹配抗干擾的措施抗干擾的措施設(shè)計校正補償裝設(shè)計校正補償裝置，滿足動態(tài)技置，滿足動態(tài)技術(shù)指標(biāo)的要求。術(shù)指標(biāo)的要求。通過計算機仿真或輔助設(shè)計通過計算機仿真或輔助設(shè)計被控對象被控對象的特點的特點機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計6.2 機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計方法6.2.

6、1 負載分析負載分析1、典型負載：、典型負載：直線運動、回轉(zhuǎn)運動、間歇運動直線運動、回轉(zhuǎn)運動、間歇運動慣性負載慣性負載外力負載外力負載彈性負載彈性負載摩擦負載摩擦負載2、負載的等效換算、負載的等效換算被控對象的運動被控對象的運動直線運動直線運動旋轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動被控對象被控對象執(zhí)行元件執(zhí)行元件直接連接直接連接間接連接間接連接額定轉(zhuǎn)矩、加減速控制、制動額定轉(zhuǎn)矩、加減速控制、制動參數(shù)匹配參數(shù)匹配聯(lián)系：聯(lián)系：?慣量慣量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩質(zhì)量質(zhì)量力力機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計例如：例如：某系統(tǒng)由某系統(tǒng)由m個移動部件和個移動部件和n個轉(zhuǎn)動部件組成。個轉(zhuǎn)動部件組成。 移動部件的參數(shù)移動部件的參數(shù):質(zhì)量質(zhì)量

7、mi （Kg）;運動速度運動速度vi （m/s ） 、負載力、負載力Fi（N） 轉(zhuǎn)動部件的參數(shù)轉(zhuǎn)動部件的參數(shù):轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動慣量Jj （Kg.m2）;轉(zhuǎn)速或角速度轉(zhuǎn)速或角速度nj-wj （m/s rad/s） 、負載轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩Tj（N.m）。）。1、求等效轉(zhuǎn)動慣量、求等效轉(zhuǎn)動慣量Jkeq2、求等效負載轉(zhuǎn)矩、求等效負載轉(zhuǎn)矩Tkeq轉(zhuǎn)化的原則：轉(zhuǎn)化的原則：轉(zhuǎn)化前后系統(tǒng)的瞬時動能保持不變。轉(zhuǎn)化前后系統(tǒng)的瞬時動能保持不變。轉(zhuǎn)化前系統(tǒng)的動能總合：轉(zhuǎn)化前系統(tǒng)的動能總合：112122121jjjmiiiJvmE假設(shè)轉(zhuǎn)化到執(zhí)行元件的輸出軸上，則轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)的動能總合：假設(shè)轉(zhuǎn)化到執(zhí)行元件的輸出軸上，則轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)

8、的動能總合：221kkeqkJE機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計kEE 又因為則有2211211212121kkeqjjjiiiJJvm22112211kjjjkiiikeqJvmJkn22112211241kjjjkiiikeqnJnvmJ1、求等效轉(zhuǎn)動慣量、求等效轉(zhuǎn)動慣量機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2、求等效負載轉(zhuǎn)矩、求等效負載轉(zhuǎn)矩keqT假設(shè)：系統(tǒng)運行時間為假設(shè)：系統(tǒng)運行時間為t，則系統(tǒng)在此時間內(nèi)克服負載所做的功為：，則系統(tǒng)在此時間內(nèi)克服負載所做的功為：njjjimiinjjjimiitTtvFTSFW1111執(zhí)行元件所做的功為：執(zhí)行元件所做的功為：tTTWkkeqkke

9、qk由由kWW kjnjjkimiikjnjjkimiikeqnTnvFTvFT111121機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計已知：移動部件（工作臺、夾具、工件等）的總質(zhì)量已知：移動部件（工作臺、夾具、工件等）的總質(zhì)量mA=400kg；沿運動方向的；沿運動方向的負載負載FL=800N(包含導(dǎo)軌副的摩擦阻力）；電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量包含導(dǎo)軌副的摩擦阻力）；電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=410-5 kgm2，轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)速為nm；齒輪軸部件；齒輪軸部件I(含齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量含齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量JI=510-4kgm2；齒輪軸部件；齒輪軸部件II(含齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量含齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量JII=710-4kg

10、m2；軸；軸II的負載轉(zhuǎn)矩的負載轉(zhuǎn)矩TL=4Nm；齒輪；齒輪z1與與z2的齒數(shù)分別為的齒數(shù)分別為20和和40，模數(shù)為，模數(shù)為1mm。求：等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量求：等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量 等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)矩等效到電機軸上的等效轉(zhuǎn)矩meqJmeqT參考課本參考課本P219機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 解1）求meqJ222)(41mIIIIImmaameqnnJJJnvmJ100010001000112212mznmzzznmzinvmmma21zznnmII2224-24-2522.1264. 0)4020(Kg.m107Kg.m105Kg.m104100020140

11、041mKgnnKgJmmmeq機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 2）求meqTmIILmALnnTnvF21Tmeq211.4100080021zzmNnmznNmmmN.10機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計6.2.2 執(zhí)行元件的匹配選擇執(zhí)行元件的匹配選擇(課本課本P220） 執(zhí)行元件的匹配選擇主要包括執(zhí)行元件的匹配選擇主要包括轉(zhuǎn)矩匹配轉(zhuǎn)矩匹配、功率匹配功率匹配、過熱保護系數(shù)過熱保護系數(shù)和和過載保護系數(shù)驗算過載保護系數(shù)驗算四部分。四部分。直流電機直流電機步進電機及驅(qū)動步進電機及驅(qū)動步進電機基本結(jié)構(gòu)步進電機基本結(jié)構(gòu)機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計(1)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配執(zhí)行元

12、件的轉(zhuǎn)矩匹配TTTmeq慣考慮機械傳動效率，則執(zhí)行元件的等效輸出轉(zhuǎn)矩：考慮機械傳動效率，則執(zhí)行元件的等效輸出轉(zhuǎn)矩： 注意：執(zhí)行元件為伺服電動機時，電動機工作區(qū)注意：執(zhí)行元件為伺服電動機時，電動機工作區(qū)域域應(yīng)在恒轉(zhuǎn)矩輸出調(diào)速區(qū)內(nèi)。應(yīng)在恒轉(zhuǎn)矩輸出調(diào)速區(qū)內(nèi)。 測算執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)矩測算執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)矩( (摩擦負載和摩擦負載和工作負載工作負載) )和等效慣性轉(zhuǎn)矩和等效慣性轉(zhuǎn)矩T T慣慣的總和。的總和。kcqT/ )(/TTTmeq慣機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計例如：例如： 機床工作臺某軸的伺服電動機輸出軸上所受等效負載轉(zhuǎn)矩機床工作臺某軸的伺服電動機輸出軸上所受等效負載轉(zhuǎn)矩

13、 25Nm，等效轉(zhuǎn)動慣量為，等效轉(zhuǎn)動慣量為Jmeq=3X10-2kg.m2，由工，由工作臺某軸的極限速度換算為電動機輸出軸角速度為作臺某軸的極限速度換算為電動機輸出軸角速度為50rad/s,等等加速和等減速時間加速和等減速時間t0.5s，機械傳動系統(tǒng)的總傳動效率，機械傳動系統(tǒng)的總傳動效率0.85，求電機軸上的總的等效負載轉(zhuǎn)矩？，求電機軸上的總的等效負載轉(zhuǎn)矩？為保證帶負載時能正常起動和定位停止，電動機的起動和制動為保證帶負載時能正常起動和定位停止，電動機的起動和制動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩Tq必須滿足必須滿足等效慣性等效慣性負載轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩考慮傳動效率時考慮傳動效率時等效總負載轉(zhuǎn)矩等效總負載轉(zhuǎn)矩現(xiàn)在假設(shè)選用現(xiàn)在

14、假設(shè)選用110B003反應(yīng)式步進電動機，最大靜轉(zhuǎn)矩反應(yīng)式步進電動機，最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax=7.84Nm。當(dāng)采。當(dāng)采用三相六拍通電方式，（用三相六拍通電方式，（P97）則其起動轉(zhuǎn)矩為則其起動轉(zhuǎn)矩為TfeqT)( 35 . 0501032NmtJJTmJeqmJeqJeq機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計(2)執(zhí)行元件的功率匹配執(zhí)行元件的功率匹配電機功率的合理確定是執(zhí)行元件選擇的重要參數(shù)之一。電機功率的合理確定是執(zhí)行元件選擇的重要參數(shù)之一。主要依據(jù)電機的等效負載和最高轉(zhuǎn)速確定。主要依據(jù)電機的等效負載和最高轉(zhuǎn)速確定。常用下式進行預(yù)選。常用下式進行預(yù)選。 maxmax55. 9TnJTPmmeqm

15、eq 再通過過熱驗算和過載驗算，最終確定電機的功率。再通過過熱驗算和過載驗算，最終確定電機的功率。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計(3)電機的過熱驗算電機的過熱驗算 電機在一定工作時間范圍內(nèi)，負載轉(zhuǎn)矩變化時，應(yīng)電機在一定工作時間范圍內(nèi)，負載轉(zhuǎn)矩變化時，應(yīng)用等效法用等效法( (勵磁磁通近似不變勵磁磁通近似不變) )計算電機的等效轉(zhuǎn)矩計算電機的等效轉(zhuǎn)矩( (平平均轉(zhuǎn)矩均轉(zhuǎn)矩) )。電機不產(chǎn)生過熱的條件為：電機不產(chǎn)生過熱的條件為： ，(4)過載驗算條件過載驗算條件21122121tttTtTTeqeqNTTeqNPP mNkTTmax機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計6.2.3 減速比的匹

16、配選擇與各級減速比的分配減速比的匹配選擇與各級減速比的分配減速比的確定要考慮三個因素：減速比的確定要考慮三個因素：負載的性質(zhì)負載的性質(zhì)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量系統(tǒng)的綜合要求系統(tǒng)的綜合要求要求：要求：在某種條件下，減速比達到最佳，又要滿足脈沖當(dāng)在某種條件下，減速比達到最佳，又要滿足脈沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系和最大轉(zhuǎn)速的要求。量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系和最大轉(zhuǎn)速的要求。1、使加速度最大使加速度最大（復(fù)習(xí)）復(fù)習(xí)）212)(mLmLFTTJJTTimLF機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2、使輸出速度為最大使輸出速度為最大3、滿足傳動系統(tǒng)基本要求滿足傳動系統(tǒng)基本要求21122)(ffTTimLFTTmL

17、F00360li 4、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小ninkki)(max5、對加速度和速度同時有要求對加速度和速度同時有要求按第一種方法確定減速比，然后按下式驗算按第一種方法確定減速比，然后按下式驗算mLimax負載的最大角速度負載的最大角速度電機輸出的角速度電機輸出的角速度機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計6.2.4 檢測傳感裝置、信號轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路、檢測傳感裝置、信號轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路、 電源的匹配與設(shè)計電源的匹配與設(shè)計 要達到機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的主要性能指標(biāo)要達到機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的主要性能指標(biāo)( (功能指功能指標(biāo)標(biāo)) )，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計的重點在伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計，

18、主要，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計的重點在伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計，主要涉及兩方面內(nèi)容：涉及兩方面內(nèi)容： 信號處理與轉(zhuǎn)換、功率放大與驅(qū)信號處理與轉(zhuǎn)換、功率放大與驅(qū)動、系統(tǒng)電源匹配等。動、系統(tǒng)電源匹配等。 信號檢測、信號處理與誤信號檢測、信號處理與誤差傳遞、動態(tài)計算與調(diào)整電差傳遞、動態(tài)計算與調(diào)整電路設(shè)計（正補償設(shè)計、輔助路設(shè)計（正補償設(shè)計、輔助電路設(shè)計）等。電路設(shè)計）等。 最終使系統(tǒng)在輸入信號作用下，其輸出具有收斂特性。最終使系統(tǒng)在輸入信號作用下，其輸出具有收斂特性。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計步驟：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計步驟： 主要包括功能部件的選擇與設(shè)計（不含執(zhí)行元件）主要包括功能部件的選擇與設(shè)計（不

19、含執(zhí)行元件） 1)1)檢測傳感裝置的選擇檢測傳感裝置的選擇 依據(jù)被檢測對象的類型，考慮傳感器的精度依據(jù)被檢測對象的類型，考慮傳感器的精度( (分辨率分辨率) )、不靈敏區(qū)、工作范圍、輸入不靈敏區(qū)、工作范圍、輸入/ /輸出特性輸出特性( (線性線性) )、信號的轉(zhuǎn)、信號的轉(zhuǎn)換、信噪比、轉(zhuǎn)動慣量和摩擦特性、穩(wěn)定性和可靠性等，換、信噪比、轉(zhuǎn)動慣量和摩擦特性、穩(wěn)定性和可靠性等，合理選擇傳感器。合理選擇傳感器。32411.標(biāo)尺光柵 2.指示光柵3.光電元件 4.光源光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理同步感應(yīng)器的工作原理同步感應(yīng)器的工作原理機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計輸 出 信 號勵 磁

20、電 源654SS3NNSSS7NN1SNN200abx磁柵位移傳感器磁柵位移傳感器光電編碼傳感器光電編碼傳感器MI0RLV0測速發(fā)電機速度傳感器測速發(fā)電機速度傳感器透 鏡光 源光 電 器 件帶 縫 隙 圓 盤指 示 縫 隙 盤光電脈沖轉(zhuǎn)速傳感器光電脈沖轉(zhuǎn)速傳感器機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計引出線3質(zhì)量塊1 殼體壓電晶片m4 2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器3241C12C空氣阻尼式加速度傳感空氣阻尼式加速度傳感器器a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR應(yīng)變片測力傳感器機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 2）信號轉(zhuǎn)換接

21、口電路的設(shè)計和選用）信號轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計和選用 主要指主要指A/D、D/A的選用的選用 盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)、通用、商業(yè)集成元件作為信號轉(zhuǎn)換電路的核心元件設(shè)計接口電路。重點考慮輸入輸出通道數(shù)，通道類型，通道阻抗與連接元件阻抗之間的匹配等。 3）伺服系統(tǒng)放大器（驅(qū)動電路）的設(shè)計與選用伺服系統(tǒng)放大器（驅(qū)動電路）的設(shè)計與選用 驅(qū)動電路設(shè)計通常分為兩部分：信號處理與功率放大（提高信號品質(zhì)為主），功率放大（增大能量為主）。 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計26 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計v 具體要求：具體要求： a)最后輸出級的功率應(yīng)與執(zhí)行元件功率最后輸出級的功率應(yīng)與執(zhí)行元件功率(電流、電壓

22、、電流、電壓、容量、額定值容量、額定值)相匹配。相匹配。 輸出阻抗小、效率高、時間常數(shù)小。輸出阻抗小、效率高、時間常數(shù)小。 b)為執(zhí)行元件的正常運轉(zhuǎn)提供必要的適宜條件。為執(zhí)行元件的正常運轉(zhuǎn)提供必要的適宜條件。 制動條件、限流保護條件等。制動條件、限流保護條件等。 c)放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，保障執(zhí)行元件的容量放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，保障執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。得以正常發(fā)揮。 d)輸入級應(yīng)與檢測傳感器相匹配。輸入級應(yīng)與檢測傳感器相匹配。 輸入阻抗大，可減輕檢測傳感器的負荷。輸入阻抗大，可減輕檢測傳感器的負荷。 e)放大器要有足夠的放大倍數(shù)，工作特性穩(wěn)定可靠、放大器要有足夠的放大倍數(shù)，工作

23、特性穩(wěn)定可靠、易于調(diào)整等。易于調(diào)整等。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計4)伺服系統(tǒng)的能源伺服系統(tǒng)的能源(電源電源)支持支持 電源系統(tǒng)由于受所選用或設(shè)計的各分系統(tǒng)能源輸入形電源系統(tǒng)由于受所選用或設(shè)計的各分系統(tǒng)能源輸入形式式和要求不同的限制，電源供給統(tǒng)一是困難的。但是、在設(shè)和要求不同的限制，電源供給統(tǒng)一是困難的。但是、在設(shè)計電源系統(tǒng)時，應(yīng)盡可能地作到電源的輸出類型要少，在計電源系統(tǒng)時，應(yīng)盡可能地作到電源的輸出類型要少，在電源參量輸出具有足夠電源參量輸出具有足夠穩(wěn)定性穩(wěn)定性(電壓、頻率電壓、頻率)的的同時，要采同時，要采取保護措施，防止外界干擾信號的進入和電源波動、掉電、取保護措施，防止外界干

24、擾信號的進入和電源波動、掉電、欠壓、過流、短路等非正常品質(zhì)電源的輸入對系統(tǒng)的影響。欠壓、過流、短路等非正常品質(zhì)電源的輸入對系統(tǒng)的影響。 常用措施：濾波、隔離、屏蔽干擾信號；穩(wěn)壓、限壓、常用措施：濾波、隔離、屏蔽干擾信號；穩(wěn)壓、限壓、限流、斷電保護和短路保護。限流、斷電保護和短路保護。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計6.2.5 機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型 機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型實際上是多種多樣的，但從機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型實際上是多種多樣的，但從控制系統(tǒng)工作原理上講，主要分為控制系統(tǒng)工作原理上講，主要分為開環(huán)控制開環(huán)控制、半閉環(huán)控制半閉環(huán)控制、閉閉

25、環(huán)控制環(huán)控制三類數(shù)學(xué)模型。三類數(shù)學(xué)模型。 下面結(jié)合典型實例進行學(xué)習(xí)。下面結(jié)合典型實例進行學(xué)習(xí)。 (1)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制比較簡單，前面已學(xué)習(xí)。開環(huán)控制比較簡單，前面已學(xué)習(xí)。 傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型為：傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型為： (2)半閉環(huán)控制系統(tǒng)半閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖滾珠絲杠傳動半閉環(huán)伺服進給控制系統(tǒng)如圖滾珠絲杠傳動半閉環(huán)伺服進給控制系統(tǒng) memesGGGG (t)ii2D工作臺ViFii1滾珠絲杠傳感器電動機1前置放大功放U(t)i測速發(fā)電機機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計滾珠絲杠傳動半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖滾珠絲杠傳動半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 K Ka a前置放大器增益；前置放大器增益；K

26、KA A功率放大器增益；功率放大器增益；K Kv v速度反饋增益；速度反饋增益； T Tm m直流伺服電機時間常數(shù)；直流伺服電機時間常數(shù)；i i1 1、i i1 1減速比；減速比；K Kr r位置傳感器增益；位置傳感器增益； V Vi i(s)(s)輸入電壓的拉式變換；輸入電壓的拉式變換；i i(s)(s)絲杠輸出轉(zhuǎn)角的拉式變換。絲杠輸出轉(zhuǎn)角的拉式變換。 iV(s)GG12G34GKAKamKmS（1+T S）i11K SGVG6Kr2i15Gi765432173243211)()()(GGGGGGGGGGGGGsVssGii)/()1 (/2121i iKKKKsKKKsTiKKKrmAaV

27、mAmmAa1)無外界干擾時的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型無外界干擾時的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2)有外界干擾時的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型有外界干擾時的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型 附加擾動力矩附加擾動力矩(電壓電壓VD表示表示)的系統(tǒng)框圖的系統(tǒng)框圖 附加擾動力矩等效電壓后的系統(tǒng)框圖附加擾動力矩等效電壓后的系統(tǒng)框圖 )/()1 ()/()()()()(21210i iKKKKsKKKsTiKRRKsVssGrmAaVmAmTamiiiG52S（1+T S）GK SKGV7A2m3GmK(s)11i4G1iG6GKKV(s)ira1TAK KR +R0ADV(s)AK KTA0R +RV(s)DK

28、AS（1+T S）mmK1i1iKaKi1r1K SV機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計3)全閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型：i滾珠絲杠電動機D1位置檢測傳感器前置放大功放Fi工作臺i速度環(huán)位置環(huán)微機測速發(fā)電機V(s)iaK1GG5S（1+T S）GG7K SVAK2Gm3mG4G(s)jX(s)iKb)()1 ()()()()(2sGKKKKsKKKsTsGKKKsVsXsGjbmAaVmAmjmAaii機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 實例實例（課本（課本P228）由直流伺服電動機驅(qū)動的全閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖所示，直流伺服電機的轉(zhuǎn)速n為1200r/min

29、，功率P為1.5KW，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm為2*10-4Kg.m2，滾珠絲杠的直徑d為60mm，長度l為2.16m，基本導(dǎo)程l0為12mm，絲杠的轉(zhuǎn)速ns為400r/min，齒輪減速比i為3，齒輪z1、z2的齒數(shù)為17、51，模數(shù)m為2，齒輪的寬度B為15mm，工作臺移動部件的總重量W為2000N，最大進給速度為4.8m/min，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.05.經(jīng)測量，齒輪的齒側(cè)間隙為0.12mm。試計算由于軸向剛度和齒輪間隙引起的失動量。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 絲杠兩端采用止推軸承支撐，軸向彈性模量E為2.1*1011Pa，止推軸承的剛度系數(shù)KB為1.07*109N/m螺母的剛度為2

30、.14*109N/m。 所以絲杠的軸向剛度（Kc） 兩端均有止推軸承支撐，其絲杠長度應(yīng)取為 則 又單個軸承的剛度與 絲杠是串聯(lián)，則其串聯(lián)后的剛度為：).(1075. 216. 2406. 014. 3101 . 2482112mNldElESKc2l).(105 . 58mNKc2lcBcBcBKKKKKKK111機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 而軸承與二分之一絲杠是兩組并聯(lián)，所以 此剛度由于螺母串聯(lián)，則其剛度為 工作臺啟動時的摩擦阻力F=2000*0.05=100N 則其壓縮量（變形量x1）)/(1026. 7105 . 51007. 1105 . 51007. 122288989

31、mNKKKKKKcBcB)/(1024. 51014. 21026. 71014. 21026. 789898 mNKKKKKNNe)(185. 0)(1042. 510081mmKFxe機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 則其失動量為2 x1=0.37（ um） 齒輪間隙引起的失動量為x2總的失動量為)(72. 000072. 025114. 321212. 0212. 0212. 022202202mmmmzlxmzlx)(81. 12221mxxx機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計課后習(xí)題1.伺服系統(tǒng)的設(shè)計流程是什么？伺服系統(tǒng)的設(shè)計流程是什么？2.機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計包括機電一體

32、化系統(tǒng)的設(shè)計包括穩(wěn)態(tài)設(shè)計穩(wěn)態(tài)設(shè)計和和動態(tài)設(shè)計動態(tài)設(shè)計。3.伺服控制系統(tǒng)中，其負載往往比較復(fù)雜，為了便于分析，常將它分伺服控制系統(tǒng)中，其負載往往比較復(fù)雜，為了便于分析，常將它分解為幾種典型負載，這些典型負載是指：解為幾種典型負載，這些典型負載是指： ， ，彈性負，彈性負載，摩擦負載。載，摩擦負載。4.如圖所示三級齒輪傳動鏈，如圖所示三級齒輪傳動鏈，I為輸入軸，為輸入軸，O為輸出軸，各級傳動比為為輸出軸，各級傳動比為i1、i2、i3，各齒輪的齒數(shù)分別為，各齒輪的齒數(shù)分別為Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6。1）設(shè)各級齒輪的齒側(cè)間隙分別為）設(shè)各級齒輪的齒側(cè)間隙分別為1、2、3，求將所有齒側(cè)間隙都，求

33、將所有齒側(cè)間隙都折算到輸出軸折算到輸出軸O上的總間隙上的總間隙。2）設(shè)各齒輪軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為）設(shè)各齒輪軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JI、J1、J2、JO，求將所有轉(zhuǎn)動慣量，求將所有轉(zhuǎn)動慣量都歸算到輸出軸都歸算到輸出軸O上的總轉(zhuǎn)動慣量上的總轉(zhuǎn)動慣量J。 IZ2Z1Z3Z4Z5Z5Z612O機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計6.3 機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計考慮方法機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計考慮方法 系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計方法系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計方法： 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計所建立的數(shù)學(xué)模型在穩(wěn)態(tài)設(shè)計所建立的數(shù)學(xué)模型(傳遞函數(shù)傳遞函數(shù))基礎(chǔ)上，選擇系統(tǒng)的控基礎(chǔ)上，選擇系統(tǒng)的控制方式和校正制方式和校正(或誤差補償或誤差補償)形式，有效地

34、與穩(wěn)態(tài)設(shè)計所建立的數(shù)形式，有效地與穩(wěn)態(tài)設(shè)計所建立的數(shù)學(xué)模型學(xué)模型(傳遞函數(shù)傳遞函數(shù))系統(tǒng)相融合，構(gòu)成具有誤差補償作用的反饋調(diào)系統(tǒng)相融合，構(gòu)成具有誤差補償作用的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達到穩(wěn)定工作和滿足被控制對象的各項動態(tài)指標(biāo)要求。節(jié)系統(tǒng)，達到穩(wěn)定工作和滿足被控制對象的各項動態(tài)指標(biāo)要求。 系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的目的：系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的目的： 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性、過渡過程的品在穩(wěn)態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性、過渡過程的品質(zhì)質(zhì)(響應(yīng)特性、振蕩特性等響應(yīng)特性、振蕩特性等)、動態(tài)穩(wěn)定精度，動態(tài)響應(yīng)特性等指、動態(tài)穩(wěn)定精度，動態(tài)響應(yīng)特性等指標(biāo)參數(shù)。標(biāo)參數(shù)。 動態(tài)設(shè)計的主要方法或手段：動態(tài)設(shè)計的主要方

35、法或手段： 為保證系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定各指標(biāo)參數(shù)的誤差為保證系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定各指標(biāo)參數(shù)的誤差(精度精度)，常用的設(shè)計方法，常用的設(shè)計方法有有校正校正(或誤差補償或誤差補償)法法、波德波德(Bode)圖法圖法、根軌跡圖法根軌跡圖法等。等。 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計6.3.2 伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法 (1) (1)伺服系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性分析與過渡過程伺服系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性分析與過渡過程 對于任何系統(tǒng)，動態(tài)穩(wěn)定過程主要有三種情況。對于任何系統(tǒng)，動態(tài)穩(wěn)定過程主要有三種情況。 即：即：指數(shù)規(guī)律上升平穩(wěn)地趨于穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出發(fā)散沒有穩(wěn)指數(shù)規(guī)律上升平穩(wěn)地趨于穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出發(fā)散沒有穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出振

36、蕩最終能趨于穩(wěn)定值。定值，系統(tǒng)輸出振蕩最終能趨于穩(wěn)定值。 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計1)1)動態(tài)穩(wěn)定過程的特點：動態(tài)穩(wěn)定過程的特點： 系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)在系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)在過渡階段的性能參量。上述三種情況各有其特點。過渡階段的性能參量。上述三種情況各有其特點。 第一種情況第一種情況：系統(tǒng)直接趨于穩(wěn)定，剛性大：系統(tǒng)直接趨于穩(wěn)定，剛性大(加速度大加速度大)，無振，無振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)過渡階段誤差大，不利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)。蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)過渡階段誤差大，不利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)。 第二種情況第二種情況：系統(tǒng)振蕩發(fā)散不穩(wěn)定。：系

37、統(tǒng)振蕩發(fā)散不穩(wěn)定。 第三種情況第三種情況：系統(tǒng)振蕩收斂逐步衰減區(qū)域穩(wěn)定，系統(tǒng)剛性較：系統(tǒng)振蕩收斂逐步衰減區(qū)域穩(wěn)定，系統(tǒng)剛性較小，但慣量較大，過渡階段誤差教小，利于系統(tǒng)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)小，但慣量較大，過渡階段誤差教小，利于系統(tǒng)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)匹配。匹配。 鑒于第三種情況的控制系統(tǒng)，最能保證系統(tǒng)穩(wěn)定鑒于第三種情況的控制系統(tǒng)，最能保證系統(tǒng)穩(wěn)定(硬件和軟件硬件和軟件保證保證)，利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)匹配，系統(tǒng)過渡階段誤差最小，利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)匹配，系統(tǒng)過渡階段誤差最小的控制系統(tǒng)，在實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中最為常見。的控制系統(tǒng)，在實際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中最為常見。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2)動態(tài)

38、系統(tǒng)過渡階段的主要性能指標(biāo)動態(tài)系統(tǒng)過渡階段的主要性能指標(biāo) 動態(tài)特性參量或指標(biāo)動態(tài)特性參量或指標(biāo)：上升時間：上升時間Ts；延滯時間；延滯時間Ty；調(diào)整時間調(diào)整時間Tt；最大超調(diào)量；最大超調(diào)量%。 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計(2)伺服系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性校正方法伺服系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性校正方法 若靜態(tài)設(shè)計的控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或穩(wěn)定系統(tǒng)的主要性若靜態(tài)設(shè)計的控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或穩(wěn)定系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)能指標(biāo)(過渡階段和穩(wěn)定階段過渡階段和穩(wěn)定階段)不能滿足使用要求。采取的不能滿足使用要求。采取的主要措施是：第一步，設(shè)計調(diào)節(jié)器主要措施是：第一步，設(shè)計調(diào)節(jié)器(校正器校正器)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)；

39、第二步，設(shè)計反饋控制器，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性態(tài)性能參數(shù)；第二步，設(shè)計反饋控制器，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。能參數(shù)。目的在于達到系統(tǒng)的使用要求目的在于達到系統(tǒng)的使用要求穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo)。 盡管可用于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和校正的理論盡管可用于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和校正的理論(數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型)方法和手方法和手段較多，但在實際應(yīng)用控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛和簡單段較多，但在實際應(yīng)用控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛和簡單的是的是PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。 下面針對下面針對PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用特點學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)器的設(shè)計和使用調(diào)節(jié)器的應(yīng)用特點學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)器的設(shè)計和使用方法方法。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計例：例：單軌懸掛小車輸送線單軌懸掛小

40、車輸送線 主要參數(shù)：載重量500 10000kg；運行速度10/12.5/40m/min;控制方式：設(shè)置變頻調(diào)速功能，使載物車啟動/停止更平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確， 空載車回程時間短。聯(lián)鎖/互鎖功能：l當(dāng)前某工位有載物車時，后一工位載物車不能前進；l當(dāng)載物車未上升到位時，載物車不能運行；l如道岔未按要求合軌，載物車不能繼續(xù)運行。故障診斷/報警功能：當(dāng)電機缺相/過載或載物車/道岔/未按要求運行到位 時即可報警。聯(lián)網(wǎng)功能：能方便地與其它控制系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)進行各種信息的交換。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計岔道提升機機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計控制系統(tǒng)的品質(zhì)0| |tIAEe dt 穩(wěn)、準(zhǔn)、快啟

41、動快，但超調(diào)大且有較長時間振蕩低速爬行，但無超調(diào)和振蕩快速且超調(diào)不大，但穩(wěn)態(tài)誤差太大快速且超調(diào)不大，無穩(wěn)態(tài)誤差定量指標(biāo)：1.穩(wěn)態(tài)誤差(準(zhǔn)確性)2.綜合指標(biāo):絕對誤差積分機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2022-1-1245PID控制原理PID :Proportional-Integral-Derivative(比例積分微分) 本質(zhì)上是一種負反饋控制，特別適用于過程的動態(tài)性能良好而且控制性能要求不太高的情況。PIDPID算法的原理及數(shù)字實現(xiàn)算法的原理及數(shù)字實現(xiàn)控制系統(tǒng)要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn)控制系統(tǒng)要求：穩(wěn)、快、準(zhǔn) PIDPID調(diào)節(jié)器的優(yōu)點調(diào)節(jié)器的優(yōu)點 ：1. 1. 技術(shù)成熟技術(shù)成熟 2. 2.

42、易被人們熟悉和掌握易被人們熟悉和掌握 3. 3. 不需要建立數(shù)學(xué)模型不需要建立數(shù)學(xué)模型 4. 4. 控制效果好控制效果好PIDPID調(diào)節(jié)的實質(zhì)：調(diào)節(jié)的實質(zhì)：根據(jù)系統(tǒng)輸入的偏差，按照根據(jù)系統(tǒng)輸入的偏差，按照PIDPID的函數(shù)關(guān)系進行運算，其的函數(shù)關(guān)系進行運算，其結(jié)果用以控制輸出。結(jié)果用以控制輸出。PIDPID調(diào)節(jié)的特點：調(diào)節(jié)的特點：PIDPID的函數(shù)中各項的物理意義清晰，調(diào)節(jié)靈活，便于程序的函數(shù)中各項的物理意義清晰，調(diào)節(jié)靈活，便于程序化實現(xiàn)?；瘜崿F(xiàn)。l連續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng) PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為l （5-15-1）l式中式中 u(t)和和e(t)分別為調(diào)節(jié)器的輸出和輸入信號，分別

43、為調(diào)節(jié)器的輸出和輸入信號，Kp、Ti和和Td分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。分時間常數(shù)。l為了用計算機實現(xiàn)為了用計算機實現(xiàn)PID控制規(guī)律，要將式（控制規(guī)律，要將式（5-1）轉(zhuǎn)換成離散化形式。轉(zhuǎn)換成離散化形式。tdipdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()(kidipTTkekTeTTiTeTkTeKkTu0) 1()()(1)()(機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計uyr？u=f (e) tdttdeKdtteKteKtu0dip)()()()(PProportion 比例比例 I Integral 積分積分D Differentia

44、tion 微分微分PID控制器的定義及其優(yōu)點PID全稱比例-積分-微分控制器，是自動控制系統(tǒng)設(shè)計中 最經(jīng)典應(yīng)用最廣泛的一種控制器(一種算法)。2. 原理簡單，使用中不需精確的系統(tǒng)模型；3. 如果被控對象難以控制，可以使用改進型PID控制。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計PID控制原理控制原理 -PID控制器控制器0( )( )( )tpiddeu tK e tKe t dtKdt+ ruey iKedtideKdt + +e(t)=r(t)-y(t)-Kped5.2PIDPID算法的原理及數(shù)字實現(xiàn)算法的原理及數(shù)字實現(xiàn)模擬模擬PIDPID調(diào)節(jié)原理調(diào)節(jié)原理PIDPID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，

45、他將設(shè)定值調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，他將設(shè)定值r(t)r(t)與實際值與實際值c(t)c(t)的偏的偏差：差：e(t) = r(t)-c(t)e(t) = r(t)-c(t)按其比例、積分、微分通過按其比例、積分、微分通過線性線性組合構(gòu)成控制量。組合構(gòu)成控制量。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計1)PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)(含調(diào)節(jié)電路含調(diào)節(jié)電路) PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器無源阻容式調(diào)節(jié)器無源阻容式調(diào)節(jié)器和和有源阻容式調(diào)節(jié)器有源阻容式調(diào)節(jié)器。 無源阻容式調(diào)節(jié)器無源阻容式調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單，無須提供外界電源等具有結(jié)構(gòu)簡單，無須提供外界電源等特點，但存在衰減較大、不易與系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)相

46、匹配，應(yīng)用特點，但存在衰減較大、不易與系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)相匹配，應(yīng)用受到一定的限制。受到一定的限制。 有源阻容式調(diào)節(jié)器有源阻容式調(diào)節(jié)器主要運算放大器與阻容電路組成。通主要運算放大器與阻容電路組成。通過合理的配置，可達到不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善過合理的配置，可達到不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善系統(tǒng)動態(tài)性能的能力。系統(tǒng)動態(tài)性能的能力。 有源阻容式調(diào)節(jié)器的電路構(gòu)成有源阻容式調(diào)節(jié)器的電路構(gòu)成R12x(s)y(s)Gx(s)R1Gy(s)x(s)R1Gy(s)R1G222x(s)C1機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計有源阻容式調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和特點：有源阻容式調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和特點： a)

47、比例比例( P )調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)圖圖a 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特點：調(diào)節(jié)作用主要取決于增益特點：調(diào)節(jié)作用主要取決于增益Kp的大小的大小 ，Kp值越大調(diào)節(jié)作值越大調(diào)節(jié)作用越強，但存在調(diào)節(jié)誤差，且當(dāng)用越強，但存在調(diào)節(jié)誤差，且當(dāng)Kp值太大時，可能引起系統(tǒng)不值太大時，可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。穩(wěn)定。 b ) 積分積分( I )調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)圖圖b 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特點：可以減少或消除調(diào)節(jié)誤差，但響應(yīng)慢，因而較少單獨特點：可以減少或消除調(diào)節(jié)誤差，但響應(yīng)慢，因而較少單獨使用。使用。 c ) 比例比例積分積分圖圖c 傳遞函

48、數(shù)：傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：其中：KP =R2/R1； Ti = R2C。 既克服了單純比例既克服了單純比例( P )調(diào)節(jié)存在調(diào)節(jié)誤差的缺點，又避免了積調(diào)節(jié)存在調(diào)節(jié)誤差的缺點，又避免了積分分( I )調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的弱點，系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能得到了改善。調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的弱點，系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能得到了改善。 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計 d ) 比例比例積分積分微分微分( PID )調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)圖圖d 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1

49、 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。 特點：不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也能改善系統(tǒng)動態(tài)性能，相特點：不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也能改善系統(tǒng)動態(tài)性能，相比之下，它比比之下，它比( PI )調(diào)節(jié)能使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性能和動態(tài)性調(diào)節(jié)能使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性能和動態(tài)性能。但是，由于含有微分環(huán)節(jié)，在噪聲比較大或系統(tǒng)要求響應(yīng)能。但是，由于含有微分環(huán)節(jié)，在噪聲比較大或系統(tǒng)要求響應(yīng)快時，不宜采用快時，不宜采用PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。 PID調(diào)節(jié)器使用調(diào)整方法：調(diào)節(jié)器使用調(diào)整方法： 在實際工程應(yīng)用中，有源的在實際工程應(yīng)用中，有源的PID調(diào)節(jié)器校正與誤差調(diào)整方調(diào)節(jié)器校正與誤差調(diào)整方法，通常

50、不是依靠理論計算來確定系統(tǒng)參數(shù)的，而是通過觀察法，通常不是依靠理論計算來確定系統(tǒng)參數(shù)的，而是通過觀察輸出響應(yīng)波形是否滿足使用要求，先調(diào)整比例時間常數(shù)輸出響應(yīng)波形是否滿足使用要求，先調(diào)整比例時間常數(shù)KP；再；再調(diào)整積分時間常數(shù)調(diào)整積分時間常數(shù)Ti；最后調(diào)整微分時間常數(shù)；最后調(diào)整微分時間常數(shù)Td；反復(fù)調(diào)整直；反復(fù)調(diào)整直到所觀察到的輸出波形能滿足使用要求的輸出波形為止，便可到所觀察到的輸出波形能滿足使用要求的輸出波形為止，便可確定確定PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)參數(shù) 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2022-1-1255PIDPID調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)1. 比例調(diào)節(jié)器

51、比例調(diào)節(jié)器 2. 比例積分調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器3. 比例微分調(diào)節(jié)器比例微分調(diào)節(jié)器 4. 比例積分微分調(diào)節(jié)器比例積分微分調(diào)節(jié)器 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2022-1-12561.1.模擬模擬PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 圖圖l l 模擬模擬PIDPID控制控制 PIDPID控制器是一種線性控制器；控制器是一種線性控制器； 根據(jù)對象的特性和控制要求，可根據(jù)對象的特性和控制要求，可靈活地改變其結(jié)構(gòu)。靈活地改變其結(jié)構(gòu)。 )()()(tytrte 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計數(shù)字數(shù)字PID控制算法控制算法u(k) 工業(yè)計算機工業(yè)計算機- -re(k)y(k)PID算法算法對象對象數(shù)據(jù)

52、通道數(shù)據(jù)通道 D/AA/Du(t)y(t)反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)計算機控制的特點： 1.離散性：連續(xù)變量離散化； 2.靈活性：算法的靈活性； 3.實時性：采樣周期 Ts。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計數(shù)字PID控制位置型dttdeKdtteKteKtudip)()()()( ) 1()()(keketdekTtTdtsssknstTkekedttdeTnedtte)1()()()()(00 sdknsipTkekeKTneKkeKku) 1()()()()(0機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計數(shù)字PID控制增量型sdknsipTkekeKTneKkeKku)1()()()()(0 sdk

53、nsipTkekeKTneKkeKku)2()1()()1()1(10 )() 1()(kukuku)2() 1(2)()()1()()(kekekeTKkeTKkekeKkusdsip機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2022-1-1260離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制仿真 仿真實例 設(shè)被控制對象為：采樣時間為1ms,采用Z變換進行離散化，經(jīng)過Z變換后的離散化對象為：ssSsG1047035.87523500)(23( )(2)(1)(3)(2)(4)(3)(2) (1)(3) (2)(4) (3)outoutoutoutykaykaykaykbu kbu kbu k機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)

54、合分析與設(shè)計2022-1-1261機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2022-1-1262 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降曲線偏離回復(fù)慢，積分時間往下降曲線波動周期長，積分時間再加長曲線波動周期長，積分時間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長動差大來波動慢。微分時間應(yīng)加長理想曲線兩個波，前高后低

55、理想曲線兩個波，前高后低4比比1（擴充響應(yīng)曲線法）（擴充響應(yīng)曲線法）一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計2022-1-1264PID工程整定法-經(jīng)驗法機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計(3)PID調(diào)節(jié)器對伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)校正性能分析調(diào)節(jié)器對伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)校正性能分析 對于如圖所示的典型閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，在有效輸入信對于如圖所示的典型閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，在有效輸入信號和外界干擾信號作用下，為改善系統(tǒng)的性能。號和外界干擾信號作用下，為改善系統(tǒng)的性能。 PID調(diào)節(jié)器的目的：調(diào)節(jié)器的目的：是使系統(tǒng)輸出誤差（與目標(biāo)參量相是使系統(tǒng)輸出誤差（與目

56、標(biāo)參量相比）最小和在外界干擾作用下產(chǎn)生輸出誤差最小比）最小和在外界干擾作用下產(chǎn)生輸出誤差最小。 eR(s)基準(zhǔn)信號反饋量G (s)h檢測量偏差信號設(shè)定元件AG (s)M(s)G (s)C調(diào)節(jié)器G (s)控制元件VD(s)外部干擾G (s)執(zhí)行元件Pd目標(biāo)值被控量C(s)機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計典型閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的構(gòu)成典型閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的構(gòu)成在輸入和干擾信號同時作用下，傳遞函數(shù)：在輸入和干擾信號同時作用下，傳遞函數(shù)：)()()()(1)()()()()(sGsGsGsGsGsGsAGsRsChpVcpVc)()()()(1)()()()(sGsGsGsGsGsGsDsChpVc

57、dP)()()()()(1)()()()()()()(1)()()()(sDsGsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsGsGsAGsChpVcdPhpVcpVc在輸入信號作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：在輸入信號作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：在干擾信號作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：在干擾信號作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)： 機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)合分析與設(shè)計67 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計v (2)依據(jù)機械振動系統(tǒng)的運動和動力學(xué)方程，從機械系統(tǒng)彈性依據(jù)機械振動系統(tǒng)的運動和動力學(xué)方程，從機械系統(tǒng)彈性變形出發(fā)簡化系統(tǒng)，建立彈性變形時機械系統(tǒng)的運動和動力傳變形出發(fā)簡化系統(tǒng)，建立彈性變形時機械系統(tǒng)的運動和動力傳

58、遞結(jié)構(gòu)框圖。遞結(jié)構(gòu)框圖。 (3)由機械系統(tǒng)運動和動力傳遞結(jié)構(gòu)框圖，寫出機械系統(tǒng)運動和由機械系統(tǒng)運動和動力傳遞結(jié)構(gòu)框圖，寫出機械系統(tǒng)運動和動力傳遞的控制等效框圖。動力傳遞的控制等效框圖。 (4)建立機械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。建立機械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 (5)應(yīng)用根軌跡法等，對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進行因式分解，并分析應(yīng)用根軌跡法等，對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進行因式分解，并分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量，評價和判斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量，評價和判斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量是否對機械系統(tǒng)的控制頻帶產(chǎn)生影響，若系統(tǒng)存在自激振蕩量是否對機械系統(tǒng)的控制頻帶產(chǎn)生影響，若系統(tǒng)存在自激振蕩現(xiàn)象，應(yīng)采取相應(yīng)地措施避開自激振

59、蕩，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定現(xiàn)象，應(yīng)采取相應(yīng)地措施避開自激振蕩，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠?？煽俊?補充：補充：PID參數(shù)整定參數(shù)整定1. 采樣周期TS符合工程準(zhǔn)則。 如果TS太短會sdknsipTkekeKTneKkeKku)1()()()()(0 2. Kp / Ki / Kd調(diào)試：l試湊法(先比例，后積分，再微分)l擴充臨界比例度法l擴充響應(yīng)曲線法B.自平衡廣義過程 MATLAB的Ziegler-Nichols算法PID控制器設(shè)計。8 .0DTKL在求得L 和參數(shù)的情況下, 我們可通過表1中給出的Ziegler Nichols經(jīng)驗公式確定 P、PI 和PID控制器的參數(shù)。機電一體化系統(tǒng)的機電有機結(jié)

60、合分析與設(shè)計2022-1-1270數(shù)字數(shù)字PIDPID控制器參數(shù)的整定控制器參數(shù)的整定 1 1）采樣周期的選擇）采樣周期的選擇 （1 1）根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為）根據(jù)香農(nóng)采樣定理，系統(tǒng)采樣頻率的下限為f fs s=2f=2fmaxmax，此時系統(tǒng)可真，此時系統(tǒng)可真實地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。實地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。 （2 2）從執(zhí)行機構(gòu)的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度。采樣）從執(zhí)行機構(gòu)的特性要求來看，有時需要輸出信號保持一定的寬度。采樣周期必須大于這一時間。周期必須大于這一時間。（3 3）從控制系統(tǒng)的隨動和抗干擾的性能來看，要求采樣周期短些。）從控制系統(tǒng)的隨動和抗