第5章機(jī)電一體化系統(tǒng)的元、部件特性分析

1、返回目錄回看結(jié)束放映1第五章第五章 機(jī)電一體 化系統(tǒng)的元、部件特性分析第一節(jié) 自動(dòng)控制理論與機(jī)電一體化系統(tǒng)第二節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的元、部件動(dòng)態(tài)特性習(xí)題與思考題返回目錄回看結(jié)束放映2 自動(dòng)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(lái)越廣泛。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的操作過(guò)程控制目的有兩個(gè)，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(duì)操作過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè) 和自動(dòng)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(duì)抗外部干 擾的能力要求更高。對(duì)被控對(duì)象

2、來(lái)說(shuō)，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(guò)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(jī)電一體化 系統(tǒng)不可缺少的理論基礎(chǔ)。返回目錄回看結(jié)束放映3 “反饋”是通過(guò)適當(dāng)?shù)臋z測(cè)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(duì)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(dòng)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(cè)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(dòng)態(tài)特性是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，而傳遞函數(shù)是通

3、過(guò)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(dòng)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(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(duì)那些無(wú)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返回目錄回看結(jié)束放映4 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(jì)算。 一般來(lái)說(shuō)，機(jī)電一體化系統(tǒng)(或元件)的輸入量(或稱輸入信號(hào))和輸出量(或稱輸出信號(hào))可用時(shí)間函數(shù)描述，輸入量與輸出量之間的因果關(guān)系或者說(shuō)系統(tǒng)（或元件）的運(yùn)動(dòng)特性可用微分方程描述。 這里僅就機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的動(dòng)態(tài)特性的分析基礎(chǔ)概述。 系統(tǒng)

4、(或元件)的運(yùn)動(dòng)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(shí)，其輸出量必將發(fā)生變化，但由于系統(tǒng)總含有慣性或儲(chǔ)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(gè)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程就是系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。 返回目錄回看結(jié)束放映5 系統(tǒng)（或執(zhí)行元件）在階躍信號(hào)作用下(即操作量階躍變化時(shí))的過(guò)渡過(guò)程，大致可分為穩(wěn)定過(guò)程、不穩(wěn)定過(guò)程(發(fā)散)、穩(wěn)定過(guò)程(有振蕩)三種情況，并可近似地用傳遞函數(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(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其輸出量隨輸入量的變化而變

5、化，因此，有時(shí)也稱隨動(dòng)系統(tǒng)。 在隨動(dòng)系統(tǒng)中，輸出量不僅受輸入量控制，而且反饋回來(lái)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(duì)于輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無(wú)反向聯(lián)系的控制，則稱其為開(kāi)環(huán)控制。 通過(guò)隨動(dòng)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以分析： 1）系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)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。返回目錄回看結(jié)束放映6 流經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)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(hào)為連續(xù)時(shí)間信號(hào)；在系統(tǒng)中，只要有一個(gè)地方的信號(hào)是脈沖信號(hào)或數(shù)字信號(hào)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(hào)或數(shù)

6、字信號(hào)稱為離散信號(hào)或采樣信號(hào)。 所謂采樣是指將連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖或數(shù)字信號(hào)的過(guò)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(hào)，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(lái)研究采樣系統(tǒng)。由于篇幅所限，關(guān)于z變換，需要時(shí)請(qǐng)讀者閱讀其他有關(guān)參考書(shū)。返回目錄回看結(jié)束放映7 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)返回目錄回看結(jié)束放映8返回目錄回看結(jié)束放映9返回目錄回看結(jié)束放映10 二、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性二、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性返回目錄回看結(jié)束放映11返回目錄回看結(jié)束放映12三、伺服系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)特性三、伺服系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)特性

7、返回目錄回看結(jié)束放映13返回目錄回看結(jié)束放映14返回目錄回看結(jié)束放映15返回目錄回看結(jié)束放映16四、采樣控制簡(jiǎn)介四、采樣控制簡(jiǎn)介 1. 采樣控制概念首先介紹一下流經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)的性質(zhì)。 流經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)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(hào)為連續(xù)時(shí)間信號(hào)；在系統(tǒng)中，只要有一個(gè)地方的信號(hào)是脈沖信號(hào)或數(shù)字信號(hào)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(hào)或數(shù)字信號(hào)稱為離散信號(hào)或采樣信號(hào)。 所謂采樣是指將連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖或數(shù)字信號(hào)的過(guò)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(guò)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。返回目錄回看結(jié)束放映17

8、返回目錄回看結(jié)束放映18返回目錄回看結(jié)束放映19 2. 數(shù)字控制系統(tǒng)返回目錄回看結(jié)束放映20返回目錄回看結(jié)束放映21返回目錄回看結(jié)束放映22返回目錄回看結(jié)束放映23 3.采樣系統(tǒng)的研究方法 由于采樣系統(tǒng)中存在脈沖(或數(shù)碼)信號(hào)，所以不能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(lái)研究采樣系統(tǒng)。由于篇幅所限，關(guān)于z變換，本書(shū)不予介紹，需要時(shí)請(qǐng)讀者閱讀其他有關(guān)參考書(shū)。返回目錄回看結(jié)束放映24 機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、傳感檢測(cè)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(dòng)態(tài)特性或傳遞函數(shù))，即輸出可能具有與輸

9、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(lái)研究其特性。 考慮各子系統(tǒng)的動(dòng)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(shuō)明其分析方法。返回目錄回看結(jié)束放映25 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(duì)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(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)械系統(tǒng)在傳遞運(yùn)動(dòng)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(

10、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(dòng)慣量就大，系統(tǒng)的響應(yīng)就慢。返回目錄回看結(jié)束放映26返回目錄回看結(jié)束放映27返回目錄回看結(jié)束放映28返回目錄回看結(jié)束放映29 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖返回目錄回看結(jié)束放映30返回目錄回看結(jié)束放映31 回轉(zhuǎn)-直線線性變換機(jī)構(gòu) 回轉(zhuǎn)-直線(或直線-回轉(zhuǎn))線性變換機(jī)構(gòu)如上圖所示。圖a為齒輪齒條機(jī)構(gòu)圖，圖b為滾珠絲杠副。 返回目錄回看結(jié)束放映321. 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(wèn)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(duì)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(duì)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(wèn)題加以敘述。第三個(gè)問(wèn)題是機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)中要研究的重要問(wèn)題，此處予以省略。返回目錄回看結(jié)束放映33 2. 機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響 1) 線性變換機(jī)構(gòu)返回目錄回看結(jié)束放映34返回目錄回看結(jié)束放映35 讀者注意 其他系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，這里從略，請(qǐng)讀者參看教材補(bǔ)充。返回目錄回看結(jié)束放映36 習(xí)題與思考題5-15-1 回顧所學(xué)機(jī)械控制工程（自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)）的相關(guān)知識(shí)，簡(jiǎn)述機(jī)電 一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與