機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)：第六章 機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)

1、第六章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)第二節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一 機(jī)電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法第三節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二 機(jī)電一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)1以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例說(shuō)明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過(guò)系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)它們提出技術(shù)要求的。6-1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)23設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。得到較詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)果是近似的，只能作為

2、工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。實(shí)際電路及實(shí)際參數(shù)，要通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)與調(diào)試，才能最后確定下來(lái)。設(shè)計(jì)過(guò)程：輸出參數(shù)達(dá)到要求執(zhí)行元件的參數(shù)選擇功率的匹配和過(guò)載能力的驗(yàn)算元件的選擇與控制電路設(shè)計(jì)阻抗的匹配抗干擾措施建立數(shù)學(xué)模型初步設(shè)計(jì)方案定量的分析計(jì)算穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)仿真4 包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件的參數(shù)選擇、功率（或轉(zhuǎn)矩）的匹配及過(guò)載能力的驗(yàn)算、各主要元部件的選擇與控制電路設(shè)計(jì)、信號(hào)的有效傳遞、各級(jí)增益的分配、各級(jí)之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，為后面動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算后確定的方案，考慮了機(jī)電參數(shù)的有機(jī)結(jié)合與匹配，

3、有利于減少盲目性和加快樣機(jī)的調(diào)試與電路參數(shù)的確定。為滿(mǎn)足人們生活和生產(chǎn)安全、可靠地使用要求，在機(jī)電一體化有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須充分注意其可靠性、安全性設(shè)計(jì)要求。主要是設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求;通常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)作用5伺服系統(tǒng)也稱(chēng)之為隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力、力矩輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測(cè)反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。它是根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的，其工作過(guò)程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對(duì)象測(cè)量、反饋

4、元件輸入指令輸出量控制器伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖比較元件6電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分 在控制信號(hào)傳遞路線(xiàn)上，以執(zhí)行元件作為接口 在反饋信號(hào)傳遞路線(xiàn)上，以傳感器作為接口由兩部分組成：電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，而且往往是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)離不開(kāi)機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運(yùn)用，其功能是通過(guò)機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，它本身就是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。76-1 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一 機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法位置速度控制系統(tǒng)的被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對(duì)象就是系統(tǒng)的負(fù)載，與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有多種形式

5、。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性與整個(gè)系統(tǒng)的性能關(guān)系極大。一、典型負(fù)載81. 典型負(fù)載分析(1)典型負(fù)載 慣性負(fù)載 外力負(fù)載為便于分析，將具體的負(fù)載分解為幾種典型負(fù)載，使定量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行 彈性負(fù)載 摩擦負(fù)載負(fù)載分析的目的：獲得負(fù)載的綜合定量數(shù)值，為選擇與之匹配的執(zhí)行元件及進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析打下基礎(chǔ)。9被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，有的是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等；執(zhí)行元件與被控對(duì)象有直接連接的，也有通過(guò)傳動(dòng)裝置連接的。執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩(或力、功率)、加減速控制及制動(dòng)方案應(yīng)與被控對(duì)象的固有參數(shù)(如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等)相匹配。因此，要將被控對(duì)象相關(guān)部件的固有參數(shù)及其所受的負(fù)

6、載(力或轉(zhuǎn)矩等)等效換算到執(zhí)行元件(k)的輸出軸上，即計(jì)算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力(直線(xiàn)運(yùn)動(dòng))。 2.負(fù)載的等效換算10如圖工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，有m個(gè)移動(dòng)部件和n個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成， 分別為移動(dòng)部件的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和所受的負(fù)載； 分別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 111) 求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jkeq。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為由于E=Ek故用工程上常用的單位，可將上式改寫(xiě)為(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：nk_執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速(r/min)122) 求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tkeq。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)克服負(fù)

7、載所作功的總和為同理，執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間t內(nèi)的轉(zhuǎn)角為由于W=Wk故用工程上常用的單位，可將上式改寫(xiě)為(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)則執(zhí)行元件所作的功為133) 計(jì)算舉例。求等效到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jmeq和等效轉(zhuǎn)矩Tmeq解：1)求Jmeq ，根據(jù)式(6.4)可得因?yàn)?4所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知15伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化元部件擬定系統(tǒng)方案時(shí)，首先確定執(zhí)行元件的類(lèi)型，然后根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)行綜合分析，選擇與被控對(duì)象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇為例簡(jiǎn)要說(shuō)明執(zhí)行元件的選擇方法匹配選擇原則：總原則：與被控對(duì)象的需要相適應(yīng)。電動(dòng)

8、機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n基本上是所需最大轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T應(yīng)大于所需最大轉(zhuǎn)矩，即二、 執(zhí)行元件的匹配選擇16系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配過(guò)熱保護(hù)系數(shù)過(guò)載保護(hù)系數(shù)驗(yàn)算如冗余量大，易使執(zhí)行元件價(jià)格高，系統(tǒng)成本升高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降，在使用時(shí)，易造成浪費(fèi)；執(zhí)行元件的參數(shù)值偏低，將達(dá)不到使用要求。所以，應(yīng)選擇與被控對(duì)象的需要相適應(yīng)的執(zhí)行元件。二、 執(zhí)行元件的匹配選擇17(1) 系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配設(shè)等效到電動(dòng)機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)meq，等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)慣，則電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率時(shí)，則為保證帶負(fù)載能正常的起動(dòng) 和定位停止，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq應(yīng)滿(mǎn)足下

9、列要求(6.9)(6.10)(6.11)181920 （a）過(guò)熱驗(yàn)算 對(duì)于連續(xù)工作負(fù)載不變的電動(dòng)機(jī)，要求在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。選擇電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足 式中 TN電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（Nm）； 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載方均根轉(zhuǎn)矩(Nm)； t電動(dòng)機(jī)工作循環(huán)時(shí)間； TLa折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效慣性轉(zhuǎn)矩； TLF折算到電動(dòng)機(jī)上的摩擦力矩。21a)b)變轉(zhuǎn)矩加減速控制計(jì)算模型一般伺服系統(tǒng)的計(jì)算模型。根據(jù)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件的等效原則，這種三角形轉(zhuǎn)矩波在加減速時(shí)的方均根轉(zhuǎn)矩TLr 由下式近似計(jì)算 式中 tp個(gè)負(fù)載工作周期的時(shí)間， 即tp=t1+t2+t3+t4。Nm22常用的矩形波負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加減速計(jì)

10、算模型，其TLr由下式計(jì)算Nm2324（b）轉(zhuǎn)矩過(guò)載驗(yàn)算 轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核的公式為 而 式中 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大負(fù)載力矩； 電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值(過(guò)載轉(zhuǎn)矩)； TN 電動(dòng)機(jī)的額定力矩； km 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載系數(shù)。對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)，一般取km2.02.5；對(duì)交流伺服電動(dòng)機(jī)，一般取km1.53。25目的:可最終獲得被控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)速度要求。（1）減速比匹配選擇的一般原則要求在第2章中，提到了機(jī)械傳動(dòng)減速比的分配原則 三、減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則重量最輕原則傳動(dòng)誤差最小原則綜合考慮確定各級(jí)傳動(dòng)的減速比 26既要滿(mǎn)足被控制對(duì)象的調(diào)速范圍并在一定條件下綜合指標(biāo)參

11、數(shù)達(dá)到最佳，也要滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量（分辨率）與進(jìn)給角間的響應(yīng)關(guān)系和在一定條件下輸出轉(zhuǎn)速最大或輸出轉(zhuǎn)矩最大等要求。本節(jié)提到的減速比匹配及分配，是以滿(mǎn)足控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特性、加速特性和動(dòng)力特性為準(zhǔn)則，即依據(jù)負(fù)載特性、脈沖當(dāng)量（分辨率）、特殊要求等綜合分析選擇確定。27（2）各級(jí)減速比的分配原則與方法 1）按加速度最大原則選擇減速比當(dāng)要求輸入信號(hào)變化快、響應(yīng)快、加速度大時(shí)，應(yīng)按下式?jīng)Q定減速比 i：282）按最大輸出速度原則選擇減速比在輸入速度信號(hào)近似恒速時(shí)，有加速度最小，可按下式確定減速比 i ：3）滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量、步距角、絲杠基本導(dǎo)程匹配關(guān)系選擇減速比4）減速器輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則選擇減速比即 最小原則：

12、295）按速度和加速度規(guī)定要求選擇減速比在速度和加速度有要求時(shí)，除按加速度最大原則選擇減速比外，還應(yīng)依據(jù)負(fù)載最大角速度與電機(jī)輸出角速度之間的關(guān)系，最終確定減速比。注意：應(yīng)用上述方法確定機(jī)械傳動(dòng)部分的減速比，不能單一應(yīng)用某一種方法，應(yīng)用多種方法，綜合分析，結(jié)合被控制對(duì)象的具體情況，在依據(jù)減速比的分配原則（2章），最終確定機(jī)械傳動(dòng)總減速比和各級(jí)減速比。302.2.2.齒輪傳動(dòng)鏈的級(jí)數(shù)和各級(jí)傳動(dòng)比的選擇 總原則：盡量采用較大傳動(dòng)比的單級(jí)傳動(dòng)多級(jí)傳動(dòng)時(shí)，各級(jí)傳動(dòng)比的分配遵循如下原則：1、重量最輕原則 小功率傳動(dòng)時(shí)， i 的分配各級(jí)相等； 大功率傳動(dòng)時(shí)， i 的分配先大后小。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則

13、傳動(dòng)比i 的分配先小后大，并且提高末一級(jí)齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則 傳動(dòng)比 i 的分配先小后大，級(jí)數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，但級(jí)數(shù)太多時(shí)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低不明顯。對(duì)數(shù)減少傳動(dòng)精度提高31伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力和要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置；另一方面是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置及信號(hào)的前向和后向通道。最后通過(guò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)男Ｕa(bǔ)償裝置、完善電源電路及其它輔助電路，從而達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。32初步方案逐步具體化：從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號(hào)的有效傳遞、輸入輸

14、出的阻抗匹配等，四、檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、 放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì) 信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換、功率放大與驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)電源匹配等。 信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理與誤差傳遞、動(dòng)態(tài)計(jì)算與調(diào)整電路設(shè)計(jì)（正補(bǔ)償設(shè)計(jì)、輔助電路設(shè)計(jì)）等。 最終使系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，其輸出具有收斂特性。331.檢測(cè)傳感器的精度、不靈敏區(qū)等要適應(yīng)系統(tǒng)整體的精度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入輸出應(yīng)具有固定的線(xiàn)性特性，信號(hào)的轉(zhuǎn)換要迅速及時(shí)，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。2.信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路應(yīng)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

15、入阻抗符合匹配要求34磁柵位移傳感器光電編碼傳感器測(cè)速發(fā)電機(jī)速度傳感器光電脈沖轉(zhuǎn)速傳感器35壓電式加速度傳感器空氣阻尼式加速度傳感器應(yīng)變片測(cè)力傳感器光柵傳感器的工作原理節(jié)距2（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺同步感應(yīng)器的工作原理364.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路：通常分為信號(hào)處理與功率放大（提高信號(hào)品質(zhì)為主），功率放大（增大能量為主）兩類(lèi)1）功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配2）放大器應(yīng)為執(zhí)行元件的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件3）放大器應(yīng)有足夠的線(xiàn)性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮4）輸入級(jí)應(yīng)能與檢測(cè)傳感裝置相匹配5）放大器應(yīng)有足夠的放

16、大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整應(yīng)盡可能地做到電源的輸出類(lèi)型要少，在電源參量輸出具有足夠穩(wěn)定性（電壓、頻率）；防止外界干擾信號(hào)的進(jìn)入和電源波動(dòng)、掉電、欠壓、過(guò)流、短路等非正常品質(zhì)電源的輸入對(duì)系統(tǒng)的影響。常用措施：濾波、隔離、屏蔽干擾信號(hào)；穩(wěn)壓、限壓、限流、斷電保護(hù)和短路保護(hù)。3738在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用所選元、部件的有關(guān)參數(shù)，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據(jù)自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)課程所學(xué)知識(shí)建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)。分析在不同控制方式下工作臺(tái)閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立方法。 1.半閉環(huán)控制方式:五、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算39滾珠絲杠傳動(dòng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 Ka前置

17、放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反饋增益； Tm直流伺服電機(jī)時(shí)間常數(shù)；i1、i1減速比；Kr位置傳感器增益； Vi(s)輸入電壓的拉式變換；i(s)絲杠輸出轉(zhuǎn)角的拉式變換。 1）無(wú)外界干擾時(shí)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型402）有外界干擾時(shí)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型 附加擾動(dòng)力矩（電壓VD表示）的系統(tǒng)框圖附加擾動(dòng)力矩等效電壓后的系統(tǒng)框圖 412 全閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型：4243444546對(duì)于帶非剛性軸的傳動(dòng)系統(tǒng)，上述完整的傳遞函數(shù)必然是高階的。而在控制系統(tǒng)應(yīng)用中，往往感興趣的是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率。 3. 工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化47式中： K為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（

18、 Nm/rad） Jeqm為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等效到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2） Jeq為軸、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及工作臺(tái)總質(zhì)量m等效到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2） JI為軸I上運(yùn)動(dòng)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率48495051525354小 結(jié)本小節(jié)掌握的主要內(nèi)容是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)負(fù)載和傳動(dòng)系統(tǒng)分析匹配，執(zhí)行元件和傳感元件等的合理選用與匹配設(shè)計(jì)，采用一定的總體設(shè)計(jì)方法和步驟，最終得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。55 第三節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二 機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法方 法： 穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或誤差補(bǔ)償）形式定量計(jì)算

19、分析找到所需補(bǔ)償裝置的對(duì)數(shù)幅頻特性設(shè)計(jì)校正裝置有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，達(dá)到穩(wěn)定工作和滿(mǎn)足被控制對(duì)象的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求。目 的：在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)（響應(yīng)特性、振蕩特性等）、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等指標(biāo)。一、機(jī)電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)561.反饋控制系統(tǒng)）定義：具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 特點(diǎn)：按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量小 能隨時(shí)了解被控變量變化情況 輸出影響輸入（閉環(huán)）存在問(wèn)題： 必須有偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用 調(diào)節(jié)不及時(shí)，被控變量總是變化的572、前饋控制系統(tǒng)：）問(wèn)題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點(diǎn)，在干擾作用下，必須

20、形成偏差，才能進(jìn)行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時(shí)，就開(kāi)始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。）定義：是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢(shì)，對(duì)操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。3) 特點(diǎn): 按干擾進(jìn)行控制，控制及時(shí)，精度高。 僅僅對(duì)前饋量有控制作用 不能隨時(shí)了解被控變量變化情況 輸出影響輸入（開(kāi)環(huán)）58二、伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法 （1）伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析與過(guò)渡過(guò)程 對(duì)于任何系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過(guò)程主要有三種情況。 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(méi)有穩(wěn)定值，系統(tǒng)

21、輸出振蕩最終能趨于穩(wěn)定值。 具體表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好壞的定量指標(biāo)就是系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)。在時(shí)域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)的參數(shù)來(lái)表示。591）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過(guò)程的特點(diǎn)： 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)在過(guò)渡階段的性能參量。上述三種情況各有其特點(diǎn)。 第一種情況：系統(tǒng)直接趨于穩(wěn)定，剛性大（加速度大），無(wú)振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)過(guò)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：系統(tǒng)振蕩發(fā)散不穩(wěn)定。 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)剛性較小，但慣量較大，過(guò)渡階段誤差教小，利于系統(tǒng)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)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（硬件和軟件保

22、證），利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)匹配，系統(tǒng)過(guò)渡階段誤差最小的控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中最為常見(jiàn)。602）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)過(guò)渡階段的主要性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)特性參量或指標(biāo)：上升時(shí)間Ts；延滯時(shí)間Ty；調(diào)整時(shí)間Tt；最大超調(diào)量%，如圖所示。 61（2）伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性校正方法 若靜態(tài)設(shè)計(jì)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)（過(guò)渡階段和穩(wěn)定階段）不能滿(mǎn)足使用要求。采取的主要措施是：第一步，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器（校正器），調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)；第二步，設(shè)計(jì)反饋控制器，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。目的:達(dá)到系統(tǒng)的使用要求穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。盡管可用于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和校正的理論（數(shù)學(xué)模型）方法和手段較多，但在實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最

23、為廣泛和簡(jiǎn)單的是PID調(diào)節(jié)器。下面針對(duì)PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用特點(diǎn)學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和使用方法。62(1) PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)圖 6.15 有源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的圖傳遞函數(shù)備注Pa)Ib)PIc)PIDd)631）PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)（含調(diào)節(jié)電路） PID調(diào)節(jié)器無(wú)源阻容式調(diào)節(jié)器和有源阻容式調(diào)節(jié)器。 無(wú)源阻容式調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)須提供外界電源等特點(diǎn)，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。 有源阻容式調(diào)節(jié)器主要運(yùn)算放大器與阻容電路組成。通過(guò)合理的配置，可達(dá)到不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的能力。有源阻容式調(diào)節(jié)器的電路構(gòu)成64PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

24、和特點(diǎn)： a ) 比例( P )調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特點(diǎn)：調(diào)節(jié)作用主要取決于增益Kp的大小 ，Kp值越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但存在調(diào)節(jié)誤差，且當(dāng)Kp值太大時(shí)，可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，對(duì)于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，不宜單獨(dú)采用比例(P)調(diào)節(jié)。b ) 積分( I )調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特點(diǎn)：可以減少或消除調(diào)節(jié)誤差，但響應(yīng)慢，因而較少單獨(dú)使用。65c ) 比例積分Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：KP =R2/R1；Ti = R2C。特點(diǎn)：既克服了單純比例( P )調(diào)節(jié)存在調(diào)節(jié)誤差的缺點(diǎn)，又避免

25、了積分( I )調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，即穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都得到了改善，所以應(yīng)用比較廣泛。 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和特點(diǎn)：66 d ) 比例積分微分( PID )調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。特點(diǎn)：不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也能改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，它比( PI )調(diào)節(jié)能使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性能和動(dòng)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)快時(shí)，不宜采用PID調(diào)節(jié)。67在實(shí)際工程應(yīng)用中，有源的PID調(diào)節(jié)器校正與

26、誤差調(diào)整方法，通常不是依靠理論計(jì)算來(lái)確定系統(tǒng)參數(shù)的，而是通過(guò)觀察輸出響應(yīng)波形是否滿(mǎn)足使用要求，先調(diào)整比例時(shí)間常數(shù)KP；被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間 I ，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益數(shù)KP；被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益 P ，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間 I ，還可加大微分時(shí)間 D。反復(fù)調(diào)整直到所觀察到的輸出波形能滿(mǎn)足使用要求的輸出波形為止，便可確定PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)參數(shù) PID調(diào)節(jié)器使用調(diào)整方法：68(2) PID調(diào)節(jié)器的控制作用基本控制作用有三種基本形式：比例作用、積分作用和微分作用m為調(diào)節(jié)器的輸出；e為偏差信號(hào)；Kp為比例增益；Ti為積分

27、時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)6970（3）PID調(diào)節(jié)器對(duì)伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)校正性能分析 對(duì)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(hào)和外界干擾信號(hào)作用下，為改善系統(tǒng)的性能，選擇適合系統(tǒng)控制的調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器的目的：是使系統(tǒng)輸出誤差（與目標(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。71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(hào)同時(shí)作用下，傳遞函數(shù)：在輸入信號(hào)作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：在干擾信號(hào)作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：72（4）PID調(diào)節(jié)器對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能改善的實(shí)例分析對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能改善分析： 1）調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)（P）輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的傳遞函數(shù)：干擾信號(hào)與輸出信號(hào)的傳遞函數(shù)：

28、閉環(huán)響應(yīng)的傳遞函數(shù)：如圖閉環(huán)控制系統(tǒng)，假設(shè) ； ； ； ；A=1；比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) K0 = 1.5（無(wú)調(diào)節(jié)時(shí)，K0 = 1）。 73有無(wú)比例調(diào)節(jié)器時(shí)的性能比較 代入閉環(huán)控制系統(tǒng)各部分（元件）的性能參數(shù)有：（無(wú)比例調(diào)節(jié)器時(shí)為： ）；（無(wú)比例調(diào)節(jié)器時(shí)為： ）；（無(wú)比例調(diào)節(jié)器時(shí)為： ）；（無(wú)比例調(diào)節(jié)器前為： ）；（無(wú)比例調(diào)節(jié)器前為： ）； 系統(tǒng)總的響應(yīng)為： 則有：74性能改善：由系統(tǒng)響應(yīng)推導(dǎo)和響應(yīng)仿真比較結(jié)果得出，閉環(huán)響應(yīng)仍為一階滯后，但時(shí)間常數(shù)比未加入調(diào)節(jié)器前的時(shí)間常數(shù)小，說(shuō)明閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)快。 無(wú)PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng)有PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng) 75比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)： a) 當(dāng)干擾信號(hào)為階躍信號(hào)（幅

29、值為D0）時(shí)，拉氏變換D(s)=D0/s，依據(jù)拉氏變換終值定理，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(t)時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)輸出，即誤差Cssd為：表明系統(tǒng)在干擾信號(hào)的作用下，其輸出全為誤差，誤差值大小由系數(shù)K2和幅值D0決定。b) 當(dāng)輸入信號(hào)也為階躍信號(hào)（幅值為R0）時(shí)，其拉氏變換為R(s)=R0/s，依據(jù)拉氏變換的終值定理，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(t)時(shí)，輸入信號(hào)輸出，即誤差Cssr為： 表明系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，其輸出穩(wěn)態(tài)值大小由系數(shù)K1和幅值R0決定。當(dāng)K1=1時(shí)，即A=(1+K0KvKpKh)/( K0KvKp)，系統(tǒng)輸出與目標(biāo)值相等。 762）調(diào)節(jié)器為積分調(diào)節(jié)（I） 其閉環(huán)響應(yīng)輸出信號(hào)為：通過(guò)計(jì)算可知，積分調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)

30、干擾信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為零，表明外界干擾信號(hào)不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。若輸入信號(hào)的目標(biāo)值也為階躍信號(hào)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)態(tài)輸出為： 當(dāng)A=Kh時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)的穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)為Cssr= R0，表明系統(tǒng)穩(wěn)定輸出等于目標(biāo)輸出。 77積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn) : 積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)可完全消除誤差，但是所需時(shí)間一般較長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)慢。即調(diào)節(jié)器輸出值與誤差的存在有關(guān)，輸出值隨時(shí)間的推移逐漸增大，直到消除誤差趨于穩(wěn)態(tài)輸出，達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的時(shí)間值與所存在誤差值的大小有關(guān)，誤差值越大，所需的時(shí)間越長(zhǎng)；反之，則小。3）調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)（PI） 閉環(huán)響應(yīng)輸出信號(hào)為：78比例積分調(diào)節(jié)（PI）的特點(diǎn)：

31、比例積分調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為零，表明外界干擾信號(hào)不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。若輸入信號(hào)的目標(biāo)值也為階躍信號(hào)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)態(tài)輸出為： 當(dāng)A=Kh時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)的穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)為Cssr= R0，表明系統(tǒng)穩(wěn)定輸出等于目標(biāo)輸出。最大的特點(diǎn)是在改善閉環(huán)控制系統(tǒng)瞬時(shí)響應(yīng)的同時(shí)，即可降低單純比例調(diào)節(jié)存在的穩(wěn)態(tài)誤差，有可提高積分調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度。因而得到廣泛的應(yīng)用。 794）調(diào)節(jié)器為比例積分微分調(diào)節(jié)（PID） PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程： 調(diào)整比例調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)過(guò)程過(guò)渡階段的響應(yīng)特性品質(zhì)。 通過(guò)積分調(diào)節(jié)消除干擾信號(hào)產(chǎn)生的誤差輸出。 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中微分調(diào)節(jié)（

32、D）的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程過(guò)渡階段響應(yīng)特性的品質(zhì)（減小超調(diào)量）。 重復(fù)上述過(guò)程，直到控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)達(dá)到要求為止。80積分比例微分被控對(duì)象r(t) +u(t)c(t)e(t)PID控制器PID調(diào)節(jié)原理： P（Proportional）：控制信號(hào)的強(qiáng)弱及響應(yīng)速度 I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度 D（Differential）：減小超調(diào)，提高動(dòng)態(tài)特性及控制精度PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：81（4）速度反饋校正（測(cè)速發(fā)電機(jī)局部負(fù)反饋）電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所帶動(dòng)的工作臺(tái)往往會(huì)產(chǎn)生“爬行現(xiàn)象”，若系統(tǒng)功率放大增益線(xiàn)性相當(dāng)差（非線(xiàn)性因素的作用），這種現(xiàn)象相當(dāng)明顯。為了改善

33、和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，在控制系統(tǒng)中常采用電流負(fù)反饋或速度負(fù)反饋來(lái)提高系統(tǒng)低速穩(wěn)定性。如圖所示二階速度負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 J等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F等效粘性摩擦系數(shù)；K系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益。 無(wú)負(fù)反饋時(shí)傳遞函數(shù)有負(fù)反饋時(shí)傳遞函數(shù)82系統(tǒng)有/無(wú)測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)反饋的系統(tǒng)仿真 有測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)反饋后，系統(tǒng)阻尼增加，系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減小，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性得到了較大的提高。 83三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響簡(jiǎn)介 任何機(jī)械系統(tǒng)都是質(zhì)量彈性振動(dòng)系統(tǒng)。存在固有頻率，一旦系統(tǒng)振蕩頻率接近機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，機(jī)械系統(tǒng)將發(fā)生共振，損壞零部件。為了避開(kāi)共振對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響，常采用的方法：（1）依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸大小、材料和承受的外

34、載荷等情況，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)的理論知識(shí)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)方程。84 （2）依據(jù)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)方程，從機(jī)械系統(tǒng)彈性變形出發(fā)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，建立彈性變形時(shí)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)框圖。 （3）由機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)框圖，寫(xiě)出機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的控制等效框圖。 （4）建立機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 （5）應(yīng)用根軌跡法等，對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行因式分解，并分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量，評(píng)價(jià)和判斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量是否對(duì)機(jī)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(kāi)自激振蕩，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。85

35、(1) 機(jī)械傳動(dòng)間隙理想的齒輪傳動(dòng)的輸入和輸出轉(zhuǎn)角之間是線(xiàn)性關(guān)系，即實(shí)際上，由于減速器的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間間隙的存在和傳動(dòng)方向的變化，齒輪傳動(dòng)的輸入轉(zhuǎn)角和輸出轉(zhuǎn)角之間呈滯環(huán)特性，如圖6.29所示圖6.29 齒側(cè)間隙三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響簡(jiǎn)介 86圖6.30 多級(jí)齒輪傳動(dòng)已知：i1,i2, i3，1, 2, 3, R為主動(dòng)軸，C為從動(dòng)軸將所有的傳動(dòng)間隙都折算到輸出軸C上，其總間隙如果將其折算到輸入軸R上，其總間隙（6.64）（6.65）可見(jiàn)，最后一級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙 3影響最大為了減小間隙的影響，除盡可能地提高齒輪的加工精度外，裝配時(shí)還應(yīng)減小最后一級(jí)齒輪的傳動(dòng)間隙。多級(jí)齒輪傳動(dòng)中，各級(jí)齒

36、輪間隙的影響是不相同的，現(xiàn)以三級(jí)傳動(dòng)為例加以說(shuō)明.87(2) 傳動(dòng)間隙的影響齒輪傳動(dòng)裝置在系統(tǒng)中的位置不同，其間隙對(duì)伺服系統(tǒng)的影響也不同圖6.31 傳動(dòng)間隙在閉環(huán)內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)之內(nèi)的動(dòng)力傳動(dòng)鏈(G2)齒輪傳動(dòng)間隙影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不影響系統(tǒng)的精度2) 反饋回路上的傳動(dòng)鏈(G3)齒輪傳動(dòng)間隙既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 又影響系統(tǒng)的精度88可靠性-指“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?！巴瓿梢?guī)定功能” ：是指能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品的工作能力，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱(chēng)為失效。對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品，也可稱(chēng)為故障。由平均無(wú)故障時(shí)間MTBF (Mean Time Betw

37、een Failure)標(biāo)定。總的來(lái)看，可靠性的概念包括無(wú)故障性和耐久性?xún)煞矫娴暮x。6.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)一、 可靠性設(shè)計(jì)無(wú)故障性 指產(chǎn)品在某一時(shí)期內(nèi)（某一段工作時(shí)間內(nèi)），連續(xù)不斷 地保持其工作能力的性能。 耐久性 指產(chǎn)品在整個(gè)使用期限內(nèi)和規(guī)定的維修條件下，保持其工 作能力的性能。892. 保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的方法根本方法：提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，它的作用是消除 故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。具體方法： 裕度法 自動(dòng)控制法 冗余技術(shù)：掩蔽法 診斷技術(shù)：暴露法主要是一種改進(jìn)硬件的措施用硬件、軟件或兩者相結(jié)合來(lái)保證產(chǎn)品可靠性的措施90例：某機(jī)電一體化產(chǎn)品的MTBF

38、高達(dá) 1000小時(shí)，保修半年。試說(shuō)明該種產(chǎn)品可能出現(xiàn)故障的情況。答：產(chǎn)品故障少的就是可靠性高，產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比叫“故障率”（Failure rate），常用表示， MTBF=1/ 。該機(jī)電一體化產(chǎn)品的MTBF 高達(dá) 1000小時(shí)，并不是說(shuō)該產(chǎn)品每個(gè)均能工作1000小時(shí)不出故障。由MTBF=1/可知=1/MTBF=1/1000h，即一小時(shí)內(nèi)，該產(chǎn)品的平均故障率為0.1%，一小時(shí)內(nèi)，平均1000個(gè)產(chǎn)品有1個(gè)會(huì)出故障。 91冗余技術(shù)：又稱(chēng)儲(chǔ)備技術(shù)，是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來(lái)提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。表現(xiàn)：它可以在故障發(fā)生之后把故障造成的影響掩蔽起來(lái)，使產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)保持其工作能力，

39、是一種掩蔽法。冗余方法分類(lèi)：工作冗余和后備冗余選擇冗余方法的原則：采用冗余技術(shù)必須在充分進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)上采用，包括分析 1. 引起失效的真正原因 2. 經(jīng)濟(jì)上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素機(jī)械系統(tǒng)很少采用冗余技術(shù)，而常采用裕度法來(lái)提高可靠性。作用：推遲產(chǎn)品失效的時(shí)間基本思想：通過(guò)可靠性分析找出系統(tǒng)失效率高的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)此環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。92診斷技術(shù)：是一種檢測(cè)技術(shù)。用來(lái)取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效(故障）類(lèi)型和失效的位置信息。表現(xiàn)：它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或?qū)⒁霈F(xiàn)的故障及時(shí)暴露出來(lái)，以便迅速修復(fù)。是一種暴露法。作用：及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，以便縮短修理時(shí)間，提高產(chǎn)品的有效

40、度。測(cè)試分類(lèi)：1. 診斷測(cè)試故障出現(xiàn)之后 2. 故障監(jiān)測(cè)故障發(fā)生之前 診斷過(guò)程：測(cè)試，取得診斷信號(hào)分離出癥兆診斷癥兆：表征故障種類(lèi)與位置的異常性信號(hào)。可分為兩類(lèi)：1. 直接癥兆檢測(cè)產(chǎn)品整機(jī)或元部件的輸出參數(shù)時(shí)取得的2. 間接癥兆檢測(cè)與產(chǎn)品工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)時(shí)取得的 診斷：將測(cè)試取得的診斷信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，或利用事先確定的癥兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)確定故障的種類(lèi)與部位。93自動(dòng)控制：利用機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng) (產(chǎn)品)具有自適應(yīng)、自調(diào)整、自診斷甚至自修復(fù)的功能，可以大大提高系統(tǒng) (產(chǎn)品)的可靠性。在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)規(guī)定適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件、維護(hù)保養(yǎng)條件和操作規(guī)程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的

41、維修性，如易損件應(yīng)便于更換、故障應(yīng)便于診斷、容易修復(fù)等。943.系統(tǒng)干擾和提高抗干擾能力的措施干擾的定義 干擾是指對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電噪聲干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動(dòng)干擾等等。 電噪聲干擾是指在工作過(guò)程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號(hào)無(wú)關(guān)的，并且對(duì)系統(tǒng)性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。 2）形成干擾的三要素 干擾源：產(chǎn)生干擾信號(hào)的設(shè)備被稱(chēng)為干擾源，如變壓器、繼電器、微波 設(shè)備、電機(jī)、無(wú)繩電話(huà)和高壓電線(xiàn)等都可以產(chǎn)生空中電磁信號(hào) 傳播途徑：干擾信號(hào)從干擾源到接收載體的渠道。 干擾對(duì)象：指受影響的設(shè)備的某個(gè)環(huán)節(jié)吸

42、收了干擾信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)造成影響的電氣參數(shù)。 95供電干擾：從交流供電網(wǎng)傳來(lái)的干擾信號(hào)可影響電源電壓的穩(wěn)定性，并經(jīng)過(guò)整流電源竄入控制器。強(qiáng)電干擾：驅(qū)動(dòng)電路中的強(qiáng)電元件如繼電器、電磁鐵和接觸器等感性負(fù)載，在斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓和沖擊電流。不僅影響驅(qū)動(dòng)電路本身，通過(guò)電磁感應(yīng)干擾其他信號(hào)線(xiàn)路。這種干擾信號(hào)能通過(guò)外部接口通道影響控制器內(nèi)部I/O接口的狀態(tài)，并通過(guò)I/O接口進(jìn)入控制器。 干擾渠道示意圖96輻射干擾：系統(tǒng)附近或系統(tǒng)中的感性負(fù)載是最常見(jiàn)的干擾源，它的開(kāi)、停會(huì)引起電磁場(chǎng)的急劇變化，其觸點(diǎn)的火花放電也會(huì)產(chǎn)生高頻輻射。 接地干擾：接地干擾是由于接地不當(dāng)、形成接地環(huán)路產(chǎn)生的。形成的電位差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

43、顯著的電流而干擾電路的低電平。由于接地點(diǎn)遠(yuǎn)而形成的環(huán)路，因?yàn)椴煌恢玫慕拥攸c(diǎn)一般不可能電位相同，因此形成圖中所示的地電位差是采用公用地線(xiàn)串聯(lián)接地而形成的環(huán)路，由于各設(shè)備負(fù)載不平衡、過(guò)載或漏電等原因，可能在設(shè)備之間形成電位差；97供電系統(tǒng)的抗于擾措施：針對(duì)交流供電網(wǎng)絡(luò)這個(gè)干擾源所采取的抗干擾措施主要是穩(wěn)(穩(wěn)壓)、濾(濾波)、隔(隔離)。 增加電子交流穩(wěn)壓器：在直流穩(wěn)壓電源的交流進(jìn)線(xiàn)側(cè)增加電子交流穩(wěn)壓器、用來(lái)穩(wěn)定220V單向交流進(jìn)線(xiàn)電壓增加低通濾波器，用來(lái)濾去電源進(jìn)線(xiàn)中的高頻分量或脈沖電流加入隔離變壓器:阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)通路，抑制干擾信號(hào)的強(qiáng)度2）提高系統(tǒng)抗干擾能力的措施針對(duì)不同類(lèi)型的干擾信號(hào)，

44、采取的抗干擾措施也有所不同。98接口電路的抗干擾措施：在控制器與執(zhí)行元件之間的驅(qū)動(dòng)接口電路中，首先是采取吸收的方法抑制其產(chǎn)生，然后采取隔離的方法，阻斷其傳導(dǎo)。轉(zhuǎn)換接口抵消隔離措施：差動(dòng)式運(yùn)算放大器或橋式電路、高頻濾波整形電路。接地系統(tǒng)干擾措施：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、并聯(lián)接地、光電隔離接地采用光99100101常用的抗干擾措施 屏 蔽屏蔽:指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對(duì)象包圍起來(lái)，從而割斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸?？煞譃殡妶?chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。 電場(chǎng)屏蔽:消除或抑制由于電場(chǎng)耦合引起的干擾。 磁場(chǎng)屏蔽:消除或抑制由于磁場(chǎng)耦合引起的干擾。 如圖A所示

45、的變壓器，在變壓器繞組線(xiàn)包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。 在如圖B所示的同軸電纜中，為防止信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到電磁干擾，在電纜線(xiàn)中設(shè)置了屏蔽圖B 同軸電纜示意圖圖A 變壓器的屏蔽 102 隔離 1.光電隔離:以光作為媒介在隔離的兩端之間進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)模玫钠骷枪怆婑詈掀?。具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾能力。 圖C所示為一般光電耦合器組成的輸入/輸出線(xiàn)路。既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線(xiàn)路隔離與脈沖放大作用。 由于光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路；又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，因而在機(jī)電一體化產(chǎn)品中獲得了極其廣泛

46、的應(yīng)用。圖C 光電隔離1032.變壓器隔離對(duì)于交流信號(hào)的傳輸,一般使用變壓器隔離干擾信號(hào)的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來(lái)阻斷交流信號(hào)中的直流干擾和抑制低頻干擾信號(hào)的強(qiáng)度,如圖D所示的變壓器耦合隔離電路。隔離變壓器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號(hào)源隔離開(kāi)來(lái)，也就是把模擬地和數(shù)字地?cái)嚅_(kāi)。傳輸信號(hào)通過(guò)變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。圖D 變壓器隔離 共模干擾往往是指同時(shí)加載在各個(gè)輸入信號(hào)接口端的共有的信號(hào)干擾 104帶多層屏蔽的隔離變壓器:當(dāng)含有直流或低頻干擾的交流信號(hào)從一次側(cè)端輸入時(shí)，根據(jù)變壓器原理，二次側(cè)輸出的信號(hào)濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號(hào)幅值也被大大衰減，從而達(dá)到了抑制

47、干擾的目的。另外，在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線(xiàn)圈外設(shè)有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內(nèi)、外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用；中間層用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。這三層屏蔽層是為了防止外界電磁場(chǎng)通過(guò)變壓器對(duì)電路形成干擾而設(shè)置的，這種隔離變壓器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖E 多層隔離變壓器 1053.繼電器隔離 繼電器線(xiàn)圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，而沒(méi)有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電器線(xiàn)圈接收電信號(hào)，而利用其觸點(diǎn)控制和傳輸電信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離（如圖F所示）。同時(shí)，繼電器觸點(diǎn)較多，且其觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，因此應(yīng)用非常廣

48、泛。圖F 繼電器隔離106 濾 波 濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號(hào)的頻譜寬得多，因而當(dāng)接收器接收有用信號(hào)時(shí)，也會(huì)接收到那些不希望有的干擾。 圖為計(jì)算機(jī)電源采用的一種LC低通濾波器的接線(xiàn)圖。圖G 低通濾波器107圖(a)所示為觸點(diǎn)抖動(dòng)抑制電路，對(duì)抑制各類(lèi)觸點(diǎn)或開(kāi)關(guān)在閉合或斷開(kāi)瞬間因觸點(diǎn)抖動(dòng)所引起的干擾是十分有效的。 圖(b)所示電路是交流信號(hào)抑制電路，主要用于抑制電感性負(fù)載在切斷電源瞬間所產(chǎn)生的反電勢(shì)。這種阻容吸收電路可以將電感線(xiàn)圈的磁場(chǎng)釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場(chǎng)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，以降低能量的消散速度。 圖(c)所示電路是輸入信號(hào)的阻容濾波電

49、路，類(lèi)似的這種線(xiàn)路既可作為直流電源的輸入濾波器，也可作為模擬電路輸入信號(hào)的阻容濾波器。圖H 干擾濾波電路 108 接地 1.一點(diǎn)接地 圖I所示是并聯(lián)一點(diǎn)接地方式。這種方式在低頻時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線(xiàn)阻抗有關(guān)，不會(huì)因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點(diǎn)是需要連很多根地線(xiàn)，用起來(lái)比較麻煩。圖I 并聯(lián)一點(diǎn)接地109多點(diǎn)接地所需地線(xiàn)較多，一般適用于低頻信號(hào)。若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線(xiàn)間的互感耦合會(huì)增加干擾。如圖J所示，各接地點(diǎn)就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上。2. 多點(diǎn)接地圖J 多點(diǎn)接地 1103.地線(xiàn)的設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各種地線(xiàn)的布局和接地方法。圖K所示是一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的接地方法。 圖K 數(shù)控機(jī)床的接地 111 軟件抗干擾設(shè)計(jì)1.軟件濾波用軟件來(lái)識(shí)別有用信號(hào)和干擾信號(hào)并濾除干擾信號(hào)的方法稱(chēng)為軟件濾波。識(shí)別信號(hào)的原則有三種：（1）時(shí)間原則 （2）空間原則 （3）屬性原則 1122.軟件“陷阱” 從軟件的運(yùn)行來(lái)看，瞬時(shí)電磁干擾可能會(huì)使CPU偏離預(yù)定的程序指針，進(jìn)入未使用的RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些莫名其妙的現(xiàn)象，其中死循環(huán)和程序“飛掉”是常見(jiàn)的。為了有效地排除這種干擾故障，常采用軟件“陷阱”法。 這種方法的基本指導(dǎo)思想是，把系統(tǒng)存儲(chǔ)器（RAM和ROM）中沒(méi)有使用的單元用某一種重新啟動(dòng)的代碼指令填滿(mǎn)，作為軟件“陷阱