機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計課件

第6章

機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計

第6章

機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計

本章要求：了解：機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計、動態(tài)設計及可靠性、安全性設計。

本章要求：了解：機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計、動態(tài)設計及以機電伺服系統(tǒng)為例說明機電一體化系統(tǒng)設計的一般考慮方法。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(jīng)過傳動系統(tǒng)系統(tǒng)驅動被控對象，從而完成所需要的機械運動。因此，工程上是圍繞機械運動的規(guī)律和運動參數(shù)對它們提出技術要求的設計過程：1.了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制定出系統(tǒng)的設計方案（初步設計方案）2.進行定量的分析計算，先是穩(wěn)態(tài)設計計算，后是動態(tài)設計計算（詳細的設計方案）3.樣機試驗與調(diào)試，確定系統(tǒng)的實際電路與實際參數(shù)。機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設計

此外，設計過程中，要充分注意系統(tǒng)的安全性、可靠性要求。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。位置穩(wěn)態(tài)設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到技術要求、執(zhí)行元件的參數(shù)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、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，為后面動態(tài)設計中的校正補償裝置的引入留有余地。動態(tài)設計主要是設計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技術指標要求;通常要進行計算機仿真，或借助計算機進行輔助設計作用：考慮了機電參數(shù)的有機結合與匹配，有利于減少盲目性和加快樣機的調(diào)試和電路參數(shù)的確定。穩(wěn)態(tài)設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到技術要求、執(zhí)行元件的參數(shù)伺服系統(tǒng)基本概念

伺服系統(tǒng)也稱之為隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力、力矩輸出的自動控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，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行動作控制的，其工作過程是一個偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動態(tài)過渡過程。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量控制器伺服系統(tǒng)基本結構方框圖比較元件伺服系統(tǒng)基本概念伺服系統(tǒng)也稱之為隨動系統(tǒng)，是一種能1電氣控制裝置部分機械執(zhí)行裝置部分

在控制信號傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口

在反饋信號傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：電氣控制裝置機械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成許多機電一體化產(chǎn)品需要對輸出量進行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品的一個重要組成部分，而且往往是實現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)離不開機械技術和電子技術的綜合運用，其功能是通過機電結合才得以實現(xiàn)的，因此，它本身就是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。1電氣控制裝置部分機械執(zhí)行裝置部分在控制信號傳遞路線上，以6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.1典型負載分析(1)典型負載◆慣性負載◆外力負載為便于分析，將具體的負載分解為幾種典型負載，使定量設計計算得以順利進行◆彈性負載◆摩擦負載負載分析的目的：獲得負載的綜合定量數(shù)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。6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.1典型負載分析(2)負載的等效換算被控對象的運動有直線運動和回轉運動被控對象與執(zhí)行元件有直接聯(lián)系的，也有通過傳動裝置聯(lián)接的。執(zhí)行元件的額定轉矩（或力、功率）、加減速控制及制動方案的選擇，應與被控對象的固有參數(shù)（如質量、轉動慣量等）相互匹配。因此，要將被控對象相關部件的固有參數(shù)及其所受的負載（力或轉矩等）等效換算到執(zhí)行元件的輸出軸上，即計算其輸出軸承受的等效轉動慣量和等效負載轉矩（回轉運動）或計算等效質量和等效力（直線運動）。6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方圖6.1伺服進給系統(tǒng)示意下面以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例加以說明圖6.1伺服進給系統(tǒng)示意下面以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例1)求等效轉動慣量Jkeq。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為設等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為由于E=Ek故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：nk_——執(zhí)行元件的轉速(r/min)1)求等效轉動慣量Jkeq。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為設等2)求等效負載轉矩Tkeq。設上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負載所作功的總和為同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間t內(nèi)的轉角為由于W=Wk故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)則執(zhí)行元件所作的功為2)求等效負載轉矩Tkeq。設上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負載所3)計算舉例。求等效到電動機軸上的等效轉動慣量Jmeq和等效轉矩Tmeq解：1)求Jmeq

，根據(jù)式(6.4)可得因為3)計算舉例。求等效到電動機軸上的等效轉動慣量Jmeq和等所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應盡可能選用標準化元部件擬定系統(tǒng)方案時，首先確定執(zhí)行元件的類型，然后根據(jù)技術條件的要求進行綜合分析，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選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法匹配選擇原則：總原則：與被控對象的需要相適應。電動機的額定轉速n基本上是所需最大轉速電動機的額定轉矩T應大于所需最大轉矩，即6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應盡可6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(1)系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉矩匹配設等效到電動機輸出軸上的負載轉矩為Tmeq，等效慣性負載轉矩為T慣，則電動機軸上的總負載轉矩為考慮到機械的總傳動效率時，則為保證帶負載能正常的起動和定位停止，步進電動機的起動和制動轉矩Tq應滿足下列要求(6.9)(6.10)(6.11)6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方例：當機床工作臺某軸的伺服電動機輸出軸上所受等效負載轉矩Tmeq=2.5Nm，等效轉動慣量為Jmeq=3×10-2kgm2，由工作臺某軸的最高速度換算為電動機輸出軸角速度m為50rad/s，等加速和等減速時間為t=0.5s，機械傳動系統(tǒng)的總效率為0.85，試選取與所需轉矩相匹配的電動機型號。解：等效慣性負載轉矩為根據(jù)式(6.10)

，可知若選用110BF003反應式電動機，其最大靜轉矩Tjmax=7.84Nm，當采用三相六拍通電方式，查表3.7可知，Tq/Tjmax=0.87,則因為，滿足式(6.11)，故可選用110BF003反應式電動機例：當機床工作臺某軸的伺服電動機輸出軸上所受等效負載轉矩Tm6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(2)系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配（直流、交流伺服電動機）在選擇電動機時，常先進行預選，然后進行必要的驗算。預選電動機的估算功率P可由下式確定(6.12)在預選電動機功率后，應進行以下驗算6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方1）過熱驗算。當負載轉矩為變量時，在電動機勵磁磁通近似不變的情況下，其等效轉矩式中：t1，t2——時間間隔，在此時間間隔內(nèi)的負載轉矩分別為T1、T2、。等效功率nN——電動機的額定轉速（r/min）則所選電動機的不過熱條件為式中：TN——電動機的額定轉矩（N.m）

PN——電動機的額定功率（W）(6.13)(6.14)1）過熱驗算。當負載轉矩為變量時，在電動機勵磁磁通近似不變的2）過載驗算。式中：km——電動機的過載系數(shù)，一般電動機產(chǎn)品目錄中給出(6.15)2）過載驗算。式中：km——電動機的過載系數(shù)，一般電動機產(chǎn)品6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.3減速比的匹配選擇與各級減速比的分配總減速比主要根據(jù)負載性質、脈沖當量和機電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇決定，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，還要同時滿足最大轉速要求等。其確定方法有以下幾種：(6.16)1）使加速度最大的選擇方法。當輸入信號變化快、即加速度很大時，應使6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當輸入信號近似恒速，即加速度很小時，應使3）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δ、步距角α和絲杠基本導程l0之間的匹配關系(6.18)4）對速度和加速度均有一定要求的選擇方法。先按上述1）條選擇減速比i，然后驗算是否滿足iLmax≤m，式中的Lmax為負載的最大角速度；m為電動機輸出的角速度。(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當輸入信號近似恒速，即根據(jù)設計要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就需要合理確定減速級數(shù)，最后分配各級的傳動比（其分配原則可參見第2章）選擇減速級數(shù)時考慮的問題：1使齒輪總轉動慣量JG與電動機軸上主動齒輪的轉動慣量JP的比值較??；2避免級數(shù)過多而使結構復雜。

一般可按圖A來選擇。各級傳動比可按圖B來合理分配，一般應使各級傳動比按傳動順序逐級增加（“先小后大”）圖A傳動級數(shù)選擇曲線圖B傳動比分配曲線根據(jù)設計要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應具有的輸出能力和要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置；另一方面是從系統(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?shù)男Ｕa償裝置、完善電源電路及其它輔助電路，從而達到機電一體化系統(tǒng)的設計要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應具有的輸出能力和2.2

機械傳動部件的選擇與設計2.2.4齒輪傳動部件2.齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇

總原則：盡量采用較大傳動比的單級傳動多級傳動時，各級傳動比的分配遵循如下原則：1、重量最輕原則小功率傳動時，i的分配各級相等；大功率傳動時，i

的分配先大后小。2、輸出軸轉角誤差最小原則傳動比i

的分配先小后大，并且提高末一級齒輪副的精度，使輸出軸轉角誤差最小。3、最小等效轉動慣量原則傳動比

i的分配先小后大，級數(shù)越多等效轉動慣量越小，但級數(shù)太多時，結構復雜化，并且等效轉動慣量降低不明顯。對數(shù)減少傳動精度提高2.2機械傳動部件的選擇與設計2.2.4齒輪傳動部件設各級齒輪換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為則四級齒輪傳動系統(tǒng)中各級齒輪的轉角誤差（1，2，，8）換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為總轉角誤差主要取決于最末一級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小。設各級齒輪換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為則四級齒輪傳動系統(tǒng)6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.4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1.檢測傳感器的精度、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(nèi)，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力矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。2.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入阻抗符合匹配要求6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設計主要考慮以下問題：1）功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配2）放大器應為執(zhí)行元件的運行狀態(tài)提供適宜條件3）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4）輸入級應能與檢測傳感裝置相匹配5）放大器應有足夠的放大倍數(shù)，其特性應穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整放大器電源為適應各放大級的不同需要而進行適應性設計。最關鍵的是動力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式設計時要注意不要讓干擾信號從電源引入，所使用電源應有足夠的保護措施。4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設計主要考3.2.3伺服電動機控制方式的基本形式3.2.3伺服電動機控制方式的基本形式1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)2.半閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測位于

目標（執(zhí)行機構）之前的某個中間部位（如伺服電動機）運動并進行反饋、

間接控制目標運動3.閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測

目標（執(zhí)行機構）運動并進行反饋，

直接控制目標運動閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：從控制原理上講是一樣的，都是對系統(tǒng)輸出進行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制。區(qū)別：傳感器檢測信號位置不同1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學模型的建立（1）半閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計課件6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學模型的建立（2）全閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學機械傳動系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立機械傳動系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算二主諧振頻率的計算——機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算二主諧振式中：K為機械傳動系統(tǒng)的總扭轉剛度（N.m/rad）

Jeqm為機械傳動系統(tǒng)等效到電動機軸上的總轉動慣量（kg.m2）

Jeq為軸Ⅱ、Ⅲ轉動慣量以及工作臺總質量m等效到電動機軸上的總轉動慣量（kg.m2）

JI為軸I上運動零部件的轉動慣量（kg.m2）——機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率式中：K為機械傳動系統(tǒng)的總扭轉剛度（N.m/rad）——機求：該機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率求：該機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率6.2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

系統(tǒng)動態(tài)設計的一般考慮方法和步驟：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或補償）形式定量計算分析，找到所需補償裝置的對數(shù)幅頻特性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。6.2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1.反饋控制系統(tǒng)１）

定義：具有被控變量負反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)２）

特點：①按偏差進行調(diào)節(jié)②調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量?、勰茈S時了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（閉環(huán)）３）存在問題：①必須有偏差才能進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用②調(diào)節(jié)不及時，被控變量總是變化的2、前饋控制系統(tǒng)：１）問題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點，在干擾作用下，必須形成偏差，才能進行調(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，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。２）定義：是按干擾進行調(diào)節(jié)的開環(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，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進行調(diào)節(jié)，來補償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。3)

特點:①按干擾進行控制，控制及時，精度高。②僅僅對前饋量有控制作用③不能隨時了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（開環(huán)）1.反饋控制系統(tǒng)6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當系統(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能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部干擾相對應的值，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。當系統(tǒng)的過渡過程結束后，其輸出值達到與輸入相對應的穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統(tǒng)的輸出值與目標值之差被稱為穩(wěn)態(tài)誤差。具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量指標就是系統(tǒng)過渡過程的品質指標。在時域內(nèi)，這種品質指標一般用單位階躍響應過渡過程曲線的參數(shù)來表示。系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程有三種情況：①系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；②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；③系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸圖6.14

單位階躍響應過渡過程曲線Ts—上升時間Ty—延滯時間Tt—調(diào)整時間%—最大超調(diào)量當系統(tǒng)不穩(wěn)定或雖然穩(wěn)定但過渡過程性能和穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求時，可先調(diào)整系統(tǒng)中的有關參數(shù)，如仍不能滿足使用要求就需要校正，最簡單的校正網(wǎng)絡是PID調(diào)節(jié)器（P—比例、I—積分、D—微分）。圖6.14單位階躍響應過渡過程曲線Ts—上升時間當系統(tǒng)不穩(wěn)(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)類型所對應的圖傳遞函數(shù)備注Pa)Ib)PIc)PIDd)(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)各種調(diào)節(jié)類型的特點及應用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益Kp的大小。Kp越大，調(diào)節(jié)作用越強，動態(tài)性能也越好，但Kp太大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。其主要缺點是存在誤差。因此，對于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，不宜單獨采用比例(P)調(diào)節(jié)。積分(I)調(diào)節(jié)：主要優(yōu)點是能減少或消除誤差，但由于它響應慢，故很少單獨采用。比例-積分(PI)調(diào)節(jié)：即克服了單純比例調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點，又避免了積分環(huán)節(jié)響應慢的弱點，即穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性都得到了改善，所以應用比較廣泛。比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)：無論從穩(wěn)態(tài)，還是從動態(tài)的角度來說，調(diào)節(jié)品質均比PI調(diào)節(jié)得到了改善，因此其應用最為廣泛，但由于它含有微分作用，在噪聲大或要求響應快的系統(tǒng)最好不要使用。各種調(diào)節(jié)類型的特點及應用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取(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；Kp為比例增益；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)(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：比機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計課件機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計課件積分比例微分被控對象r(t)+––+++u(t))c(t)e(t))PID控制器PID調(diào)節(jié)原理：P（Proportional）：控制信號的強弱及響應速度I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度D（Differential）：減小超調(diào)，提高動態(tài)特性及控制精度PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：積分比例微分被控對象r(t)+––+++u(t))c(t)6.2.2機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響(1)結構諧振的影響結構諧振（或機械諧振）——由傳動裝置（或傳動系統(tǒng)）的彈性變形而產(chǎn)生的振動。機械傳動系統(tǒng)的彈性變形與它的結構、尺寸、材料性能及受力狀況有關，其結構形式多種多樣，因此分析起來相當復雜。最簡單的辦法就是將整個系統(tǒng)的彈性變形看成集中在系統(tǒng)輸出軸即負載軸上，也就是等效到負載軸上。現(xiàn)以兩級齒輪傳動為例來討論機械諧振對系統(tǒng)的影響。機械裝置的物理模型是質量—彈簧系統(tǒng)結構諧振頻率遠大于系統(tǒng)的截止頻率，對動態(tài)性能沒影響；結構諧振頻接近或小于系統(tǒng)的截止頻率，出現(xiàn)自激振蕩，影響大；對要求加速度很大，快速性能好的系統(tǒng)，其通頻帶必然較寬，因而容易出現(xiàn)自激振蕩。閉環(huán)系統(tǒng)基本上不會受結構諧振的影響。6.2.2機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響(1)結構諧振的影圖6.20

兩級齒輪減速器已知：i1,i2,Tm設T1,T2,T3,1,2,3則有根據(jù)彈性變形的虎克定律，軸的彈性扭轉角正比于其所承受的扭轉力矩，即（6.44）（6.45）可見，輸出軸3的變形對系統(tǒng)的影響最大、軸2次之、軸1最小（6.46）圖6.20兩級齒輪減速器已知：i1,i2,Tm則有根據(jù)彈性(2)減小或消除結構諧振的措施1）提高傳動剛度。可提高結構諧振頻率，一般使提高結構諧振頻率的根本方法是增加傳動系統(tǒng)的剛度、減小負載的轉動慣量和采用合理的結構布置提高剛度的措施：①加大傳動系統(tǒng)最后幾根軸的剛度；

②采用無齒輪傳動裝置；

③減小慣性元件的距離2）提高機械阻尼。能有效地降低振蕩環(huán)節(jié)的諧振峰值。3）采用校正網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡頻率頻率特性有一凹陷處，將此處對準系統(tǒng)的結構諧振頻率，就可抵消或削平結構諧振峰值。4）應用綜合速度反饋減小諧振。適合低摩擦系統(tǒng)中。實際的傳動裝置較復雜，用校正（或補償）方法只能近似消除結構諧振的影響。(2)減小或消除結構諧振的措施1）提高傳動剛度?？商岣呓Y構6.2.3傳動間隙對系統(tǒng)性能的影響(1)機械傳動間隙理想的齒輪傳動的輸入和輸出轉角之間是線性關系，即實際上，由于減速器的主動輪和從動輪之間間隙的存在和傳動方向的變化，齒輪傳動的輸入轉角和輸出轉角之間呈滯環(huán)特性，如圖6.29所示圖6.29齒側間隙多級齒輪傳動中，各級齒輪間隙的影響是不相同的，現(xiàn)以一三級傳動為例加以說明.6.2.3傳動間隙對系統(tǒng)性能的影響(1)機械傳動間隙理想圖6.30

多級齒輪傳動已知：i1,i2,i3，1,

2,

3,

R為主動軸，C為從動軸將所有的傳動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，最后一級齒輪的傳動間隙

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，裝配時還應減小最后一級齒輪的傳動間隙。圖6.30多級齒輪傳動已知：i1,i2,i3，1,(2)傳動間隙的影響齒輪傳動裝置在系統(tǒng)中的位置不同，其間隙對伺服系統(tǒng)的影響也不同圖6.31傳動間隙在閉環(huán)內(nèi)的結構圖閉環(huán)之內(nèi)的動力傳動鏈(G2)齒輪傳動間隙影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，

不影響系統(tǒng)的精度2)反饋回路上的傳動鏈(G3)齒輪傳動間隙既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性

又影響系統(tǒng)的精度(2)傳動間隙的影響齒輪傳動裝置在系統(tǒng)中的位置不同，其間隙6.3可靠性、安全性設計可靠性——

指產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。6.3.1可靠性設計總的來說，可靠性包括無故障性和耐久性兩方面的含義。（1）可靠性的基本概念無故障性——

指產(chǎn)品在某一時期內(nèi)（某一段工作時間內(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。完成規(guī)定功能是指能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品的工作能力，使各項技術指標符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為失效。對于可修復的產(chǎn)品，也可稱為故障。6.3可靠性、安全性設計可靠性——指產(chǎn)品（或系統(tǒng)）在規(guī)定6.3可靠性、安全性設計根本方法：提高產(chǎn)品的設計和制造質量，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：6.3.1可靠性設計（2）保證產(chǎn)品（系統(tǒng)）可靠性的方法◆裕度法◆

自動控制法◆

冗余技術：掩蔽法◆

診斷技術：暴露法主要是一種改進硬件的措施用硬件、軟件或兩者相結合來保證產(chǎn)品可靠性的措施6.3可靠性、安全性設計根本方法：提高產(chǎn)品的設計和制造質量◆

冗余技術：又稱儲備技術。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(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，使產(chǎn)品在一定時間內(nèi)繼續(xù)保持其工作能力。是一種掩蔽法。冗余方法分類：工作冗余和后備冗余選擇冗余方法的原則：P247-248采用冗余技術必須在充分進行可靠性分析的基礎上采用，包括分析：

1.引起失效的真正原因

2.經(jīng)濟上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素機械系統(tǒng)很少采用冗余技術，而常采用裕度法來提高可靠性。作用：推遲產(chǎn)品失效的時間基本思想：通過可靠性分析找出系統(tǒng)失效率高的薄弱環(huán)節(jié)，對此環(huán)節(jié)進行冗余結構設計，以此保證整個系統(tǒng)的可靠性?！羧哂嗉夹g：又稱儲備技術。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)◆

診斷技術：是一種檢測技術。用來取得有關產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效（故障）類型和失效的位置信息。表現(xiàn)：它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或將要出現(xiàn)的故障及時暴露出來，以便迅速修復。是一種暴露法。作用：及時發(fā)現(xiàn)故障，以便縮短修理時間，提高產(chǎn)品的有效度。任務：兩個

見P248測試分類：1.診斷測試——故障出現(xiàn)之后

2.故障監(jiān)測——故障發(fā)生之前

診斷過程：測試，取得診斷信號——分離出癥兆——診斷癥兆：表征故障種類與位置的異常性信號?？煞譃閮深悾?.直接癥兆——檢測產(chǎn)品整機或元部件的輸出參數(shù)時取得的2.間接癥兆——檢測與產(chǎn)品工作能力存在函數(shù)關系的間接參數(shù)時取得的

診斷：將測試取得的診斷信號與標準數(shù)據(jù)比較，或利用事先確定的癥兆與故障之間的對應關系，來確定故障的種類與部位?！粼\斷技術：是一種檢測技術。用來取得有關產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效表第6章

機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計

第6章

機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計

本章要求：了解：機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計、動態(tài)設計及可靠性、安全性設計。

本章要求：了解：機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計、動態(tài)設計及以機電伺服系統(tǒng)為例說明機電一體化系統(tǒng)設計的一般考慮方法。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(jīng)過傳動系統(tǒng)系統(tǒng)驅動被控對象，從而完成所需要的機械運動。因此，工程上是圍繞機械運動的規(guī)律和運動參數(shù)對它們提出技術要求的設計過程：1.了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制定出系統(tǒng)的設計方案（初步設計方案）2.進行定量的分析計算，先是穩(wěn)態(tài)設計計算，后是動態(tài)設計計算（詳細的設計方案）3.樣機試驗與調(diào)試，確定系統(tǒng)的實際電路與實際參數(shù)。機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設計

此外，設計過程中，要充分注意系統(tǒng)的安全性、可靠性要求。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。位置穩(wěn)態(tài)設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到技術要求、執(zhí)行元件的參數(shù)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、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，為后面動態(tài)設計中的校正補償裝置的引入留有余地。動態(tài)設計主要是設計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技術指標要求;通常要進行計算機仿真，或借助計算機進行輔助設計作用：考慮了機電參數(shù)的有機結合與匹配，有利于減少盲目性和加快樣機的調(diào)試和電路參數(shù)的確定。穩(wěn)態(tài)設計包括使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到技術要求、執(zhí)行元件的參數(shù)伺服系統(tǒng)基本概念

伺服系統(tǒng)也稱之為隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力、力矩輸出的自動控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，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行動作控制的，其工作過程是一個偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動態(tài)過渡過程。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋元件輸入指令輸出量控制器伺服系統(tǒng)基本結構方框圖比較元件伺服系統(tǒng)基本概念伺服系統(tǒng)也稱之為隨動系統(tǒng)，是一種能1電氣控制裝置部分機械執(zhí)行裝置部分

在控制信號傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口

在反饋信號傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：電氣控制裝置機械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成許多機電一體化產(chǎn)品需要對輸出量進行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品的一個重要組成部分，而且往往是實現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)離不開機械技術和電子技術的綜合運用，其功能是通過機電結合才得以實現(xiàn)的，因此，它本身就是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。1電氣控制裝置部分機械執(zhí)行裝置部分在控制信號傳遞路線上，以6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.1典型負載分析(1)典型負載◆慣性負載◆外力負載為便于分析，將具體的負載分解為幾種典型負載，使定量設計計算得以順利進行◆彈性負載◆摩擦負載負載分析的目的：獲得負載的綜合定量數(shù)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。6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.1典型負載分析(2)負載的等效換算被控對象的運動有直線運動和回轉運動被控對象與執(zhí)行元件有直接聯(lián)系的，也有通過傳動裝置聯(lián)接的。執(zhí)行元件的額定轉矩（或力、功率）、加減速控制及制動方案的選擇，應與被控對象的固有參數(shù)（如質量、轉動慣量等）相互匹配。因此，要將被控對象相關部件的固有參數(shù)及其所受的負載（力或轉矩等）等效換算到執(zhí)行元件的輸出軸上，即計算其輸出軸承受的等效轉動慣量和等效負載轉矩（回轉運動）或計算等效質量和等效力（直線運動）。6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方圖6.1伺服進給系統(tǒng)示意下面以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例加以說明圖6.1伺服進給系統(tǒng)示意下面以機床工作臺的伺服進給系統(tǒng)為例1)求等效轉動慣量Jkeq。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為設等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為由于E=Ek故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：nk_——執(zhí)行元件的轉速(r/min)1)求等效轉動慣量Jkeq。該系統(tǒng)運動部件的動能總和為設等2)求等效負載轉矩Tkeq。設上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負載所作功的總和為同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間t內(nèi)的轉角為由于W=Wk故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)則執(zhí)行元件所作的功為2)求等效負載轉矩Tkeq。設上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負載所3)計算舉例。求等效到電動機軸上的等效轉動慣量Jmeq和等效轉矩Tmeq解：1)求Jmeq

，根據(jù)式(6.4)可得因為3)計算舉例。求等效到電動機軸上的等效轉動慣量Jmeq和等所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應盡可能選用標準化元部件擬定系統(tǒng)方案時，首先確定執(zhí)行元件的類型，然后根據(jù)技術條件的要求進行綜合分析，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選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法匹配選擇原則：總原則：與被控對象的需要相適應。電動機的額定轉速n基本上是所需最大轉速電動機的額定轉矩T應大于所需最大轉矩，即6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應盡可6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(1)系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉矩匹配設等效到電動機輸出軸上的負載轉矩為Tmeq，等效慣性負載轉矩為T慣，則電動機軸上的總負載轉矩為考慮到機械的總傳動效率時，則為保證帶負載能正常的起動和定位停止，步進電動機的起動和制動轉矩Tq應滿足下列要求(6.9)(6.10)(6.11)6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方例：當機床工作臺某軸的伺服電動機輸出軸上所受等效負載轉矩Tmeq=2.5Nm，等效轉動慣量為Jmeq=3×10-2kgm2，由工作臺某軸的最高速度換算為電動機輸出軸角速度m為50rad/s，等加速和等減速時間為t=0.5s，機械傳動系統(tǒng)的總效率為0.85，試選取與所需轉矩相匹配的電動機型號。解：等效慣性負載轉矩為根據(jù)式(6.10)

，可知若選用110BF003反應式電動機，其最大靜轉矩Tjmax=7.84Nm，當采用三相六拍通電方式，查表3.7可知，Tq/Tjmax=0.87,則因為，滿足式(6.11)，故可選用110BF003反應式電動機例：當機床工作臺某軸的伺服電動機輸出軸上所受等效負載轉矩Tm6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.2執(zhí)行元件的匹配選擇(2)系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配（直流、交流伺服電動機）在選擇電動機時，常先進行預選，然后進行必要的驗算。預選電動機的估算功率P可由下式確定(6.12)在預選電動機功率后，應進行以下驗算6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方1）過熱驗算。當負載轉矩為變量時，在電動機勵磁磁通近似不變的情況下，其等效轉矩式中：t1，t2——時間間隔，在此時間間隔內(nèi)的負載轉矩分別為T1、T2、。等效功率nN——電動機的額定轉速（r/min）則所選電動機的不過熱條件為式中：TN——電動機的額定轉矩（N.m）

PN——電動機的額定功率（W）(6.13)(6.14)1）過熱驗算。當負載轉矩為變量時，在電動機勵磁磁通近似不變的2）過載驗算。式中：km——電動機的過載系數(shù)，一般電動機產(chǎn)品目錄中給出(6.15)2）過載驗算。式中：km——電動機的過載系數(shù)，一般電動機產(chǎn)品6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.3減速比的匹配選擇與各級減速比的分配總減速比主要根據(jù)負載性質、脈沖當量和機電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇決定，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，還要同時滿足最大轉速要求等。其確定方法有以下幾種：(6.16)1）使加速度最大的選擇方法。當輸入信號變化快、即加速度很大時，應使6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當輸入信號近似恒速，即加速度很小時，應使3）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δ、步距角α和絲杠基本導程l0之間的匹配關系(6.18)4）對速度和加速度均有一定要求的選擇方法。先按上述1）條選擇減速比i，然后驗算是否滿足iLmax≤m，式中的Lmax為負載的最大角速度；m為電動機輸出的角速度。(6.17)2）最大輸出速度選擇方法。當輸入信號近似恒速，即根據(jù)設計要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就需要合理確定減速級數(shù)，最后分配各級的傳動比（其分配原則可參見第2章）選擇減速級數(shù)時考慮的問題：1使齒輪總轉動慣量JG與電動機軸上主動齒輪的轉動慣量JP的比值較小；2避免級數(shù)過多而使結構復雜。

一般可按圖A來選擇。各級傳動比可按圖B來合理分配，一般應使各級傳動比按傳動順序逐級增加（“先小后大”）圖A傳動級數(shù)選擇曲線圖B傳動比分配曲線根據(jù)設計要求，通過綜合分析，利用上述方法選擇總減速比之后，就伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應具有的輸出能力和要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置；另一方面是從系統(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?shù)男Ｕa償裝置、完善電源電路及其它輔助電路，從而達到機電一體化系統(tǒng)的設計要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應具有的輸出能力和2.2

機械傳動部件的選擇與設計2.2.4齒輪傳動部件2.齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇

總原則：盡量采用較大傳動比的單級傳動多級傳動時，各級傳動比的分配遵循如下原則：1、重量最輕原則小功率傳動時，i的分配各級相等；大功率傳動時，i

的分配先大后小。2、輸出軸轉角誤差最小原則傳動比i

的分配先小后大，并且提高末一級齒輪副的精度，使輸出軸轉角誤差最小。3、最小等效轉動慣量原則傳動比

i的分配先小后大，級數(shù)越多等效轉動慣量越小，但級數(shù)太多時，結構復雜化，并且等效轉動慣量降低不明顯。對數(shù)減少傳動精度提高2.2機械傳動部件的選擇與設計2.2.4齒輪傳動部件設各級齒輪換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為則四級齒輪傳動系統(tǒng)中各級齒輪的轉角誤差（1，2，，8）換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為總轉角誤差主要取決于最末一級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小。設各級齒輪換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為則四級齒輪傳動系統(tǒng)6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.1.4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1.檢測傳感器的精度、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(nèi)，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力矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。2.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入阻抗符合匹配要求6.1機電有機結合之一

——機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設計主要考慮以下問題：1）功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配2）放大器應為執(zhí)行元件的運行狀態(tài)提供適宜條件3）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4）輸入級應能與檢測傳感裝置相匹配5）放大器應有足夠的放大倍數(shù)，其特性應穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整放大器電源為適應各放大級的不同需要而進行適應性設計。最關鍵的是動力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式設計時要注意不要讓干擾信號從電源引入，所使用電源應有足夠的保護措施。4.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路的設計主要考3.2.3伺服電動機控制方式的基本形式3.2.3伺服電動機控制方式的基本形式1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)2.半閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測位于

目標（執(zhí)行機構）之前的某個中間部位（如伺服電動機）運動并進行反饋、

間接控制目標運動3.閉環(huán)方式：有檢測反饋環(huán)節(jié)，通過傳感器檢測

目標（執(zhí)行機構）運動并進行反饋，

直接控制目標運動閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)系聯(lián)系：從控制原理上講是一樣的，都是對系統(tǒng)輸出進行實時檢測和反饋，并根據(jù)偏差對系統(tǒng)實施控制。區(qū)別：傳感器檢測信號位置不同1.開環(huán)方式：沒有檢測反饋環(huán)節(jié)閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制的區(qū)別與聯(lián)6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學模型的建立（1）半閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計課件6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學模型的建立（2）全閉環(huán)控制方式6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算一系統(tǒng)數(shù)學機械傳動系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立機械傳動系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算二主諧振頻率的計算——機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率6.1.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及主諧振頻率的計算二主諧振式中：K為機械傳動系統(tǒng)的總扭轉剛度（N.m/rad）

Jeqm為機械傳動系統(tǒng)等效到電動機軸上的總轉動慣量（kg.m2）

Jeq為軸Ⅱ、Ⅲ轉動慣量以及工作臺總質量m等效到電動機軸上的總轉動慣量（kg.m2）

JI為軸I上運動零部件的轉動慣量（kg.m2）——機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率式中：K為機械傳動系統(tǒng)的總扭轉剛度（N.m/rad）——機求：該機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率求：該機械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率6.2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

系統(tǒng)動態(tài)設計的一般考慮方法和步驟：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或補償）形式定量計算分析，找到所需補償裝置的對數(shù)幅頻特性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。6.2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1.反饋控制系統(tǒng)１）

定義：具有被控變量負反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)２）

特點：①按偏差進行調(diào)節(jié)②調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量?、勰茈S時了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（閉環(huán)）３）存在問題：①必須有偏差才能進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用②調(diào)節(jié)不及時，被控變量總是變化的2、前饋控制系統(tǒng)：１）問題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點，在干擾作用下，必須形成偏差，才能進行調(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，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。２）定義：是按干擾進行調(diào)節(jié)的開環(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，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進行調(diào)節(jié)，來補償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。3)

特點:①按干擾進行控制，控制及時，精度高。②僅僅對前饋量有控制作用③不能隨時了解被控變量變化情況④輸出影響輸入（開環(huán)）1.反饋控制系統(tǒng)6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當系統(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能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部干擾相對應的值，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。當系統(tǒng)的過渡過程結束后，其輸出值達到與輸入相對應的穩(wěn)定狀態(tài)，此時系統(tǒng)的輸出值與目標值之差被稱為穩(wěn)態(tài)誤差。具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量指標就是系統(tǒng)過渡過程的品質指標。在時域內(nèi)，這種品質指標一般用單位階躍響應過渡過程曲線的參數(shù)來表示。系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程有三種情況：①系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；②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；③系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。6.2.1系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法當系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸圖6.14

單位階躍響應過渡過程曲線Ts—上升時間Ty—延滯時間Tt—調(diào)整時間%—最大超調(diào)量當系統(tǒng)不穩(wěn)定或雖然穩(wěn)定但過渡過程性能和穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求時，可先調(diào)整系統(tǒng)中的有關參數(shù)，如仍不能滿足使用要求就需要校正，最簡單的校正網(wǎng)絡是PID調(diào)節(jié)器（P—比例、I—積分、D—微分）。圖6.14單位階躍響應過渡過程曲線Ts—上升時間當系統(tǒng)不穩(wěn)(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)類型所對應的圖傳遞函數(shù)備注Pa)Ib)PIc)PIDd)(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)各種調(diào)節(jié)類型的特點及應用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益Kp的大小。Kp越大，調(diào)節(jié)作用越強，動態(tài)性能也越好，但Kp太大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。其主要缺點是存在誤差。因此，對于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，不宜單獨采用比例(P)調(diào)節(jié)。積分(I)調(diào)節(jié)：主要優(yōu)點是能減少或消除誤差，但由于它響應慢，故很少單獨采用。比例-積分(PI)調(diào)節(jié)：即克服了單純比例調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點，又避免了積分環(huán)節(jié)響應慢的弱點，即穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性都得到了改善，所以應用比較廣泛。比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)：無論從穩(wěn)態(tài)，還是從動態(tài)的角度來說，調(diào)節(jié)品質均比PI調(diào)節(jié)得到了改善，因此其應用最為廣泛，但由于它含有微分作用，在噪聲大或要求響應快的系統(tǒng)最好不要使用。各種調(diào)節(jié)類型的特點及應用比例(P)調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)作用的大小主要取(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；Kp為比例增益；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)(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：比機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計課件機電一體化系統(tǒng)的機電有機結合分析與設計課件積分比例微分被控對象r(t)+––+++u(t))c(t)e(t))PID控制器PID調(diào)節(jié)原理：P（Proportional）：控制信號的強弱及響應速度I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度D（Differential）：減小超調(diào)，提高動態(tài)特性及控制精度PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：積分比例微分被控對象r(t)+––+++u(t))c(t)6.2.2機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響(1)結構諧振的影響結構諧振（或機械諧振）——由傳動裝置（或傳動系統(tǒng)）的彈性變形而產(chǎn)生的振動。機械傳動系統(tǒng)的彈性變形與它的結構、尺寸、材料性能及受力狀況有關，其結構形式多種多樣，因此分析起來相當復雜。最簡單的辦法就是將整個系統(tǒng)的彈性變形看成集中在系統(tǒng)輸出軸即負載軸上，也就是等效到負載軸上。現(xiàn)以兩級齒輪傳動為例來討論機械諧振對系統(tǒng)的影響。機械裝置的物理模型是質量—彈簧系統(tǒng)結構諧振頻率遠大于系統(tǒng)的截止頻率，對動態(tài)性能沒影響；結構諧振頻接近或小于系統(tǒng)的截止頻率，出現(xiàn)自激振蕩，影響大；對要求加速度很大，快速性能好的系統(tǒng)，其通頻帶必然較寬，因而容易出現(xiàn)自激振蕩。閉環(huán)系統(tǒng)基本上不會受結構諧振的影響。6.2.2機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響(1)結構諧振的影圖6.20

兩級齒輪減速器已知：i1,i2,Tm設T1,T2,T3,1,2,3則有根據(jù)彈性變形的虎克定律，軸的彈性扭轉角正比于其所承受的扭轉力矩，即（6.44）（6.45）可見，輸出軸3的變形對系統(tǒng)的影響最大、軸2次之、軸1最?。?.46）圖6.20兩級齒輪減速器已知：i1,i2,Tm則有根據(jù)彈性(2)減小或消除結構諧振的措施1）提高傳動剛度?？商岣呓Y構諧振頻率，一般使提高結構諧振頻率的根本方法是增加傳動系統(tǒng)的剛度、減小負載的轉動慣量和采用合理的結構布置提高剛度的措施：①加大傳動系統(tǒng)最后幾根軸的剛度；