機(jī)電有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)

機(jī)電有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第1頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1概述機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程是機(jī)電有機(jī)結(jié)合即機(jī)電參數(shù)相互匹配的過(guò)程。

機(jī)電伺服系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。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。第2頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.1概述機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法制訂出系統(tǒng)的控制方案該方案通常只是一個(gè)初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要元、部件的種類，各部分之間的聯(lián)接方式，系統(tǒng)的控制方式，所需能源形式，校正補(bǔ)償方法(以及信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式等)。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。通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)與調(diào)試，最后確定系統(tǒng)的實(shí)際線路及其實(shí)際參數(shù)。

第3頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的目的通過(guò)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數(shù)已初步確定、便可著手建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)作好準(zhǔn)備。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求執(zhí)行元件(如電機(jī))的參數(shù)選擇功率及過(guò)載能力的驗(yàn)算，各主要元、部件的選擇與控制線路設(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。第4頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要目的機(jī)電伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)只是初步確定了系統(tǒng)的主回路，但并不完善。在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一般不能滿足動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，甚至是不穩(wěn)定的。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或補(bǔ)償）形式，設(shè)計(jì)校正裝置，將其有效地聯(lián)接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。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)。第5頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)通過(guò)理論設(shè)計(jì)計(jì)算，完成的僅僅是一個(gè)設(shè)計(jì)方案，而且這種工程設(shè)計(jì)計(jì)算一般是近似的，只能作為工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的實(shí)際線路及其實(shí)際參數(shù)，往往要通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)與調(diào)試，才能最后確定下來(lái)。這并不等于以上設(shè)計(jì)計(jì)算是多余的，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，這對(duì)工程實(shí)踐是必需的，這有利于減少盲目性和加快樣機(jī)的調(diào)試和線路參數(shù)的確定。第6頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.2機(jī)電一體化穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法一、負(fù)載分析1．典型負(fù)載2.負(fù)載的等效換算

二、執(zhí)行元件的匹配選擇1．系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配2．系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配(直流、交流伺服電機(jī))三、減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配四、檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大裝置及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)五、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立1.半閉環(huán)控制方式2.全閉環(huán)控制方式第7頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析1.典型負(fù)載被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣具體負(fù)載往往比較復(fù)雜，為便于分析，常將它分解為幾種典型負(fù)載，結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律再將它們組合起來(lái)，使定量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行。典型負(fù)載有以下幾種慣性負(fù)載外力負(fù)載彈性負(fù)載摩擦負(fù)載(滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載等)。第8頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析2.負(fù)載的等效換算執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩(或力)，加減速控制及制動(dòng)方案的選擇，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)相互匹配。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)載(力或力矩等)等效換算到執(zhí)行元件的輸出軸上，即計(jì)算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載力矩(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力(直線運(yùn)動(dòng))。

第9頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)

第10頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析(1)求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[J]k

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，故第11頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析（2)求等效負(fù)載轉(zhuǎn)距[T]K

設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)克服負(fù)載所作的功的總和為

同理，執(zhí)行元件所作的功為

由于W=WK，故第12頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析（3)計(jì)算舉例已知：Mg＝400kg；

FL＝800N(含的摩擦阻力)；

Jm＝4×10-5kgm2，

JI＝5×10-4kgm2；

JII＝7×10-4kgm2，

TL＝4Nm；

Z1=20,Z2=40，m=1求：等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效轉(zhuǎn)矩。

第13頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析解：①求[J]m根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般變換公式第14頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析解：①求[J]m根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般變換公式及運(yùn)動(dòng)變換關(guān)系有第15頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析解：①求[J]m第16頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析解：②求[T]m根據(jù)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般變換公式有第17頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——負(fù)載分析②求[T]m第18頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——執(zhí)行元件的匹配選擇

伺服系統(tǒng)的有些元、部件已有系列化商品供選用。為降低機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本、縮短設(shè)計(jì)與研制周期，應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化商品。設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案時(shí)，首先確定執(zhí)行元件的類型，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。被控對(duì)象由電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)應(yīng)和被控對(duì)象的需要相匹配。如果冗余量大、易使執(zhí)行元件價(jià)格貴，機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下降，在使用時(shí)，冗余部分用戶用不上，易造成浪費(fèi)。如果選用的執(zhí)行元件的參數(shù)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。

第19頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——執(zhí)行元件的匹配選擇

1．系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配

電機(jī)軸上的總負(fù)載力矩為

考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率時(shí)，則

額定轉(zhuǎn)矩T(Nm或Ncm)應(yīng)大于(考慮機(jī)械損失)所需要的最大轉(zhuǎn)矩

T’∑第20頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——執(zhí)行元件的匹配選擇

1．系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配

第21頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——執(zhí)行元件的匹配選擇

1．系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配

第22頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——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、交流伺服電機(jī))

先進(jìn)行預(yù)選預(yù)選電機(jī)的估算功率P可由下式確定

第23頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——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、交流伺服電機(jī))

驗(yàn)算

(1)過(guò)熱驗(yàn)算

當(dāng)負(fù)載力矩為變量時(shí)，應(yīng)用等效法求其等效轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)激磁磁通近似不變時(shí)式中t1，t2……－時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)的負(fù)載力矩分別為T(mén)1、T2……。第24頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——執(zhí)行元件的匹配選擇

則所選電機(jī)的不過(guò)熱的條件為式中

TN—電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩(N·m)；

PN—電機(jī)的額定功率(W)；

Pdx——由等效轉(zhuǎn)矩Tdx換算的電機(jī)功率；

Pdx＝(Tdx·nN)／9.55(W)，式中nN為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r／min)第25頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——執(zhí)行元件的匹配選擇

(2)過(guò)載驗(yàn)算

即應(yīng)使瞬時(shí)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩的比值不大于某一系數(shù)式中km為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，一般電機(jī)產(chǎn)品目錄中給出。第26頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配

(1)使加速度最大的選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)變化快，加速度很大時(shí)，應(yīng)使

(2)最大輸出速度選擇方法。當(dāng)輸入信號(hào)近似恒速變化，即加速度很小時(shí)，應(yīng)使

式中

f1

—電機(jī)的粘性摩擦系數(shù)；f2—負(fù)載的粘性摩擦系數(shù)。

(3)滿足基本傳動(dòng)送進(jìn)系統(tǒng)的選擇方法。即滿足脈沖當(dāng)量δ、步距角α和絲杠基本導(dǎo)程l0之間的匹配關(guān)系

加速轉(zhuǎn)矩

由于負(fù)載特性和工作條件的不同，最佳傳動(dòng)比有各種各樣的選擇方法。在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的傳動(dòng)系統(tǒng)中常采用使負(fù)載加速度最大的方法。使等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小或負(fù)載加速度最大的總傳動(dòng)比，即為最佳總傳動(dòng)比。如圖，額定轉(zhuǎn)矩為T(mén)m、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jm的直流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速比為i的齒輪減速器帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JL負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)LF的負(fù)載，其傳動(dòng)比如下TmTLF當(dāng)最佳傳動(dòng)比為第27頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配(4)減速器輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則

(5)對(duì)速度和加速度均有一定要求的選擇方法

當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的輸出速度、加速度都有一定要求時(shí)，應(yīng)選按(1)選擇減速比i，然后驗(yàn)算是否滿足

為負(fù)載的最大角速度；

為電機(jī)輸出軸的角速度。

式中

第28頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總減速比確定后，需合理確定減速級(jí)數(shù)及分配各級(jí)速比，其分配原則參看第二章。三、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配第29頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大裝置及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)就是要從兩頭入手首先從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力及要求，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置；再?gòu)南到y(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。第30頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大裝置及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)檢測(cè)傳感裝置的匹配檢測(cè)傳感裝置的精度(即分辨力)、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)具有固定的線性特性；信號(hào)的轉(zhuǎn)換要迅速及時(shí)、信噪比大；裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦阻力矩要盡可能??；性能要穩(wěn)定可靠等。第31頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大裝置及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路的匹配選擇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要求。第32頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大裝置及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)放大器的設(shè)計(jì)與選擇主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配，輸出級(jí)的輸出阻抗要小，效率高、時(shí)間常數(shù)小。放大器應(yīng)為執(zhí)行元件(如電機(jī))的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件。放大器應(yīng)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。輸入級(jí)應(yīng)能與檢測(cè)傳感裝置相匹配，即它的輸入阻抗要大，以減輕檢測(cè)傳感裝置的負(fù)荷。放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。

第33頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大裝置及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的電源在一個(gè)系統(tǒng)中，所需電源一般很難統(tǒng)一，特別是放大器的電源常常為適應(yīng)各放大級(jí)的不同需要而進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。最關(guān)鍵的還是動(dòng)力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式。系統(tǒng)對(duì)電源的穩(wěn)定度和對(duì)頻率的穩(wěn)定度都有一定要求。設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要讓干擾信號(hào)從電源引入。所使用電源應(yīng)具有足夠的保護(hù)措施和抗干擾措施?？傊到y(tǒng)設(shè)計(jì)牽涉的知識(shí)面較廣，每一個(gè)環(huán)節(jié)均要給予充分注意。第34頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算1.半閉環(huán)控制方式

在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用所選元部件的相關(guān)參數(shù)，繪制系統(tǒng)框圖，根據(jù)自動(dòng)控制理論建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)。第35頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算1.半閉環(huán)控制方式

第36頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算1.半閉環(huán)控制方式

第37頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)受到附加外擾動(dòng)力矩

(如摩擦力矩)時(shí)，第38頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)受到附加外擾動(dòng)力矩

(如摩擦力矩)時(shí)，第39頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)受到附加外擾動(dòng)力矩

(如摩擦力矩)時(shí)，第40頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算2．全閉環(huán)控制方式

第41頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算2．全閉環(huán)控制方式

第42頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算2．全閉環(huán)控制方式

第43頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)傳遞函數(shù)Gj(s)的建立方法如下

:第44頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算第45頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率

在控制系統(tǒng)中往往感興趣的是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率五、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)——系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算第46頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率第47頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率第48頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率第49頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率第50頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率第51頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主諧振頻率的計(jì)算實(shí)例已知：直流伺服電機(jī)：n＝1300(r／min)，P＝l.5(kW)，Jm＝2×10－4(kgm2)；齒輪箱：i＝3，Z1＝17，Z2＝51，模數(shù)m＝2，齒輪寬度B＝15(mm)；滾珠絲杠：d＝60(mm)，l＝2.16(m)，l0＝12(mm)，ns＝400(r／min)；工作臺(tái)：W＝2000(N)，最大進(jìn)給速度為4.8(m／min)，導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.05。求：該機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率第52頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主諧振頻率的計(jì)算實(shí)例解：求主諧振頻率

第53頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主諧振頻率的計(jì)算實(shí)例第54頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主諧振頻率的計(jì)算實(shí)例第55頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)主要目的機(jī)電伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)只是初步確定了系統(tǒng)的主回路，但并不完善。在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一般不能滿足動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，甚至是不穩(wěn)定的。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或補(bǔ)償）形式，設(shè)計(jì)校正裝置，將其有效地聯(lián)接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。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)。第56頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)電一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法校正形式也多種多樣。設(shè)計(jì)者需要結(jié)合穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所得到的系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，從中選擇一種或幾種校正形式，這是進(jìn)行定量計(jì)算分析的前提。具體的定量分析計(jì)算方法很多，每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和不足。而工程上常用對(duì)數(shù)頻率法即借助波德(Bode)圖和根軌跡進(jìn)行圖解設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些方法作圖簡(jiǎn)便、概念清晰、應(yīng)用廣泛。對(duì)數(shù)頻率法即波德圖法，主要適用于線性定常最小相位系統(tǒng)，系統(tǒng)以單位反饋構(gòu)成閉環(huán)，若主反饋系統(tǒng)不為1，則需要等效成單位反饋的形式來(lái)處理。第57頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

研究機(jī)電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的方法先根據(jù)系統(tǒng)組成建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(即原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型)，不易用理論方法求解的可用實(shí)驗(yàn)方法建立。進(jìn)而可以根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)(響應(yīng)的快速性和振蕩)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。第58頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

在階躍信號(hào)作用下，過(guò)渡過(guò)程大致有以下三種情況系統(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；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒(méi)有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。第59頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

在時(shí)域內(nèi)，系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)曲線中的參數(shù)表示，即

Ts—上升時(shí)間，Ty—延滯時(shí)間；Tt—調(diào)整時(shí)間；σ％—最大超調(diào)量。第60頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定或雖然穩(wěn)定，但過(guò)渡過(guò)程性能和穩(wěn)態(tài)性能不能滿足要求時(shí)，可先調(diào)整系統(tǒng)中的有關(guān)參數(shù)，仍不能滿足使用要求時(shí)(常采用校正網(wǎng)絡(luò))就需進(jìn)行校正。第61頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

第62頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

第63頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

校正的主要類型校正也可稱為補(bǔ)償。一個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)僅靠調(diào)整系統(tǒng)本身參數(shù)而不能具有希望的性能時(shí)，就需要引入附加裝置——校正裝置，實(shí)際上是通過(guò)改變?cè)到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)的性能得到改善。串聯(lián)校正并聯(lián)校正第64頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(1)串聯(lián)校正

校正裝置串聯(lián)在前向通道中稱為串聯(lián)校正。如圖所示，串聯(lián)校正裝置一般都放在前向通道的前端，以減小功率消耗。第65頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反饋校正

反饋校正是從被校正環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的輸出提取信息，經(jīng)處理后反饋給被校正環(huán)節(jié)的輸入以改善系統(tǒng)性能，單位反饋控制就是一種最簡(jiǎn)單的反饋校正。G2(s)Gc(s)Xi(s)Xo(s)G1(s)+__反饋校正同樣改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它可起到串聯(lián)校正類似的效果。由于外部干擾、系統(tǒng)元件的參數(shù)變化等信息都可以通過(guò)輸出反映出來(lái)，因此反饋校正還可有效抑制干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化的影響。反饋校正的特點(diǎn)(2)并聯(lián)校正第66頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月順饋校正

順饋校正是一種開(kāi)環(huán)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，不影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。干擾可以是外部干擾，也可以是系統(tǒng)元件的參數(shù)變化，只要這些干擾信息可以得到，就可通過(guò)設(shè)計(jì)合適的順饋校正裝置，產(chǎn)生附加的控制量對(duì)其進(jìn)行完全或近似的補(bǔ)償。

順饋校正也屬于并聯(lián)校正，它是通過(guò)對(duì)可測(cè)干擾的補(bǔ)償，來(lái)消除干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。G2(s)Xi(s)Xo(s)G1(s)_+Gc(s)(2)并聯(lián)校正第67頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

校正裝置的構(gòu)成

電子電路機(jī)械、液壓、氣動(dòng)元件數(shù)字算法校正裝置應(yīng)便于調(diào)整,且不應(yīng)成為系統(tǒng)的負(fù)載.由有源電子元件構(gòu)成的校正裝置所吸收的控制功率極少,因此在連續(xù)(模擬)系統(tǒng)的校正中多被采用.由微機(jī)構(gòu)成的校正裝置,多用于復(fù)雜且有較高要求的系統(tǒng)的校正,校正功能由算法即程序來(lái)實(shí)現(xiàn).說(shuō)明:第68頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月校正網(wǎng)絡(luò)所使用的校正網(wǎng)絡(luò)多種多樣，其中最簡(jiǎn)單的校正裝置是比例－積分－微分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PID調(diào)節(jié)器，PID控制器的組成式中:(t)——偏差信號(hào)(指令信號(hào)與反饋信號(hào)之差)

Kp——比例系數(shù)

Ti——積分時(shí)間常數(shù)

Td

——微分時(shí)間常數(shù)PID控制器的設(shè)計(jì)就是確定合適的Kp、Ti

和Td

第69頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

1．PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)(1)比例調(diào)節(jié)(P)

調(diào)節(jié)作用的大小主要取決于增益(比例系數(shù))Kp的大小。Kp越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但是存在調(diào)節(jié)誤差。而且Kp太大會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。第70頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

1．PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)(2)積分環(huán)節(jié)（I）系統(tǒng)中采用積分環(huán)節(jié)可以減少或消除誤差，但由于積分調(diào)節(jié)器響應(yīng)慢，很少單獨(dú)使用。第71頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

1．PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)(3)比例－積分調(diào)節(jié)（PI）既克服了單純比例環(huán)節(jié)有調(diào)節(jié)誤差的缺點(diǎn)又避免了積分環(huán)節(jié)響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，既能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能又能改善其動(dòng)態(tài)性能。

Kp＝R2／RlTi＝R2C

第72頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

1．PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)(4)比例—積分一微分調(diào)節(jié)(PID)

這種校正環(huán)節(jié)不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也能改善其動(dòng)態(tài)性能。但是，由于它含有微分作用，在要求響應(yīng)快的系統(tǒng)或噪聲比較大的系統(tǒng)不宜采用。PID調(diào)節(jié)器能使閉環(huán)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。其動(dòng)態(tài)性能也比用PI調(diào)節(jié)器時(shí)更好。第73頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

有源校正，通常不是靠理論計(jì)算而是用工程整定的方法來(lái)確定其參數(shù)的。大致做法如下：在觀察輸出響應(yīng)波形是否合乎理想要求的同時(shí)，按照先調(diào)Kp、后調(diào)Ti、再調(diào)Td的順序，反復(fù)調(diào)整這三個(gè)參數(shù)，直至觀察別輸出響應(yīng)波形比較合乎理想狀態(tài)要求為止一般認(rèn)為在機(jī)電閉環(huán)伺服系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲線中，若前后二個(gè)相鄰波峰值之比為4﹕1時(shí)，則響應(yīng)波形較為理想。第74頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

2．調(diào)節(jié)作用分析第75頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

控制系統(tǒng)對(duì)輸入和干擾信號(hào)的閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為系統(tǒng)在輸入和干擾信號(hào)同時(shí)作用下的輸出象函數(shù)為第76頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

(1)應(yīng)用比例(P)調(diào)節(jié)器的情況比例調(diào)節(jié)作用的大小，主要取決于比例系數(shù)K0，比例系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用愈強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性也愈好。但K0太大時(shí)，會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）應(yīng)用積分(I)調(diào)節(jié)器的情況

積分作用能消除誤差，這是它的主要優(yōu)點(diǎn)。但由于積分調(diào)節(jié)器響應(yīng)慢，所以很少單獨(dú)使用。(3)應(yīng)用比例—積分(PI)調(diào)節(jié)器的情況

既克服了單純比例調(diào)節(jié)有穩(wěn)態(tài)誤差存在的缺點(diǎn)，又避免了積分調(diào)節(jié)器響應(yīng)慢的缺點(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。第77頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)--系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

(4)應(yīng)用比例—積分—微分(PID)器的情況采用PID調(diào)節(jié)器無(wú)論從穩(wěn)態(tài)，還是動(dòng)態(tài)的角度來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)品質(zhì)均得到改善，從而使用PID調(diào)節(jié)器成為一種應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器。由于PID調(diào)節(jié)器含有微分作用，所以響應(yīng)快或噪聲大的系統(tǒng)最好不使用。第78頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.4可靠性、安全性設(shè)計(jì)第79頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可靠性設(shè)計(jì)——基本概念

1．可靠性概念所謂可靠性，是指“產(chǎn)品(或系統(tǒng))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”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品(或系統(tǒng))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，就稱為失效，對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品，也可稱為故障?！耙?guī)定條件”是指使用時(shí)的應(yīng)力條件(工作條件)、環(huán)境條件和存儲(chǔ)時(shí)的存儲(chǔ)條件等，“規(guī)定條件”不同，產(chǎn)品的可靠性也不同?！耙?guī)定時(shí)間”長(zhǎng)短的不同，產(chǎn)品的可靠性也不同，一般來(lái)說(shuō)，規(guī)定的時(shí)間越長(zhǎng)，故障越多，可靠性也就越低。第80頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可靠性設(shè)計(jì)——方法保證產(chǎn)品具有必要的可靠性，是一個(gè)綜合性問(wèn)題，不能單純依靠某一特定的方法。提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量是最根本的方法，它的作用是消除故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。由于故障是一種隨機(jī)事件，因而是不可避免的。在這種情況下，冗余技術(shù)(掩蔽法)就成為保證產(chǎn)品可靠性的一種重要方法。診斷技術(shù)就是一種暴露法，它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或即將出現(xiàn)的故障及時(shí)暴露出來(lái)，以便迅速修復(fù)。第81頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可靠性設(shè)計(jì)——方法可靠性設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)階段制造階段可靠性試驗(yàn)裕度法自動(dòng)控制其他考慮工作冗余后備冗余提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量冗余技術(shù)診斷技術(shù)第82頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要進(jìn)行可靠性分析，估計(jì)系統(tǒng)和單元中各種引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低產(chǎn)品的故障率?？梢圆捎每煽啃灶A(yù)測(cè)的方法，對(duì)各種可靠性指標(biāo)進(jìn)行估計(jì)。制造階段中的原材料和制造工藝，都要保證完全達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。最后，可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，以便確定實(shí)際產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。第83頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月裕度法對(duì)于關(guān)鍵性產(chǎn)品，可以加大設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，以保證一定的可靠性儲(chǔ)備。設(shè)產(chǎn)品的某一輸出參數(shù)為Ylim，如果Y達(dá)到Y(jié)lim時(shí)還沒(méi)有達(dá)到失效時(shí)的參數(shù)值Ymax，則稱為具有可靠性儲(chǔ)備，用可靠性儲(chǔ)備系數(shù)KR表示即第84頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自動(dòng)控制在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，利用機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使產(chǎn)品（或系統(tǒng)）具有自適應(yīng)、自調(diào)整、自診斷甚至自修復(fù)的功能，這樣可以大大提高產(chǎn)品的可靠性。第85頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其他考慮

在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮到在使用階段如何保證產(chǎn)品可靠性的問(wèn)題，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。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的維修性，如易損件應(yīng)便于更換、故障應(yīng)便于診斷、容易修復(fù)等。第86頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月冗余技術(shù)工作冗余：又稱工作儲(chǔ)備或掩蔽儲(chǔ)備，是一種兩個(gè)或兩個(gè)以上單元并行工作的并聯(lián)模型。

后備冗余：又稱非工作儲(chǔ)備或待機(jī)儲(chǔ)備。平時(shí)只需一個(gè)單元工作，另一個(gè)單元是冗余的，用于待機(jī)備用。通常，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。在采用冗余技術(shù)時(shí)，還要考慮經(jīng)濟(jì)上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素，第87頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月診斷技術(shù)從本質(zhì)上來(lái)看，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)類型和失效位置信息。它的任務(wù)有二:一是出現(xiàn)故障時(shí)，迅速確定故障的種類和位置，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)的程度，查明產(chǎn)品工作能力下降的原因，以便采取維護(hù)措施或進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，防止發(fā)生故障。診斷的過(guò)程首先對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行特定的測(cè)試，取得診斷信號(hào)(輸出參數(shù))，再?gòu)脑\斷信號(hào)中分離出能表征故障種類和位置的異常性信號(hào)，即癥兆；最后將癥兆與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，確定故障的種類和故障位置。

第88頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．干擾和抗干擾措施(1)干擾源干擾信號(hào)傳導(dǎo)型（線路傳入）輻射型（空間感應(yīng)）供電干擾強(qiáng)電干擾接地干擾電磁干擾靜電干擾第89頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月干擾渠道第90頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月供電干擾控制器一般都配備有專用的直流穩(wěn)壓電源，即使如此，從交流供電網(wǎng)傳來(lái)的干擾信號(hào)仍然可能影響電源電壓的穩(wěn)定性，并可能經(jīng)過(guò)整流電源竄入控制器。這些干擾信號(hào)主要來(lái)源于附近大容量用電設(shè)備的負(fù)載變化和開(kāi)、停時(shí)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)。這些設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)使電網(wǎng)電壓瞬時(shí)降低，在停止時(shí)又產(chǎn)生過(guò)電壓和沖擊電流。雷電感應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。供電電網(wǎng)對(duì)控制器的另一種干擾是斷電或瞬時(shí)斷電，這將引起數(shù)據(jù)丟失或程序紊亂。第91頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月強(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。這些干擾信號(hào)不僅影響驅(qū)動(dòng)電路本身，還會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)干擾其他信號(hào)線路。這種強(qiáng)電干擾信號(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。第92頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。接地環(huán)路的兩種典型情況：圖(a)是由于接地點(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；圖(b)是采用公用地線串聯(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。第93頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輻射干擾在控制系統(tǒng)附近存在磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)或電磁波輻射源，就可能通過(guò)空間感應(yīng)，直接干擾系統(tǒng)中的各設(shè)備(控制器、驅(qū)動(dòng)接口、轉(zhuǎn)換接口等)和導(dǎo)線，使其中的電平發(fā)生變化，或產(chǎn)生脈沖干擾信號(hào)。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，其接點(diǎn)的火花放電也會(huì)產(chǎn)生高頻輻射。人體和處于浮動(dòng)狀態(tài)的設(shè)備都可能帶有靜電，甚至可能積累很高的電壓。第94頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．干擾和抗干擾措施(2)抗干擾措施供電系統(tǒng)的抗干擾措施接口電路的抗干擾措施接地系統(tǒng)的抗干擾措施

第95頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月供電系統(tǒng)的抗干擾措施增加電子交流穩(wěn)壓器：在直流穩(wěn)壓電源的交流進(jìn)線側(cè)增加電子交流穩(wěn)壓器，用來(lái)穩(wěn)定220V單向交流進(jìn)線電壓，可以進(jìn)一步提高電源電壓的穩(wěn)定性。增加低通濾波器，用來(lái)濾去電源進(jìn)線中的高頻分量或脈沖電流。加入隔離變壓器，以阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)通路，并抑制干擾信號(hào)的強(qiáng)度。

第96頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月接口電路的抗干擾措施采用RC電路或二極管和穩(wěn)壓二極管吸收在電感負(fù)載斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，以消除強(qiáng)電干擾。采用光電隔離措施以防止驅(qū)動(dòng)接口中的強(qiáng)電干擾及其它干擾信號(hào)進(jìn)入控制器。

轉(zhuǎn)換接口的隔離。第97頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月接地系統(tǒng)的抗干擾措施單點(diǎn)接地

并聯(lián)接地轉(zhuǎn)換接口的隔離光電隔離

對(duì)于用長(zhǎng)線傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，可用光電耦合器來(lái)切斷接地環(huán)路。第98頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4.軟件的可靠性技術(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，軟件抗干擾設(shè)計(jì)也是防止和消除應(yīng)用系統(tǒng)故障的重要途徑。4.1利用軟件來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性

增加系統(tǒng)信息管理的軟件。軟件冗余。將對(duì)控制條件的一次采樣、處理控制輸出改為循環(huán)采樣、處理控制輸出的方式。這種方法對(duì)于慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾作用。如軟件去抖動(dòng)。用軟件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度，這包括在發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、迅速將故障裝置切換成備用裝置；在過(guò)負(fù)荷或環(huán)境條件變化時(shí)，采取應(yīng)急措施，在排除故障后，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常，投入運(yùn)行等。第99頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元。當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)將寄存單元的輸出狀態(tài)信息傳送到各輸出接口的端口寄存器中，以維持正確的輸出控制。設(shè)置自檢程序。在單片機(jī)上電復(fù)位后或在程序中間特定部位及某些內(nèi)存單元插入狀態(tài)標(biāo)志，在單片機(jī)運(yùn)行中不斷循環(huán)檢測(cè)，以保證系統(tǒng)中信息存儲(chǔ)、運(yùn)輸、運(yùn)算的高可靠性。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)需要自檢的部件有EPROM、RAM、I/O口等。

4.軟件的可靠性技術(shù)

第100頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2程序運(yùn)行失常的軟件對(duì)策

一旦單片機(jī)因干擾而使得程序計(jì)數(shù)器PC偏離了原定的值，程序便脫離正常運(yùn)行軌道，出現(xiàn)操作數(shù)數(shù)值改變或?qū)⒉僮鲾?shù)當(dāng)作操作碼的“跑飛”現(xiàn)象。此時(shí)，可采用軟件陷阱和“看門(mén)狗”技術(shù)使程序恢復(fù)到正常狀態(tài)。(1)設(shè)置軟件陷阱所謂軟件陷阱，是指一些可以使混亂的程序恢復(fù)正常運(yùn)行或使“跑飛“的程序恢復(fù)到初始狀態(tài)的一系列指令。其主要形式下表。

4.軟件的可靠性技術(shù)第101頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

軟件陷阱的兩種指令形式及適用范圍形式軟件陷阱形式對(duì)應(yīng)入口形式適用范圍1NOPNOPLJMP0000H0000H：LJMPMAIN；運(yùn)行程序①雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后②0003H~0030H地址未使用的中斷區(qū)③跳轉(zhuǎn)指令及子程序調(diào)用和返回指令之后④程序段之間的未用區(qū)域⑤數(shù)據(jù)表格及散轉(zhuǎn)表格的最后⑥每隔一些指令(一般為十幾條指令)后2LJMP0202HLJMP0000H0000H：LJMPMAIN；運(yùn)行主程序：0202H：LJMP0000H：注：形式一的機(jī)器碼為0000020000（十六進(jìn)制）形式二的機(jī)器碼為020202020000（十六進(jìn)制）第102頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（a）未使用的中斷區(qū)當(dāng)未使用的中斷因干擾而開(kāi)放時(shí)，在對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，就能及時(shí)捕捉到錯(cuò)誤的中斷。在中斷服務(wù)程序中要注意：返回指令用RETI，也可用LJMP。其中斷服務(wù)程序形式為以下兩種：形式一：形式二：NOPNOPPOPdirect1POPdirect2LJMP0000HNOPNOPPOPdirect1 ；將原先斷點(diǎn)彈出POPdirect2PUSH00H ；斷點(diǎn)地址改為0000HPUSH00HRETI

4.軟件的可靠性技術(shù)第103頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（b）未使用的EPROM空間

單片機(jī)系統(tǒng)中使用的EPROM很少能夠全部用完，這些非程序區(qū)可用0000020000或020202020000數(shù)據(jù)填滿。需要注意的是，最后一條填入數(shù)據(jù)應(yīng)為020000。當(dāng)程序“跑飛”進(jìn)入此區(qū)后，便會(huì)迅速自動(dòng)入軌。（c）運(yùn)行程序區(qū)

由于程序是采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，因此，程序也是以模塊方式運(yùn)行的。此時(shí)可以將陷阱指令組分散放置在用戶程序各模塊之間空余的單元里。一般每1K字節(jié)有幾個(gè)陷阱就夠了。在正常程序中不執(zhí)行這些陷阱指令，保證用戶程序正常運(yùn)行；但當(dāng)程序“跑飛”時(shí)，一旦落入這些陷阱區(qū)，馬上就可將“跑飛”的程序拉到正確軌道。

4.軟件的可靠性技術(shù)第104頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（d）中斷服務(wù)程序區(qū)

設(shè)用戶主程序運(yùn)行區(qū)間為add1~add2，且定時(shí)器T0產(chǎn)生10ms定時(shí)中斷；當(dāng)程序“跑飛”落入add1~add2以外的區(qū)間，此時(shí)又發(fā)生了定時(shí)中斷，則可在中斷服務(wù)程序中判定中斷斷點(diǎn)地址addx是否在add1~add2之間，若不在則說(shuō)明發(fā)生了程序“跑飛”，應(yīng)使程序返回到復(fù)位入口地址0000H，使跑飛程序納入正軌。

4.軟件的可靠性技術(shù)第105頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）設(shè)置程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。

程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)又稱“看門(mén)狗”（WATCHDOG）?！翱撮T(mén)狗”好比是主人（單片機(jī)）養(yǎng)的一條“狗”，在正常工作時(shí)，每隔—段固定時(shí)間就給“狗”吃點(diǎn)東西．“狗”吃過(guò)東西后就不會(huì)影響主人干活了。如果主人打瞌睡，到一定時(shí)間，“狗”餓了，發(fā)現(xiàn)主人還沒(méi)有給它吃東西，就會(huì)叫醒主人。由此可以看出，“看門(mén)狗”就是一個(gè)監(jiān)視跟蹤定時(shí)器，應(yīng)用“看門(mén)狗”技術(shù)可以使單片機(jī)從死循環(huán)中恢復(fù)到正常狀態(tài)?！翱撮T(mén)狗”可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可采用軟件技術(shù)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。目前，大多數(shù)單片機(jī)片內(nèi)都集成有程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。

4.軟件的可靠性技術(shù)第106頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在MAX706內(nèi)部有一個(gè)定時(shí)器，它獨(dú)立工作于單片機(jī)之外。若單片機(jī)正常工作，每隔一段時(shí)間就通過(guò)P1.1向“看門(mén)狗”輸出一個(gè)脈沖，使“看門(mén)狗”電路復(fù)位，“看門(mén)狗”從0開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。但當(dāng)單片機(jī)由于干擾等原因不能正常向“看門(mén)狗”電路輸出復(fù)位脈沖時(shí)，如果“看門(mén)狗”的定時(shí)時(shí)間已到，MAX706的端就會(huì)輸出一個(gè)脈沖給單片機(jī)，使單片機(jī)復(fù)位，使其從故障狀態(tài)恢復(fù)正常。MAX706實(shí)現(xiàn)的硬件“看門(mén)狗”電路（a）硬件“看門(mén)狗”

MAX706是一款帶有“看門(mén)狗”和電壓監(jiān)控功能的芯片，由其構(gòu)成的硬件“看門(mén)狗”。

4.軟件的可靠性技術(shù)第107頁(yè)，課件共115頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）軟件“看門(mén)狗”

軟件“看門(mén)狗”技術(shù)的基本思路是：在主程序中對(duì)定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序進(jìn)行監(jiān)視；在定