控制原理及其应用PPT课件-第二章机械系统模型的建立及机电相似系统的等效转换.ppt

第2章 机械系统模型的建立及机电相似系统的等效转换,2.1 机械系统模型的建立,1模型的分类,实体模型,模拟仿真模型 计算机仿真 或用一种物理量代替另外一种物理量,图式模型 设计图，网络图 流程图，电路图,物理模型 物理参数,数学模型 数学方程,机械系统物理模型的建立,物理量 质量(m)或转动惯量（j） 弹性系数(k) 粘滞阻尼系数(f),结构装配图,简化,结构原理图,抽象,物理模型,m,k,f,x,f,机床工作台进给系统物理模型建立,（a） （b） 机床工作台进给系统的结构原理图及其物理模型,运动部件的转化质量,粘滞阻尼系数,弹性系数,工作台位移,工作台受力,机械系统数学模型的建立,依据是物理模型。 根据各参数的相互关系，通过有关的定律、定理和规律等建立数学表达式，该表达式正确地反映了系统的本质。 在数学模型的建立中要保证数学模型的简化性和准确性。,机械系统数学模型的建立, 机械运动遵循力学定律 机械运动包括直线运动和转动,有关物理参数的转化和计算 （1）质量和惯量的转化 转化原则：转化前后系统的瞬时动能保持不变。 转化前动能,元件i 的重心s的速度； 元件i对重心轴s的转动惯量； 元件i的瞬时角速度； 元件i的质量； 运动部件（包括移动和转动）的数量， i =1， 2，k，k+1, k+2,n。,被控对象的输出量,转化后被研究对象的瞬时动能,移动元件,转动元件,移动元件为工作台,将（2.5）式代入（2.4）式得,式中 h丝杠螺距（单头螺纹）； z1, z2为传动齿轮的齿数。,（2）弹性系数的计算,拉伸或压缩弹簧力与变形的关系,扭转弹簧扭矩与扭转变形的关系,拉压弹簧弹性系数；,扭转弹簧弹性系数。,弹性系数,k1 k2,m,k1,k2,m,m,k1,k2,(a)串、并联弹簧 (b)并联弹簧,（3）阻尼系数转化为粘滞阻尼系数,摩擦和摩擦力：两物体在有相对运动或运动趋势时，其接触表面将对运动产生阻碍，这种阻碍即为摩擦，其阻碍运动的力即为摩擦力。 摩擦力的形式和大小取决于两物体表面形貌、两面间的压力、相对运动速度及其它一些因素。因此，对摩擦力作到准确的数学描述是困难的。 摩擦的三种类型： 静摩擦、动摩擦（库仑摩擦）、粘滞摩擦。,摩擦的类型及力与速度的关系曲线,（a）静摩擦 （b）动摩擦 （c）粘滞摩擦,粘滞摩擦力与速度成正比， 库仑摩擦力与速度的大小无关。,f,f,f,f,摩擦对伺服系统来说会带来误差，当摩擦力或摩擦扭矩大而驱动系统刚度低。特别是低速时，易出现有输入而无输出、时动时停、时快时慢的不平稳运动现象，这就是爬行。目前学术界在爬行机理的认识上还不完全一致，通常倾向于认为是由于摩擦系数的非线性和运动部件刚性不足所致。 在谐振系统中，将库仑摩擦系数转换为粘滞摩擦阻尼系统，谐振方程为,转换的原则是转换前后耗散的功相等。 粘滞阻尼耗散的功为uc，则,库仑摩擦力f作的功为uf，则,正压力,库仑摩擦系数 a振幅。,则,2.2 机电相似系统的等效转换,为便于对某些非电类系统的研究可利用电系统与非电系统的相似关系，将非电系统模型转换为等效的电模型。 相似系统的等效转换是研究系统品质的模拟方法。 相似的两种分类方法 外表（或外貌）相似与行为（或固有品质）相似。 物理相似和数学相似。,物理相似和数学相似,物理相似 是指实型与模型具有的物理学或几何学上的参数相似。 数学相似 是描述实型与模型行为规律的数学方程相似。 机电相似系统 主要指机械系统和电系统的数学方程相似（本节是指传递函数相似）。根据机、电系统数学模型的形式相同，以力与电压，速度与电流相似等为基础建立起来的各种相似和对应关系，即有关机械系统的状况完全可以用电阻-电感-电容串联电路来断定。,1机电系统相似判断(例1),k1,f1,k2,f2,xi,xo,i1,r1,c1,r2,c2,i,ei,eo,（a）机械系统 （b）电系统,建立图2.4（a）的数学模型为,(2.11) (2.12),对上式进行拉氏变换，并令初始条件为零,(2.13) (2.14),由（2.14）式得,(2.15),将（2.15）式代入（2.13）式得,(2.16),由（2.16）式得,(2.17),建立图2.4（b）的数学模型,（2.18）,（2.19）,（2.20）,对上式进行拉氏变换、并令初始条件为零,（2.21）,（2.22）,（2.23）,式（2.22） 得,（2.24）,式（2.23） 得,（2.25）,式（2.24）加(2.25)式得,则,（2.26）,将式（2.21）代入（2.26）式得,（2.27）,将（2.21）除（2.27）式得,（2.28）,由（2.17）式和（2.28）式可得出如下对应关系,k1,k2,f1,r1,f2,r2,弹性系数,电容,粘滞阻尼系数,电阻,2机电系统相似判断(例2),求图2.5（a）以力f为输入，位移x为输出，图2.5（b）以电压 为输入，电荷量q为输出的传递函数，并证明两系统是否等效，并写出各参数的对应关系。,m,(a) (b),k,f,f,x,r,l,ei,eo,i,c,图2.5（a）机械物理模型的数学模型为,(2.29),对（2.9）式进行拉氏变换，令初始条件为零,传递函数为,(2.30),图2.5（b）电物理模型 的数学模型为,(2.31),对（2.31）式进行拉氏变换，并令初始条件为零,(2.32),则,由（2.30）和（2.32）式可知两系统等效，即相似。并可得出如下对应关系,力,电压,位移,电荷量,质量,电感,粘滞阻尼系数,电阻,弹性系数,电容,如果将图2.5（b）换成图2.6，以总电流i为输入，以输出电压 的磁通 为输出的传递函数，并证明图2.5（a）与图2.6两系统是否等效，并写出各参数的对应关系。,3机电系统相似判断(例3),i ei l r c eo il ir ic,m,k,f,f,x,图2.6电物理模型的数学模型为,(2.33),对（2.33）式进行拉氏变换，令初始条件为零,(2.34),则传递函数为,力,电流,位移,磁通,质量,电容,粘滞阻尼系数,电阻,弹性系数,电感,机械系统与电