全国月社会保险基金管理与监督自考试题PPT课件

1 第七章机电结合分析 2 静态设计与动态设计机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电一体化系统的动态设计考虑方法机电一体化系统的可靠性设计和安全性设计 7 机电结合分析 3 稳态设计与动态设计的概念 机电一体化系统 产品 的设计过程是机电参数相互匹配 即机电有机结合的过程 机电伺服系统是典型的机电一体化系统 转速 位移 加速度 功率 转矩 增益 驱动电流 机械机构 电路与控制器 软件 控制机理 动态设计 系统稳定性 响应快速性 震荡等 设计校正补偿装置 使系统满足动态技术指标要求 通常要进行计算机仿真 或辅助设计 初步方案稳态设计 机械结构 电气原理 监控软件 系统的输出运动参数达到技术指标要求 结构设计 执行元件 如电动机 的匹配选型 各主要元部件的选择与控制电路设计 并为动态设计中的校正补偿装置留有余地 4 7 1机电一体化系统 产品 的稳态设计考虑方法 负载分析执行元件的匹配选择减速比的匹配与各级减速比的分配传感器 接口电路 放大器等匹配选择和设计系统数学模型和主谐振频率的计算 5 7 1 1典型载荷分析 1 典型载荷所谓典型负载 惯性负载 与加速度或角加速度成比例 外力负载 变化或恒定的力或转矩 弹性负载 与位移或转角成比例 摩擦负载 滑动摩擦负载 黏性摩擦负载 滚动摩擦负载等 与速度或转速成比例 实际系统负载可能是以上几种典型负载的组合 不一定均包含上述所有负载项目 6 2 载荷的等效换算 Fj阻力 负载 Tj转矩Mi工作台质量Vi工作台速度Jj转动惯量ni转速 7 1 求转动惯量系统总动能 2 求等效转矩时间t内系统做的总功 因此 得到 电机输出轴上的总动能 工程上用转速计算 t时间内的转角 执行元件所做的功 所以 得 工程上用转矩计算 8 计算注意事项 1 理论公式单位kgms制 2 工程上转速n用rmp 转 分 3 模数单位一般采用mm计算 4 单位为rad s 9 3 计算实例 已知 M 400kgF 800N转动惯量 Jm 4x10 5kgm2JI 4x10 5kgm2JII 4x10 5kgm2TL 4NmZ1 20Z2 40m 1 求 等效转动惯量等效转矩 10 1 求Jmeq 2 求Tmeq 已知 M 400kgF 800N Jm 4x10 5kgm2 JI 4x10 5kgm2 JII 4x10 5kgm2 TL 4Nm Z1 20 Z2 40 m 1 11 7 1 2执行元件匹配选择 1 转矩匹配 考虑传动效率 12 2 功率匹配 过热验算 过载验算 一般取 小功率伺服系统 13 实例 Tmeq 2 5NmJmeq 3X10 2kgm2 m 50ard s t 0 5s 0 85 14 7 1 3减速比选择与各级减速比的分配 减速比的选择 1 加速度最大 2 速度最大 f1电动机粘性摩擦系数 f2负载粘性摩擦系数 3 转角匹配 位移 4 输出轴转角误差最小 5 对速度 加速度均有要求按 1 求i 再检验 15 各级转速分配原则 重量最轻原则输出轴转角误差最小原则转动惯量最小原则 等模数 等齿宽 小功率 否则 先大后小 等模数 等齿宽 小功率 大功率 由大到小 末级取大 提高最后一个齿轮的精度 16 7 1 4传感器 执行元件与接口电路匹配 一 模拟信号传感器 接口卡 AD卡 电压匹配 阻抗匹配 精度 信噪比 仪表放大器 接口卡 执行元件 DA卡 电流及电压匹配 功率放大器或电流放大器 二 脉冲信号传感器输出 接口卡 计数器卡 脉冲整形与放大 整形限幅放大器 接口卡 执行元件 脉宽调制卡 脉冲功率放大器或电流放大器三 数字信号TTL电平 CMOS电平 I O卡 等各种电平与驱动能力匹配 电压放大器或功率放大器 17 AD转换 DO DI DA转换 机电一体化系统的典型微机控制系统组成 18 7 1 5主谐振频率的计算 19 7 2机电一体化系统的动态设计考虑方法 动态设计 1 系统控制方法 2 校正形式 3 设计校正器目标 使系统满足动态指标的要求而成为稳定系统 20 7 2 1系统调节方法 上升时间延滞时间调整时间超调量 21 比例调节器积分调节器比例 积分调节器比例 积分 微分调节器 1PID调节器 22 2典型信号响应 23 3系统的动态特性 一阶系统特性二阶系统特性N阶系统特性 24 25 n系统无阻尼固有频率 系统阻尼比K系统各传递系数 比例系数 放大倍数 之积TM系统时间常数注 1 1 过阻尼 系统稳定 2 1 临界阻尼 临界状态 3 0 1 欠阻尼 衰减阻尼 系统稳定 有超调 小响应速度快 但超调量大 系统的稳定性和响应的平稳性差 4 0 无阻尼 系统处于稳定与不稳定的临界状态 单位阶跃函数的响应为等幅振动 共振频率为 n 一般超调量1 5 25 取0 4 0 85 26 传递函数分子多项式的根称为零点 Zi I 1 2 m 传递函数分母多项式的根称为极点 Pi I 1 2 n 则传递函数写为 分母多项式 0称为系统的特征方程 其根称为特征根 与上述极点是一致的 反映了系统的共振点 注 为简化系统 一般将高阶系统简化成二阶系统 来近似讨论或估计系统的性能 27 7 4机电一体化系统的可靠性设计和安全性设计 1 可靠性设计的基本概念在规定条件下 规定时间内完成规定功能的能力 任何材料 载荷都是随机变量 都有可能失效 用概率理论定量分析产品在工作中的可靠程度 2 常用指标失效率可靠度平均寿命 28 3提高可靠性措施 1 元 器件严格筛选 2 抗干扰措施 3 自诊断和自纠错技术 4 容错和冗余技术 5 软件可靠性技术 二安全性设计 29 7 数字控制方法 数字PID模糊控制神经网络控制 30 7 1 数字PID控制算法 PID控制算法的优越性 c 算法简单 易于掌握 a P I D三个参数的优化配置 兼顾了动态过程的现在 过去与将来的信息 使动态过程快速 平稳和准确 b 适应性好 鲁棒性强 31 理想PID控制算法 连续形式 离散等效 以求和替代积分 向后差分替代微分 位置算式 32 理想PID的递推算式 向后差分法离散化 33 理想PID的增量差分形式 其中 34 实际微分PID控制算法 实际微分PID的一种连续形式 理想微分PID的不足 1 干扰作用下机构动作频繁 2 微分输出常越限 不能充分发挥作用 35 36 37 增量式PID控制算法 38 实际微分的离散化 39 差分形式 40 理想微分PID与实际微分PID阶跃响应对比 41 实际微分PID与理想微分PID对比 1 理想微分PID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一个大幅度的输出 在实际使用这会产生两方面的问题 一是控制输出可能超过执行机构或D A转换的上下限 二是执行机构的响应速度可能跟不上 无法在短时间内跟踪这种较大的微分输出 这样在大的干扰作用情况下 一方面会使算法中的微分不能充分发挥作用 另一方面也会对执行机构产生一个大的冲击作用 相反地 实际微分PID算法由于惯性滤波的存在 使微分作用可持续多个采样周期 有效地避免了上述问题的产生 因而具有更好的控制性能 2 由于微分对高频信号具有放大作用 采用理想微分容易在系统中引入高频的干扰 引起执行机构的频繁动作 降低机构的使用寿命 而实际微分PID算法中包含有一阶惯性环节 具有低通滤波的能力 抗干扰能力较强 42 其它形式的实际微分PID 43 手动 自动跟踪与无扰动切换 1 自动到手动 主要由手动操作器的硬件实现 手动操作器 自动状态下 跟随器 切换过程中 保持器 手动状态下 操作器 2 手动到自动 起主要作用的是计算机PID算法的软件 需硬件支持 采样手动器或执行机构输出的所谓阀位值 即获得 44 手动 自动跟踪与无扰动切换 续 2 手动到自动 目的 使 手动状态下 使算法中 等历史状态清零 切换过程中 目的使 1 SP跟踪PV 完全无扰 缺点SP须重新设定 2 SP不跟踪PV 无须重设SP 切自动时偏差不能过大 以利减小切换扰动 45 7 1数字PID算法的改进 常用改进算法 积分分离算法抗积分饱和算法微分项改进带死区的算法 46 积分分离算法 现象 一般PID 当有较大的扰动或大幅度改变设定值时 由于短时间内出现大的偏差 加上系统本身具有的惯性和滞后 在积分的作用下 将引起系统过量的超调和长时间的波动 积分的主要作用 在控制的后期消除稳态偏差 普通分离算法 大偏差时不积分 当时 采用PID控制当时 采用PD控制 47 积分分离值的确定原则 图9 3不同积分分离值下的系统响应曲线 48 变速积分 0 B A B B A B e k t PID 变速积分 变速积分 PD PD 49 抗积分饱和措施 现象 由于控制输出与被控量不是一一对应的 控制输出可能达到限幅值 持续的积分作用可能使输出进一步超限 此时系统处于开环状态 当需要控制量返回正常值时 无法及时 回头 使控制品质变差 抗积分饱和算法 输出限幅 输出超限时不积分 当时 采用PD控制当时 采用PD控制其他情况 正常的PID控制 50 串级系统抗积分饱和 副调节器输出达到限幅值时 主调节器输出可能处于正常状态 此时仍存在积分饱和现象 串级抗积分饱和 主调节器抗饱和根据副调节器输出是否越限 抗积分饱和与积分分离的对比 相同 某种状态下 切除积分作用 不同 抗积分饱和根据最后的控制输出越限状态 积分分离根据偏差是否超出预设的分离值 51 微分项的改进 实质 通过低通滤波 克服微分对高频干扰敏感的不足 措施 1 实际微分算法 2 对微分输入项进行低通滤波 如均值滤波 去极值滤波 限幅滤波等3 微分先行算法 只对被控量进行微分不适用于副调节器 52 带死区的算法 注意 死区是一个非线性环节 不能象线性环节一样随便移到PID控制器的后面 53 具有回差的控制系统可能出现的过程响应曲线 54 7 2数字PID参数的整定7 理论整定方法 依赖于被控对象的数学模型 仿真寻优方法工程整定方法 近似的经验方法 不依赖模型 扩充临界比例带法 下表 扩充响应曲线法 55 扩充临界比例带法 扩充临界比例带法是模拟调节器中使用的临界比例带法 也称稳定边界法 的扩充 是一种闭环整定的实验经验方法 按该方法整定PID参数的步骤如下 1 选择一个足够短的采样周期 所谓足够短 具体地说就是采样周期选择为对的纯滞后时间的1 10以下 2 将数字PID控制器设定为纯比例控制 并逐步减小比例带 使闭环系统产生临界振荡 此时的比例带和振荡周期称为临界比例带和临界振荡周期 56 3 选定控制度 所谓控制度 就是以模拟调节器为基准 将DDC的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较 控制效果的评价函数通常采用 最小的误差平方积分 表示 控制度 22 实际应用中并不需要计算出两个误差的平方积分 控制度仅表示控制效果的物理概念 例如 当控制度为1 05时 就是指DDC控制与模拟控制效果基本相同 控制度为2 0时 是指DDC控制比模拟控制效果差 4 根据选定的控制度查表1 求得的值 5 按求得的整定参数投入运行 在投运中观察控制效果 再适当调整参数 直到获得满意的控制效果 57 58 7 3模糊控制技术基础 1 把精确量 一般是系统的误差及误差变化率 转化成模糊量 2 按总结的语言规则 如图9 13的规则库中 进行模糊推理 3 将推理的结果从模糊量转化成可以用于实际控制的精确量 59 7 3 1模糊控制器的输入输出变量 1 模糊控制器的输入 输出变量 模糊控制器的输入变量通常取误差E 误差的变化EC 构成二维模糊控制器 2 描述输入和输出变量的词集 负大 负中 负小 零 正小 正中 正大 NB NM NS O PS PM PB 特别地误差变量的词集 负大 负中 负小 负零 正零 正小 正中 正大 NB NM NS NO PO PS PM PB 60 7 3 1模糊控制器的输入输出变量 续 3 变量的模糊化 基本论域 某个变量变化的实际范围 误差的基本论域为 误差变化的基本论域为 输出变量的基本论域为 变量的模糊子集论域 基本论域到模糊子集论域 的转换公式 61 7 3 1模糊控制器的输入输出变量 续 3 变量的模糊化 E和EC的论域 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 控制量U的论域 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 4 隶属度 隶属度 描述某个确定量隶属于某个模糊语言变量的程度 模糊控制中变量的隶属度度常采用正态型 62 模糊变量E的赋制值表 63 模糊变量EC的赋制值表 64 模糊变量U的赋制值表 65 7 3 2建立模糊控制规则 条件语句的基本类型 ifAorBandCorDthenE 66 7 3 3模糊关系与模糊推理 以ifAthenB类型为例 例 67 7 3 3模糊关系与模糊推理 续 68 7 3 3模糊关系与模糊推理 续 7 为取小运算 为取大运算 69 7 3 4模糊判决 1 最大隶属度法 2 加权平均判决法 70 7 3 5模糊控制表 71 7 3 6确定实际控制量 9 3 7模糊控制算法的工程实现 1 查表法 2 软件模糊推理法 3 模糊控制器专用芯片 72 8设计实例 1 伺服系统设计 2 检测设备 3 加工设备 73 设计实例 1伺服系统设计 步进电机驱动的丝杠螺母传动系统 要求