第七章机电有机结合分析与设计

1、1 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 6 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第二节第二节 机电有机结合之一机电有机结合之一 机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电一体化系统的稳态设计考虑方法 一、典型负载一、典型负载 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合

2、分析与设计 j T j J i F i v i M )( jj n )( kk n 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 2 1 2 1 k j n j j k i m i i k eq J v MJ 等等效效惯惯量量： 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 2 1 2 1 k j n j j k i m i i k eq J v MJ 等等效效惯惯量量： 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 222 21 ) 2 1 () 2 () 2 1 ()( z zP m z z JJJJJ h iszzm 2 ) 10002 ( mz MJ

3、 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 dt d JJT kk eqk k eq k 惯惯 g GD D g G mDJ 44 1 4 1 2 22 JgGD4 2 60 2 n dt dn 375 GD dt dn 60 2 g4 GD T k 2 eq k 2 eq k 惯惯 k eq J 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 dt dn 375 GD dt dn 60 2 g4 GD T k 2 eq k 2 eq k 惯惯 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机

4、电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 n j jj m i ii tTtvFW 11 tTW k k eqK k eq T WW K n j kjj m i kii k eq TvFT 11 / 等等效效转转矩矩： 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 知移动部件 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 m eq J 2 2 122 2 1 1 ) 10002 ()( z zmz M z z JJJJ AIIm m eq 2445 ) 40 20 (107105104 2 ) 40 20 10002 401 (400 2 0407. 0mkg

5、第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 m eq T 40 20 4 100 1 800)() 10002 ( 2 1 2 12 z z T z zmz FT LL m eq mN 10 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 m m eq m eq m eqJTTTT 惯惯 / )( / TTT m eq惯惯 T T m eq 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 机床工作台某方向进给系统如图所示，步进电机输出轴上所受等效负载转矩 2.5Nm，等效转动惯量 m eq T m eq J 惯惯 T t J mm eq T 惯惯 T() m

6、eq T / 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 max / jq TT q T T q T 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 max max 55. 9 T nJT P m m eq m eq 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 21 2 2 21 2 1 tt tTtT TT dxeq eqeq 热热 m N k T T max 热热 eq TTN dxN PP 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 i ph 360 maxL m i maxLm

7、 TiT 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 1 L m L m L m i L L mm L m LF ma i i J J i J J i T TT )()( 22 Lm LFm L JiJ TiT 2 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 0 i L m L m LF m LF J J T T T T i 2 )( m L J J i m L J i J 2 Lm LFm L JiJ TiT 2 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 n iiii 321 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 112 iDD

8、 234 iDD 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 n iiii 321 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 )/( 1 max n k knk i max k kn i 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 4 1 2 1 2 12 131 32 ) 4 ( 8 1 8 1 d g B d g B d mdJJ 4 11 4 22 32 iJd g B J 4 1 1 4 21 4 44 )( 32i i JiJ

9、d g B J ) 1 1( 4 1 2 2 1 2 11 i i i iJJme 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 0 1 i Jem 02 22 1 6 1 iii 021 2 2 4 1 ii 2/)1( 4 12 ii 1 4 1 i 2/ 2 12 ii 2/1 1 2/1 21 )2()2( i i ii 3/1 1 )2(ii 3/13/12 2 )2 2 ()2/(i i ii ) 1 1( 4 1 2 2 1 2 11 i i i iJJme 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与

10、设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 J KT T /1085. 7 32 4 19 4 1 radmN l d l Gd K ss T /srad 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 sW JJJJ 3 1 2 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 m Ke omech /srad 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 tnnsbe KKKKK 11 4 1 4 11 tnnsbe KKKK

11、K 11 4 1 2 11 tnnsbe KKKKK 111 2 11 tnnsbe KKKKK 111 2 11 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 ss s l d l Ed K 2 111 2 1 1065. 1 4 /mN 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 tnnsbe KKKKK 111 2 11 m Ke omech 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 N200 5 1 1032.7 J 2 mkg 5 2 108.76 J 2 mkg 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 2 434 0 00

12、12. 0 8 . 932 765205 . 1)1032( 32 mkg g ld J s s 22 3 2 000186. 0) 2 106 ( 8 . 9 2000 ) 2 (mkg t g W J s W 2 2 001354. 00012. 0 3 1 000768. 0000186. 0 3 1 mkgJJJJ sW J KT T 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 /5487 5 . 1 )032. 0( 1085. 71085. 7 4 9 4 19 radmN l d K s T 2013 001354. 0 5487 J KT T /srad tnns

13、be KKKKK 111 2 11 m Ke omech 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 R1 2 x(s) y(s) G x(s) R1 G y(s) x(s) R1 G y(s) R1 G 222 x(s) C1 )()(txKty P 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 V-1 V-1 调节器调节器 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 R1 2 x

14、(s) y(s) G x(s) R1 G y(s) x(s) R1 G y(s) R1 G 222 x(s) C1 dttx T ty i )( 1 )( 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 V-1 V-1 调节器调节器 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 R1 2 x(s) y(s) G x(s) R1 G y(s) x(s) R1 G y(s) R1 G 222 x(s) C1 3 ) 比例比例积分积分(PI)调节调节图图c 传递函数：传递函数：Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：其中：KP =R2/R1； Ti = R2C。 时

15、域：时域：)( 1 )()(dttx T txKty i p 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 V-1 V-1 调节器调节器 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 R1 2 x(s) y(s) G x(s) R1 G y(s) x(s) R1 G y(s) R1 G 222 x(s) C1 (4 ) 比例比例积分积分微分微分( PID )调节调节 传递函数传递函数：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中其中: :KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2); ; Ti = R1C1 R2C2； Td = R1C1R2C2/(

16、R1C1+R2C2)。 时域：时域： )( )( 1 )()( dt tdx Tdttx T txKty d i p 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 V-1 V-1 调节器调节器 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在有效输入对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在有效输入 信号和外界干扰

17、信号作用下，为改善系统的性能加入调节信号和外界干扰信号作用下，为改善系统的性能加入调节 器器G Gc c(s)(s)。 在控制系统的性能评价中，重要的一项是在控制系统的性能评价中，重要的一项是使系统输出使系统输出 误差（与目标参量相比）最小和在外界干扰作用下产生输误差（与目标参量相比）最小和在外界干扰作用下产生输 出（扰动误差）最小出（扰动误差）最小。 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 )()()()(1 )()()( )( )( sGsGsGsG sGsGsAG sR sC hpVc pVc )()()()(1 )()( )( )( sGsGsGsG sGsG sD

18、sC hpVc dP 在输入信号作用下，系统的传递函数：在输入信号作用下，系统的传递函数： 在干扰信号作用下，系统的传递函数：在干扰信号作用下，系统的传递函数： e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 )( )()()()(1 )()( )( )()()()(1 )()()( )(sD sGsGsGsG sGsG sR sGsGsGsG sGsGsAG

19、 sC hpVc dP hpVc pVc e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 1 )( sT K sG d p p P d K sG 1 )( hh KsG )( VV KsG )( 0 )(KsGc )( )()()()(1 )()( )( )()()()(1 )()()( )(sD sGsGsGsG sGsG sR sGsGsGsG sGsGs

20、AG sC hpVc dP hpVc pVc e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 )( 1 )( 1 )( 1 2 1 1 sD s K sR s K sC hPV PV KKKK KKAK K 0 0 1 1 hPV d KKKK T 0 1 1 hPV KKKK K 0 2 1 1 )( 1 )( 1 1 sR s K sCr )( 1 )(

21、1 2 sD s K sCd e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 hPV d KKKK T 0 1 1 )( 1 )( 1 1 sR s K sC r 一阶系统一阶系统 T称为系统的时间常数，是一称为系统的时间常数，是一 阶系统的重要特征参数，表征阶系统的重要特征参数，表征 了系统过渡过程的品质，了系统过渡过程的品质，T越越 小，系统响应越快。小，

22、系统响应越快。 1 1 TsSR sC 一阶系统的单位阶跃响应一阶系统的单位阶跃响应 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 02 0 1 2 0 1 2 001 lim)( 1 lim)(lim)(limDK s D s K ssD s K sssCtCC ss d s d t ssd hPV KKKK K 0 2 1 1 e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 0 )(KsGc 第七章机

23、电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 01 0 )(lim)(limRKssCtCC r s r t ssr hPV PV KKKK KKAK K 0 0 1 1 )( 1 )( 1 1 sR s K sCr e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 0 )(KsGc 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件

24、 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 0 )(KsGc 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 )( )1( 1 1 1 )( )1( 1 )1( )( 0 sD sTsT KKK sT sR sTsT KKK sTsT KK A sC di hp d di hpv di pv sT sG i c 1 )( )( )()()()(1 )()( )( )()()()(1 )()()( )(sD sGsGsGsG sGsG sR sGsGsGsG sGsGsAG s

25、C hpVc dP hpVc pVc e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 )( 1 1 )( 1 )( 22 sD TT KKK s T s S T sR TT KKK s T s TT KK A sC di hpv d d di hpv d di pv sssCtCC s d s d t ssd 00 lim)(lim)(lim s D TT K

26、KK s T s S T di hpv d d0 2 1 1 0 第七章机电有机结合分析与设计第七章机电有机结合分析与设计 0 0 )(R K A ssCimlC h r s ssr )( 1 1 )( 1 )( 22 sD TT KKK s T s S T sR TT KKK s T s TT KK A sC di hpv d d di hpv d di pv e R(s) 基准信号 反馈量 G (s) h 检测量 偏差信号 设定元件 A G (s) M(s) G (s) C 调节器 G (s) 控制元件 V D(s) 外部干扰 G (s) 执行元件 P d 目标值 被控量 C(s) hh KsG )( 第七章机电