机电一体化系统的元部件特性ch资料PPT学习教案

1、会计学1机电一体化系统的元部件特性机电一体化系统的元部件特性ch资料资料2第1页/共39页3 反馈：反馈：“反馈”是通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输入端，使之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。 传递函数与拉普拉斯变换：传递函数与拉普拉斯变换：在经典控制理论中，研究机电体化系统的动态特性是以传递函数为基础的，而传递函数是通过数学中的拉普拉斯变换定义的。 获取传递函数的方法：获取传递函数的方法： 当系统(或执行元件)的运动能够用相关定律(如电学、热学、力学等的某些定律)描述时，该系统(或执行元件)的传递函数就可用理论推导的方法理论推导的方法

2、求出。 对那些无法用相关定律推导其传递函数的系统(或执行元件)，可用实验法实验法建立其传递函数。第2页/共39页4 常用函数的拉氏变换和反变换可从拉氏变换表中查出，通常不必自己计算。一、拉普拉斯变换与传递函数第3页/共39页5 一般来说，机电一体化系统(或元件)的输入量输入量(或称输入信号)和输出量输出量(或称输出信号)可用时间函数时间函数描述，输入量与输出量之间的因果关系因果关系或者说系统（或元件）的运动特性运动特性可用微分方程微分方程描述。 系统(或元件)的运动特性也可以用传递函数传递函数描述。 线性定常系统线性定常系统( (或元件或元件) )的传递函数定义为：的传递函数定义为：零初始值下

3、，系统（元件）输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。 当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。系统的过渡过程。 二、系统的过渡过程特性第4页/共39页6 系统（或执行元件）在阶跃信号作用下(即操作量阶跃变化时)的过渡过程，大致可分为稳定过程稳定过程、不稳定过程不稳定过程( (发散发散) )、稳定过程稳定过程( (有振荡有振荡) )三种情况，并可近似地用传递函数表示。图5.1 过程的瞬态响应第5页/共39页7 伺服系统伺服系统有时也称伺服机构伺服机构，它是以机械位置或角度作

4、为控制对象的自动控制系统。其输出量随输入量的变化而变化，因此，有时也称随动系统随动系统。 如果输出量不仅受输入量控制，而且反馈回来影响输入量，则称其为闭环控制闭环控制或反馈控制反馈控制。并且由于系统是利用输出量与输入量之间的偏差进行控制的，故又称负反馈控制负反馈控制。对于输出量与输入量之间只有顺向作用，而无反向联系的控制，则称其为开环控制开环控制。 实例 三、伺服系统及其动态特性第6页/共39页8第7页/共39页9 根据控制系统框图，和系统中各元件的传递函数，以及控制理论，可以写出系统总的传递函数。可以分析：可以分析： 1）系统过渡过程品质系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和振荡性。 2）系

5、统的稳态精度系统的稳态精度，即稳态误差的大小。第8页/共39页10 流经系统的信号随时间连续变化时，则称系统为连续时间系统连续时间系统，其信号为连续时间信号；在系统中，只要有一个地方的信号是脉冲信号或数字信号时，就称系统为离散系统离散系统或称采样系统采样系统，其脉冲信号或数字信号称为离散信号离散信号或采样信号采样信号。 所谓采样采样是指将连续时间信号转变为脉冲或数字信号的过程。采样控制系统包括一般的采样系统一般的采样系统和数字控制系统数字控制系统。四、采样控制简介一般采样控制系统实例 第9页/共39页图5.7 炉温控制系统原理图第10页/共39页12图图5.10 5.10 采样系统典型结构采样

6、系统典型结构保持器保持器被控对象被控对象反馈元件反馈元件误差信号误差信号采样信号采样信号保持器处理之保持器处理之后的采样信号后的采样信号第11页/共39页13图图5.11 5.11 数字控制系统工作原理框图数字控制系统工作原理框图系统中含有数字计算机或者数字式控制系统的系统，称之为数字控制系统。信号的采样信号的采样信号的复现信号的复现第12页/共39页14图图5.12 A/D5.12 A/D转换过程转换过程将采样信号，也就是时间上离散而幅值上连续的信号，量化后成为数字信号的过程，这是一个近似过程，称为量化过程量化过程。第13页/共39页15图图5.12 D/A 5.12 D/A 转换过程转换过

7、程每个采样周期内保持数字信号为常值。第14页/共39页16 本章主要介绍机电一体化系统中的机械系统机械系统、传感系统传感系统和执行元件系统执行元件系统等几个子系统的基本特性，并从机电一体化系统构成要素的角度说明其分析方法。第15页/共39页17第16页/共39页 齿轮传动机构图（线性传动机构）第17页/共39页（线性传动机构）第18页/共39页 回转-直线(或直线-回转)线性变换机构图a齿轮齿条机构图；图b滚珠丝杠副第19页/共39页21 机构静力学所研究的问题是： 机构输出端所受负载(力或转矩)向输入端的换算； 机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的影响； 求由上述各种力或重力加速度引起的机构

8、内部各连杆、轴承等的受力。 这里主要对研究机电一体化系统设计中机电有机结合最重要的第一、第二个问题加以叙述。第三个问题是机构的强度、刚度设计中要研究的重要问题，此处予以省略。第20页/共39页22yyxyxFxyFFddnnynnxMMMyFTTTxF),(),(22112211yTxFxyFFxxyyFy = f(x),M,M,M,T,T,TFxxFyyy = f(x)2）多输入）多输入多输出机械系统多输出机械系统 输入功的总和与输出功的总和：输入功的总和与输出功的总和：输入力与输出负载的关系：输入力与输出负载的关系：第21页/共39页23图5.21 滑动丝杠变换机构 第22页/共39页24

9、r0丝杠螺纹中径处半径；Tx使丝杠产生转动所需转矩；FxFn 、 uFn在x向的分力；Fy螺母所受的向上推力，也为Fn 、 uFn在y向的分力；u摩擦系数；第23页/共39页25sincoscossinnnynnxFFFFFF)arctantan(00rFrFTyxx)arctantan(0r可推导出使丝杠转动所需的转矩：可推导出使丝杠转动所需的转矩：得出得出Fy 向向Tx 转换的转换的变换系数为：变换系数为：因摩擦阻力存在，该值会有变化，因摩擦阻力存在，该值会有变化， 但不受输入转角的影响。但不受输入转角的影响。第24页/共39页262）非线性变换机构）非线性变换机构第25页/共39页27y

10、FaT)cos()sin(cosarctan其中：其中：ABCabFyy因摩擦阻力存在，从因摩擦阻力存在，从Fy向向T的变换系数与的变换系数与有关，但不是比例关系。有关，但不是比例关系。第26页/共39页28第27页/共39页29机械量变换机械-电气变换运算放大电路GmGmeGexsyvv 输入量与电信号输出量之间的变换关系（传递函数）输入量与电信号输出量之间的变换关系（传递函数） Gs = Gm Gme Ge 除此之外，有时还需整形滤波、模数转换的处理变换等信除此之外，有时还需整形滤波、模数转换的处理变换等信号转换过程。号转换过程。第28页/共39页30第29页/共39页31霍尔效应：霍尔效

11、应：是指当固体导体有电流通过，且放置在一个磁场内，导体内的电荷载子受到磁场力而偏向一边，继而产生电压。电场力会平衡磁场力。第30页/共39页32dtdiLvdxdyksdtdiLvdtdksRLsKsGme/1动电式变换器的变换式为（动电式变换器的变换式为（k感应电压常数）：感应电压常数）：或或传递函数：传递函数：当当Ls/R1时，时，Gmed/C，输出与力成比例。，输出与力成比例。第32页/共39页34铁氧体铁芯一次线圈二次线圈yyy发光元件受光元件（1）差分变压器。）差分变压器。（2）静电式变换器。）静电式变换器。（3）应变计测量应力变）应变计测量应力变化的变换器。化的变换器。（4）光电编码器。）光电编码器。第33页/共39页35第34页/共39页36 对于典型的质量、弹簧、阻尼系统（检测对象为位移对于典型的质量、弹簧、阻尼系统（检测对象为位移x）0kyyyxm 运动方运动方程：程：mkn/固有频率：固有频率：mk2/阻阻 尼尼 比：比： 2222nnmssssxsysG 传递函数：传递函数：0.11010.110= 0.10.20.50.711振幅频率特性曲线振幅频率特性曲线只有当只有当/n1 1时，才有时