机电有机结合的分析与设计

1、6.1 概述概述6.2 机电有机结合之一机电有机结合之一 机电一体化稳态设计的考虑方法机电一体化稳态设计的考虑方法6.3 机电有机结合之二机电有机结合之二 机电一体化动态设计的考虑方法机电一体化动态设计的考虑方法6.4 可靠性、安全性设计可靠性、安全性设计n机电一体化系统设计过程是机电有机结合即机电参数相互机电一体化系统设计过程是机电有机结合即机电参数相互匹配的过程。匹配的过程。 n机电伺服系统是典型的机电一体化系统。机电伺服系统是典型的机电一体化系统。 n工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。要求的。n机电伺服系统设计的一

2、般方法机电伺服系统设计的一般方法制订出系统的控制方案制订出系统的控制方案4该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元、部件的种该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元、部件的种类，各部分之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源形式类，各部分之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源形式，校正补偿方法，校正补偿方法(以及信号转换的方式等以及信号转换的方式等)。定量的分析计算定量的分析计算4稳态设计计算稳态设计计算4动态设计计算。动态设计计算。通过样机的试验与调试，最后确定系统的实际线路及其实际参数。通过样机的试验与调试，最后确定系统的实际线路及其实际参数。 n稳态设计的目的稳态设计的目的通过

3、稳态设计，系统的主回路各部分特性、参数已初步确定、通过稳态设计，系统的主回路各部分特性、参数已初步确定、便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计作好准备。便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计作好准备。n稳态设计主要内容稳态设计主要内容使系统的输出运动参数达到技术要求使系统的输出运动参数达到技术要求执行元件执行元件(如电机如电机)的参数选择的参数选择功率及过载能力的验算，功率及过载能力的验算，各主要元、部件的选择与控制线路设计，各主要元、部件的选择与控制线路设计，信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，干

4、扰措施等，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。n动态设计主要目的动态设计主要目的机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并不完善。不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品质的要求，甚至是不稳定的。质的要求，甚至是不稳定的。n动态设计的主要内容动态设计的主要内容选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，设计校正装置，将其有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统设计校正

5、装置，将其有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。要求。通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。n通过理论设计计算，完成的通过理论设计计算，完成的仅仅是一个设计方案仅仅是一个设计方案，而且这种工程设计而且这种工程设计计算一般是近似的计算一般是近似的，只能作为工，只能作为工程实践的基础。程实践的基础。n系统的实际线路及其实际参数，往往系统的实际线路及其实际参数，往往要通过样机的要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来试验与调试，才能

6、最后确定下来。n这并不等于以上设计计算是多余的，经过设计计算这并不等于以上设计计算是多余的，经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这对工程实践是必需的，这，这对工程实践是必需的，这有利于减少盲目性和有利于减少盲目性和加快样机的调试和线路参数的确定加快样机的调试和线路参数的确定。一、负载分析1 1典型负载典型负载2. 负载的等效换算负载的等效换算 二、执行元件的匹配选择1系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配2系统执行元件的功率匹配系统执行元件的功率匹配(直流、交流伺服电机直流、交流伺服电机)三、减速比的匹配选择与各级减速比的

7、分配四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计五、系统数学模型的建立1.半闭环控制方式半闭环控制方式2. 全闭环控制方式全闭环控制方式1. 典型负载典型负载n被控对象的运动形式多种多样被控对象的运动形式多种多样n具体负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种具体负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载典型负载，结，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。n典型负载有以下几种典型负载有以下几种惯性负载惯性负载外力负载外力负载弹性负载弹性负载摩擦负载摩擦负载(滑动摩擦负

8、载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。2. 负载的等效换算负载的等效换算 执行元件的额定转矩执行元件的额定转矩(或力或力)，加减速控制及制动方案的选择，加减速控制及制动方案的选择，应与被控对象的固有参数应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等如质量、转动惯量等)相互匹配。相互匹配。要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或力矩力或力矩等等)等效换算到执行元件的输出轴上，即等效换算到执行元件的输出轴上，即计算其输出轴承受的计算其输出轴承受的等效转动惯量和等效负载力矩等效转动惯量和等效负载力矩(回转运动回

9、转运动)或计算等效质量和等或计算等效质量和等效力效力(直线运动直线运动)。 10机床工作台的伺服进给系统 (1)求等效转动惯量求等效转动惯量Jk 该系统运动部件的动能总和为该系统运动部件的动能总和为21212121jnjjimiiJVME设等效到执行元件输出轴上的总动能为设等效到执行元件输出轴上的总动能为 221kkkJE由于由于E=EK，故故 2121kjmjjkimiikJVMJ 2121243600kjnjjkimiiknnJnVMJ（2)2)求等效负载转距求等效负载转距TK 设上述系统在时间设上述系统在时间t内克服负载所作的功的总和为内克服负载所作的功的总和为 同理，执行元件所作的功为

10、同理，执行元件所作的功为 由于由于W=WK，故故 tTtVFWjnjjmiii11 tTWkkk njkjjmikiikTVFT11 kjnjjkimiiknnTnVFT11260（3)3)计算举例计算举例已知：已知：Mg400kg； FL800N(含的摩擦阻力含的摩擦阻力)； Jm410-5kgm 2， JI510-4kgm2； JII710-4kgm2， TL4Nm； Z1=20, Z2=40，m=1求：等效到电机轴上的等效转动惯量求：等效到电机轴上的等效转动惯量和等效转矩。和等效转矩。 解：求解：求Jm根据等效转动惯量一般变换公式根据等效转动惯量一般变换公式 2121241kjnjjki

11、miiknnJnVMJ解：求解：求Jm根据等效转动惯量一般变换公式及根据等效转动惯量一般变换公式及运动变换关系有运动变换关系有 22241mIIIIImmAAmnnJJJnVMJ100010001000112212ZmnmZZZnmZinVmmmA21ZZnnmII解：求解：求Jm 245524020107105104100020141mmmnnJ21264. 0kgm解：解：求求Tm根据等效负载转矩一般变换公式有根据等效负载转矩一般变换公式有 kjnjjkimiiknnTnVFT1121求求Tm NmZZnmZnnnTnVFTmmmIILmALm10410008002121211n伺服系统的

12、有些元、部件已有伺服系统的有些元、部件已有系列化商品供选用系列化商品供选用。n为降低机电一体化系统的成本、缩短设计与研制周期，为降低机电一体化系统的成本、缩短设计与研制周期，应尽可能选应尽可能选用标准化商品用标准化商品。n设计系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条件的设计系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。n被控对象由电机驱动时，电机的转速、转矩和功率等参数应和被控被控对象由电机驱动时，电机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相对象的需要相匹配

13、匹配。n如果如果冗余量冗余量大、易使执行元件价格贵，机电一体化系统的成本升高大、易使执行元件价格贵，机电一体化系统的成本升高，市场竞争下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。，市场竞争下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。n如果选用的执行元件的参数数值偏低，将达不到使用要求。所以，如果选用的执行元件的参数数值偏低，将达不到使用要求。所以，应选择与被控对象的需要相适应的执行元件。应选择与被控对象的需要相适应的执行元件。 1系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配 电机轴上的总负载力矩为电机轴上的总负载力矩为 惯TTTM考虑到机械的总传动效率时，则考虑到机械的总传动效率时，则

14、 惯TTTm额定转矩额定转矩T(Nm或或Ncm)应大于应大于(考虑机械损失考虑机械损失)所需要的最大转矩所需要的最大转矩 T1系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配 1系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的转矩匹配 2系统执行元件的功率匹配系统执行元件的功率匹配(直流、交流伺服电机直流、交流伺服电机) n先进行预选先进行预选 预选电机的估算功率预选电机的估算功率P可由下式确定可由下式确定 2系统执行元件的功率匹配系统执行元件的功率匹配(直流、交流伺服电机直流、交流伺服电机) n验算验算 (1) (1)过热验算过热验算 当负载力矩为变量时，应用等效法求其等效转矩，在电机激磁磁当负载力矩为变量

15、时，应用等效法求其等效转矩，在电机激磁磁通近似不变时通近似不变时NmtttTtTTdx21222121 式中式中t1，t2时间间隔，在此时间间隔内的负载力矩分别为时间间隔，在此时间间隔内的负载力矩分别为T1、T2。则所选电机的不过热的条件为则所选电机的不过热的条件为式中式中 TN电机的额定转矩电机的额定转矩(Nm)； PN电机的额定功率电机的额定功率(W)； Pdx由等效转矩由等效转矩Tdx换算的电机功率；换算的电机功率； Pdx(TdxnN)9.55(W)，式中式中nN为电机的额定转速为电机的额定转速(rmin) dxNdxNPPTT(2)(2)过载验算过载验算 即应使瞬时最大负载转矩与电机

16、的额定转矩的比值不大于某一系数即应使瞬时最大负载转矩与电机的额定转矩的比值不大于某一系数 式中式中 km为电机的过载系数，一般电机产品目录中给出。为电机的过载系数，一般电机产品目录中给出。 mNkTTmax(1)(1)使加速度最大的选择方法使加速度最大的选择方法。当输入信号变化快，。当输入信号变化快，加速度很大时加速度很大时，应使，应使 212mLmLFmLFJJTTTTi(2)(2)最大输出速度选择方法最大输出速度选择方法。当输入信号近似恒速变化，即。当输入信号近似恒速变化，即加速度很小时加速度很小时，应使，应使 21122ffTTTTimLFmLF式中式中 f1 电机的粘性摩擦系数；电机的

17、粘性摩擦系数；f f2 2负载的粘性摩擦系数。负载的粘性摩擦系数。 (3) 满足基本传动送进系统的选择方法满足基本传动送进系统的选择方法。即满足脉冲当量。即满足脉冲当量、步距角步距角和丝杠基本和丝杠基本导程导程l0之间的匹配关系之间的匹配关系 3600li 加速转矩加速转矩 由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使负载加速度最大的方采用使负载加速度最大的方法法。使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为使等效负载转矩最小或负载加速

18、度最大的总传动比，即为最佳总传动比最佳总传动比。 如图，额定转矩为如图，额定转矩为Tm、转子转动惯量为、转子转动惯量为Jm的直流伺服电动机通过减的直流伺服电动机通过减速比为速比为i的齿轮减速器带动转动惯量为的齿轮减速器带动转动惯量为JL负载转矩为负载转矩为TLF的负载，其传动的负载，其传动比如下比如下)()()(22LmaLmLFmLJiJiTJiJTiT 1LmLmLmi LLmLFmaiiJJiTTT )/(/2TmTLF0didL 21)(mLmLFmLFJJTTTTi当当 最佳传动比为最佳传动比为(4)(4)减速器输出轴转角误差最小原则减速器输出轴转角误差最小原则 (5) 对速度和加速

19、度均有一定要求的选择方法对速度和加速度均有一定要求的选择方法 当对系统的输出速度、加速度都有一定要求时，应选按当对系统的输出速度、加速度都有一定要求时，应选按(1)选择减速比选择减速比i，然然后验算是否满足后验算是否满足 为负载的最大角速度；为负载的最大角速度； ninkkiminminmaxmLimaxmaxmaxLLmm为电机输出轴的角速度。为电机输出轴的角速度。 式中式中 29n总减速比确定后，需合理确定减速级数及分配各级速总减速比确定后，需合理确定减速级数及分配各级速比，其分配原则参看第二章。比，其分配原则参看第二章。伺服系统的稳态设计就是要从两头入手伺服系统的稳态设计就是要从两头入手

20、n首先从系统应具有的输出能力及要求，选定执行元件和传动装置；首先从系统应具有的输出能力及要求，选定执行元件和传动装置；n再从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后再从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道。向通道。n最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其它辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。及其它辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。 检测传感装置的匹配检测传感装置的匹配检测传感装置的精度检测传感装置的精度( (即分辨力即分辨力) )、不灵敏区等要适应系统整体的

21、精度、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求；要求；在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性；在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性；信号的转换要迅速及时、信噪比大；信号的转换要迅速及时、信噪比大；装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小；装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小；性能要稳定可靠等。性能要稳定可靠等。 信号转换接口电路的匹配选择信号转换接口电路的匹配选择尽量选用商品化的集成电路；尽量选用商品化的集成电路；要有足够的输入输出通道；要有足够的输入输出通道；不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗符合

22、要求。入阻抗符合要求。伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题：伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题： 功率输出级必须与所用执行元件匹配，输出级的输出阻抗要小，效率高、功率输出级必须与所用执行元件匹配，输出级的输出阻抗要小，效率高、时间常数小。时间常数小。放大器应为执行元件放大器应为执行元件(如电机如电机)的运行状态提供适宜条件。的运行状态提供适宜条件。放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。输入级应能与检测传感装置相匹配，即它的输入阻抗要大，以减轻输入级应能与检测传感装置相匹配，即它的输入阻抗要大，

23、以减轻检测传感装置的负荷。检测传感装置的负荷。放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。 伺服系统的电源伺服系统的电源在一个系统中，所需电源一般很难统一，特别是放大器的电源常常在一个系统中，所需电源一般很难统一，特别是放大器的电源常常为适应各放大级的不同需要而进行适应性设计。为适应各放大级的不同需要而进行适应性设计。最关键的还是动力电源，它常常制约系统方案的形式。最关键的还是动力电源，它常常制约系统方案的形式。系统对电源的稳定度和对频率的稳定度都有一定要求。系统对电源的稳定度和对频率的稳定度都有一定要求。设计时要注意不要让干

24、扰信号从电源引入。设计时要注意不要让干扰信号从电源引入。所使用电源应具有足够的保护措施和抗干扰措施。所使用电源应具有足够的保护措施和抗干扰措施。总之，系统设计牵涉的知识面较广，每一个环节均要给予总之，系统设计牵涉的知识面较广，每一个环节均要给予充分注意。充分注意。1.半闭环控制方式半闭环控制方式 在稳态设计的基础上，利用所选元部件的相关参数，绘在稳态设计的基础上，利用所选元部件的相关参数，绘制系统框图，根据自动控制理论建立各环节的传递函数，进制系统框图，根据自动控制理论建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。而建立系统传递函数。1.半闭环控制方式半闭环控制方式 1.半闭环控制方式半闭环控制

25、方式 当系统受到附加外扰动力矩当系统受到附加外扰动力矩 (如摩擦力矩如摩擦力矩)时时 ，当系统受到附加外扰动力矩当系统受到附加外扰动力矩 (如摩擦力矩如摩擦力矩)时时 ，当系统受到附加外扰动力矩当系统受到附加外扰动力矩 (如摩擦力矩如摩擦力矩)时时 ，)()1 ()()()()()(21210iiKKKKsKKKsTiKRRKsVssGramAvmAmTamDi2全闭环控制方式全闭环控制方式 2全闭环控制方式全闭环控制方式 2全闭环控制方式全闭环控制方式 )()1 ()()()()(2sGKKKKsKKKsTsGKKKsVsXsGjbmAavmAmjmAaii机械系统传递函数机械系统传递函数G

26、j(s)的建立方法如下的建立方法如下 :KsiilBsJiiKlssXsGmmiij221022102)2()()()(2210422213212121)(1111iilKiiKiKKK22221321222120421212043120432204321)2(llKKKlllKKKllKKKlKKKlKKKK2212022132120)(2)(i iMli iJiJJBiilB221002dttdxliiBttxliiKdttxdliiJtxliitKtTdttdJimiimimimi)(2)()(2)(2)(2)()()(021000212202100021221)()()()()()()

27、()(02021ssXBsXsKsXsJsXsKsTssJiimiiimimimi已知：直流伺服电机：已知：直流伺服电机：n1300(rmin)，Pl.5(kW)，Jm2104 (kgm2)； 齿齿 轮轮 箱：箱：i3，Z117，Z251，模数模数m2，齿轮宽度齿轮宽度B15(mm)； 滚珠丝杠：滚珠丝杠：d60(mm)，l2.16(m)，l012(mm)，ns400(rmin)； 工工 作作 台：台：W2000(N)，最大进给速度为最大进给速度为4.8(mmin)，导轨摩擦系数导轨摩擦系数0.05。求：该机械传动系统的主谐振频率求：该机械传动系统的主谐振频率解：求主谐振频率解：求主谐振频率

28、)(10535. 13221254121111kgmgBdJRMJJJJmZZmZm)(10266. 23232212122424222222kgmgBdgldRMRMJJJZsZZssZs)(1032. 31223222021210kgmiJilgWJVMJkjmjjkimii)/(101 . 31 . 032101 . 8025. 01416. 33241044radmNlGdKKmmI)/(108 . 416. 232101 . 806. 01416. 33241044radmNlGdKKsssII)/(45503/108 . 41101 . 311)/(1112442radmNiKKK

29、sme 010101)(JJJJKJJJKemen)/(63891032. 3101535. 1)1032. 3101535. 1 (45503434sradn动态设计主要目的动态设计主要目的机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并不完善。不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品质的要求，甚至是不稳定的。质的要求，甚至是不稳定的。n稳态设计的主要内容稳态设计的主要内容选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，设计校

30、正装置，将其有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统设计校正装置，将其有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。要求。通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。n校正形式也多种多样校正形式也多种多样。设计者需要结合稳态设计所得到。设计者需要结合稳态设计所得到的系统的组成特点，从中选择一种或几种校正形式，这的系统的组成特点，从中选择一种或几种校正形式，这是进行定量计算分析的前提。是进行定量计算分析的前提。n具体的定量分析计算方法很多，每种方

31、法都有其自身的具体的定量分析计算方法很多，每种方法都有其自身的优点和不足。而工程上常用对数频率法即借助优点和不足。而工程上常用对数频率法即借助波德波德( (Bode)Bode)图和根轨迹图和根轨迹进行图解设计的方法进行设计，这些进行图解设计的方法进行设计，这些方法作图简便、概念清晰、应用广泛。方法作图简便、概念清晰、应用广泛。 n对数频率法即波德图法，主要对数频率法即波德图法，主要适用于线性定常最小相位适用于线性定常最小相位系统系统，系统以单位反馈构成闭环，若主反馈系统不为，系统以单位反馈构成闭环，若主反馈系统不为1 1，则需要等效成单位反馈的形式来处理。则需要等效成单位反馈的形式来处理。 n

32、研究机电伺服系统的动态特性的方法研究机电伺服系统的动态特性的方法先根据系统组成建立系统的传递函数先根据系统组成建立系统的传递函数( (即原始系统数学模型即原始系统数学模型) )，不易用理论方法求解的可用实验方法建立。不易用理论方法求解的可用实验方法建立。进而可以根据系统传递函数分析进而可以根据系统传递函数分析4系统的稳定性系统的稳定性4系统的过渡过程品质系统的过渡过程品质( (响应的快速性和振荡响应的快速性和振荡) )4系统的稳态精度系统的稳态精度。 n在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况系统的输出按系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳

33、态值指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；系统的系统的输出发散，即没有稳态值输出发散，即没有稳态值，此时系统是不稳定的；，此时系统是不稳定的；系统的输出虽然系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值有振荡，但最终能趋于稳态值。 n在时域内，系统过渡过程的品质指标一般用单位阶跃响在时域内，系统过渡过程的品质指标一般用单位阶跃响应曲线中的参数表示，即应曲线中的参数表示，即 T Ts s上升时间，上升时间，T Ty y延滞时间；延滞时间；T Tt t调整时间；调整时间；最大超调量。最大超调量。n当系统不稳定或虽然稳定，但过渡过程性能和稳态性能当系统不稳定或虽然稳定，但过渡过程性能和稳态性能不能满足要求时

34、，可先不能满足要求时，可先调整调整系统中的有关参数，仍不能系统中的有关参数，仍不能满足使用要求时满足使用要求时( (常采用校正网络常采用校正网络) )就需进行就需进行校正校正。64n 校正的主要类型校正的主要类型 校正校正也可称为补偿补偿。一个控制系统当仅靠调整系统本身参数而不能具有希望的性能时，就需要引入附加装置校正装置校正装置，实际上是通过改变原系统的结构使系统的性能得到改善。 串联校正串联校正 并联校正并联校正65n(1) 串联校正串联校正 校正装置串联在前向通道中称为校正装置串联在前向通道中称为串联校正串联校正。如图所示，串。如图所示，串联校正装置一般都放在前向通道的前端，以减小功率消

35、联校正装置一般都放在前向通道的前端，以减小功率消耗。耗。66 反馈校正是从被校正环节或系统的输出提取信息，经处反馈校正是从被校正环节或系统的输出提取信息，经处理后反馈给被校正环节的输入以改善系统性能，单位反馈控理后反馈给被校正环节的输入以改善系统性能，单位反馈控制就是一种最简单的反馈校正。制就是一种最简单的反馈校正。G2(s)Gc(s)Xi(s)Xo(s)G1(s)+_ 反馈校正同样改变了系统结反馈校正同样改变了系统结构，它可起到串联校正类似构，它可起到串联校正类似的效果。的效果。 由于外部干扰、系统元件的参数变化等信息都可以通过由于外部干扰、系统元件的参数变化等信息都可以通过输出反映出来，因

36、此反馈校正还可有效抑制干扰和系统输出反映出来，因此反馈校正还可有效抑制干扰和系统参数变化的影响。参数变化的影响。反馈校正的特点反馈校正的特点n(2) 并联校正并联校正67 顺馈校正顺馈校正是一种开环补偿结构，不影响系统的动态特是一种开环补偿结构，不影响系统的动态特性。干扰可以是外部干扰，也可以是系统元件的参数变化，性。干扰可以是外部干扰，也可以是系统元件的参数变化，只要这些干扰信息可以得到，就可通过设计合适的顺馈校只要这些干扰信息可以得到，就可通过设计合适的顺馈校正装置，产生附加的控制量对其进行完全或近似的补偿。正装置，产生附加的控制量对其进行完全或近似的补偿。 顺馈校正顺馈校正也属于并联校正

37、，它是通过对可测干扰的补也属于并联校正，它是通过对可测干扰的补偿，来消除干扰对系统的影响。偿，来消除干扰对系统的影响。G2(s)Xi(s)Xo(s)G1(s)_+Gc(s)n(2) 并联校正并联校正68n 校正装置的构成校正装置的构成 电子电路电子电路 机械、液压、气动元件机械、液压、气动元件 数字算法数字算法校正装置应校正装置应便于调整便于调整, ,且不应成为系统的负载且不应成为系统的负载. .由有源电子元件构成的校正装置所吸收的控制功率由有源电子元件构成的校正装置所吸收的控制功率极少极少, ,因此在连续因此在连续( (模拟模拟) )系统的校正中多被采用系统的校正中多被采用. .由微机构成的

38、校正装置由微机构成的校正装置, ,多用于复杂且有较高要求多用于复杂且有较高要求的系统的校正的系统的校正, ,校正功能由算法即程序来实现校正功能由算法即程序来实现. .说明说明: :69n所使用的校正网络多种多样，其中最简单的校正装置是所使用的校正网络多种多样，其中最简单的校正装置是比例积比例积分微分调节器，简称分微分调节器，简称PID调节器调节器， PID控制器的组成控制器的组成)()(1)()(0 微分部分积分部分比例部分控制器输出dttdTdTtKtmdtip式中:(t)偏差信号(指令信号与反馈信号之差) Kp 比例系数 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数PID控制器的设计就是确定合适

39、的Kp、 Ti 和Td 1 1PIDPID调节器及其传递函数调节器及其传递函数 (1)(1)比例调节比例调节( (P) P) 调节作用的大小主要取决于增益调节作用的大小主要取决于增益( (比例系数比例系数) )K Kp p的大小。的大小。K Kp p越大，越大，调节作用越强，但是存在调节误差。而且调节作用越强，但是存在调节误差。而且K Kp p太大会引起系统不稳定。太大会引起系统不稳定。 pcKsG)(12RRKp1 1PIDPID调节器及其传递函数调节器及其传递函数 (2)(2)积分环节（积分环节（I I） 系统中采用积分环节可以减少或消除误差，但由于积分调节器响系统中采用积分环节可以减少或

40、消除误差，但由于积分调节器响应慢，很少单独使用。应慢，很少单独使用。 )(1)(sTsGicRCTi1 1PIDPID调节器及其传递函数调节器及其传递函数 (3)(3)比例积分调节（比例积分调节（PIPI） 既克服了单纯比例环节有调节误差的缺点又避免了积分环节响应既克服了单纯比例环节有调节误差的缺点又避免了积分环节响应慢的弱点，慢的弱点，既能改善系统的既能改善系统的稳定性稳定性能又能改善其能又能改善其动态性能动态性能。 ) )(11 ()(sTKsGipcKpR2RlTiR2C 1 1PIDPID调节器及其传递函数调节器及其传递函数 (4)(4)比例比例积分一微分调节积分一微分调节( (PID

41、)PID) 这种校正环节不但能这种校正环节不但能改善系统的稳定性能改善系统的稳定性能也能也能改善其动态性能改善其动态性能。但是，由。但是，由于它含有微分作用，在于它含有微分作用，在要求响应快的系统或噪声比较大的系统不宜采用要求响应快的系统或噪声比较大的系统不宜采用。PIDPID调节器能使闭环系统更加稳定。其动态性能也比用调节器能使闭环系统更加稳定。其动态性能也比用PIPI调节器时更好。调节器时更好。 )(11 ()(sTsTKsGdipc)()(212211RRCRCRKp2211CRCRTi)(22112211CRCRCRCRTdn有源校正，通常有源校正，通常不是靠理论计算而是用工程整定不是

42、靠理论计算而是用工程整定的方法的方法来确定其参数的。来确定其参数的。n大致做法如下：大致做法如下：在观察输出响应波形是否合乎理想要求的同时，按照先调在观察输出响应波形是否合乎理想要求的同时，按照先调KpKp、后调后调TiTi、再调再调TdTd的顺序，反复调整这三个参数，直至观察别输的顺序，反复调整这三个参数，直至观察别输出响应波形比较合乎理想状态要求为止出响应波形比较合乎理想状态要求为止一般认为在机电闭环伺服系统的过渡过程曲线中，若前后二个一般认为在机电闭环伺服系统的过渡过程曲线中，若前后二个相邻波峰值之比为相邻波峰值之比为4 41 1时，则响应波形较为理想。时，则响应波形较为理想。 2 2调

43、节作用分析调节作用分析控制系统对输入和干扰信号的闭环传递函数分别为控制系统对输入和干扰信号的闭环传递函数分别为 )()()()(1)()()()()(sGsGsGsGsGsGsAGsRsChpvcpvc)()()()(1)()()()(sGsGsGsGsGsGsDsChpvcdp系统在输入和干扰信号同时作用下的输出象函数为系统在输入和干扰信号同时作用下的输出象函数为 )()()()()(1)()()()()()()(1)()()()(sDsGsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsGsGsAGsChpvcdphpvcpvc(1)(1)应用比例应用比例( (P)P)调节器的情况调节器的情况比例

44、调节作用的大小，主要取决于比例系数比例调节作用的大小，主要取决于比例系数K K0 0，比例系数愈大，调比例系数愈大，调节作用愈强，动态特性也愈好。但节作用愈强，动态特性也愈好。但K K0 0太大时，会引起系统不稳定。太大时，会引起系统不稳定。（2 2）应用积分）应用积分( (I)I)调节器的情况调节器的情况 积分作用能消除误差，这是它的主要优点。但由于积分调节器响应积分作用能消除误差，这是它的主要优点。但由于积分调节器响应慢，所以很少单独使用。慢，所以很少单独使用。 (3)(3)应用比例应用比例积分积分( (PI)PI)调节器的情况调节器的情况 既克服了单纯比例调节有稳态误差存在的缺点，又避免

45、了积分调节既克服了单纯比例调节有稳态误差存在的缺点，又避免了积分调节器响应慢的缺点，即稳态和动态特性都得到了改善，所以应用比较器响应慢的缺点，即稳态和动态特性都得到了改善，所以应用比较广泛。广泛。 ( 4 )( 4 ) 应 用 比 例应 用 比 例 积 分积 分 微 分微 分( (PID)PID)器的情况器的情况 采用采用PIDPID调节器无论从稳态，还是调节器无论从稳态，还是动态的角度来说，调节品质均得动态的角度来说，调节品质均得到改善，从而使用到改善，从而使用PIDPID调节器成为调节器成为一种应用最为广泛的调节器。由一种应用最为广泛的调节器。由于于PIDPID调节器含有微分作用，所以调节

46、器含有微分作用，所以响应快或噪声大的系统最好不使响应快或噪声大的系统最好不使用。用。 1 1可靠性概念可靠性概念所谓可靠性，是指所谓可靠性，是指“产品产品( (或系统或系统) )在规定条件下和规定时间内，在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力完成规定功能的能力”。4“完成规定功能完成规定功能”就是能够连续地保持产品就是能够连续地保持产品( (或系统或系统) )的工作的工作能力，使各项技术指标符合规定值。如果产品不能完成规定能力，使各项技术指标符合规定值。如果产品不能完成规定功能，就称为功能，就称为失效失效，对于可修复的产品，也可称为，对于可修复的产品，也可称为故障故障。4“规定条件规定条

47、件”是指使用时的应力条件是指使用时的应力条件(工作条件工作条件)、环境条件、环境条件和存储时的存储条件等，和存储时的存储条件等，“规定条件规定条件”不同，产品的可靠性不同，产品的可靠性也不同。也不同。4“规定时间规定时间”长短的不同，产品的可靠性也不同，一般来说长短的不同，产品的可靠性也不同，一般来说，规定的时间越长，故障越多，可靠性也就越低。，规定的时间越长，故障越多，可靠性也就越低。n保证产品具有必要的可靠性，是一个综合性问题，保证产品具有必要的可靠性，是一个综合性问题，不能不能单纯依靠某一特定的方法。单纯依靠某一特定的方法。提高产品的设计和制造质量提高产品的设计和制造质量是是最根本最根本

48、的方法，它的作用的方法，它的作用是消除故障于发生之前，或者降低故障率。是消除故障于发生之前，或者降低故障率。由于故障是一种随机事件，因而是不可避免的。在这种由于故障是一种随机事件，因而是不可避免的。在这种情况下，情况下，冗余技术冗余技术(掩蔽法掩蔽法)就成为保证产品可靠性的一种就成为保证产品可靠性的一种重要方法。重要方法。诊断技术诊断技术就是一种就是一种暴露法暴露法，它可以把已经出现的或即将，它可以把已经出现的或即将出现的故障及时暴露出来，以便迅速修复。出现的故障及时暴露出来，以便迅速修复。设计阶段设计阶段制造阶段制造阶段可靠性试验可靠性试验裕度法裕度法自动控制自动控制其他考虑其他考虑工作冗余

49、工作冗余后备冗余后备冗余提高产品的设计提高产品的设计和制造质量和制造质量冗余技术冗余技术诊断技术诊断技术n在设计过程中，要进行可靠性分析，估计系统和单元中在设计过程中，要进行可靠性分析，估计系统和单元中各种引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以各种引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低产品的故障率。降低产品的故障率。可以采用可靠性可以采用可靠性预测的方法，对各种可靠性指标进行估计预测的方法，对各种可靠性指标进行估计。制造阶段中的原材料和制造工艺制造阶段中的原材料和制造工艺，都要保证完全达到各项设计，都要保证完全达到各项设计指标。指标。最后，可对产品进行最后，可对产品进行可靠性试

50、验可靠性试验，以便确定实际产品的可靠性，以便确定实际产品的可靠性指标。指标。n对于关键性产品，可以对于关键性产品，可以加大设计的安全系数加大设计的安全系数，以保证一，以保证一定的可靠性储备。定的可靠性储备。n设产品的某一输出参数为设产品的某一输出参数为Y Ylimlim，如果如果Y Y达到达到Y Ylimlim时还没有达时还没有达到失效时的参数值到失效时的参数值Y Ymaxmax，则称为具有可靠性储备，则称为具有可靠性储备，用可靠用可靠性储备系数性储备系数K KR R表示表示即即 1limmaxYYKRn在产品设计中，利用机电一体化技术的优势，使产品（或在产品设计中，利用机电一体化技术的优势，

51、使产品（或系统）具有系统）具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，这样可以大大提高产品的可靠性。这样可以大大提高产品的可靠性。n 在设计阶段就应考虑到在使用阶段如何保证产品可靠性在设计阶段就应考虑到在使用阶段如何保证产品可靠性的问题，应的问题，应规定适当的环境条件、维护保养条件和操作规规定适当的环境条件、维护保养条件和操作规程。程。n产品结构应具有产品结构应具有良好的维修性良好的维修性，如易损件应便于更换、故，如易损件应便于更换、故障应便于诊断、容易修复等。障应便于诊断、容易修复等。n工作冗余工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两：又称工作储

52、备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。个以上单元并行工作的并联模型。n 后备冗余后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。n 通常，机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来通常，机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。提高可靠性。n在采用冗余技术时，还要考虑经济上的可行性和产品的在采用冗余技术时，还要考虑经济上的可行性和产品的体积和重量等因素，体积和重量等因素，n从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的从

53、本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效失效( (故障故障) )类型和失效位置信息。它的任务有二类型和失效位置信息。它的任务有二: :一是一是出现故障时出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在二是在故障尚未发生时故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。生故障。n诊断的过程诊断的过程首先对诊断对象进行特定的测试，首先对

54、诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号取得诊断信号( (输出参数输出参数) )，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即症兆症兆；最后将症兆与标准数据相比较，最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置确定故障的种类和故障位置。 (1)(1)干扰源干扰源 干干扰扰信信号号传导型传导型（线路传入）（线路传入）辐射型辐射型（空间感应）（空间感应）供电干扰供电干扰强电干扰强电干扰接地干扰接地干扰电磁干扰电磁干扰静电干扰静电干扰n控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如

55、此，从交流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流电源窜入控制器。并可能经过整流电源窜入控制器。n这些干扰信号主要这些干扰信号主要来源来源于附近大容量用电设备的负载变化和于附近大容量用电设备的负载变化和开、停时产生的电压波动。这些设备在启动时使电网电压瞬开、停时产生的电压波动。这些设备在启动时使电网电压瞬时降低，在停止时又产生过电压和冲击电流。时降低，在停止时又产生过电压和冲击电流。n雷电感应雷电感应也会产生冲击电流。也会产生冲击电流。n供电电网对控制器的另一种干扰是供电电网对控制器的另一种干扰是断电或瞬时断电断电或瞬

56、时断电，这将引，这将引起数据丢失或程序紊乱。起数据丢失或程序紊乱。 n驱动电路中的强电元件如驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负继电器、电磁铁和接触器等感性负载载，在断电时会产生过电压和冲击电流。，在断电时会产生过电压和冲击电流。n这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干扰其他信号线路。扰其他信号线路。n这种强电干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部这种强电干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部I/OI/O接口的状态，并通过接口的状态，并通过I/OI/O接口进入控制器。接口进入控制器。 n接地干扰是由于接地不当

57、、形接地干扰是由于接地不当、形成成接地环路接地环路产生的。产生的。n接地环路的两种典型情况：接地环路的两种典型情况：图图( (a)a)是由于是由于接地点远而形成的接地点远而形成的环路环路，因为不同位置的接地点一，因为不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成图般不可能电位相同，因此形成图中所示的地电位差；中所示的地电位差；图图( (b)b)是采用是采用公用地线串联接地公用地线串联接地而形成的环路而形成的环路，由于各设备负载，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差。能在设备之间形成电位差。n在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射

58、在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备( (控制控制器、驱动接口、转换接口等器、驱动接口、转换接口等) )和导线，使其中的电平发生变和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。化，或产生脉冲干扰信号。n系统附近或系统中的感性负载是最常见的干扰源系统附近或系统中的感性负载是最常见的干扰源，它的开，它的开、停会引起电磁场的急剧变化，其接点的火花放电也会产、停会引起电磁场的急剧变化，其接点的火花放电也会产生高频辐射。生高频辐射。n人体和处于浮动状态的设备都可能带有静电人体和处于浮动状态的设备

59、都可能带有静电，甚至可能积，甚至可能积累很高的电压。累很高的电压。(2)(2)抗干扰措施抗干扰措施 供电系统的抗干扰措施供电系统的抗干扰措施接口电路的抗干扰措施接口电路的抗干扰措施 接地系统的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施 n增加电子交流稳压器增加电子交流稳压器：在直流稳压电源的交流进线侧增加：在直流稳压电源的交流进线侧增加电子交流稳压器，用来稳定电子交流稳压器，用来稳定220220V V单向交流进线电压，可以单向交流进线电压，可以进一步提高电源电压的稳定性。进一步提高电源电压的稳定性。n增加低通滤波器增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流。

60、电流。n加入隔离变压器加入隔离变压器，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。扰信号的强度。 n采用采用RC电路或二极管和稳压二极管电路或二极管和稳压二极管吸收在电感负载断开吸收在电感负载断开时产生的过电压，以消除强电干扰。时产生的过电压，以消除强电干扰。n采用光电隔离措施采用光电隔离措施以防止驱动接口中的强电干扰及其它干以防止驱动接口中的强电干扰及其它干扰信号进入控制器。扰信号进入控制器。 n转换接口的隔离转换接口的隔离 。n单点接地单点接地 n并联接地转换接口的隔离并联接地转换接口的隔离n光电隔离光电隔离 对于用长线传输的数字信号，可用光电耦合器