第六章机电一体化系统机电有机结合的与设计ch

1、1第第6章章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计机电一体化系统的机电有机结合分析与设计第一节第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计机电一体化系统的稳态与动态设计第二节第二节 机电有机结合之一机电有机结合之一 机电一体化系统机电一体化系统稳态设计稳态设计的考虑方法的考虑方法第三节第三节 机电有机结合之二机电有机结合之二 机电一体化系统机电一体化系统动态设计动态设计的考虑方法的考虑方法第四节第四节 机电一体化系统的可靠性、安全性设计机电一体化系统的可靠性、安全性设计2 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。机电伺服系统机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将

2、以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。在进行机电伺服系统设计时， 首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的初步设计方案。过调查研究制订出系统的初步设计方案。该方案包括系统主要元部件的种类、各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法，以及信号转换的方式等。第一节第一节机电一体化系统的稳态与动态设计机电一体化系统的稳态与动态设计3 进行定量的分析计算，分析计算包括稳态设计计算进行定量的分析计算，分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算和动态设计计算。 稳态设计稳态设计包括使系统的输出运

3、动参数达到技术要求、执行元件(如电动机)的参数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、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干扰措施等，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。4 初步确定系统的主回路各部分特性、参数之后，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。稳态设计动态设计主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。5 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 位置控制系统位置控制系统和速

4、度控制系统的被控对象速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。 被控对象(简称负载)的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载分解为几种典型负载，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。一、典型负载分析一、典型负载分析6 1. 典型负载分析 所谓典型负载典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载。 对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型

5、负载的组合，不一定均包含上述所有负载项目。 在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下基础。7 2.负载的等效换算 被控对象的运动，有的是直线运动直线运动，如机床的工作台X、Y 及Z 轴，机器人臂部的升降、伸缩运动，绘图机的X、Y方向运动；也有的是旋转运动旋转运动，如机床主轴的回转、工作台的回转、机器人关节的回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装置连接的。 执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案的选择，应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配。 因此，要将被控对象相关部

6、件的固有参数及其所受的负载(力或转矩等)等效换算到执行元件(k)的输出轴上，即计算其输出轴承受的等效转动惯量等效转动惯量和等效负载转矩等效负载转矩(回回转运动转运动)或计算等效质量等效质量和等效力等效力(直线运动直线运动)。8以机床工作台的伺服进给系统为例说明。 系统包含m个移动部件，和n个转动部件。 Mi、vi 和 Fi 分别为移动部件的质量、运动速度和所受的负载力； Jj、nj （j）和 Tj 分别为转动部件的转动惯量、转速和所受的转矩。9（1）求等效转动惯量 系统的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221kkeqkJE因能量守

7、恒：E = Ek，所以有等效转动惯量2121243600kjmijkimiikeqnnJnvmJ2121kjmjjkimiikeqJvmJ又因60/2kkn60/2jjn则（7.3）（7.4）10（2）求等效负载转矩 系统在时间 t 内克服负载所作功的总和为njjjmiiitTtvFW11执行元件在时间 t 内所做的功为tTWkkeqK，则等效负载转矩因能量守恒：WWKnjkjjmikiikeqTvFT11/又因60/2kkn60/2jjn则njkjjmikiikeqnnTnvFT11/260（7.7）（7.8）（3）计算举例：设有一进给系统如图7.2所示。已知：移动部件（工作台、夹具、工具等

8、）的总质量 MA=400kg；沿运动方向的负载力 FL=800N（包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯量 Jm=410-5kgm2；齿轮轴部件（包含齿轮）的转动惯量 JI=510-4kgm2；齿轮轴部件（包含齿轮）的转动惯量 J =710-4kgm2；轴的负载转矩 TL=4Nm；齿轮z1与齿轮z2的齿数分别为20与40，模数为1。 求等效到电动机轴上的等效转动惯量 J meq和等效转矩 T meq。12解：求等效转动惯量J meq，根据式（7.4）可得2mIIm2mAA2meqII43600nnJJJnvMJ10001000100010001m221m221122Amznmzzznmzz

9、znmznv21mIIzznn因为和所以224452m2meqmkg4020107105104100020140043600nnJm，13求等效转矩T meq，根据式（7.8）可得mN48241000800260260211mmmIILmALmeqzzmznnnnTnvFT14二、二、 执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择 拟定伺服系统方案时，应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。如果冗余量大，易使执行元件价格高，使机电一体化系统的成本升高，市场竞争力下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。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

10、选择与被控对象的需要相适应的执行元件。 下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配。15例如，机床工作台的伺服进给运动轴所采用的执行元件的额定转速基本上应是所需的最大转速，其额定转矩 T 应大于所需要的最大转矩，及 T 应大于等效到电动机输出轴上的负载转矩 T meq与克服惯性负载所需要的转矩 T惯 之和。其中 T惯= J meq m， m为电动机升降速时的角加速度。1. 系统执行元件的转矩匹配例如，机床工作台某轴的伺服电机输出轴上所受等效负载转矩 T meq=2.5 Nm，等效转动惯量 J meq=310-2kgm2。工作台某

11、轴的最高速度换算为电动机输出轴角速度为50 rad/s，等加速和等减速时间t=0.5s。机械传动系统的总效率为0.85时。则mN3mN5 .0501032mmeqmmeqtJJT惯16因此电动机的额定转矩应大于mN471.785.0/)35 .2(T 查 表3.11（P111），初选用110BF003反应式（VR）步进电机，其最大静转矩 Tjmax=7.84 Nm。 当采用三相六拍通电方式时，为保证带负载时能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动转矩 Tq 应满足q TT查 表3.10可知，Tq/Tjmax=0.87，Tq=0.87Tjmax =7.82 Nm。因 Tq =7.82 Nm T

12、=7.471 Nm ，故可选用。172. 系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电机）在选择电动机时，常先进行预选，然后再进行必要的验算。预算电动机的估算功率 P 可由下式确定maxmaxmmeqmeq55.9)(TnJTP式中 nmax电动机的最高转速，r/min； max电动机的最高角速度，rad/s； 功率系数，考虑电动机、减速器等的影响，一般取1.22，对小功率伺服系统，取2.5。在预选电动机功率后，应进行以下验算：（1）过热验算）过热验算（2）过载验算）过载验算18 （1）过热验算）过热验算 当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩 Teq=Tdx，在电动机励磁磁通近似不变时212

13、22121dxeqtttTtTTT式中t1，t2 时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分 别为 T1、T2、。则所选的电动机不过热的条件为dxNeqNPPTT式中TN，PN 分别为电动机的额定转矩和额定功率。Pdx 为由等效转矩 Teq 换算的电动机功率， Pdx =(Teq nN)/9.55， nN 为电动机的额定转速。19 （2）过载验算）过载验算 即系使瞬时最大负载转矩 Tmax 与电动机的额定转矩 TN 的比值不大于某一系数，即mkTTNmax式中 km 为电动机的过载系数，在产品目录中查出。20三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配 在第2章中，提

14、到了齿轮传动减速比的分配原则，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、转角误差最小三原则（P39) 。 本节提到的减速比匹配及分配，是以满足控制对象的运动特性、加速特性和动力特性为准则。 即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、特殊要求等综合分析选择确定，减速比的确定既要满足被控制对象的调速范满足被控制对象的调速范围围并使在一定条件下综合指标参数达到最佳一定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足脉冲满足脉冲当量（分辨率）与进给角之间的相应关系当量（分辨率）与进给角之间的相应关系和在一定条件下输在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大出转速最大或输出转矩最大等要求。21（1）按加速度最大原则选择减速比（同第）

15、按加速度最大原则选择减速比（同第2章）章）当要求输入信号变化快、系统响应快、加速度大时，应按下式决定减速比 i：21mLmLFmLFJJTTTTi式中 TLF 负载转矩； Tm 额定转矩； JL 电动机带动的转动惯量； Jm 电动机转子的转动惯量。22（2）按最大输出速度原则选择减速比）按最大输出速度原则选择减速比当输入信号近似恒速，即加速度很小时，应按下式决定减速比 i：2112mLFmLFffTTTTi式中 TLF 负载转矩； TM 额定转矩； f1 电动机的粘性摩擦系数； f2 负载的粘性摩擦系数。粘性摩擦系数（Viscous friction coefficient）是摩擦力与物体运动

16、速度的比值。23（3）满足送进系统传动基本要求选择传动比（同第）满足送进系统传动基本要求选择传动比（同第2章）章） 即脉冲当量、步距角、丝杠基本导程 l0 匹配关系选择减 速比：3600li（4）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比（同第）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比（同第2章）章）maxninkki1max即 最小原则：24（5）按速度和加速度规定要求选择减速比）按速度和加速度规定要求选择减速比 在速度和加速度都有要求时，除按加速度最大原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度Lmax与电机输出角速度m之间的关系，最终确定减速比i。mLmaxi利用上述方法选则总减速比之后，就需要合

17、理确定减速级级数及分配各级的速比，分配原则参见第2章。25 系统各部分的设计计算，必须从系统总体要求出发，考虑相邻部分的广义接口相邻部分的广义接口、信号的有效传递信号的有效传递(防干扰措施)、输输入入/ /输出的阻抗匹配输出的阻抗匹配。总之，要使整个系统在各种运行条件下，达到各项设计要求。 伺服系统的稳态设计就是要从两头入手：即首先从系统应具有的输出能力及要求出发，选定执行元件和传动装置；其次是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；四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配的匹配 最后通过动态设计计算

18、，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其他辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。26 检测传感装置检测传感装置的精度(即分辨力)、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，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。 信号转换接口电路信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，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入阻抗符合匹配要求。27 （1) 功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求，不仅要满足执行元件额定值的需要，而

19、且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。总之，输出级的输出阻抗要小，效率要高输出阻抗要小，效率要高, , 时间时间常数要小。常数要小。 （2）放大器应为执行元件(如电动机)的运行状态提供适宜条件。例如：为大功率电动机提供制动条件制动条件，为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢电流提供限制保护措施电枢电流提供限制保护措施。 （3）放大器应有足够的线性范围足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。伺服系统放大器伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题： 28 （4） 输入级应能与检测传感装置相匹配。即它的输入阻输入阻抗要大抗要大，以减轻检测传感装置的负荷。 （5） 放大器应具

20、有足够的放大倍数足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。 29伺服系统的能源伺服系统的能源（特别是电源（特别是电源) )支持：支持：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。但是在设计电源系统时，应尽可能地做到电源的输出类型做到电源的输出类型要少要少，最关键的还是动力电源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，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，如过电压保护过电压保护、掉电保护掉电保护、过电流保过电流保护护、短路保护短路保护等。抗干扰措施有滤波

21、滤波、隔离隔离、屏蔽屏蔽等。此外，要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。30 动态设计：动态设计：在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基础在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基础上，选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，设计校正装上，选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补置，将其有效地连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要求。偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标要求。 系统动态设计的目的：系统动态设计的目的：在稳态设计的基础上，保证系统的在稳态设计的基础上，保证系统的

22、动动态稳定性、过渡过程的品质（响应特性、振荡特性等）、动态态稳定性、过渡过程的品质（响应特性、振荡特性等）、动态稳定精度，动态响应特性等指标参数。稳定精度，动态响应特性等指标参数。 动态设计的主要方法或手段：动态设计的主要方法或手段：为保证系统动态稳定各指标参为保证系统动态稳定各指标参数的误差（精度），常用的设计方法有数的误差（精度），常用的设计方法有波德（波德（BodeBode）图法、根）图法、根轨迹图法轨迹图法等。等。 第三节第三节 机电有机结合之二机电有机结合之二 机电一体化系统的动态设计考虑方法机电一体化系统的动态设计考虑方法31 对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。对于任何系统

23、，动态稳定过程主要有三种情况。 即：即：指数规律上升平稳地趋于稳定值；系统输出发散没有指数规律上升平稳地趋于稳定值；系统输出发散没有稳定值；系统输出振荡最终能趋于稳定值。稳定值；系统输出振荡最终能趋于稳定值。 32 系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。 第一种情况第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大（加速度大），：系统直接趋于稳定，刚性大（加速度大），无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于

24、系统性能参量的调节。调节。 第二种情况第二种情况：系统振荡发散不稳定。：系统振荡发散不稳定。 第三种情况第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减趋于稳定，系统刚性：系统振荡收敛逐步衰减趋于稳定，系统刚性较小，但惯量较大，过渡阶段误差较小，利于系统性能参数较小，但惯量较大，过渡阶段误差较小，利于系统性能参数的调节匹配。的调节匹配。 鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定（硬件和鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定（硬件和软件保证），利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段软件保证），利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差最小的控制系统，在实际应用的控制系统中最为常见。误差最小的控制系统，

25、在实际应用的控制系统中最为常见。33 动态特性参量或指标动态特性参量或指标：上升：上升时间时间Ts；延滞时间；延滞时间Ty；调整时；调整时间间Tt；最大超调量；最大超调量%，如图，如图所示。所示。 34 若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系统的若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系统的主要性能指标（过渡阶段和稳定阶段）不能满足使用主要性能指标（过渡阶段和稳定阶段）不能满足使用要求。采取的主要措施是：要求。采取的主要措施是：第一步，设计调节器第一步，设计调节器（校（校正器），调节系统稳态性能参数；正器），调节系统稳态性能参数；第二步，设计反馈第二步，设计反馈控制器，控制器，改善系统稳态性能参数

26、。目的在于达到系统改善系统稳态性能参数。目的在于达到系统的使用要求的使用要求稳态和动态指标。稳态和动态指标。 尽管可用于系统调节和校正的理论（数学模型）尽管可用于系统调节和校正的理论（数学模型）方法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最方法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最为广泛和简单的是为广泛和简单的是PID调节器调节器。 下面针对下面针对PID调节器的应用特点学习调节器的应用特点学习调节器的设计调节器的设计和使用方法。和使用方法。35 PID调节器调节器无源阻容式调节器无源阻容式调节器和和有源阻容式调节器有源阻容式调节器。 无源阻容式调节器无源阻容式调节器具有结构简单，无须提供

27、外界电源等具有结构简单，无须提供外界电源等特点，但存在衰减较大、不易与系统的其它环节相匹配，应用特点，但存在衰减较大、不易与系统的其它环节相匹配，应用受到一定的限制。受到一定的限制。 有源阻容式调节器有源阻容式调节器主要运算放大器与阻容电路组成。通主要运算放大器与阻容电路组成。通过合理的配置，可达到过合理的配置，可达到不但能改善系统的稳定性能，也能改善不但能改善系统的稳定性能，也能改善系统动态性能的能力。系统动态性能的能力。 有源阻容式调节器的电路构成有源阻容式调节器的电路构成R12x(s)y(s)Gx(s)R1Gy(s)x(s)R1Gy(s)R1G222x(s)C136 a ) 比例比例(

28、( P ) )调节调节图图a 传递函数：传递函数：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特点：特点：调节作用主要取决于调节作用主要取决于增益增益Kp的大小的大小 ，Kp值越大调节作用越强，值越大调节作用越强，但存在调节误差，且当但存在调节误差，且当Kp值太大时，值太大时，可能引起系统不稳定。可能引起系统不稳定。R12x ( s )y ( s )Gx ( s )R1Gy ( s )x ( s )R1Gy ( s )R1G222x ( s )C1 b b ) 积分积分( I )( I )调节调节图图b b 传递函数：传递函数：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特点：特

29、点：可以减少或消除调节误可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而较少单独使用。差，但响应慢，因而较少单独使用。R12x ( s )y ( s )Gx ( s )R1Gy ( s )x ( s )R1Gy ( s )R1G222x ( s )C137 c ) 比例比例积分积分图图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。 既克服了单纯比例既克服了单纯比例( P )( P )调节存在调调节存在调节误差的缺点，又避免了积分节误差的缺点，又避免了积分( I )( I )调节调节响应慢的弱点，系统稳定性和动态性能响应慢的弱点，系

30、统稳定性和动态性能得到了改善。得到了改善。 R12x ( s )y ( s )Gx ( s )R1Gy ( s )x ( s )R1Gy ( s )R1G222x ( s )C1d ) d ) 比例比例积分积分微分微分( PID )( PID )调节调节R12x ( s )y ( s )Gx ( s )R1Gy ( s )x ( s )R1Gy ( s )R1G222x ( s )C1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/(R1C1+R

31、2C2)。38 PID调节特点：调节特点：不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动态性能，相比之下，它比态性能，相比之下，它比( PI )调节能使系统具有更好的稳定性调节能使系统具有更好的稳定性能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声比较大或系能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声比较大或系统要求响应快时，不宜采用统要求响应快时，不宜采用PID调节。调节。 PID调节器使用调整方法：调节器使用调整方法： 在实际工程应用中，有源的在实际工程应用中，有源的PID调节器校正与误差调整方法，调节器校正与误差调整方法，通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，而

32、是通过通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，而是通过工程整定工程整定的方法的方法确定其参数的。也就是观察输出响应波形是否满足使用确定其参数的。也就是观察输出响应波形是否满足使用要求的同时，要求的同时，先调整比例时间常数先调整比例时间常数KP；再调整积分时间常数；再调整积分时间常数Ti；最后调整微分时间常数最后调整微分时间常数Td；反复调整直到所观察到的输出波形反复调整直到所观察到的输出波形比较合乎理想状态为止（相邻两波峰之比为比较合乎理想状态为止（相邻两波峰之比为4:1），便可确定），便可确定PID调节器控制的系统参数调节器控制的系统参数。39 对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在有效输入信

33、号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信号作用下，改善系统的性能。和外界干扰信号作用下，改善系统的性能。eR(s)基准信号反馈量G (s)h检测量偏差信号设定元件AG (s)M(s)G (s)C调节器G (s)控制元件VD(s)外部干扰G (s)执行元件Pd目标值被控量C(s) PID调节调节器的目的：器的目的：是使是使系统输出偏差（与目标值相比）系统输出偏差（与目标值相比）最小最小和和在外界干扰作用下产生输出误差最小在外界干扰作用下产生输出误差最小。40所以，在输入和干扰信号同时作用下，传递函数：所以，在输入和干扰信号同时作用下，传递函数：)()()()(1)()()

34、()()(sGsGsGsGsGsGsAGsRsChpVcpVc)()()()(1)()()()(sGsGsGsGsGsGsDsChpVcdP)()()()()(1)()()()()()()(1)()()()(sDsGsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsGsGsAGsChpVcdPhpVcpVc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：410.10.50.90.9511.05C(t)tTyTsTt %无无PIDPID调节的系统响应调节的系统响应有有PIDPID调节的系统响应调节的系统响应 42 调

35、节环节中微分调节（调节环节中微分调节（D）的作用是）的作用是调节系统动态过程过渡阶段响应特性的调节系统动态过程过渡阶段响应特性的品质（减小超调量）。品质（减小超调量）。 PID调节器的作用过程：调节器的作用过程： 调整比例调节和微分调节提高系统调整比例调节和微分调节提高系统的响应速度和动态过程过渡阶段的响应的响应速度和动态过程过渡阶段的响应特性品质。特性品质。 通过积分调节消除干扰信号产生的通过积分调节消除干扰信号产生的误差输出。误差输出。 重复上述过程，直到控制系统动态重复上述过程，直到控制系统动态性能指标和稳态性能指标达到要求为止。性能指标和稳态性能指标达到要求为止。P 动 作 控 制I

36、动 作 控 制PI 动 作 控 制无 控 制图7.17P、I、PI作用系统对于阶跃干扰信号的响应43 指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。产品的可靠性是一个综合性评价指标体系，常用力。产品的可靠性是一个综合性评价指标体系，常用MTBF（Mean Time Between Failures）指标来衡量）指标来衡量。 1）提高产品的设计和制造质量）提高产品的设计和制造质量裕度法、自动控制。裕度法、自动控制。 2）采用冗余技术）采用冗余技术工作冗余、后备冗余。工作冗余、后备冗余。 3）诊断技术）诊断技术测试、症兆、诊断。测试、症兆、诊断

37、。 注意：注意：裕度法裕度法是从改进硬件性能，提高系统可靠性的有效是从改进硬件性能，提高系统可靠性的有效方法；自动控制、冗余技术、故障诊断技术是用硬件和软件方法；自动控制、冗余技术、故障诊断技术是用硬件和软件来提高系统可靠性的有效措施。来提高系统可靠性的有效措施。44 系统干扰：系统干扰：指产生系统元部件失效或数据传输、处理失误，指产生系统元部件失效或数据传输、处理失误，进而影响系统可靠工作的内部因素和外部因素。进而影响系统可靠工作的内部因素和外部因素。 1）系统干扰源的类型）系统干扰源的类型 传导型传导型由线路传入信号影响控制系统工作。由线路传入信号影响控制系统工作。 如：供电干扰、强电干扰、接地干扰等。如：供电干扰、强电干扰、接地干扰等。 辐射型辐射型由空间感应输入信号影响控制系统工作。由空间感应输入信号影响