机电一体化第7章机电有机结合分析与设计

1、第第7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 本章要求：本章要求：了解：机电一体化系统的稳态设计、动态设计及了解：机电一体化系统的稳态设计、动态设计及 可靠性、安全性设计。可靠性、安全性设计。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机电一体化机电一体化以以机电伺服系统为例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。说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。 位置位置伺服系统和伺服系统和速度速度伺服系统的共同点伺服系统的共同点是通过系统执行元件直接是通过系统执行元件直接或经过传动装置驱动被控对象，完

2、成所需的机械运动。或经过传动装置驱动被控对象，完成所需的机械运动。因此，工程上是因此，工程上是围绕机械运动的围绕机械运动的规律规律和和运动参数运动参数对它们提出技术要求的。对它们提出技术要求的。 设计过程：设计过程：1.了解被控对象的特点和对系统的具体要求，调查研究，制定出系了解被控对象的特点和对系统的具体要求，调查研究，制定出系 统的设计方案（统的设计方案（初步设计方案初步设计方案）2.进行定量的分析计算，先稳态设计计算，后动态设计计算（进行定量的分析计算，先稳态设计计算，后动态设计计算（详详 细的设计方案细的设计方案）3.样机试验与调试，确定系统的样机试验与调试，确定系统的实际电路与实际参

3、数实际电路与实际参数。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设计过程中还应充分考虑设计过程中还应充分考虑系统安全性和可靠性系统安全性和可靠性要求。要求。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机电一体化机电一体化稳态设计稳态设计 确定满足系统技术要求的运动参数、执行元件的参数、功率（转确定满足系统技术要求的运动参数、执行元件的参数、功率（转矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择、控制电路设计、矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择、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信号

4、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，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。施等，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。动态设计动态设计 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通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计作用作用：考虑了机电参数的有机结合与匹配，有利于减少盲目性、考虑了机电参数的有机结合与匹配，有利于减少盲目性、加快样机的调试和电路参数的确定。加快样机的调试和电路参数的确定。伺服系统基本概念伺服系统基本概念 校正环节(控制算法)

5、执行元件被控对象测量(反馈元件)输入指令输出量伺服系统基本结构方框图伺服系统基本结构方框图1计算机控制装置计算机控制装置机械执行机械执行装置装置执行元件执行元件传传感感器器伺服系统组成伺服系统组成 众多机电一体化产品需对输出量进行跟踪，因而众多机电一体化产品需对输出量进行跟踪，因而伺服系统是机伺服系统是机电一体化产品的重要组成部分电一体化产品的重要组成部分，且往往是，且往往是某些产品实现目的功能的某些产品实现目的功能的主体主体。伺服系统是机械技术和电子技术的综合运用，通过机电结合。伺服系统是机械技术和电子技术的综合运用，通过机电结合才能实现其功能，因此，它本身是典型的机电一体化系统。才能实现其

6、功能，因此，它本身是典型的机电一体化系统。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机电一体化机电一体化6.1 6.1 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 6.1.1 典型负载分析典型负载分析(1)典型负载典型负载 惯性负载惯性负载 外力负载外力负载 具体负载可分解为具体负载可分解为一些典型负载一些典型负载，使定量设计计算得以顺利进行，使定量设计计算得以顺利进行 弹性负载弹性负载 摩擦负载摩擦负载负载分析的目的：负载分析的目的：获得负载的综合定量数值，以便确定与之匹配获得负载的综合定量数

7、值，以便确定与之匹配的执行元件及进行动态设计分析。的执行元件及进行动态设计分析。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机电一体化机电一体化(2)负载的等效换算负载的等效换算被控对象的被控对象的运动运动有直线运动和回转运动，与执行元件的联系有直接有直线运动和回转运动，与执行元件的联系有直接的，也有通过传动装置的。的，也有通过传动装置的。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，应与被控对象的质量、转动惯量及其他负载择，应与被控对象的质量、转动惯量及其他负载相互匹配相互匹

8、配。因此，。因此，要要将被控对象相关部件的质量、转动惯量及其所受的负载（力或转将被控对象相关部件的质量、转动惯量及其所受的负载（力或转矩等）等效换算到执行元件的输出轴上矩等）等效换算到执行元件的输出轴上，即计算执行元件输出轴承，即计算执行元件输出轴承受的等效转动惯量和等效负载转矩（受的等效转动惯量和等效负载转矩（回转运动回转运动）或计算等效质量和）或计算等效质量和等效力（等效力（直线运动直线运动）。）。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机电一体化机电一体化图图6.1 伺服进给系统示意伺服进给系统示意下面以机床工作台的伺服进给系统为例加以说明

9、下面以机床工作台的伺服进给系统为例加以说明1) 求等效转动惯量求等效转动惯量Jkeq。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221kkeqkJE由于由于E=Ek故故2121kjnjjkimiikeqJvmJ用工程上常用的单位，可将上式改写为用工程上常用的单位，可将上式改写为21212900kjnjjkimiikeqnnJnvmJ(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：式中：nk_执行元件的转速执行元件的转速(r/min)第第6章章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设

10、计机电一体化系统的机电有机结合分析与设计机电一体化机电一体化2) 求等效负载转矩求等效负载转矩Tkeq。设上述系统在时间设上述系统在时间t内克服负载所作功内克服负载所作功的总和为的总和为tTtvFWjnjjmiii11同理，执行元件输出轴在时间同理，执行元件输出轴在时间t内的转角为内的转角为tkk由于由于W=Wk故故kjnjjkimiikeqTvFT/11用工程上常用的单位，可将上式改写为用工程上常用的单位，可将上式改写为kjnjjkimiikeqnnTnvFT1130(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)则执行元件所作的功为则执行元件所作的功为tTWkkeqk3) 计算举例计算举例。求等效

11、到电动机轴上的求等效到电动机轴上的等效转动惯量等效转动惯量Jmeq和等效转矩和等效转矩Tmeq解：解：1)求求Jmeq ，根据，根据式式(6.4)可得可得222)(900mmmAAmeqnnJJJnvmJ60000601000260212212mznmzzzndnvmmA因为因为21/zznnm1000/22mzd 所以所以)(040715. 04020107105104600002014009002244522mkgnnJmmmeq)(104600008003030211mNzznmznnnTnvFTmmmLmALmeq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

12、机结合分析与设计机电一体化机电一体化6.1.2 执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择伺服系统由若干元部件组成，尽可能选用标准化元部件。伺服系统由若干元部件组成，尽可能选用标准化元部件。系统方案的拟定系统方案的拟定 首先确定首先确定执行元件的类型，执行元件的类型，然后然后根据技术条件的要求进行综合根据技术条件的要求进行综合分析，分析，选择选择与被控对象及其负载相匹配的与被控对象及其负载相匹配的执行元件。执行元件。以以电动机的匹配选择电动机的匹配选择为例为例简要说明执行元件的选择方法简要说明执行元件的选择方法匹配总原则：匹配总原则：与被控对象的需要相适应。与被控对象的需要相适应。电动机的额定转速电

13、动机的额定转速n基本上是所需最大转速基本上是所需最大转速电动机的额定转矩电动机的额定转矩T应大于所需最大转矩，即应大于所需最大转矩，即惯TTTTmeq)(加速度为电动机升降速时的角惯mmmeqJT其中：其中：Tmeq等效到电动机输出轴上的负载转矩等效到电动机输出轴上的负载转矩考虑机械的总传动效率考虑机械的总传动效率 时，则时，则/ )(惯TTTmeq电动机的驱动转矩电动机的驱动转矩Tq应满足应满足TTq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机电一体化机电一体化例：例：机床工作台某轴伺服电动机输出轴所受等效负载转矩机床工作台某轴伺服电动机输出轴所

14、受等效负载转矩Tmeq=2.5N m，等，等效转动惯量效转动惯量Jmeq=310-2kg m2，由工作台某轴的最高速度换算为电动机输，由工作台某轴的最高速度换算为电动机输出轴角速度出轴角速度 m为为50rad/s，等加速和等减速时间为，等加速和等减速时间为 t=0.5s，机械传动系统的，机械传动系统的总效率为总效率为0.85，试选取与所需转矩相匹配的电动机型号。，试选取与所需转矩相匹配的电动机型号。解：等效惯性负载转矩为解：等效惯性负载转矩为)(471. 685. 0/ )35 . 2(/ )(mNTTTmeq惯)(35 . 0/50103/2mNtJJTmmeqmmeq惯根据式根据式(6.1

15、0) ，可知，可知若选用若选用110BF003反应式电动机，其最大静转矩反应式电动机，其最大静转矩Tjmax=7.84N m，当采用三相六拍通电方式，查表当采用三相六拍通电方式，查表3.7可知，可知，Tq/Tjmax=0.87,则则mNTTjq82. 687. 0max因为因为TTq，满足式满足式(6.11)，故可选用，故可选用110BF003反应式电动机反应式电动机第第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机电一体化机电一体化6.1.2 执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择5 . 2, 22 . 1/min/55. 9)(maxmaxmaxmax

16、可达对于小功率伺服系统功率系数，一般取）电动机的最高角速度（）电动机的最高转速（式中：sradrnTnJTPmmeqmeq(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、交流伺服电动机）（直流、交流伺服电动机）在选择电动机时，常先进行预选在选择电动机时，常先进行预选，然后进行必要的验算然后进行必要的验算。预选电动机。预选电动机的估算功率的估算功率P可由下式确定可由下式确定(6.12)在预选电动机功率后，应进行以下验算在预选电动机功率后，应进行以下验算第第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机电一体化机电一体化1）过热验算）过热验算 负

17、载转矩为变量且励磁磁通近似不变时，电动机负载转矩为变量且励磁磁通近似不变时，电动机等效转矩等效转矩21222121tttTtTTeq式中：式中： T1、T2、 分别为分别为t1、t2 时间间隔内的负载转矩时间间隔内的负载转矩。等效功率等效功率55. 9/NeqeqnTP 式中：式中： nN电动机的额定转速电动机的额定转速（r/min）则所选电动机的不过热条件为则所选电动机的不过热条件为eqNeqNPPTT式中：式中：TN 电动机的额定转矩电动机的额定转矩(N.m); PN 电动机的额定功率电动机的额定功率( W)(6.13)(6.14)2）过载验算）过载验算mNkTTmax式中：式中：km电动

18、机的过载系数，一般电动机产品目录中给出电动机的过载系数，一般电动机产品目录中给出(6.15)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机电一体化机电一体化6.1.3 减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比的匹配选择与各级减速比的分配 1 总减速比总减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择决定，既要使减速比合要求来选择决定，既要使减速比达到一定条件下最佳达到一定条件下最佳，又要满足，又要满足脉脉冲当量与步距角之间的相应关系冲当量与步距角之间的相应关系、最大转速要求最大转速要求等。

19、其确定方法有：等。其确定方法有：(6.16)1）使加速度最大）使加速度最大。输入信号变化快，即加速度很大时，应使。输入信号变化快，即加速度很大时，应使式中：mLmLFmLF负载转矩LFT电动机转子转动惯量；mJ电动机额定转矩；mTJJTTTTi2/122）最大输出速度）最大输出速度。当输入信号近似恒速，即加速度很小时，应使。当输入信号近似恒速，即加速度很小时，应使负载粘性摩擦系数。2f；电动机粘性摩擦系数式中：1f(6.17)2/1122ffTTTTimLFmLF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机电一体化机电一体化3）满足送进系统传动基本

20、要求）满足送进系统传动基本要求。即满足脉冲当量。即满足脉冲当量、步距角、步距角和丝杠基和丝杠基本导程本导程l0之间的匹配关系之间的匹配关系)360(0li (6.18)4）对速度和加速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。先按上述先按上述1）条选择减速比）条选择减速比i，然后验算是否满足，然后验算是否满足i Lmax m，式中，式中的的 Lmax为负载的最大角速度；为负载的最大角速度； m为电动机输出的角速度。为电动机输出的角速度。根据设计要求，通过综合分析，利用上述方法根据设计要求，通过综合分析，利用上述方法选择总减速比之后选择总减速比之后，就需要，就需要合理确定减

21、速级数，合理确定减速级数，最后最后分配各级的传动比（分配各级的传动比（其分配原则可参见第其分配原则可参见第2 2章章）选择减速级数时考虑的问题：选择减速级数时考虑的问题：1 使齿轮总转动惯量使齿轮总转动惯量JG与电动机轴上与电动机轴上主动齿轮的转动惯量主动齿轮的转动惯量JP的比值较小；的比值较小；2 避免级数过多而使结构复杂。避免级数过多而使结构复杂。 一般可按图一般可按图A来选择。来选择。各级传动比可按图各级传动比可按图B来合理分配，来合理分配，一般应使各级传动比按传动顺序逐一般应使各级传动比按传动顺序逐级增加（级增加（“先小后大先小后大”）图A 传动级数选择曲线图B 传动比分配曲线第第6章

22、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机电一体化机电一体化 伺服系统的稳态设计从两头入手，伺服系统的稳态设计从两头入手，一方面一方面从系统应从系统应具有的输出能力和要求出发，具有的输出能力和要求出发，选定执行元件和传动装置选定执行元件和传动装置；另一方面另一方面是从系统的精度要求出发，是从系统的精度要求出发，选择和设计检测装选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道置及信号的前向和后向通道。 最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、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完善电源电路及其它辅助电

23、路，从而达到机电一体化系统的设计要求。统的设计要求。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机电一体化机电一体化2.齿轮传动链的级数和各级传动比的选择齿轮传动链的级数和各级传动比的选择 多级传动时，各级传动比的分配遵循多级传动时，各级传动比的分配遵循：1、重量最轻原则重量最轻原则 小功率传动时， i 的分配各级相等各级相等； 大功率传动时， i 的分配先小后大先小后大。2、输出轴转角误差最小原则、输出轴转角误差最小原则 传动比i 的分配先小后大先小后大，并且提高最末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、最小等效转动惯量原则最小等效转动惯量原

24、则 传动比 i 的分配先小后大先小后大，级数越多等效转动惯量越小级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。对数减少传动精度提高总原则总原则：尽量采用较大传动比的单级传动第第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机电一体化机电一体化6.1.4 检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电 源等的匹配选择与设计源等的匹配选择与设计1.检测传感器检测传感器的精度、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，的精度、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

25、应具有固定的线性特性，信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力号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦力 矩尽可能小，性能要稳定可靠等。矩尽可能小，性能要稳定可靠等。2.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，要有足够的应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的 输入输入/输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要输出通道，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考虑与放大器的输入阻抗符合匹配要求第第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

26、系统的机电有机结合分析与设计机电一体化机电一体化4.伺服系统的能源（特别是电源）支持伺服系统的能源（特别是电源）支持3.放大电路放大电路的设计主要考虑以下问题：的设计主要考虑以下问题：1）功率输出级必须与所用执行元件匹配）功率输出级必须与所用执行元件匹配2）放大器应为执行元件的运行状态提供适宜条件）放大器应为执行元件的运行状态提供适宜条件3）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4）输入级应能与检测传感装置相匹配）输入级应能与检测传感装置相匹配5）放大器应有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整）放大器应有足够

27、的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整放大器电源放大器电源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。最关键的是最关键的是动力电源动力电源，它常常制约系统方案的形式，它常常制约系统方案的形式设计时要注意不要让干扰信号从电源引入，所使用设计时要注意不要让干扰信号从电源引入，所使用电源应有足够电源应有足够的保护措施。的保护措施。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机电一体化机电一体化一一 伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机控制方式的基本形式6.1.5 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算系统数学模型的建

28、立及主谐振频率的计算第第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机电一体化机电一体化1.开环方式开环方式：没有检测反馈环节没有检测反馈环节2.半闭环方式半闭环方式：有检测反馈环节有检测反馈环节，通过传感器检测位于，通过传感器检测位于 目标（执行机构）目标（执行机构）之前的之前的某个中间部位某个中间部位 （如伺服电动机）运动并进行反馈、（如伺服电动机）运动并进行反馈、 间接控制间接控制目标目标运动运动 3. 闭环方式闭环方式：有检测反馈环节有检测反馈环节，通过传感器检测，通过传感器检测 目标目标（执行机构）（执行机构）运动并进行反馈，运动并进行反馈，

29、直接控制直接控制目标运动目标运动 闭环控制和半闭环控制的区别与联系闭环控制和半闭环控制的区别与联系联系：联系：从控制原理上讲是一样的，都是对系统输出进行实时检测从控制原理上讲是一样的，都是对系统输出进行实时检测 和反馈，并根据偏差对系统实施控制。和反馈，并根据偏差对系统实施控制。区别：区别：传感器检测信号位置不同传感器检测信号位置不同6.1.5 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算系统数学模型的建立及主谐振频率的计算二二 系统数学模型的建立系统数学模型的建立（1） 半闭环控制方式半闭环控制方式6.1.5 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算系统数学模型的建立及主谐振频率的计算（2） 全闭环控制

30、方式全闭环控制方式机械传动系统传递函数机械传动系统传递函数Gj(s)的建立的建立6.1.5 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算系统数学模型的建立及主谐振频率的计算三三 主谐振频率的计算主谐振频率的计算eqImeqnJJKJ机械传动系统的主谐振频率机械传动系统的主谐振频率22104222132121)2/(1)/(1/111i ilKiiKiKKK221202213212)/()2()/(/i imli iJiJJeqeqImeqJJJeqImeqnJJKJ式中：式中：K为机械传动系统的总扭转刚度（为机械传动系统的总扭转刚度（ N.m/rad） Jeqm为机械传动系统等效到电动机轴上的总转动惯

31、量（为机械传动系统等效到电动机轴上的总转动惯量（kg.m2） Jeq为轴为轴、转动惯量以及工作台总质量转动惯量以及工作台总质量m等效到电动机轴上的总转动惯量（等效到电动机轴上的总转动惯量（kg.m2） JI为轴为轴I上运动零部件的转动惯量（上运动零部件的转动惯量（kg.m2）机械传动系统的主谐振频率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求：该机械传动系统的主谐振频率第第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机电一体化机电一体化6.2 6.2 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

32、方法 系统动态设计的一般考虑方法和步骤：系统动态设计的一般考虑方法和步骤： 选择选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式系统的控制方式和校正（或补偿）形式-定量计算分析，找定量计算分析，找到所需补偿装置的对数幅频特性到所需补偿装置的对数幅频特性 -设计设计校正装置校正装置- 将其有效地将其有效地连连接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要求。满足各项动态指标的要求。1.反馈控制系统反馈控制系统） 定义：具有被控变量负反馈的闭环调节系统定义：具有被控变量负反馈的闭环调节系统） 特点：特点：按

33、偏差进行调节按偏差进行调节 调节量小，失调量小调节量小，失调量小 能随时了解被控变量变化情况能随时了解被控变量变化情况 输出影响输入（闭环）输出影响输入（闭环）存在问题：）存在问题：必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用 调节不及时，被控变量总是变化的调节不及时，被控变量总是变化的2、前馈控制系统：、前馈控制系统：）问题提出：反馈系统最大缺点，在干扰作用下，必须形成偏差，才能进）问题提出：反馈系统最大缺点，在干扰作用下，必须形成偏差，才能进行调节（或偏差即将形成）那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量行调节（或偏差即将形成）那么能否在干

34、扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。时，就开始调节，使被控变量保持不变。）定义：是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未）定义：是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。3)3) 特点特点: : 按干扰进行控制，控制及时，精度高。按干扰进行控制，控制及时，精度高。 仅仅对前馈量有控制作用仅仅对前馈量

35、有控制作用 不能随时了解被控变量变化情况不能随时了解被控变量变化情况 输出影响输入（开环）输出影响输入（开环）6.2.1 系统的调节方法系统的调节方法 当系统有输入或受到外部干扰时，其输出必将发生变化，由于当系统有输入或受到外部干扰时，其输出必将发生变化，由于系统中总是含有一些惯性或蓄能元件，其输出量也不能立即变化到系统中总是含有一些惯性或蓄能元件，其输出量也不能立即变化到与外部干扰相对应的值，也就是说需要有一个变化过程，这个变化与外部干扰相对应的值，也就是说需要有一个变化过程，这个变化过程即为系统的过程即为系统的过渡过程。过渡过程。 当系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输入相对应的稳定状当

36、系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输入相对应的稳定状态，此时系统的输出值与目标值之差被称为态，此时系统的输出值与目标值之差被称为稳态误差。稳态误差。 具体表征系统动态特性好坏的定量指标是系统具体表征系统动态特性好坏的定量指标是系统过渡过程的品质指标。过渡过程的品质指标。在时域内，这种品质指标一般用在时域内，这种品质指标一般用单位阶跃响应过渡过程曲线的参数单位阶跃响应过渡过程曲线的参数表示。表示。 系统在阶跃信号作用下，过渡过程有系统在阶跃信号作用下，过渡过程有三种三种情况：情况：系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态稳态值；值；系统的输出发散，即

37、没有稳态值，此时系统是系统的输出发散，即没有稳态值，此时系统是不稳定不稳定的；的；系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态稳态值。值。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机电一体化机电一体化图图6.14 单位阶跃响应过渡过程曲线单位阶跃响应过渡过程曲线Ts上升时间上升时间Ty 延滞时间延滞时间Tt 调整时间调整时间 % 最大超调量最大超调量 当系统当系统不稳定不稳定或虽然或虽然稳定但过渡过程性能和稳态性能不能满足要求稳定但过渡过程性能和稳态性能不能满足要求时，时，可先可先调整调整系统中的有关参数，如仍不能满足使

38、用要求就需要系统中的有关参数，如仍不能满足使用要求就需要校正校正，最简单，最简单的校正网络是的校正网络是PID调节器调节器（P比例、比例、I积分、积分、D微分）。微分）。(1) PID调节器及其传递函数调节器及其传递函数图图 6.15 有源调节器有源调节器调节类型所对应的图传递函数备注Pa)Ib)PIc)PIDd)pcKsG)()/(1)(sTsGic)/(11 )(sTKsGipc)/(11 )(sTsTKsGdipc12/ RRKpRCTi;/12RRKpCRTi2)/()(212211RRCRCRKp2211CRCRTi)/(22112211CRCRCRCRTd第第6章章 机电一体化系统

39、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机电一体化机电一体化各种调节类型的特点及应用各种调节类型的特点及应用比例比例(P)调节：调节：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Kp的大小。的大小。 Kp越大越大 ，调节作用越强，动态性能也越好，但调节作用越强，动态性能也越好，但Kp太大会引起系统不稳定。其太大会引起系统不稳定。其主要缺点是存在误差主要缺点是存在误差。因此，对于干扰较大、惯性也较大的系统，。因此，对于干扰较大、惯性也较大的系统，不宜单独采用不宜单独采用比例比例(P)调节调节。积分积分(I)调节：调节：主要优点是能减少或消除误差主要优点是能减少或

40、消除误差，但由于它响应慢，故，但由于它响应慢，故很少单独采用。很少单独采用。比例比例-积分积分(PI)调节：调节：即克服了单纯比例调节有调节误差的缺点，又即克服了单纯比例调节有调节误差的缺点，又避免了积分环节响应慢的弱点，即稳态和动态特性都得到了改善，避免了积分环节响应慢的弱点，即稳态和动态特性都得到了改善，所以应用比较广泛。所以应用比较广泛。比例比例-积分积分-微分微分(PID)调节：调节：无论从稳态，还是从动态的角度来说，无论从稳态，还是从动态的角度来说，调节品质均比调节品质均比PI调节调节得到了改善，因此其应用得到了改善，因此其应用最为广泛最为广泛，但由于它，但由于它含有微分作用，在噪声

41、大或要求响应快的系统最好不要使用。含有微分作用，在噪声大或要求响应快的系统最好不要使用。(2) PID调节器的控制作用调节器的控制作用基本控制作用有三种基本形式：比例作用、积分作用和微分作用基本控制作用有三种基本形式：比例作用、积分作用和微分作用m为调节器的输出；为调节器的输出；e为偏差信号；为偏差信号；Kp为比例增益；为比例增益；Ti为积分时间常数；为积分时间常数；Td为微分时间常数为微分时间常数第第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机电一体化机电一体化积分积分比例比例微分微分被控对象被控对象r(t) +r(t) +u(t)u(t)c(t)c

42、(t)e(t)e(t)PID控制器控制器)11 ()()()(sTsTKsesusGdipPIDPID调节原理：调节原理： P（Proportional）：控制信号的强弱及响应速度 I（Integral）：消除稳态误差，提高控制精度 D（Differential）：减小超调，提高动态特性及控制精度PIDPID调节器传递函数调节器传递函数：6.2.2 机械结构弹性变形对系统的影响机械结构弹性变形对系统的影响(1) 结构谐振的影响结构谐振的影响结构谐振（结构谐振（或机械谐振机械谐振）由传动装置（或传动系统）的弹性变形由传动装置（或传动系统）的弹性变形 而产生的振动。而产生的振动。机械传动系统的弹性

43、变形与它的结构、尺寸、材料性能及受力状况有关，机械传动系统的弹性变形与它的结构、尺寸、材料性能及受力状况有关，其结构形式多种多样，因此分析起来相当复杂。其结构形式多种多样，因此分析起来相当复杂。最简单的办法就是将整最简单的办法就是将整个系统的弹性变形看成集中在系统输出轴即负载轴上，也就是等效到负个系统的弹性变形看成集中在系统输出轴即负载轴上，也就是等效到负载轴上载轴上。现以两级齿轮传动为例来讨论机械谐振对系统的影响。现以两级齿轮传动为例来讨论机械谐振对系统的影响。机械装置的物理模型是机械装置的物理模型是质量质量弹簧弹簧系统系统结构谐振频率结构谐振频率远大于系统的截止频率，远大于系统的截止频率，

44、对动态性能对动态性能没影响；没影响；结构谐振频结构谐振频接近或接近或小于系统的小于系统的截止频率截止频率，出现自激振荡，出现自激振荡，影响大；影响大；对要求加速度很大，快速性能好的系统，其通频带必然较宽，因而容易出对要求加速度很大，快速性能好的系统，其通频带必然较宽，因而容易出现自激振荡。现自激振荡。闭环系统闭环系统基本上不会受结构谐振的影响。基本上不会受结构谐振的影响。图图6.20 两级齿轮两级齿轮减速器减速器已知：已知：i1,i2,Tm设设 T1,T2,T3, 1, 2, 3则有则有213121,i iTTiTTTTmmm根据弹性变形的虎克定律，轴的弹性扭转角根据弹性变形的虎克定律，轴的弹

45、性扭转角 正比于其所承受的扭转力矩，即正比于其所承受的扭转力矩，即lGTdKTT324轴的直径。力矩作用点的距离；轴的扭转弹性模量；轴的扭转刚度；式中：dlGKT（6.44）（6.45）得）和时，根据式（、当)45. 6(44. 6321321321dddGGGlll2322131/),/(ii i总弹性扭转角为都换算到输出轴上，则、将21)/(1/11 )/(/2221223211223iiii ii可见，输出轴可见，输出轴3的变形对系统的影响最大、轴的变形对系统的影响最大、轴2次之、轴次之、轴1最小最小（6.46）(2) 减小或消除结构谐振的措施减小或消除结构谐振的措施1）提高传动刚度）提

46、高传动刚度。可提高结构谐振频率，一般使可提高结构谐振频率，一般使 提高结构谐振频率的提高结构谐振频率的根本方法根本方法是增加传动系统的刚度、减小负载的是增加传动系统的刚度、减小负载的 转动惯量和采用合理的结构布置转动惯量和采用合理的结构布置cn)108(提高刚度的措施：提高刚度的措施：加大传动系统最后几根轴的刚度；加大传动系统最后几根轴的刚度； 采用无齿轮传动装置；采用无齿轮传动装置； 减小惯性元件的距离减小惯性元件的距离2）提高机械阻尼）提高机械阻尼。能有效地降低振荡环节的谐振峰值。能有效地降低振荡环节的谐振峰值。3）采用校正网络。）采用校正网络。该网络频率频率特性有一凹陷处，将此处对准系统

47、的该网络频率频率特性有一凹陷处，将此处对准系统的 结构谐振频率，就可抵消或削平结构谐振峰值。结构谐振频率，就可抵消或削平结构谐振峰值。4）应用综合速度反馈减小谐振。）应用综合速度反馈减小谐振。适合低摩擦系统中。适合低摩擦系统中。实际的传动装置较复杂，用校正（或补偿）方法只能近似消除结构谐振实际的传动装置较复杂，用校正（或补偿）方法只能近似消除结构谐振的影响。的影响。6.2.3 传动间隙对系统性能的影响传动间隙对系统性能的影响(1) 机械传动间隙机械传动间隙理想理想的齿轮传动的输入和输出转角之间是线性关系，即的齿轮传动的输入和输出转角之间是线性关系，即irc/齿轮减速器的传动比输入转角；输出转角

48、；式中：irc实际上实际上，由于减速器的主动轮和从动轮之间间隙的存在和传动方向的，由于减速器的主动轮和从动轮之间间隙的存在和传动方向的变化，齿轮传动的输入转角和输出转角之间呈滞环特性，如图变化，齿轮传动的输入转角和输出转角之间呈滞环特性，如图6.29所所示示图图6.29 齿侧间隙齿侧间隙多级齿轮传动中，各级齿轮间隙的影响是多级齿轮传动中，各级齿轮间隙的影响是不相同不相同的，现以一的，现以一三级传动三级传动为例为例加以说明加以说明.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机电一体化机电一体化图图6.30 多级齿轮传动多级齿轮传动已知：已知：i1,i

49、2, i3， 1, 2, 3, R为主动轴，为主动轴，C为从动轴为从动轴将所有的传动间隙都折算到输出轴将所有的传动间隙都折算到输出轴C上，其总间隙上，其总间隙332321iiiC如果将其折算到输入轴如果将其折算到输入轴R上，其总间隙上，其总间隙（6.64）（6.65）可见，最后一级齿轮的传动间隙可见，最后一级齿轮的传动间隙 3影响最大影响最大321211i iiR 为了减小间隙的影响，除为了减小间隙的影响，除尽可能地提高齿轮的加工精度尽可能地提高齿轮的加工精度外，装配时外，装配时 还应还应减小最后一级齿轮的传动间隙减小最后一级齿轮的传动间隙。(2) 传动间隙的影响传动间隙的影响齿轮传动装置齿轮

50、传动装置在系统中的在系统中的位置不同，位置不同，其间隙对其间隙对伺服系统的影响也不同伺服系统的影响也不同图图6.31 传动间隙在闭环内的结构图传动间隙在闭环内的结构图1)闭环之内的动力传动链闭环之内的动力传动链(G2)齿轮传动间隙影响系统的稳定性，齿轮传动间隙影响系统的稳定性， 不影响不影响系统的精度系统的精度2) 反馈回路上的传动链反馈回路上的传动链(G3)齿轮传动间隙既影响系统的稳定性齿轮传动间隙既影响系统的稳定性 又影响又影响系统的精度系统的精度6.3 6.3 可靠性、安全性设计可靠性、安全性设计可靠性可靠性 指产品（或系统）在规定条件下和规定时间内，完成规指产品（或系统）在规定条件下和

51、规定时间内，完成规 定功能的能力。定功能的能力。6.3.1 可靠性设计可靠性设计总的来说，可靠性包括无故障性和耐久性两方面的含义。总的来说，可靠性包括无故障性和耐久性两方面的含义。（1）可靠性的基本概念）可靠性的基本概念无故障性无故障性 指产品在指产品在某一时期内某一时期内（某一段工作时间内），（某一段工作时间内），连续不连续不 断地断地保持其工作能力的性能。保持其工作能力的性能。耐久性耐久性 指产品在指产品在整个使用期限内整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其和规定的维修条件下，保持其 工作能力的性能。工作能力的性能。完成规定功能完成规定功能是指能够连续地保持产品的工作能力，使各项技术指是

52、指能够连续地保持产品的工作能力，使各项技术指 标符合规定值。如果产品不能完成规定功能，就称为标符合规定值。如果产品不能完成规定功能，就称为失效失效。对于可修。对于可修复的产品，也可称为复的产品，也可称为故障故障。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机电一体化机电一体化6.3 6.3 可靠性、安全性设计可靠性、安全性设计根本方法：根本方法：提高产品的设计和制造质量，提高产品的设计和制造质量，它的作用是消除故障于发生它的作用是消除故障于发生 之前，或者降低故障率。之前，或者降低故障率。具体方法：具体方法：6.3.1 可靠性设计可靠性设计（2）保证

53、产品（系统）可靠性的方法）保证产品（系统）可靠性的方法 裕度法裕度法 自动控制法自动控制法 冗余技术：掩蔽法冗余技术：掩蔽法 诊断技术：暴露法诊断技术：暴露法主要是一种改进硬件的措施主要是一种改进硬件的措施用硬件、软件或两者相结合来保用硬件、软件或两者相结合来保证产品可靠性的措施证产品可靠性的措施 冗余技术：又称冗余技术：又称储备技术储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统。它是利用系统的并联模型来提高系统 可靠性的一种手段。可靠性的一种手段。表现：表现：它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使产品在一它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使产品在一 定时间内继续保持其工作能

54、力。是一种定时间内继续保持其工作能力。是一种掩蔽法掩蔽法。冗余方法分类：冗余方法分类：工作冗余和后备冗余工作冗余和后备冗余选择冗余方法的原则：选择冗余方法的原则：P247-248采用冗余技术必须在充分进行可靠性分析的基础上采用，包括分析：采用冗余技术必须在充分进行可靠性分析的基础上采用，包括分析： 1. 引起失效的真正原因引起失效的真正原因 2. 经济上的可行性和产品的体积和重量等因素经济上的可行性和产品的体积和重量等因素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。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。作用：作用：推迟产品失效的时间推迟产品失效的时间基本思想：基本思想

55、：通过可靠性分析找出系统失效率高的薄弱环节，对此环节进通过可靠性分析找出系统失效率高的薄弱环节，对此环节进 行冗余结构设计，以此保证整个系统的可靠性。行冗余结构设计，以此保证整个系统的可靠性。 诊断技术：是一种诊断技术：是一种检测技术检测技术。用来取得有关产品中产生的失效。用来取得有关产品中产生的失效 （故障）（故障）类型类型和失效的和失效的位置位置信息。信息。表现：表现：它可以把它可以把已经出现的已经出现的或或将要出现的将要出现的故障及时暴露出来，以便迅故障及时暴露出来，以便迅 速修复。是一种速修复。是一种暴露法暴露法。作用：作用：及时发现故障，以便缩短修理时间，提高产品的有效度。及时发现故

56、障，以便缩短修理时间，提高产品的有效度。任务：任务：两个两个 见见P248测试分类：测试分类：1. 诊断测试诊断测试故障出现之后故障出现之后 2. 故障监测故障监测故障发生之前故障发生之前 诊断过程：诊断过程：测试，取得诊断信号测试，取得诊断信号分离出症兆分离出症兆诊断诊断症症兆兆：表征故障种类与位置的表征故障种类与位置的异常性信号异常性信号。可分为两类：。可分为两类：1. 直接症直接症兆兆检测产品整机或元部件的输出参数时取得的检测产品整机或元部件的输出参数时取得的2. 间接症间接症兆兆检测与产品工作能力存在函数关系的间接参数时取得的检测与产品工作能力存在函数关系的间接参数时取得的 诊断：诊断

57、：将测试取得的诊断信号与标准数据比较，或利用事先确定的症兆将测试取得的诊断信号与标准数据比较，或利用事先确定的症兆 与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。6.3 6.3 可靠性、安全性设计可靠性、安全性设计1) 干扰的定义干扰的定义 干扰是指干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电噪声干扰、温度干扰、湿度干扰、讲，机电一体化系统的干扰因素包括电噪声干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。声波干扰和振动干扰等等。 电噪声干扰

58、是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用电噪声干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。 6.3.1 可靠性设计可靠性设计（3）干扰和抗干扰措施）干扰和抗干扰措施 2）形成干扰的三要素）形成干扰的三要素 干扰源：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、干扰源：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、 微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空 中电磁信号。中电磁信号。 传播途径：干扰信号从

59、干扰源到接收载体的渠道。传播途径：干扰信号从干扰源到接收载体的渠道。 干扰对象：指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号，干扰对象：指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干扰信号， 并转化为对系统造成影响的电气参数。并转化为对系统造成影响的电气参数。 图图6.32 干扰渠道示意图干扰渠道示意图 传导型：通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和传导型：通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和 接地干扰等。接地干扰等。 辐射型：通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰。辐射型：通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰。传播途径的类型：传播途径的类型：图图6.33

60、接地环路接地环路3）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 稳压、滤波、隔离稳压、滤波、隔离 接口电路的抗干扰措施接口电路的抗干扰措施 首先是采取吸收的方法抑制其产生，然后采用隔离的方法，阻断其传导。首先是采取吸收的方法抑制其产生，然后采用隔离的方法，阻断其传导。 接地系统的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施 出发点：切断接地环路出发点：切断接地环路 采取的措施：单点接地；并联接地；光电隔离。采取的措施：单点接地；并联接地；光电隔离。6.3 可靠性、安全性设计可靠性、安全性设计6.3.1 可靠性设计可靠性设计（3）干扰和抗干扰措施）干扰和抗干扰措施 第第6章章 机电一体化