机电一体化复习资料分析

机电一体化复习资料第一章机械技术：精度、体积、刚度、动态性能机械技术是机电一体化技术的基础。随着高新技术引进机械行业，机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中，它不在是单一的完成系统间的连接，而是在系统结构、重量、体积、刚性和耐用方面对机电一体化系统有着重要的影响。机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应。传感检测技术：精度、灵敏度、可靠性传感检测技术的内容：研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量。研究对象：传感器及其信号检测装置作用：感受器官、反馈环节。要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。机电一体化的智能化趋势包括以下几个方面：诊断过程的智能化：诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。人机接口的智能化：智能化的人机接口，可以大大简化操作过程，这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。自动编程的智能化：操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据，加工程序就可全部自动生成。加工过程的智能化第二章滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。支承件的结构设计选取有利的截面形状设置隔板和加强筋选择合理的壁厚选择合理的结构以提高联接处的局部刚度和接触刚度提高阻尼比用模拟刚度试验类比法设计支承支承件的结构工艺性第三章把各种非电量信息转换为电信号，这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。对转换后的电信号进行测量，并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，这叫作电信号处理系统，通常被称为二次仪表。对传感器的一般要求各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求，却基本上是共同的，这就是：①可靠性；②静态精度；③动态性能；④量程；⑤抗干扰能力；⑥通用性；⑦轮廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩对被测对象的影响等。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。传感器的标定传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。传感器的标定分静态标定和动态标定传感器静态特性标定静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。传感器动态特性标定动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。机电一体化系统对检测传感器基本要求体积小、重量轻、对整机的适应性好；精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；安全可靠、寿命长；便于与计算机连接；不易受被测对象（如电阻、磁导率）的影响，也不影响外部环境；对环境条件适应能力强；现场处理简单、操作性能好；价格低廉。传感器的发展方向开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。开发新型传感器开发新材料新工艺的采用集成化、多功能化智能化微机械加工技术：近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。新型传感器主要三个方面：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器。传感器的智能化对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。误差校正在控制系统的模拟量输入通道中，一般存在传感器温度漂移、放大器等器件的零点偏移的现象，这些都会造成误差，从而影响测量数据的准确性，这些误差称为系统误差。特点：在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。因此，原则上讲，系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。方法：一般采用软件程序进行处理，对系统误差进行自动校准。零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用软件程序实现零点调整的方法称为数字调零。实现方法：在测量输入通道中，计算机分时巡回采集校准电压与n路传感变送器送来的电压信号。通过软件程序进行调零。采用数字调零，可去掉放大电路、A/D转换电路本身的偏移及随时间与温度而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，降低硬件成本。数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。实现方法：系统校准原理与数字调零相似，只是把测量扩展到现场的传感器。在需要校准时，人工接入标准信号VR进行测量，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成.与模拟滤波器相比，数字滤波主要优点：1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，可靠性高、稳定性好。2）一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。3）数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，灵活、方便、功能强。4）数字滤波能对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。克服了模拟滤波器的缺陷。转换精度指标通常由以下分项误差有组成：偏移误差：是指输出为零时，输入不为零的值，所以有时又称零点误差。偏移误差可以通过在A/D转换器的外部加接调满刻度误差：又称增益误差，它是指A/D转换器满刻度时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差，满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差等引起。满刻度误差可以通过外部电路来修正。非线性误差：是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。非线性误差不包括量化误差，偏移误差和满刻度误差。微分非线性误差：是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯电压（1LSB）之间的差值。为保证A/D转换器的单调性能，A/D转换器的微分非线性误差一般不大于1LSB。非线性误差和微分非线性误差在使用中很难进行调整。在测控系统中为什么要采用信号调制？在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。在测控系统中常用的调制方法有哪几种？在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。什么是调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。第四章ISA总线采用独立于CPU的总线时钟，因此CPU可采用比总线频率更高的时钟，有利于CPU性能的提高。但ISA总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因此不支持多台主设备系统，且ISA上的所有数据的传送必须通过CPU或DMA接口来管理，因此使CPU花费了大量时间来控制与外部设备交换数据。ISA总线时钟频率为8MHz，最大传输率为16MB/s。ISA总线扩展槽的62根信号线分为五类：地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线和电源线。所谓局部总线是指在系统外，为两个以上模块提供的高速传输信息通道。VL-Bus是由CPU总线演化而来的，采用CPU的时钟，频率达33MHz、数据线为32位，配有局部控制器。通过局部控制的判断，将高速I/O直接挂在CPU的总线上，实现CPU与高速外设之间的高速数据交换。第五章系统的过渡过程系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的输入（包括干扰）量发生变化时，由于系统的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡的过程这一过程称为系统的过度过程。一般情况下，系统的过渡过程有以下几种基本形式：非周期衰减过程衰减振荡过程等幅振荡过程发散振荡过程通常选择一些定型的典型的输入形式，主要包括单位阶跃输入、单位速度（斜坡）输入、单位加速度（抛物线）输入。其中，由于阶跃信号（如下图所示）对被控变量影响最大，且容易实现，便于实验、分析和计算，因而常采用它作为系统的输入来研究控制系统。系统的性能指标控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响应。系统由初始状态随时间到最终状态的响应过程称为动态过程，也称为瞬态响应，它是系统短时间响应特性的度量；当时间趋于无穷大时系统的输出状态称为稳态过程，也称为稳态响应，它表征系统输出量最终复现输入量的程度。任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成。由此可见，控制系统在典型输入信号作用下的性能指标，通常由稳态性能和动态性能两部分组成。对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应的性能指标是稳态误差动态性能上升时间：tr（b）峰值时间:tp最大超调量:Mp调整时间：ts振荡次数:N控制系统的设计步骤1、目的分析。首先对系统的目的或任务进行定量分析，即将系统的目的、任务直接地或间接地变换成定量关系。2、系统分析。建立系统框图。将系统进行分解后，考虑到各个部分之间的输入、输出联系，即可利用框图方法来表达系统。建立系统数学模型。3、系统最佳化。4、系统仿真。数学模型的概念用数学的方法来描述系统输出量与输入量之间的关系，这种系统特性的数学描述就称为系统的数学模型。建立数学模型的一般原则一个合理的数学模型的建立，应该在模型的准确性和简化性之间进行折中。既不能过分强调准确性而使系统过于复杂，也不能片面追求简化性而使分析结果与实际出入过大。这是在建立系统数学模型的过程中要特别注意的问题。数学模型的类型非参量模型当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，就称为非参量模型。参量模型(输入一输出模型)当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。参量模型按其讨论域可分为时域模型、复数域模型和频域模型。时域模型包括微分方程、差分方程等，其特点是具有直观、准确的优点，不足之处是当系统的结构改变或某个参数变化时，就要重新列写并求解微分方程。传递函数：复数域模型包括系统传递函数和结构图，传递函数具有以下性质：传递函数描述了系统本身的动态特性，它与输入量的大小及性质无关。传递函数的分母是系统的特征多项式，代表系统的固有特性，分子代表输入量与系统之间的变换关系。传递函数不能描述系统的结构。对于动态特性相似的不同的物理系统可以用同一类型的传递函数描述。传递函数的量纲决定于输入量和输出量的量纲。一般情况，传递函数分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次，对于最高阶次为n的系统，称为n阶系统。传递函数只适用于线性系统。满足线性叠加原理是线性系统的主要性质。将传递函数中S换成jw，即为频率特性。A(w)是输入信号角频率w的函数，称为幅频特性，常用幅频特性曲线表示，它表示输出与输入的幅值之比j(w)也是角频率w的函数，称为相频特性，常用相频特性曲线表示，它表示输出相对于输入的相位移数学模型的建立机理建模根据系统和各元件的工作原理及其在控制系统中的作用，确定其输入量和输出量。根据元件工作时所遵循的物理或化学定律，列出其相应的原始方程式。在条件许可时可适当简化，忽略一些次要因素。这里所说的物理或化学定律，不外乎牛顿定律、能量守恒定律、物质守恒定律、基尔霍夫定律等。（3）列出原始方程式的中间变量与其它因素的关系式。（4）将上述关系式代入原始方程式，消去中间变量，得到描述输出量与输入量之间关系的微分方程便是系统或元件在时域的数学模型。滞后时间T有的系统在受到输入作用后，被控变量却滞后一定的时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。根据滞后性质的不同，可分为传递滞后和容量滞后两类。容量滞后容量滞后也叫过渡滞后。不难看出，自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。也就是说，系统受到干扰作用后，由于滞后的存在，被控变量不能立即反映出来，于是就不能及时产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到影响。所以，在设计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。二阶系统的特性参数（1）.系统增益（2）.系统固有频率（3）.系统阻尼、系统增益K：K较小，系统比较稳定，但较小的K会导致快速响应变差和稳态误差增大。（2）、系统阻尼比：大可以提高系统稳定性及响应过程的平稳性，减小超调量，但同时响应速度降低。（3）、系统固有频率：提高固有频率可以提高系统稳定性、精度和快速响应，提高抗干扰能力，但系统成本增加方框图强调几点：传递函数框图中的环节是根据动力学方程来划分的，一个环节并不一定代表一个物理元件（物理环节或子系统），一个物理元件（物理环节或子系统）也不一定就是一个传递函数环节（也许几个物理元件的特性才组成一个传递函数环节，也许一个物理元件的特性分散在几个传递函数环节中）。注意区别表示系统结构的物理框图和分析系统的同传递函数框图。一物理元件在不同系统中的作用不同时，其传递函数可以不同。（例如，测速发电机：当输入为角速度时，是比例环节当输入为角位移时，是微分环节）时域分析法是一种直接分析法，具有直观和准确的优点，尤其适用于一、二阶系统性能的分析和计算。对二阶以上的高阶系统则须采用频率分析法和根轨迹法。频率响应和频率特性频率响应——线性定常系统对谐波输入的稳态响应称为频率响应。频率特性——在正弦信号作用下，系统输入量的频率由0变化到时，稳态输出量与输入量的振幅和相位差的变化规律。时域性能指标时域中评价系统的暂态性能，通常以系统对单位阶跃输入信号的暂态响应为依据，规定如下指标：（1）延迟时间td（2）上升时间tr（3）峰值时间tp4）调节时间ts（5）最大超调量6）稳态误差ess频域性能指标（1）相位裕度Y（2）幅值裕度K4）复现带宽0〜3m（5）谐振频率3r（6）截至频率为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制传统的控制策略隐含着两个前提，一是要求对象的模型是精确的、不变换的，且是线性的；二是操作条件和运行环境是确定的、不变的。随着工业应用领域的扩大，控制精度和性能要求的提高，必须考虑控制对象参数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的和不确定因素，才能得到满意的控制效果自适应控制是针对对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的影响而提出来的。它的基本思想是通过自适应控制是一种逐渐修正、渐近趋向期望性能的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况。对于模型参数变化快，环境干扰强的工业场合，以及比较复杂的生产过程，显得力不从心，难于应用。其非线性表现为控制的不连续性。控制系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感的程度））。鲁棒性是个统称，最基本的可分为稳定鲁棒性和品质鲁棒性，前者系统在某种扰动下保持稳定性的能力，后者指保持某项品质指标的能力。目前，鲁棒控制主要有两类方法：（1）代数方法研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式，讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制。其中又包括多项式代数法和状态空间法。（2）频域方法从系统的传递函数矩阵出发。H8是其中较为成熟和应用较广的方法。这类问题的实质是通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的H8范数取极小，来设计出相应的控制规律。现代鲁棒控制采用了频率方法与状态空间结合，即直接在状态空间上进行设计。其设计过程简单，控制器阶次较低，结构特性明显。预测模型是系统动态特性的预先描述，它根据系统的历史信息和未来输入，预测未来一个有限时段的输出值。及时进行弥补，减小偏差，获得较高的综合控制质量。预测控制的缺点是在建模中未充分利用过程的知识，其计算耗时、工作量大。智能控制策略其复杂性可归纳为：（1）对象复杂不只是一种单一的运动，往往是几种物质的运动，甚至同时进行着物理、化学、生物的反应，内部机理不甚清楚；系统往往是非线性、多变量、强耦合和高维数的；对象的特性（包括结构、参数等）在变化，存在着许多不确定性因素，难以用常规的数学工具建模并进行研究；输入信息多样化、数据量庞大；信息方式不是单一的，往往是多媒体的（例如图形、文字、声音、数字等）。（2）环境复杂系统处于动态变化的、难以预先知道的环境中。自动控制与人工智能的结合产生了智能控制。控制策略的渗透和结合从上述各种控制策略的分析可以看出，每种控制略都有其特长，但都在某方面存在某些问题。因此，一种必然的发展趋势是各种控制策略互相渗透，取长补短，互济优势，结合成复合的控制策略。这些复合控制策略克服了单独策略的不足，具有更优良的性能能更好地满足不同应用的不同要求，因而获得了更广泛的应用。可以说，复合（混合）控制模式是控制策略的发展方向。复合控制策略的类型很多，而且随着研究工作进展还在不断的增加和变化。模糊PID复合控制模糊变结构控制自适应模糊控制模糊预测控制模糊神经网络控制专家PID控制专家模糊控制控制策略的渗透和结合有下述特点：渗透面最广的是模糊控制，它形成的复合控制策略适用性强，应用也最广。专家控制形成的复合控制策略可以具有较复杂的形式和较高的性能，而且也有不少的应用。PID控制形成的复合控制策略吸收了其他策略性能上的优点，保持了自身应用上的优势，仍是一种工业上的主要控制方式。十分有前途的一种方法是在模糊控制和神经网络结合的基础上，再与其他智能或传统控制策略结合形成更高层次的性能更优良的控制策略。模糊神经网络变结构控制(FNV)可发挥三者之长，形成比模糊控制和变结构控制动静态品质更佳以及设计更简单，而且比模糊神经网络学习收敛速度更快的控制策略。模糊神经自适应控制(FNA)在自适应控制中引入模糊神经网络建模工具，改善神经网络自适应控制的鲁棒性和实时性，特别适用于具有不确定性的非线性系统跟踪控制，也可用于实际的伺服直流电机调速控制。模糊神经网络专家控制(FNE)将专家系统灵活性和集成性用于模糊神经网络控制中。在初始阶段作辅助控制，间接缓解对神经网络快速学习的要求，并可通过专家系统方法直接改进神经网络学习问题，得到理想实用的工业控制器。什么是自动控制?自动控制系统由哪些部分组成？自动控制是在没有人的情况下，利用外加的设备和装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按预定的规律运行。计算机控制系统的工作原理可归纳为以下四个步骤：实时数据采集对被控参数在一定采样间隔进行测量变送并经A/D转换后进行处理。实时控制决策对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。信息管理随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。什么是实时控制？工业控制机硬件：硬件是指计算机本身及外围设备具体如下：常规外部设备常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备。1.主机(计算机)主机由CPU和存储器构成。输入输出通道在计算机和生产过程之间设置信息的传递和变换的连接通道。外部设备(接口)过程通道与计算机控制系统的接口，有并行、串行、管理接口。运行操作台-人机接口操作台应该具备如下功能：要有屏幕或数字显示器，要有一组简单功能键进行控制操作；要有一组数字键进行数据操作；采用硬保护和软保护措施，网络通信接口多个计算机控制系统之间需要相互传递信息或与更高层计算机通信时，每一个计算机控制系统就须设置网络通信接口。实时时钟计算机控制系统的运行需要一个时钟，用于确定采样周期、控制周期及事件发生时间等。工业自动化仪表被控对象与过程通道发生联系的设备。有测量仪表、显示仪表、调节设备、执行机构等什么是软件?什么是程序？什么是指令？指令：指示计算机执行某种操作的命令。程序：指令的集合软件：程序的集合计算机控制系统与连续控制系统相比，具有如下特点：•控制规律的实现灵活、方便。•控制精度高。•控制效率高。•可以方便实现管控一体化。•存在着采样延迟计算机控制系统的分类计算机监督控制系统'数据采集系统直接数字控制系统现场总线控制系网络控制系统散控制系统工业过程计算机集成制造系操作指导系统计算机的输出部分与被控过程不直接发生联系，而是通过数据采集和处理，为操作人员提供反映生产工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，由操作人员根据这些信息进行相应的操作。这种类型属于开环控制系统。直接数字控制系统(DDC)DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的一种最典型的系统，计算机可以代替模拟调节器，实现PID调节，且不需要更换硬件只用软件就可以实现较复杂的控制，如最优控制、模糊控制等SCC控制的效果主要取决于数学模型，合适的控制算法和完善的应用程序集散控制系统又称分布式控制系统。它以微处理器为核心，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。集散控制比集中控制的优点：1.控制分散、信息集中系统模块化3.数据通信能力较强4.友好而丰富的人机接口5.可靠性高现场总线控制系统是新一代分布式控制系统结构。它采用工作站一现场总线智能仪表的二层结构模式。CIMS除了常见的过程直接控制、先进控制等还有成产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售，运输等非传统控制的功能，因次，它的最优控制应是一个车间、一个工厂一个公司、甚至一个区域的综合最优控制。其最优化的目标函数应包含了产量最高、质量最好、成本最低、可靠性最高等。在网络控制系统中，被控制对象与控制器以及控制器与驱动器之间是通过一个公共的网络平台连接的。它是一种空间分布式系统，通过网络将分布于不同地理位置的传感器、执行机构和控制器连接起来，形成闭环的一种全分布式实时反馈的控制系统，其典型结构如图所示。自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。在传统的模拟控制系统中，控制器的控制规律或控制作用是由仪表或电子装置的硬件电路完成的，而在计算机控制系统中，除了计算机装置以外，更主要的体现在软件算法上，即数字控制器的设计上。数字控制器一般采用两种设计方法：一种是在一定条件下，把计算机控制系统近似地看成模拟系统，用连续系统的理论来进行动态分析和设计，再将设计结果转变成数字计算机的控制算法，这种方法称为模拟化的设计方法，也称间接设计方法；另一种是把计算机控制系统经过适当的变换，变成纯粹的离散系统，用数学变换等工具进行分析和设计，直接设计出控制算法，这种方法称为离散化设计方法，也称直接设计方法数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在s域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机实现。步骤1.求出模拟调节器的传递函数D(s)步骤2.选择合适的采样周期T采样过程要满足采样定理.考虑系统的控制周期.考虑计算机及其外设的处理能力.考虑系统控制精度.步骤3.把D(s)离散化，求出数字控制器步骤4.检验系统的闭环特性是否满足设计要求用过程辨识方法求出广义被控对象的传递函数G(z),运用控制系统的仿真环境做系统仿真检验步骤5.把D(z)写成差分方程的形式，并编程实现步骤6,现场调试现场调试是关键环节，验证设计的正确性，是改进设计的依据.PID调节器的优点PID调节器之所以经久不衰，主要有以下优点。技术成熟易被人们熟悉和掌握不需要建立数学模型控制效果好PID调节器的作用比例调节器比例积分调节器比例微分调节器比例积分微分调节器比例调节器比例调节器的微分方程为：y为调节器输出；Kp为比例系数；e(t)为调节器输入偏差。由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。比例调节器的特性曲线.比例积分调节器所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。比例积分微分调节器为了进一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比，有下列优点：位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，因此，容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开时，才能保证无冲击切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。PID控制器参数对系统性能的影响(1).比例系数对系统性能的影响对动态特性的影响比例系数加大，会使系统的动作灵敏，速度加快。但偏大时，振荡次数增多，调节时间加长。当太大时，系统会趋于不稳定。若太小，又会使系统的动作缓慢。对稳态特性的影加大比例系数，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度。但需要注意的是加大只是减少稳态误差，不可能完全消除。.积分时间常数对系统性能的影响a)对动态特性的影响太小时，系统将不稳定，偏小，则系统振荡次数较多。太大，对系统性能的影响减少。当合适时，过渡过程的特性则比较理想。(b)对稳态误差的影响积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是，当偏大时，积分作用会减弱，以致于不能减小稳态误差。.微分时间常数对系统性能的影响微分控制可以改善动态特性，减小超调量，缩短调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当偏大或偏小时，超调量较大，调节时间较长，只有合适时，才可以得到比较满意的过渡过程。数字PID的积分问题常用改进算法：积分分离算法抗积分饱和算法积分分离算法现象：一般PID,当有较大的扰动或大幅度改变设定值时，由于短时间内出现大的偏差，加上系统本身具有的惯性和滞后，在积分的作用下，将引起系统过量的超调和长时间的波动。积分的主要作用：在控制的后期消除稳态偏差普通分离算法：大偏差时不积分抗积分饱和措施现象：由于控制输出与被控量不是一一对应的，控制输出可能达到限幅值，持续的积分作用可能使输出进一步超限，此时系统处于开环状态，当需要控制量返回正常值时，无法及时“回头”，使控制品质变差。抗积分饱和算法：输出限幅，输出超限时不积分当时，采用PD控制当时，采用PD控制其他情况，正常的PID控制参数整定的基本概念通过调整控制台参数(Kc、Ti、Td,)，使控制器的特性与被控过程的特性相匹配，以满足某种反映控制系统质量的性能指标。数字PID的参数整定除了Kc、Ti、Td夕卜，还需要确定系统的采样周期(控制周期)T采样周期选择的原则.必须满足采样定理的要求。.从控制系统的随动和抗干扰性能来看，则小些好。干扰频率越高，则采样频率最好也愈高，以便实现快速跟随和快速抑制干扰。.根据被控对象的特性来选择，快速系统的应取小些，反之，可取大些。.根据执行机构的类型来选择，当执行机构动作惯性大时，可取大些，否则，执行机构来不及反应控制器输出值的变化。.从计算机能否精确执行控制算式来选择，应取大些。因为计算机字长有限，过小，偏差值可能很小，甚至为0，调节作用微弱，微分、积分作用不明显。控制规律的选择：1、对于一阶惯性环节，负荷变换不大，工艺要求不高，可采用比例控制。例如，压力、液位控制。2、对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用比例积分控制3、对于纯滞后较大，负荷变化较大，控制要求高的场合，可采用比例微分控制，如蒸汽温度控制，PH值控制4、当对象为高阶又有滞后特性时，控制要求高，则采用PID控制，并运用多种控制级联手段。第六章伺服系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制及驱动系统，也叫随动系统。伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。伺服系统的分类按系统组成元件划分：电气伺服系统、液压伺服系统电气一液压伺服系统、电气一气动伺服系统等。按系统输出量的物理性质划分：速度伺服系统、加速度伺服系统和位置伺服系统等。按系统中所包含的元件特性和信号作用特点划分:模拟式伺服系统和数字式伺服系统。按系统结构特点划分：单回路伺服系统、多回路伺服系统和开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。伺服系统组成尽管伺服系统的结构类型很多，但它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分组成。伺服系统的稳定性是由系统本身特性决定的，即取决于系统的结构及组成元件的参麴如惯性、刚度、阻尼、增益等)，与外界作用信号(包括指令信号和扰动信号)的性质或形式无关。对于位置伺服系统，当运动速度很低时，往往会出现一种由摩擦特性所引起的、被称为“爬行”的现象，快速响应性：快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要指标。快速响应性有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度；二是指动态响应过程结束的迅速程度。伺服系统对输入指令信号的响应速度常由系统的上升时间来表征，它主要取决于系统的阻尼比。阻尼比小则响应快，但阻尼比太小会导致最大超调量增大和调整时间加长，使系统相对稳定性降低。伺服系统动态响应过程结束的迅速程度用系统的调整时间来描述，并取决于系统的阻尼比和无阻尼固有频率。当阻尼比一定时，提高固有频率值可以缩短响应过程的持续时间。伺服系统的快速响应性、稳定性和精度三项基本性能要求是相互关联的，在进行伺服系统设计时的原则是：必须首先满足稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性。除以上对一般伺服系统的基本性能要求之外，对机电一体化产品中常用的位置伺服系统，还有调速范围、负载能力、可靠性、体积、质量以及成本等方面的要求，这些要求都应在设计时给予综合考虑。5、执行元件的种类及其特点种类特点优点觥点电代式可用商业电源1信号与动力传送方向相同3有交流直流之分：注意使用电压和功率.操作简便：编程容易；能实现定位伺服控制；响应快，易与计算机(CPU)连接,体积小、动力大.无污染。瞬时输出功率大：过载差；一旦卡死，会引起烧毁事故,受外界噪音影响大•气压式气体压力源压力5^7XMpaf要求操作人员技术熟练.气源方便、成本低；无泄露而月染环境；速度快，操作筒便。功率小，体积大，难于小型化；动作不平稳、远距离传输困难；噪音大号难于伺服。液压式液体压力源压力20^80XMpaj要求操作人员技术熟练。输出功率大，速度快、动作平稳，可实现定位伺服控制；易与计算机(CPU)连接.设备难于小型化：液压源和液压油要求严格f易产生泄露而污染环境"应用：液压系统用于需大的功率重型设备;气动用于工件夹紧.输送等自动化生产线：电动应用最广泛.气压系统与液压系统的比较空气可以从大气中取之不竭且不易堵塞；将用过的气体排入大气，无需回气管路处理方便；泄漏不会严重的影响工作，不污染环境。空气粘性很小，在管路中的沿程压力损失为液压系统的干分之一，易于远距离控制。工作压力低.可降低对气动元件的材料和制造精度要求。对开环控制系统，它相对液压传动具有动作迅速、响应快的优点。维护简便，使用安全，没有防火、防爆问题；适用于石油、化工、农药及矿山机械的特殊要求。对于无油的气动控制系统则特别适用于无线电元器件生产过程，也适用于食品和医药的生产过程。双杆活塞缸的速度推力特性当两活塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞式液压缸在左右两个方向上的运动速度和推力都相等。差动连接：单杆活塞缸两腔同时通入流体，利用两端面积差进行工作的连接形式。差动连接的缸只能一个方向运动。差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的好办法。差动连接比简单连接：液压缸的推力小，速度高，柱塞式液压缸特点它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。各种类型液压缸的选择机器的往复直线运动直接采用液压缸来实现是最简单方便的。要求往返运动速度和承受负载相同，采用双活塞杆式液压缸；要求单向负载较大的工进、另一方负载较小的快速退回，则宜用单活塞杆式液压缸，并可考虑用差动连接。行程较长时，可采用柱塞缸，以减少加工的困难；系统的压力比较低，局部需要较大的压力，可用增压缸；往复摆动运动可用直线式液压缸加连杆机构或齿轮一齿条机构来实现，也可用摆动式液压缸。液压泵液压泵是液压系统的动力元件，其作用是将原动机的机械能转换为液压能，向系统提供一压力和流量的液流原理：组成：偏心轮、柱塞、弹簧、缸体、两个单向阀等。柱塞与缸体孔之间形成密闭容积。泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的液压泵的主要性能参数（1）压力：液压泵的压力通常指泵的排液口排出液体所具有的相对压力值，常用单位为帕（Pa或MPa）。在液压泵中，常提到的压力有额定压力、最高压力和实际压力三种形式。额定压力--是指根据试验标准规定，液压泵在正常工作条件下所允许的连续运转情况下的最大压力，即液压泵铭牌标注的压力值（亦称公称压力），通常用pH最高压力一是指根据试验标准规定，液压泵超过额定压力后所允许的短暂运转情况下的最大压力值，常用pk表示。显然，同一台泵的pH<pk。液压泵的最高压力通常要受强度和密封条件的限制。实际工作压力一是指液压泵在实际工作条件下，排液口所具有的具体压力值，简称为工作压力。通常所提液压泵的压力就是指实际工作压力。（2）排量和流量排量qB（mL/r或L/r）在不考虑泄漏的情况下，液压泵每转一转所排出的液体体积。它只与液压泵的工作容积的几何尺寸有关。（3）效率液压泵的效率是表征液压泵在能量转换过程中功率损耗的一个系数，可用nb表示。液压泵的效率包括容积效率（记为nBv）和机械效率（记为nBm）。液压泵的容积效率一是指实际流量QB与理论流量QBt的比值，液压泵的机械效率nBm是指理论功率与实际输入功率之比值，输入功率NBi输入功率是指在考虑泵机械损失前提下，泵所输入的实际机械功率内啮合齿轮泵分类渐开线齿形内啮合齿轮泵、摆线齿形内啮合齿轮泵特点：尺寸小、重量轻、运动平稳、噪音低；在高速时nv高；在低速高压下，压力脉动大，nv低；一般用于中低压系统。叶片泵优点：结构紧凑，工作压力较高，流量脉动小，工作平稳，噪声小，寿命较长。缺点：吸油特性不太好，对油液的污染也比较敏感，结构复杂，制造工艺要求比较高。一般叶片泵工作压力为7.0MPa，高压叶片泵可达14.0MPa、28MPa。按其排量是否可变分为定量泵和变量泵。按作用次数的不同分为单作用泵和双作用泵。驱动元件的特点位置控制精度高、调速范围宽，低速运行时稳定性好，振动噪声小。具有很好的负载特性，即使在低速时，也应有足够的负载能力；快速性好，即加速转矩大，具有快速响应性；能够频繁启动、停转和换向的工作要求；成本低、可靠性好，寿命长，便于安装和维修步进电动机能将脉冲信号直接转换成角位移（或直线位移），这在计算机控制系统中特别方便，使用它可省去数模转换接口。最大缺点是容易失步，特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生步进电动机的分类按运动方式分：有旋转式、直线运动式、平面运动式和滚动运动式。按工作原理分：有反应式（磁阻式）、电磁式、永磁式、永磁感应式（混合式）。按使用场合分：有功率步进电机和控制步进电机。按电机结构分：有单段式（径向式）、多段式（轴向式）、印刷绕组式。按工作相数分：有三相、四相、五相等。按使用频率分：有高频步进电机和低频步进电机。数控机床中使用较多的是反应式步进电机和永磁感应式步进电机。步进电动机走一步所转过的角度称为步距角步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率运行频率是指步进电动机起动后，当控制脉冲频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频率如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz,转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度0，角度0称为失调角。步进电动机性能参数步距角与步距误差启动频率和运行频率③静态转矩、失调角与矩角特性有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调匍的关系叫矩角特性最大启动转矩Mq保持转矩矩频特性与动态转矩步进电动机的控制原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。位移量的控制:向步进电动机送一个控制脉冲，其转轴就转过一个角度或移动一个直线位移，称为一步；脉冲数增加，角位移（或线位移）随之增加，即脉冲数决定位移量。进给速度的控制：脉冲频率高，则步进电动机的旋转速度就高，反之则低，即脉冲频率决定进给速度。运动方向的控制：改变分配脉冲的相序，实现步进电动机的正、反转，从而改变运动方向。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器组成。直流伺服电机与交流伺服电机性能的比较：-低速平稳；•转速高；•容易控制；•成本低。•电机寿命与电刷寿命有关直流电机的缺点：电刷和换向器易磨损，有时产生火花；换向器的制作工艺复杂；电机的最高速度受到限制；结构复杂，成本较高近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。自动控制系统对交流伺服电动机的要求主要有以下几点：1、转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大；2、整个运行范围内的特性应接近线性关系，保证运行的稳定性；当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，即电动机无“自转”现象；4、控制功率要小，启动力矩应大；5、机电时间常数要小，启动电压要低。当控制信号变化时，反应应快速灵敏。磁带式和反应式同步电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点在数控机床上应用的交流电机一般都为三相永磁式同步电机优点：结构简单、运行可靠、效率高；缺点：体积大、启动特性欠佳；与直流电机相比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小因此，在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式交流同步电机。异步交流伺服电机与同容量的直流电机相比的优缺点：优点：重量轻、价格便宜；缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速；相当于感应式交流异步电机，一般用在主轴驱动系统中。永磁交流同步电机主要由定子、转子和检测元件组成。电压技术数据表中的励磁电压和控制电压都是额定值。励磁绕组的额定电压一般允许上下变动范围为5%。频率控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50HZ（或60HZ）。中频为400HZ（或500HZ）。在使用不同频率电机时要用相应频率的电源。堵转转矩，堵转电流定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，称为堵转转矩。此时流经励磁绕组和控制绕组的电流分别为堵转励磁电流和堵转控制电流。空载转速定子两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速为空载转速。额定输出功率在电机对称运行时，当转速接近空载转速一半时，此时输出功率最大，此功率为额定功率，此点为额定状态点。方案设计在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1.系统闭环与否的确定2.执行元件的选择3.传动机构方案的选择运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条控制系统方案的选择控制系统方案的选择包括微型机、步进电动机控制方式、驱动电路等的选择。稳态设计要满足系统输出能力指标的要求。伺服系统动态设计分析、设计伺服系统的方法主要包括时域法和频域法。在时间域中，利用求解微分方和根轨迹法来研究控制系统性能的方法，统称为时域法。控制系统最常用的时域分析方法是：当输入信号为单位阶跃和单位冲击函数时，求出系统的输出响应，分别称为单位阶跃响应和单位冲击响应。频率响应（频率特性）是系统在受到不同频率的正弦信号作用时，描述系统的稳态输出和输入间关系的数学模型。频率特性既能反映系统的稳态性能，同时也包含了系统的动态性能。其优点是不需要把输出量变化全过程计算出来，就能分析系统中各个参量与系统性能的关系，在工程实践中应用广泛。Bode图包括对数幅频特性曲线和对数相频特性曲线第八章机电一体化系统分析一般来讲，机电一体化系统分析应包括以下内容。1、可行性论证、准备技术资料1）了解企业现状与系统开发的内外环境，收集国内外有关技术资料，包括现有同类产品的资料、相关的理论研究成果和先进技术资料等。2）了解所设计产品的使用要求和开发目标，包括功能、性能等方面的要求。3）了解生产单位的设备条件、工艺手段、生产基础等，能为产品开发提供的技术支持、物质支持，作为研究具体结构方案的重要依据。2、根据目的功能确定产品规格、性能指标1）功能性指标：包括运动参数、动力参数、尺寸参数、品质指标等。2）经济性指标：包括成本指标、工艺性指标、标准化