高等机械工程学课件 【ch05】机械自动化系统

高等机械工程学机械自动化系统第五章普通高等教育机械类系列教材5.1计算机控制技术机械自动化系统5.1计算机控制技术计算机控制是以控制理论和计算机技术为基础的一门工程科学技术，广泛应用于工业、交通、农业、军事等领域。随着控制理论和计算机技术的发展，以及工程技术人员对计算机应用技术的不断总结和创新，计算机控制系统的分析、设计理论和方法不断得以完善和发展，并成为从事自动化技术工作的科技人员必须掌握的一门专业技术。计算机

D/A转换器e(k2)

数字控制器

2(kD!,

D/A

u(4)、保持器

()

|

执行机构

被控对象

采样开关yi(0

A/D

转换器r(kT)

y(kT)测量变送环节y(1)A/D图5-1计算机控制系统典型结构机械自动化系统5.1计算机控制技术1.稳定性任何系统在扰动作用下都会偏离原来的平衡状态。稳定性是指当扰动作用消失以后，系统恢复原平衡状态的能力。2.稳态指标稳态指标是衡量系统精度的指标，用稳态误差来表征。3.动态指标动态指标能够比较直观地反映系统的过渡过程特性4.综合性能指标在设计最优控制系统时，既要考虑到能对系统的性能做出正确的评价，又要考虑到数学上容易处理或工程上便于实现，因此经常使用综合性能指标来评价一个系统。机械自动化系统5.1计算机控制的理论基础1.计算机控制系统的信号转换分析计算机运算和处理的是数字信号，而实际系统大部分是连续控制系统，连续控制系统中的给定量、反馈量及被控对象都是连续型的时间函数，把计算机引入连续控制系统，就造成了信息表示形式与运算形式的不同，为了分析与设计计算机控制系统，要对两种信息进行变换。机械自动化系统5.1计算机控制的理论基础图5-2所示为计算机控制系统的信号转换关系示意图。(1)模拟信号：时间上连续，幅值上也连续的信号，即通常所说的连续信号。(2)离散模拟信号：时间上离散，幅值上连续的信号，即常说的采样信号。(3)数字信号：时间上离散，幅值上也离散的信号，可用一个序列数字表示。(4)量化：采用一组数码(多用二进制数码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。(5)采样：利用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号。图5-2计算机控制系统的信号转换关系示意图机械自动化系统5.1计算机控制的理论基础在计算机控制系统中，一个连续模拟信号经采样开关后，变成了采样信号，即离散模拟信号，采样信号再经过量化过程才变成数字信号，如图所示。算机控制系统中的计算机作为信息处理装置，其输出一般有两种形式：一种是直接数字量输出形式，即直接以数字量形式输出，如开关控制、步进电动机控制等；另一种需要将数字信号u(kT)转换成连续信号u(t),用输出信号去控制被控对象。机械自动化系统5.1计算机控制的理论基础4.z变换是由拉普拉斯变换引出的，是拉普拉斯变换的特殊形式，它在离散系统的分析及设计中发挥了重要作用.5.离散时间系统(简称离散系统)是输入和输出信号均为离散信号的物理系统。在数学上，离散系统可以抽象为一种系统的离散输入信号和离散输出信号之间的数学变换函数或映射。机械自动化系统5.1计算机控制的理论基础6.脉冲传递函数线性连续系统的动态特性主要用传递函数来描述，线性离散系统的动态特性主要用脉冲传递函数来描述。脉冲传递函数也称为z传递函数。1)脉冲传递函数的定义在线性离散系统中，在零初始条件下，一个系统(或环节)输出脉冲序列的z变换与输入脉冲序列的z变换之比，被定义为该系统(或环节)的脉冲传递函数。机械自动化系统5.1计算机控制的理论基础2)由差分方程求脉冲传递函数W(z)设线性离散系统用下列差分方程来描述：y(k)+q₁y(k-1)+a₂y(k-2)+…+a,y(k-n)=bx(k)+bx(k-1)+…+bmx(k-m)(5-15)在零初始条件下，对式(5-15)等号两边取z变换可得该离散系统的脉冲传递函数为3)离散系统的稳定性稳定性是设计计算机控制系统首先要考虑的问题。分析稳定性的基础是z变换，由于z变换与连续系统的s变换在数学上的内在联系，我们有可能经过一定的变换把分析连续系统稳定性的方法引入离散系统的分析中。连续系统稳定条件是闭环脉冲传递函数的全部极点位于s平面的左半平面内。机械自动化系统5.1数字控制器的模拟化设计1.数字控制器的模拟化设计步骤如图所示的计算机控制系统的结构中，G(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器的传递函数，D(z)是数字控制器的脉冲传递函数。现在的设计问题是，根据已知的系统性能指标和G(s)来设计数字控制器D(z)。2.数字PID控制器根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID控制),是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。机械自动化系统5.1数字控制器的离散化设计考虑信号采样的影响，从被控对象的实际特性出发，直接根据采样控制理论进行分析和综合，在z平面上设计数字控制器，最后通过软件编程实现。这种方法称为数字控制器的离散化设计方法，也称为数字控制器的直接设计法。机械自动化系统5.1数字控制器的离散化设计最少拍无纹波控制器的设计按最少拍有纹波系统设计的控制器，其系统的输出值跟踪输入值后，在非采样点有纹波存在。2设计最少拍无纹波控制器的必要条件最少拍无纹波控制器要求系统的输出信号在采样点之间不出现纹波，这样被控对象G。(s)必须有能力给出与系统输入r(t)相同且平滑的输出y(t)。最少拍控制数字随动控制系统中，要求系统的输出值尽快地跟踪给定值的变化，最少拍控制就是满足这一要求的一种离散化设计方法。15.2自动控制系统的重要组成自动控制系统的重要组成5.2有源电气元件的建模理想运算放大器性质(1)正极和负极之间的压差为0,即e¹=e⁷,通常叫作“虚地”或“虚短”。(2)流入正极和负极的电流为0,即输入阻抗无限大。(3)输出阻抗为0,即输出被视为理想电压源。(4)输入、输出关系为e=A(e¹-e),其中增益A接近无穷大。图5-13运算放大器原理图自动控制系统的重要组成5.2有源电气元件的建模图5-14反相运算放大器的配置反相运算放大器的配置如图5-14所示。其中，Z₁(s)和Z₂(s)通常由电容或电阻组成，受体积和成本限制，电感在此类电路中并不常用。根据理想运算放大器的性质，如图5-14所示的电路的输入、输出关系或传递函数可以表示为自动控制系统的重要组成5.2自动控制系统中的传感器和编码器传感器和编码器是反馈控制系统的重要组成部分。1.电位计电位计是将机械能转化为电能的机电换能装置。电位计的输入为机械位移(线性移动或旋转),当在电位器的固定端子上施加输入电压时，对应的输出电压(可变端子和地之间)与输入位移呈一定线性或非线性的关系。2.转速计转速计是将机械能转换为电能的机电装置。该装置主要用作电压发生器，其输出电压与输入轴的角速度大小成正比。在自动控制系统中，所使用的大部分转速计均为直流变频器，即输出电压是直流电压。自动控制系统的重要组成5.2自动控制系统中的传感器和编码器传感器和编码器是反馈控制系统的重要组成部分。3.增量编码器增量编码器在现代控制系统中十分常用，它的功能是将线性或旋转位移转换为数字编码或脉冲信号。绝对编码器的输出信号为数字信号，根据最小精度，绝对编码器将每个确定的位移转换为对应的数字编码输出。典型的旋转增量编码器有四个基本部分；光源、旋转码盘、固定码盘和光电传感器。自动控制系统的重要组成5.2自动控制系统中的直流电动机直流电动机的基本工作原理直流电动机可视为将电能转换为机械能的转矩转换器。直流电动机转轴所产生的转矩与磁通量和电枢电流成正比。如图5-23所示，在磁通量为φ的磁场中，有一个带电导体，其以半径r绕中心旋转，它所产生的转矩，与磁通量φ、电流i的关系为Tm=Kmdi₄式中，π为直流电动机产生的转矩(单位为N·m);φ为磁通量(单位为Wb);i为电枢电流(单位为A);Km为比例常数。自动控制系统的重要组成5.2自动控制系统中的直流电动机永磁直流电动机的数学模型图5-24所示为永磁直流电动机的等价电路图。电枢可等价于电感L和电阻R的串联电路，当转子转动时，电枢中的反向电动势用电压源e来表示。永磁直流电动机的各个变量和参数定义如下。i(t)=电枢电流；L=电枢感应系数；R₄(t)=电枢电阻；e(1)=外加电压；e(t)=反向电动势；K,=反向电动势常数；T()=载荷力矩；φ=磁通量；Tm(t)=电动机转矩；m(t)=旋转角速度；θm(t)=旋转位移；Jm=旋转惯量；K₁=转矩常数；Bm=黏性摩擦系数。自动控制系统的重要组成5.2直流电动机的速度控制及位置控制伺服机构是最为常见的机电控制系统之一，一些典型的应用包括机器人(机器人的每个关节都需要位置伺服机构)、数字控制器和激光打印机等。这些系统的共同特征是被控变量(通常是位置和速度变量)被反馈回来以修正指令信号。设计和实现一个成功的控制器的关键因素之一就是获得系统组成元件(特别是执行器)的精确模型。在前面的章节中我们讨论了各种与直流电动机建模相关的问题，本节将研究直流电动机的速度控制及位置控制。自动控制系统的重要组成5.2直流电动机的速度控制及位置控制速度响应、自感效应和扰动：开环响应图5-26所示为电枢控制直流电动机。在这个系统中，将场电流视为常量，传感器为转速计，用于测量电动机轴速度。根据具体的应用，如位置控制系统，电位计或编码器也可作为传感器。图5-26电枢控制直流电动机自动控制系统的重要组成5.2直流电动机的速度控制及位置控制2.直流电动机的速度控制：闭环响应直流电动机的输出速度在很大程度上依赖于转矩π,因此可以通过比例反馈控制器来改进电动机的速度控制性能。该控制器由一个测量速度的传感器(通常用转速计)和增益为K的功率放大器(比例控制)构成，其配置如图5-29所示。直流电动机的速度控制框图如图5-30所示。图5-29直流电动机的反馈控制图5-30直流电动机的速度控制框图自动控制系统的重要组成5.2直流电动机的速度控制及位置控制3.位置控制在开环情况下，对速度响应进行积分可以获得位置响应，故开环传递函数为式中，J=J₁/n²+Jm,为总惯量。对于足够小的L,时间响应为图5-31闭环系统的控制框图5.3液压与气压伺服系统基础液压与气压伺服系统基础5.3液压与气压伺服系统概述1.伺服系统的工作原理和特点图5-32所示为液压进口节流阀式节流调速回路。在这种回路中，调定节流阀的开口量后，液压缸就以某一调定速度运动。当负载、油温等参数发生变化时，这种回路将无法保证原有的运动速度，因此其速度精度较低且不能满足精确地连续无级调速要求。1—液压泵；2一溢流阀；3—节流阀；4一换向阀；5—液压缸。图5-32液压进口节流阀式节流调速回路液压与气压伺服系统基础5.3液压与气压伺服系统概述2.伺服系统的职能框图和组成环节图5-35所示为速度伺服系统的职能框图。其中，一个方框表示一个元件，方框中的文字表明该元件的职能。带有箭头的线段表示元件之间的相互作用，即系统中信号的传递方向。图5-35速度伺服系统的职能框图由图5-36可以看出，上述速度伺服系统是由输入元件、比较元件、放大及转换元件、执行元件、检测及反馈元件和控制对象组成的。实际上，任何一个伺服系统都是由这些元件组成的。液压与气压伺服系统基础5.3液压与气压伺服系统概述3.伺服系统的分类与优缺点1)伺服系统的分类(1)按输入信号变化规律伺服系统可分为定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。(2)按输入信号介质伺服系统可分为机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统等。(3)按输出物理量伺服系统可分为位置伺服系统、速度伺服系统、力(或压力)伺服系统等。液压与气压伺服系统基础5.3液压与气压伺服系统概述3.伺服系统的分类与优缺点2)伺服系统的优缺点液压和气压伺服系统除具有液压和气压传动所固有的一系列优点以外，还具有控制精度高、响应速度快、自动化程度高等优点。液压与气压伺服系统基础5.3典型的伺服控制元件力矩马达和力马达力矩马达是一种具有旋转运动功能的电一机械转换器，力马达是一种具有直线运动功能的电一机械转换器。它们在阀中的作用是将电控信号转换成转角(力矩马达)或直线位移(力马达),用来作为液压放大器的输入信号。液压与气压伺服系统基础5.3典型的伺服控制元件滑阀根据滑阀控制边数(起控制作用的阀口数)的不同，滑阀有单边控制滑阀、双边控制滑阀和四边控制滑阀三种类型。图5-39单边控制滑阀的工作原理图5-40双边控制滑阀的工作原理图5-41四边控制滑阀的工作原理液压与气压伺服系统基础5.3典型的伺服控制元件滑阀单边、双边和四边控制滑阀的控制作用是相同的，均起到换向和调节的作用。控制边数越多，控制质量越好，但结构工艺性越差。在通常情况下，四边控制滑阀多用于对精度要求较高的系统；单边、双边控制滑阀多用于一般精度要求系统。四边控制滑阀在初始平衡状态下的开口有三种形式，即负开口(x₅<0)、零开口(x=0)和正开口(x>0)。液压与气压伺服系统基础5.3典型的伺服控制元件射流管阀射流管阀的优点是结构简单、动作灵敏、工作可靠。它的缺点是射流管运动部件惯性较大、工作性能较差；射流能量损耗大、效率较低；当供油压力过高时易引起振动。射流管阀控制只适用于低压、小功率场合。图5-43射流管阀的工作原理液压与气压伺服系统基础5.3伺服阀液控伺服阀是电液或电气联合控制的多级伺服控制元件，它能将微弱的电气输入信号放大成大功率的液压或气压能量输出，以实现对流量和压力的控制。它接收一种模拟量电控信号，输出随电控信号的大小及极性变化而变化的液压模拟量。液控伺服阀具有控制精度高和放大倍数大等优点，在液压与气压控制系统中得到了广泛的应用。液压与气压伺服系统基础5.3伺服阀液控伺服阀的分类、组成、结构和工作原理1)液控伺服阀的分类2)液控伺服阀的组成液控伺服阀通常由电一机械转换器(力矩马达或力马达)、液压放大器和反馈或平衡机构三大部分组成。2)液控伺服阀的组成液控伺服阀通常由电一机械转换器(力矩马达或力马达)、液压放大器和反馈或平衡机构三大部分组成。液压与气压伺服系统基础5.3伺服阀2.液控伺服阀的选用液控伺服阀的控制精度高、响应速度快，所以在航空、冶金、机械、船舶和化工等工业部门得到了广泛的应用。它常用于实现位置、速度、加速度和力的控制。3.气压伺服阀气压控制系统除有用气压伺服阀控制的气压伺服系统以外，还有用比例阀控制的气压比例控制系统，比例阀结构简单、价格便宜、维修方便，是介于普通的开关式控制阀和气压伺服阀之间的控制元件。5.4典型的伺服系统典型的伺服系统5.4液压伺服系统1.车床液压仿形刀架车床液压仿形刀架是机液伺服系统。刀架倾斜地安装在溜板上，工作时随溜板纵向移动。样板安装在机床身后侧支架上固定不动。液压泵置于车床附近。液压缸的活塞杆固定在刀架的底座上，缸体、阀体和刀架连成一体，可在刀架底座的导轨上沿液压缸轴向移动。滑阀阀芯在弹簧的作用下通过支杆使杠杆的触销紧压在样板上。图5-52车床液压仿形刀架的原理图典型的伺服系统5.4液压伺服系统2.机械手伸缩运动伺服系统一般机械手的伸缩、回转、升降和手腕的动作，都是由液压伺服系统驱动的，其工作原理相同。该系统主要由电液伺服阀、液压缸、由活塞杆带动的机械手手臂、齿轮齿条机构、电位器、步进电动机和放大器组成，是电液位置伺服系统。图5-54机械手伸缩运动伺服系统原理图典型的伺服系统5.4液压伺服系统3.带钢液压张力伺服系统在带钢生产过程中，经常要求控制带钢的张力(如在热处理炉内进行热处理时),因此对薄带材的连续生产提出了高精度、恒张力控制要求。图5-56带钢液压张力伺服系统原理图典型的伺服系统5.4液压伺服系统4.电液速度伺服系统在带钢生产过程中，经常要求控制带钢的张力(如在热处理炉内进行热处理时),因此对薄带材的连续生产提出了高精度、恒张力控制要求。图5-58电液速度伺服系统原理图典型的伺服系统5.4气压伺服系统力控制伺服系统压比例/伺服系统非常适用于汽车部件、橡胶制品、轴承及键盘等产品的中、小型疲劳试验机。该试验机主要由被试件(方向盘)、负载传感器、气缸、位移传感器、伺服阀等组成。要求向被试件(方向盘)的轴向、径向和螺旋方向单独或复合(两轴同时)地施加呈正弦波变化的负载，然后检测其寿命。典型的伺服系统5.4气压伺服系统张力控制伺服系统在印刷、纺织、造纸等许多工业领域中，张力控制是不可缺少的工艺手段。带材或板材(如纸张、胶片、电线、金属薄板等)的卷绕机，在卷绕过程中，为了保证产品的质量，都要求卷筒张力保持一定。气压制动器因为具有价廉、维修简单、制动力矩范围变更方便等特点，所以在各种卷绕机中得到了广泛的应用。典型的伺服系统5.4气压伺服系统加压控制伺服系统该系统主要由比例压力阀、气缸、夹具、磨石和减压阀等组成，其中减压阀的作用是向气缸有杆腔加恒压，以平衡活塞杆和夹具机构的自重。图5-62磨床中的加压控制伺服系统45.5机械自动化系统案例——磁盘驱动器机械自动化系统案例——磁盘驱动器5.5磁盘可以方便、有效地存储信息。磁盘驱动器采用ANSI标准，广泛应用于从便携式计算机到大型计算机等各类计算机中。全球磁盘驱动器的市场需求量超过5.5亿套，磁盘驱动器设计师以往关注的焦点是存储容量和读取速度。近年来的变化趋势表明，数据存储密度的增长速度达到了大约每年40%。图5-63所示为磁盘驱动器结构示意图。图5-63磁盘驱动器结构示意图机械自动化系统案例——磁盘驱动器5.5磁盘驱动器读取装置的设计目标是准确定位磁头，以便正确读取磁盘磁道上的信息。需要实施精确控制的受控变量是磁头(安装在一个滑动簧片上)的位置。磁盘的旋转速度为1800～7200rad/min,磁头在磁盘上方不到100nm的地方“飞行”,位置精度指标初步定为1μm。如果有可能，还要做进一步要求，