机电一体化系统设计(第六版) 课件 -第6章 机电一体化系统元、部件的特性分析

第6章机电一体化系统元、部件的特性分析§6-1自动控制理论与机电一体化系统§6-2元、部件的力学特性读者注意：这里对其他系统的动态特性从略，请读者参看教材补充。§6-1自动控制理论与机电一体化系统机电一体化系统的操作过程控制目的有两个：根据操作条件的变化，制定最佳操作方案；对操作过程进行自动检测和自动控制，提高控制性能，实现规定的目的功能。§6-1自动控制理论与机电一体化系统伺服控制的首要目标是系统的输出，要尽可能使输出量跟踪随时刻变化的输入量，因此，对抗外部干扰的能力要求更高。对被控对象来说，系统的各构成要素的特性参数比较容易掌握，而随操作条件和环境条件变化的过程控制较难掌握；以反馈控制理论为基础的控制理论是机电一体化系统不可缺少的理论基础。“反馈”：通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输入端，使之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。在设计机电一体化系统的控制系统时，首先必须明确其静态和动态特性要求，研究其外部干扰的形式、强弱、持续时间及其作用点，其次，必须选择具有适合该系统特性的调节器、检测传感器及执行元件。

“反馈”的涵义§6-1自动控制理论与机电一体化系统

在经典控制理论中，研究机电—体化系统的动态特性是以传递函数为基础的，而传递函数是通过数学中的拉普拉斯变换定义的。§6-1自动控制理论与机电一体化系统当系统的运动能够用相关定律(如电学、热学、力学等的某些定律)描述时，该系统的传递函数就可用理论推导的方法求出。无法用相关定律推导其传递函数的系统，用实验法建立其传递函数。一、拉普拉斯变换与传递函数

线性定常系统(或元件)的传递函数定义为：零初始值下，系统（元件）输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。

常用函数的拉氏变换和反变换可从拉氏变换表中查出，通常不必自己计算。当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。

系统（或执行元件）在阶跃信号作用下(即操作量阶跃变化时)的过渡过程，大致可分为稳定过程、不稳定过程(发散)、稳定过程(有振荡)三种情况，并可近似地用传递函数表示。

系统过渡过程结束后，其输出即进入与输入相应的稳态。此时，系统输出量与目标值之差做稳态误差，通常以ess表示。二、控制系统的过渡过程特性

伺服系统以机械位置或角度作为控制对象，也称随动系统。

通过随动系统的传递函数可以分析：1）系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和振荡性。2）系统的稳态精度，即稳态误差的大小。三、伺服系统及其动态特性三、伺服系统及其动态特性1.机器人手臂位置控制伺服系统（电动伺服系统）三、伺服系统及其动态特性2.电液伺服系统根据传递函数得到的输出三、伺服系统及其动态特性2.电液伺服系统对上式取拉式反变换可得到xc(t)

随时间变化的规律。据此可以分析：（1）系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和震荡性。（2）系统的稳态精度，即稳态误差ess的大小。系统信号随时间连续变化时，则称系统为连续时间系统，其信号为连续时间信号；在系统中，只要有一个地方的信号是脉冲信号或数字信号时，就称系统为离散系统或称采样系统，其脉冲信号或数字信号称为离散信号或采样信号。四、采样控制简介采样是指将连续时间信号转变为脉冲或数字信号的过程。采样控制系统包括一般的采样系统和数字控制系统。炉温控制系统原理图1.采样控制概念炉温偏离给定值时，测温电阻R变化，电桥失去平衡，检流计指针发生偏转。指针每隔T秒（采样周期）与电位器接触一次，每次接触时间为τ（采样持续时间）秒。四、采样控制简介1.采样控制概念（1）信号采样与复现在大多数实际应用中，τ远小于采样周期T，可以认为τ趋近于零，即可把采样器的输出近似地看成一连串强度等于矩形脉冲面积的理想脉冲e*(t)。信号的复现可由保持器来实现，保持器可将脉冲信号变成阶梯信号。当采样频率足够高时，保持器的输出信号就接近于连续信号。四、采样控制简介1.采样控制概念（2）采样定理若采样频率ws＞2wmax，那么一定可以由采样信号e*(t)唯一地决定出原始信号。信号并非都是“有限带宽”，在应用中实际采样频率比2wmax大得多。四、采样控制简介1.采样控制概念（3）采样控制系统典型结构图四、采样控制简介2.数字控制系统四、采样控制简介§6-2元、部件的力学特性18一、机械系统特性及变换机构机电一体化系统由机械系统、传感检测系统、执行元件系统和电子信息处理(控制)系统等子系统构成。各子系统的输入与输出之间不一定成比例关系，可具有某种频率特性(动态特性或传递函数)，即输出可能具有与输入完全不同的性质。机械系统一般都具有非线性环节，在非线性不能忽略时，只能用微分方程来研究其特性。考虑各子系统的动态特性和非线性进行电子信息处理系统设计是机电一体化系统设计的一个特点。本章主要介绍机电一体化系统中的机械系统、传感系统和执行元件系统等几个子系统的基本特性，并从机电一体化系统构成要素的角度说明其分析方法。一、机械系统特性及变换机构

机械系统是由轴、轴承、丝杠及连杆等机械零件构成的，其功能是将一种机械量变换成与目的要求对应的另一种机械量。例如，有的连杆机构就是将回转运动变换为直线运动。机械系统在传递运动的同时还将进行力(或转矩)的传递。

因此，机械系统的各构成零部件必须具有承受其所受力(或转矩)的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的响应就慢。一、机械系统特性及变换机构

齿轮传动机构图机电一体化系统的传动机构有线性传动机构，也有非线性传动机构，常用的线性传动机构有齿轮传动、同步带传动等图a、b、c的传动比i=θ1/θ2=z2/z1;图d的传动比i=2(z1+z2)/z1;图e为谐波齿轮传动,当刚性轮固定时,其传动比i=zr/(zr-zg);一、机械系统特性及变换机构图f为差动齿轮传动机构,其运动变换关系一、机械系统特性及变换机构挠带传动机构这种机构适合于轴间距较大的轴之间传递回转运动传动比i=d2/d1=z2/z1;一、机械系统特性及变换机构回转--直线（或直线--回转）线性变换机构二、机械系统的机构静力学特性机构静力学所研究的问题是：①机构输出端所受负载(力或转矩)向输入端的换算；②机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的影响；③求由上述各种力或重力加速度引起的机构内部各连杆、轴承等的受力。这里主要对研究机电一体化系统设计中机电有机结合最重要的第一、第二个问题加以叙述。第三个问题是机构的强度、刚度设计中要研究的重要问题，此处予以省略。1.负载力(或转矩)向输入端的换算二、机械系统的机构静力学特性对单输入输出系统应用虚功原理1.负载力(或转矩)向输入端的换算二、机械系统的机构静力学特性多输入输出系统应用虚功原理2.机构内部摩擦力的影响1)线性变换机构以图示滑动丝杠副为例分析滑动摩擦的影响:运动变换关系使丝杠产生转动所需的转矩螺纹表面受到的正压力Fn和摩擦力μFn向x、y轴分解：2.机构内部摩擦力的影响2)非线性变换机构以图示曲柄滑块机构为例分析滑动摩擦影响:运动变换关系设BC作用