06有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)ppt課件

1、第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第六章第六章機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)分析與設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一 機(jī)電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法機(jī)電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二 機(jī)電一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法機(jī)電一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法第四節(jié)第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)習(xí)題與思考題習(xí)題與思考題第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 機(jī)

2、電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是機(jī)電參數(shù)相互匹機(jī)電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程是機(jī)電參數(shù)相互匹配，即機(jī)電有機(jī)結(jié)合的過程。機(jī)電伺服系統(tǒng)是典型的機(jī)電一配，即機(jī)電有機(jī)結(jié)合的過程。機(jī)電伺服系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。本章將以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例，說明機(jī)電一體化系體化系統(tǒng)。本章將以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例，說明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因而，傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)

3、動(dòng)。因而，工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)它們提出技術(shù)要工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)它們提出技術(shù)要求的。求的。第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 在進(jìn)行機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要了解被控對(duì)象的特點(diǎn)和在進(jìn)行機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要了解被控對(duì)象的特點(diǎn)和對(duì)系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制訂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方對(duì)系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制訂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案通常只是一個(gè)初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要元部件的種類、各部案通常只是一個(gè)初步的輪廓，包括系統(tǒng)主要元部件的種類、各部分之間的連接方式、

4、系統(tǒng)的控制方式、所需能源形式、校正補(bǔ)償分之間的連接方式、系統(tǒng)的控制方式、所需能源形式、校正補(bǔ)償方法，以及信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式等。有了初步設(shè)計(jì)方案就要進(jìn)行定量方法，以及信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式等。有了初步設(shè)計(jì)方案就要進(jìn)行定量的分析計(jì)算，分析計(jì)算包括穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)的分析計(jì)算，分析計(jì)算包括穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件設(shè)計(jì)包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件( (如電動(dòng)如電動(dòng)機(jī)機(jī)) )的參數(shù)選擇、功率或轉(zhuǎn)矩的匹配及過載能力的驗(yàn)算、各主的參數(shù)選擇、功率或轉(zhuǎn)矩的匹配及過載能力的驗(yàn)算、各主要元部件的選擇與控制電路設(shè)計(jì)、信號(hào)的有效傳遞、各級(jí)增益

5、的要元部件的選擇與控制電路設(shè)計(jì)、信號(hào)的有效傳遞、各級(jí)增益的分配、各級(jí)之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并為后面動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分配、各級(jí)之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，并為后面動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 初步確定系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數(shù)，便可著手建立初步確定系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數(shù)，便可著手建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。 主要是設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)技主要是設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿足

6、動(dòng)態(tài)技 術(shù)指標(biāo)要求，通常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或術(shù)指標(biāo)要求，通常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或 借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。 通過上述理論設(shè)計(jì)計(jì)算，完成的還僅是一個(gè)較詳細(xì)的設(shè)計(jì)方通過上述理論設(shè)計(jì)計(jì)算，完成的還僅是一個(gè)較詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，這種工程設(shè)計(jì)計(jì)算一般是近似的，只能作為工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。案，這種工程設(shè)計(jì)計(jì)算一般是近似的，只能作為工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的實(shí)際電路及實(shí)際參數(shù)，往往要通過樣機(jī)的試驗(yàn)與調(diào)試，才系統(tǒng)的實(shí)際電路及實(shí)際參數(shù)，往往要通過樣機(jī)的試驗(yàn)與調(diào)試，才能最后確定下來。這并不等于以上設(shè)計(jì)計(jì)算是多余的，因經(jīng)過設(shè)能最后確定下來。這并不等于以上設(shè)計(jì)計(jì)算是多余的，因經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算后確定的方案，考慮

7、了機(jī)電參數(shù)的有機(jī)結(jié)合與匹配，這對(duì)計(jì)計(jì)算后確定的方案，考慮了機(jī)電參數(shù)的有機(jī)結(jié)合與匹配，這對(duì)工程實(shí)踐是必需的，這有利于減少盲目性和加快樣機(jī)的調(diào)試與電工程實(shí)踐是必需的，這有利于減少盲目性和加快樣機(jī)的調(diào)試與電路參數(shù)的確定。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化系統(tǒng)的路參數(shù)的確定。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來越高。為滿足人們生活和生產(chǎn)安全、可靠地使用自動(dòng)化程度越來越高。為滿足人們生活和生產(chǎn)安全、可靠地使用要求，在機(jī)電一體化有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)過程中，必須充分注意要求，在機(jī)電一體化有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)過程中，必須充分注意其可靠性、安全性設(shè)計(jì)要求。其可靠性、安全性設(shè)計(jì)要求。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)

8、設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一 機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法考慮方法 位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)的被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對(duì)象就是系統(tǒng)的負(fù)載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有被控對(duì)象就是系統(tǒng)的負(fù)載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有多種形式。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它多種形式。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它們的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性與整個(gè)系統(tǒng)的性能關(guān)系極大。們的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性與整個(gè)系統(tǒng)的性

9、能關(guān)系極大。 被控對(duì)象被控對(duì)象( (簡(jiǎn)稱負(fù)載簡(jiǎn)稱負(fù)載) )的運(yùn)動(dòng)形式有直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間的運(yùn)動(dòng)形式有直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等，具體的負(fù)載往往比較復(fù)雜，為便于分析，常將它分解歇運(yùn)動(dòng)等，具體的負(fù)載往往比較復(fù)雜，為便于分析，常將它分解為幾種典型負(fù)載，結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律再將它們組合起來，使定為幾種典型負(fù)載，結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律再將它們組合起來，使定量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行。量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行。一、典型負(fù)載一、典型負(fù)載第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 1. 1. 典型負(fù)載分析典型負(fù)載分析 所謂典型負(fù)載是指慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)所謂典型負(fù)載是指慣性負(fù)載、外力負(fù)載

10、、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載載( (滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載等滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載等) )。對(duì)具體系。對(duì)具體系統(tǒng)而言，其負(fù)載可能是以上幾種典型負(fù)載的組合，不一定均包含統(tǒng)而言，其負(fù)載可能是以上幾種典型負(fù)載的組合，不一定均包含上述所有負(fù)載項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對(duì)被控對(duì)象及其運(yùn)動(dòng)作具上述所有負(fù)載項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對(duì)被控對(duì)象及其運(yùn)動(dòng)作具體分析，從而獲得負(fù)載的綜合定量數(shù)值，為選擇與之匹配的執(zhí)行體分析，從而獲得負(fù)載的綜合定量數(shù)值，為選擇與之匹配的執(zhí)行元件及進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析打下基礎(chǔ)。元件及進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析打下基礎(chǔ)。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 2. 2

11、.負(fù)載的等效換算負(fù)載的等效換算 被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，有的是直線運(yùn)動(dòng)，如機(jī)床的工作臺(tái)被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)，有的是直線運(yùn)動(dòng)，如機(jī)床的工作臺(tái)X X、Y Y 及及Z Z 軸，機(jī)器人臂部的升降、伸縮運(yùn)動(dòng)，繪圖機(jī)的軸，機(jī)器人臂部的升降、伸縮運(yùn)動(dòng)，繪圖機(jī)的X X、Y Y方向運(yùn)動(dòng)；也有的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)、工方向運(yùn)動(dòng)；也有的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)、工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)、機(jī)器人關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。執(zhí)行元件與被作臺(tái)的回轉(zhuǎn)、機(jī)器人關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。執(zhí)行元件與被控對(duì)象有直接連接的，也有通過傳動(dòng)裝置連接的?？貙?duì)象有直接連接的，也有通過傳動(dòng)裝置連接的。 執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩( (或力、功率或力、功率) )、加

12、減速控制及、加減速控制及制動(dòng)方案的選擇，應(yīng)與被控對(duì)象的固有參數(shù)制動(dòng)方案的選擇，應(yīng)與被控對(duì)象的固有參數(shù)( (如質(zhì)量、轉(zhuǎn)如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等動(dòng)慣量等) )相互匹配。相互匹配。 因而，要將被控對(duì)象相關(guān)部件的固有參數(shù)及其所受因而，要將被控對(duì)象相關(guān)部件的固有參數(shù)及其所受的負(fù)載的負(fù)載( (力或轉(zhuǎn)矩等力或轉(zhuǎn)矩等) )等效換算到執(zhí)行元件等效換算到執(zhí)行元件(k)(k)的輸出軸上，的輸出軸上，即計(jì)算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩即計(jì)算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩( (回回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)) )或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力( (直線運(yùn)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)) )。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)

13、有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例。下圖所示的系統(tǒng)由以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例。下圖所示的系統(tǒng)由 個(gè)移動(dòng)部件個(gè)移動(dòng)部件和和 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。 、 和和 分別為移動(dòng)部分的質(zhì)量分別為移動(dòng)部分的質(zhì)量kgkg）、運(yùn)動(dòng)速）、運(yùn)動(dòng)速度度m/sm/s和所受的負(fù)載力和所受的負(fù)載力N N）；）； 、 和和 分別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)分別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（慣量（ ）、轉(zhuǎn)速（）、轉(zhuǎn)速（ 或或 ）和所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）和所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ ）。）。iMmniviFjJjn()jjT2kg m/minrN m/rad s22111122mn

14、iijjijEM vJkeqJ1 1求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為：。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為：212kkeqkEJ設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為：設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動(dòng)能為：第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)2211mnjkieqijijkkvJMJ由于由于 ，故：，故：kEE用工程上常用單位時(shí)，可改寫上式如下：用工程上常用單位時(shí)，可改寫上式如下：2221114mnjkieqijijkknvJMJnn式中，式中， 執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速r/minr/min）. .kn11mniijjijWFvtTtkeqT2 2求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

15、求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間。設(shè)上述系統(tǒng)在時(shí)間t t內(nèi)克服負(fù)載所做功的總和為：內(nèi)克服負(fù)載所做功的總和為：同理，執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間同理，執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間t t內(nèi)的轉(zhuǎn)角為內(nèi)的轉(zhuǎn)角為kkt那么，執(zhí)行元件所作的功為：那么，執(zhí)行元件所作的功為： ，又，又kkeqkWTtkWW故：故：11/mnkeqiikjjkijTFvT采用工程單位又：采用工程單位又：111/2mnkeqiikjjkijTFvnT nn第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)meqT等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ：/meqjjjmTT22jjmeqjjmjJJJimeqJ等效負(fù)載慣量等效負(fù)載慣量 ：meqB等效阻尼

16、系數(shù)等效阻尼系數(shù) ：22jjmeqjjmjBBBimeqK等效彈簧剛度等效彈簧剛度 ：22jjmeqjjmjKKKi結(jié)論：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)由低速端結(jié)論：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)由低速端向高速端轉(zhuǎn)換時(shí)需要除以傳動(dòng)比的平方。向高速端轉(zhuǎn)換時(shí)需要除以傳動(dòng)比的平方?；貞洠簷C(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，速度、位移、加速度由低速端向高速端轉(zhuǎn)換時(shí)需回憶：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，速度、位移、加速度由低速端向高速端轉(zhuǎn)換時(shí)需要乘以傳動(dòng)比；力、轉(zhuǎn)矩由低速端向高速端轉(zhuǎn)換時(shí)需要除以傳動(dòng)比。要乘以傳動(dòng)比；力、轉(zhuǎn)矩由低速端向高速端轉(zhuǎn)換時(shí)需要除以傳動(dòng)比。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)

17、結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 二、二、 執(zhí)行元件的匹配選擇執(zhí)行元件的匹配選擇 伺服系統(tǒng)是由若干元部件組成的，其中有些元部件伺服系統(tǒng)是由若干元部件組成的，其中有些元部件已有系列化商品供選用。為降低機(jī)電一體化系統(tǒng)的成已有系列化商品供選用。為降低機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本，縮短設(shè)計(jì)與研制周期，應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化零部本，縮短設(shè)計(jì)與研制周期，應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化零部件。擬定系統(tǒng)方案時(shí)，首先確定執(zhí)行元件的類型，然件。擬定系統(tǒng)方案時(shí)，首先確定執(zhí)行元件的類型，然后根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)行綜合分析，選擇與被控對(duì)后根據(jù)技術(shù)條件的要求

18、進(jìn)行綜合分析，選擇與被控對(duì)象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動(dòng)機(jī)的匹配象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇為例簡(jiǎn)要說明執(zhí)行元件的選擇方法。被控對(duì)象由選擇為例簡(jiǎn)要說明執(zhí)行元件的選擇方法。被控對(duì)象由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因而，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因而，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)應(yīng)和被控對(duì)象的需要相匹配，如冗余量大，易使執(zhí)數(shù)應(yīng)和被控對(duì)象的需要相匹配，如冗余量大，易使執(zhí)行元件價(jià)格高，使機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場(chǎng)行元件價(jià)格高，使機(jī)電一體化系統(tǒng)的成本升高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降，在使用時(shí)，冗余部分用戶用不上，易造競(jìng)爭(zhēng)力下降，在使用時(shí)，冗余部分用戶用不上，易造成浪費(fèi)。如果選用的執(zhí)行

19、元件的參數(shù)數(shù)值偏低，將達(dá)成浪費(fèi)。如果選用的執(zhí)行元件的參數(shù)數(shù)值偏低，將達(dá)不到使用要求。所以，應(yīng)選擇與被控對(duì)象的需要相適不到使用要求。所以，應(yīng)選擇與被控對(duì)象的需要相適應(yīng)的執(zhí)行元件。應(yīng)的執(zhí)行元件。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)meqTTT慣meqT1 1系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配 設(shè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為設(shè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行元件輸出軸所承受的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 ，等效，等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 ，則電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：，則電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：T慣()/meqTTT慣 考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率考慮到機(jī)械的總傳動(dòng)效率 時(shí)，則有

20、：時(shí)，則有： 以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例，運(yùn)動(dòng)軸所采用的執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)以機(jī)床工作臺(tái)的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例，運(yùn)動(dòng)軸所采用的執(zhí)行元件電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速基本上應(yīng)該是系統(tǒng)所需最大轉(zhuǎn)速；額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于考慮機(jī)械損的額定轉(zhuǎn)速基本上應(yīng)該是系統(tǒng)所需最大轉(zhuǎn)速；額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于考慮機(jī)械損失所需的最大轉(zhuǎn)矩，即大于等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩與等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩之和。失所需的最大轉(zhuǎn)矩，即大于等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩與等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩之和。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)maxmax()(W)9.55mmeqeqmTJnPT2 2系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)）系統(tǒng)執(zhí)行元

21、件的功率匹配直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)） 預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率可由下式確定預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率可由下式確定maxmaxn式中，式中， 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速r/minr/min）；）； 電動(dòng)機(jī)的最高角速度電動(dòng)機(jī)的最高角速度rad/srad/s）；）； 考慮電動(dòng)機(jī)、減速器等的功率系數(shù)，一般考慮電動(dòng)機(jī)、減速器等的功率系數(shù)，一般1.21.22 2。在功率預(yù)選后，需要進(jìn)行過熱、過載驗(yàn)算。在功率預(yù)選后，需要進(jìn)行過熱、過載驗(yàn)算。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)eqdxTT（a a過熱驗(yàn)算：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，應(yīng)用等效法求其等效轉(zhuǎn)矩過熱驗(yàn)算：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，應(yīng)用等效法求其等效轉(zhuǎn)矩

22、 ，在電動(dòng)機(jī)磁通在電動(dòng)機(jī)磁通 近似不變時(shí)，有：近似不變時(shí)，有： 預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率可由下式確定預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率可由下式確定22112212eqdxT tT tTTtt式中，式中， ， 時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為時(shí)間間隔，在此時(shí)間間隔內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為 ， 。1t1TNeqNdxTTPP2t2T則所選電動(dòng)機(jī)的不過熱的條件為：則所選電動(dòng)機(jī)的不過熱的條件為：式中式中 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩； 電動(dòng)機(jī)的額定功率；電動(dòng)機(jī)的額定功率；由等效轉(zhuǎn)矩?fù)Q算的電動(dòng)機(jī)功率由等效轉(zhuǎn)矩?fù)Q算的電動(dòng)機(jī)功率, , 。其中其中 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。()/9.55dxeqNPT

23、nNTNPNndxP第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)maxmNTkTmaxT（b b過載驗(yàn)算：應(yīng)使得瞬時(shí)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩過載驗(yàn)算：應(yīng)使得瞬時(shí)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 的的比值不大于某一系數(shù)，即比值不大于某一系數(shù)，即NTmk式中，式中， 電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)。電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 三、減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配三、減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配 減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)電一體化系統(tǒng)減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇確定，既要使減速比達(dá)到一定條件下最佳，的綜

24、合要求來選擇確定，既要使減速比達(dá)到一定條件下最佳，同時(shí)又要滿足脈沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系，還要同時(shí)滿同時(shí)又要滿足脈沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系，還要同時(shí)滿足最大轉(zhuǎn)速要求等。當(dāng)然要全部滿足上述要求是非常困難的。足最大轉(zhuǎn)速要求等。當(dāng)然要全部滿足上述要求是非常困難的。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)1/2LFLFLmmmTTJiTTJ（a a使加速度最大的選擇方法，當(dāng)輸入信號(hào)變化快、加速度又很大時(shí)，應(yīng)使加速度最大的選擇方法，當(dāng)輸入信號(hào)變化快、加速度又很大時(shí)，應(yīng)使得：使得：1/2LFLFLmmmTTfiTTf（b b使速度最大的選擇方法，當(dāng)輸入信號(hào)近似恒值，即加速度很小時(shí)，應(yīng)使

25、速度最大的選擇方法，當(dāng)輸入信號(hào)近似恒值，即加速度很小時(shí)，應(yīng)使得：使得：其中，其中， 電動(dòng)機(jī)的粘性摩擦系數(shù)；電動(dòng)機(jī)的粘性摩擦系數(shù)； 負(fù)載的粘性摩擦系數(shù)。負(fù)載的粘性摩擦系數(shù)。1f2f0/(360)il（c c滿足送進(jìn)系統(tǒng)傳動(dòng)基本要求的選擇方法。即滿足脈沖當(dāng)量滿足送進(jìn)系統(tǒng)傳動(dòng)基本要求的選擇方法。即滿足脈沖當(dāng)量 、步距、步距角角 和絲桿基本導(dǎo)程和絲桿基本導(dǎo)程 之間的匹配關(guān)系：之間的匹配關(guān)系： 。0lmax()/nkk ni（d d減速器輸出軸角誤差最小原則，即減速器輸出軸角誤差最小原則，即 最小最小 。maxLmi（e e對(duì)速度和加速度均有一定要求的時(shí)，依照對(duì)速度和加速度均有一定要求的時(shí)，依照a a選

26、擇減速比選擇減速比i i，然后驗(yàn)，然后驗(yàn)算是否滿足算是否滿足 ，式中的，式中的 為負(fù)載的最大角速度；為負(fù)載的最大角速度； 為電為電動(dòng)機(jī)輸出的角速度。動(dòng)機(jī)輸出的角速度。maxLm第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 執(zhí)行元件與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)確定之后，需要根據(jù)所擬系統(tǒng)的初步方案，執(zhí)行元件與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)確定之后，需要根據(jù)所擬系統(tǒng)的初步方案，選擇和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其余部分，把初步方案逐步具體化。各部分的設(shè)計(jì)計(jì)選擇和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其余部分，把初步方案逐步具體化。各部分的設(shè)計(jì)計(jì)算，必須從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號(hào)的有效算，必須從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號(hào)的有效傳

27、遞傳遞( (防干擾措施防干擾措施) )、輸入輸出的阻抗匹配?？傊?，要使整個(gè)系統(tǒng)在各、輸入輸出的阻抗匹配?？傊拐麄€(gè)系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下，達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)就是要從兩頭種運(yùn)行條件下，達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)就是要從兩頭入手，即首先從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳入手，即首先從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置動(dòng)裝置; ;其次是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置及信號(hào)的前其次是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置及信號(hào)的前向和后向通道；最后通過動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)男Ｕa(bǔ)償裝置、完向和后向通道；最后通過動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算

28、，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)男Ｕa(bǔ)償裝置、完善電源電路及其他輔助電路，從而達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。善電源電路及其他輔助電路，從而達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 檢測(cè)傳感裝置的精度檢測(cè)傳感裝置的精度( (即分辨力即分辨力) )、不靈敏區(qū)等要適應(yīng)系統(tǒng)整體的精、不靈敏區(qū)等要適應(yīng)系統(tǒng)整體的精度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入輸出應(yīng)具有固定的線性特性，度要求，在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入輸出應(yīng)具有固定的線性特性，信號(hào)的轉(zhuǎn)換要迅速及時(shí)，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦阻力矩要信號(hào)的轉(zhuǎn)換要迅速及時(shí)，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦阻力矩要盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。 信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路應(yīng)盡量選

29、用商品化的集成電路，要有足夠的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路應(yīng)盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的輸入輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器的輸出通道，不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器的輸入阻抗符合匹配要求。伺服系統(tǒng)放大器的設(shè)計(jì)與選擇主要考慮以下幾輸入阻抗符合匹配要求。伺服系統(tǒng)放大器的設(shè)計(jì)與選擇主要考慮以下幾個(gè)問題：個(gè)問題： 四、檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路及四、檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)（a) a) 功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配，其輸出

30、電壓、電流應(yīng)滿足執(zhí)功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配，其輸出電壓、電流應(yīng)滿足執(zhí)行元件的容量要求，不僅要滿足執(zhí)行元件額定值的需要，而且還應(yīng)該能夠行元件的容量要求，不僅要滿足執(zhí)行元件額定值的需要，而且還應(yīng)該能夠保證執(zhí)行元件短時(shí)過載、短時(shí)快速的要求?？傊?，輸出級(jí)的輸出阻抗要小，保證執(zhí)行元件短時(shí)過載、短時(shí)快速的要求?？傊敵黾?jí)的輸出阻抗要小，效率要高效率要高, , 時(shí)間常數(shù)要小。時(shí)間常數(shù)要小。（b b放大器應(yīng)為執(zhí)行元件放大器應(yīng)為執(zhí)行元件( (如電動(dòng)機(jī)如電動(dòng)機(jī)) )的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件。例如：的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件。例如：為大功率電動(dòng)機(jī)提供制動(dòng)條件，為力矩電動(dòng)機(jī)或永磁式直流電動(dòng)機(jī)的電樞為大功率電動(dòng)機(jī)提

31、供制動(dòng)條件，為力矩電動(dòng)機(jī)或永磁式直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流提供限制保護(hù)措施。電流提供限制保護(hù)措施。（c c放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。（d d輸入級(jí)應(yīng)能與檢測(cè)傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕輸入級(jí)應(yīng)能與檢測(cè)傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕檢測(cè)傳感裝置的負(fù)荷。檢測(cè)傳感裝置的負(fù)荷。（e e放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。 第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)的能源特別是電源伺服系統(tǒng)的能源特

32、別是電源) )支持：在一個(gè)系統(tǒng)中，所需電源支持：在一個(gè)系統(tǒng)中，所需電源一般很難統(tǒng)一，特別是放大器的電源常常為適應(yīng)各放大級(jí)的不同需一般很難統(tǒng)一，特別是放大器的電源常常為適應(yīng)各放大級(jí)的不同需要而進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。但是最關(guān)鍵的還是動(dòng)力電源，它常常制約系要而進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。但是最關(guān)鍵的還是動(dòng)力電源，它常常制約系統(tǒng)方案的形式。系統(tǒng)對(duì)電源的穩(wěn)定度和對(duì)頻率的穩(wěn)定度都有一定要統(tǒng)方案的形式。系統(tǒng)對(duì)電源的穩(wěn)定度和對(duì)頻率的穩(wěn)定度都有一定要求，設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要讓干擾信號(hào)從電源引入，所使用電源應(yīng)具有求，設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要讓干擾信號(hào)從電源引入，所使用電源應(yīng)具有足夠的保護(hù)措施，如過電壓保護(hù)、掉電保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保足夠的保

33、護(hù)措施，如過電壓保護(hù)、掉電保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)等?？垢蓴_措施有濾波、隔離、屏蔽等。此外，要有為系統(tǒng)服務(wù)護(hù)等?？垢蓴_措施有濾波、隔離、屏蔽等。此外，要有為系統(tǒng)服務(wù)的自檢電路、顯示與操作裝置?？傊到y(tǒng)設(shè)計(jì)牽涉的知識(shí)面較廣，的自檢電路、顯示與操作裝置。總之，系統(tǒng)設(shè)計(jì)牽涉的知識(shí)面較廣，每一個(gè)環(huán)節(jié)均要給予充分注意。每一個(gè)環(huán)節(jié)均要給予充分注意。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)五、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算五、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計(jì)算 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用所選元、部件的有在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用所選元、部件的有關(guān)參數(shù)，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據(jù)自動(dòng)控制關(guān)

34、參數(shù)，可以繪制出系統(tǒng)框圖，并根據(jù)自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)課程所學(xué)知識(shí)建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，理論基礎(chǔ)課程所學(xué)知識(shí)建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)?，F(xiàn)以工作臺(tái)閉環(huán)伺服進(jìn)進(jìn)而建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)?，F(xiàn)以工作臺(tái)閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例，分析在不同控制方式下傳遞函數(shù)的給系統(tǒng)為例，分析在不同控制方式下傳遞函數(shù)的建立方法。建立方法。 1. 1.半閉環(huán)控制方式半閉環(huán)控制方式 下圖下圖a a為檢測(cè)傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺為檢測(cè)傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。服控制系統(tǒng)。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖b b所示。所示。第

35、第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)上圖的傳遞函數(shù)為上圖的傳遞函數(shù)為: :第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 2 2 . . 全全閉閉環(huán)環(huán)控控制制方方式式第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)hPhP第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)1 2/(2)hPii221 22mheqPBBii1 22( )/(2)( )( )ihjmmmieqeqX sKPiiG ssJ sB sK第

36、第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 3. 3. 工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率 對(duì)于帶非剛性軸的傳動(dòng)系統(tǒng)，上述完整的對(duì)于帶非剛性軸的傳動(dòng)系統(tǒng)，上述完整的傳遞函數(shù)必然是高階的。而在控制系統(tǒng)應(yīng)用中，傳遞函數(shù)必然是高階的。而在控制系統(tǒng)應(yīng)用中，往往感興趣的是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率。往往感興趣的是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的主諧振頻率。現(xiàn)就其主諧振頻率的求法分析如下：現(xiàn)就其主諧振頻率的求法分析如下：第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析

37、與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 根據(jù)上面拉氏變換得到的方程，可畫出如下圖所示的簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖。根據(jù)上面拉氏變換得到的方程，可畫出如下圖所示的簡(jiǎn)化系統(tǒng)框圖。通過系統(tǒng)框圖的進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為通過系統(tǒng)框圖的進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)hP1 2/(2)hPi i第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分

38、析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二 機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法 機(jī)電一體化系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)只是初步確定了系統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)只是初步確定了系統(tǒng)的主回路，還很不完善。在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一主回路，還很不完善。在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一般不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，甚至是不穩(wěn)定的。為此，必須進(jìn)般不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，甚至是不穩(wěn)定的。為此，必須進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。一步進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

39、包括：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)包括：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正( (或補(bǔ)償或補(bǔ)償) )形形式，設(shè)計(jì)校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)式，設(shè)計(jì)校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。一、機(jī)電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)一、機(jī)電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)常用的控制方式為反饋控制方式伺服系統(tǒng)常用的控制方式為反饋控制方式( (即誤差控制方式即誤差控制方式) )，也可采，也可采用前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)合控制

40、等方式。它們各具特點(diǎn)，需要按被控對(duì)象用前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)合控制等方式。它們各具特點(diǎn)，需要按被控對(duì)象的具體情況和要求，從中選擇一種適宜的方式。同樣，校正形式也多種多的具體情況和要求，從中選擇一種適宜的方式。同樣，校正形式也多種多樣，設(shè)計(jì)者需要結(jié)合穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所得到系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，從中選擇一種或幾樣，設(shè)計(jì)者需要結(jié)合穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所得到系統(tǒng)的組成特點(diǎn)，從中選擇一種或幾種校正形式，這是進(jìn)行定量計(jì)算分析的前提。具體的定量分析計(jì)算方法很種校正形式，這是進(jìn)行定量計(jì)算分析的前提。具體的定量分析計(jì)算方法很多，每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和不足。而工程上常用對(duì)數(shù)頻率法即借助多，每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和不足。而工程上常用對(duì)數(shù)

41、頻率法即借助波德波德Bode)Bode)圖和根軌跡方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些方法作圖簡(jiǎn)便，概念清晰，圖和根軌跡方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些方法作圖簡(jiǎn)便，概念清晰，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用廣泛。 對(duì)數(shù)頻率法即波德圖法，主要適用于線性定常最小相位系統(tǒng)。系統(tǒng)以單位反饋對(duì)數(shù)頻率法即波德圖法，主要適用于線性定常最小相位系統(tǒng)。系統(tǒng)以單位反饋構(gòu)成閉環(huán)，若主反饋系統(tǒng)不為構(gòu)成閉環(huán)，若主反饋系統(tǒng)不為l l單位反饋），則需要等效成單位反饋的形式來處單位反饋），則需要等效成單位反饋的形式來處理。這是因?yàn)樵摲椒ㄖ饕孟到y(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須將各項(xiàng)設(shè)計(jì)指理。這是因?yàn)樵摲椒ㄖ饕孟到y(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須將各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)反映到波德圖上

42、，并畫出一條能滿足要求的系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性，并與原始標(biāo)反映到波德圖上，并畫出一條能滿足要求的系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性，并與原始系統(tǒng)系統(tǒng)( (穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上建立的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上建立的系統(tǒng)) )的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性相比較，找出所需補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性相比較，找出所需補(bǔ)償( (或或校定校定) )裝量的對(duì)數(shù)幅頻特性。然后根據(jù)此特性來設(shè)計(jì)校正裝量的對(duì)數(shù)幅頻特性。然后根據(jù)此特性來設(shè)計(jì)校正( (或補(bǔ)償或補(bǔ)償) )裝置，將該裝置裝置，將該裝置有效地連接到原始系統(tǒng)的電路中去，使校正有效地連接到原始系統(tǒng)的電路中去，使校正( (或補(bǔ)償或補(bǔ)償) )后的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性基本后的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性基本上與所希望系統(tǒng)的特性

43、相一致。這就是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一般考慮方法和步驟。上與所希望系統(tǒng)的特性相一致。這就是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一般考慮方法和步驟。第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 二、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法二、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法 在研究機(jī)電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，一般先在研究機(jī)電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，一般先根據(jù)系統(tǒng)組成建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)根據(jù)系統(tǒng)組成建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)( (即原始系統(tǒng)數(shù)即原始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型學(xué)模型) )，不易用理論方法求解的可用實(shí)驗(yàn)方法建，不易用理論方法求解的可用實(shí)驗(yàn)方法建立。進(jìn)而可以根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定立。進(jìn)而可以根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)性、系統(tǒng)的過渡過程品質(zhì)( (響應(yīng)的快速

44、性和振蕩響應(yīng)的快速性和振蕩) )及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時(shí)，其輸出必當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時(shí)，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部輸入能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部輸入或干擾相對(duì)應(yīng)的值，也就是說需要有一個(gè)變化過或干擾相對(duì)應(yīng)的值，也就是說需要有一個(gè)變化過程，這個(gè)變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。程，這個(gè)變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。 當(dāng)系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系統(tǒng)的當(dāng)系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)

45、律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終沒有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。能趨于穩(wěn)態(tài)值。 第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 當(dāng)系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過渡過程大致有以下三種情況：當(dāng)系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；散，即沒有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)

46、是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。 當(dāng)系統(tǒng)的過渡過程結(jié)束后，其輸出當(dāng)系統(tǒng)的過渡過程結(jié)束后，其輸出值達(dá)到與輸出相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)值達(dá)到與輸出相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出值與目標(biāo)值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤系統(tǒng)的輸出值與目標(biāo)值之差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。具體表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好壞的定量差。具體表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好壞的定量指標(biāo)就是系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)，在指標(biāo)就是系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)，在時(shí)域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍時(shí)域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)曲線如下圖中的參數(shù)來表示，響應(yīng)曲線如下圖中的參數(shù)來表示，即即第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)

47、合的分析與設(shè)計(jì) 1. PID 1. PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì) 2. 2. 調(diào)節(jié)作用分析調(diào)節(jié)作用分析 第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有

48、機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)3. 3. 速度反饋校正速度反饋校正第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)第第6章章 有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響1.1.結(jié)構(gòu)諧振的影響結(jié)構(gòu)諧振的影響 傳動(dòng)系統(tǒng)因彈性變形而產(chǎn)生的振動(dòng)，稱為結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)因彈性變形而產(chǎn)生的振動(dòng)，稱為結(jié)構(gòu)諧振諧振( (或機(jī)械諧振或機(jī)械諧振) )。 為了使問題簡(jiǎn)化，在分析系統(tǒng)時(shí)，常假定系為

49、了使問題簡(jiǎn)化，在分析系統(tǒng)時(shí)，常假定系統(tǒng)中的機(jī)械裝置為絕對(duì)剛體，即無任何結(jié)構(gòu)變形。統(tǒng)中的機(jī)械裝置為絕對(duì)剛體，即無任何結(jié)構(gòu)變形。實(shí)際上，機(jī)械裝置并非剛體，而具有柔性。其物實(shí)際上，機(jī)械裝置并非剛體，而具有柔性。其物理模型是質(zhì)量理模型是質(zhì)量- - 彈簧系統(tǒng)。例如機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，彈簧系統(tǒng)。例如機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，床身、電動(dòng)機(jī)、減速箱、各傳動(dòng)軸都有不同程度床身、電動(dòng)機(jī)、減速箱、各傳動(dòng)軸都有不同程度的彈性變形，并具有一定的固有諧振頻率。但對(duì)的彈性變形，并具有一定的固有諧振頻率。但對(duì)于一般要求不高且控制系統(tǒng)的頻帶也比較窄，只于一般要求不高且控制系統(tǒng)的頻帶也比較窄，只要傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的剛度較大，結(jié)構(gòu)諧振頻率通常要傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的剛度較大，結(jié)構(gòu)諧振頻率通常遠(yuǎn)大于閉環(huán)上限頻率，故結(jié)構(gòu)諧振問題并不突出。遠(yuǎn)大于閉環(huán)上限頻率，故結(jié)構(gòu)諧振問題并不突出。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和響應(yīng)快速性要求愈來愈高，這就必須提高控制系響應(yīng)快速性要求愈來愈高，這就必須提高控制系統(tǒng)的頻帶寬度，從而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)諧振頻率逐漸統(tǒng)的頻帶寬度，從而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)諧振頻率逐漸接近控制系統(tǒng)的帶寬，甚至可能落到帶寬之內(nèi)，接近控制系統(tǒng)的帶寬，甚至可能落到帶寬之內(nèi)，使系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩而無法工作，或使機(jī)構(gòu)損壞。使系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩而無法工作，或使機(jī)構(gòu)損壞。第