機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計：第六章 機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計

1、第六章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設(shè)計第二節(jié) 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)計的考慮方法第三節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二 機(jī)電一體化系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計的考慮方法第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計1以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例說明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般考慮方法。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)過傳動系統(tǒng)驅(qū)動被控對象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)動。工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律和運(yùn)動參數(shù)對它們提出技術(shù)要求的。6-1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)與動態(tài)設(shè)計23設(shè)計動態(tài)補(bǔ)償裝置，滿足動態(tài)性能指標(biāo)。得到較詳細(xì)的設(shè)計方案，結(jié)果是近似的，只能作為

2、工程實(shí)踐的基礎(chǔ)。實(shí)際電路及實(shí)際參數(shù)，要通過樣機(jī)的試驗(yàn)與調(diào)試，才能最后確定下來。設(shè)計過程：輸出參數(shù)達(dá)到要求執(zhí)行元件的參數(shù)選擇功率的匹配和過載能力的驗(yàn)算元件的選擇與控制電路設(shè)計阻抗的匹配抗干擾措施建立數(shù)學(xué)模型初步設(shè)計方案定量的分析計算穩(wěn)態(tài)設(shè)計計算動態(tài)設(shè)計計算建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計算機(jī)仿真4 包括使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動參數(shù)達(dá)到技術(shù)要求、執(zhí)行元件的參數(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、信號的有效傳遞、各級增益的分配、各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施等，為后面動態(tài)設(shè)計中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。穩(wěn)態(tài)設(shè)計動態(tài)設(shè)計經(jīng)過設(shè)計計算后確定的方案，考慮了機(jī)電參數(shù)的有機(jī)結(jié)合與匹配，

3、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。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)計過程中，必須充分注意其可靠性、安全性設(shè)計要求。主要是設(shè)計校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求;通常要進(jìn)行計算機(jī)仿真，或借助計算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計作用5伺服系統(tǒng)也稱之為隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令進(jìn)行動作，從而獲得精確的位置、速度或力、力矩輸出的自動控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。它是根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動作控制的，其工作過程是一個偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動態(tài)過渡過程。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象測量、反饋

4、元件輸入指令輸出量控制器伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖比較元件6電氣控制裝置部分機(jī)械執(zhí)行裝置部分 在控制信號傳遞路線上，以執(zhí)行元件作為接口 在反饋信號傳遞路線上，以傳感器作為接口由兩部分組成：電氣控制裝置機(jī)械執(zhí)行裝置執(zhí)行元件傳感器伺服系統(tǒng)組成伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個重要組成部分，而且往往是實(shí)現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)離不開機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運(yùn)用，其功能是通過機(jī)電結(jié)合才得以實(shí)現(xiàn)的，因此，它本身就是一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。76-1 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)計考慮方法位置速度控制系統(tǒng)的被控對象作機(jī)械運(yùn)動時，該被控對象就是系統(tǒng)的負(fù)載，與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動聯(lián)系有多種形式

5、。機(jī)械運(yùn)動是組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要組成部分，它們的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)特性與整個系統(tǒng)的性能關(guān)系極大。一、典型負(fù)載81. 典型負(fù)載分析(1)典型負(fù)載 慣性負(fù)載 外力負(fù)載為便于分析，將具體的負(fù)載分解為幾種典型負(fù)載，使定量設(shè)計計算得以順利進(jìn)行 彈性負(fù)載 摩擦負(fù)載負(fù)載分析的目的：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)行動態(tài)設(shè)計分析打下基礎(chǔ)。9被控對象的運(yùn)動，有的是直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動等；執(zhí)行元件與被控對象有直接連接的，也有通過傳動裝置連接的。執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩(或力、功率)、加減速控制及制動方案應(yīng)與被控對象的固有參數(shù)(如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等)相匹配。因此，要將被控對象相關(guān)部件的固有參數(shù)及其所受的負(fù)

6、載(力或轉(zhuǎn)矩等)等效換算到執(zhí)行元件(k)的輸出軸上，即計算其輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動慣量和等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩(回轉(zhuǎn)運(yùn)動)或計算等效質(zhì)量和等效力(直線運(yùn)動)。 2.負(fù)載的等效換算10如圖工作臺伺服進(jìn)給系統(tǒng)，有m個移動部件和n個轉(zhuǎn)動部件組成， 分別為移動部件的質(zhì)量、運(yùn)動速度和所受的負(fù)載； 分別為轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 111) 求等效轉(zhuǎn)動慣量Jkeq。該系統(tǒng)運(yùn)動部件的動能總和為設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸上的總動能為由于E=Ek故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：nk_執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速(r/min)122) 求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tkeq。設(shè)上述系統(tǒng)在時間t內(nèi)克服負(fù)

7、載所作功的總和為同理，執(zhí)行元件輸出軸在時間t內(nèi)的轉(zhuǎn)角為由于W=Wk故用工程上常用的單位，可將上式改寫為(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)則執(zhí)行元件所作的功為133) 計算舉例。求等效到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量Jmeq和等效轉(zhuǎn)矩Tmeq解：1)求Jmeq ，根據(jù)式(6.4)可得因?yàn)?4所以2）求Tmeq，根據(jù)式(6.8)可知15伺服系統(tǒng)由若干元部件組成應(yīng)盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化元部件擬定系統(tǒng)方案時，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，選擇與被控對象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動機(jī)的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法匹配選擇原則：總原則：與被控對象的需要相適應(yīng)。電動

8、機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n基本上是所需最大轉(zhuǎn)速電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩T應(yīng)大于所需最大轉(zhuǎn)矩，即二、 執(zhí)行元件的匹配選擇16系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配系統(tǒng)執(zhí)行元件的功率匹配過熱保護(hù)系數(shù)過載保護(hù)系數(shù)驗(yàn)算如冗余量大，易使執(zhí)行元件價格高，系統(tǒng)成本升高，市場競爭力下降，在使用時，易造成浪費(fèi)；執(zhí)行元件的參數(shù)值偏低，將達(dá)不到使用要求。所以，應(yīng)選擇與被控對象的需要相適應(yīng)的執(zhí)行元件。二、 執(zhí)行元件的匹配選擇17(1) 系統(tǒng)執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配設(shè)等效到電動機(jī)輸出軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tmeq，等效慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T慣，則電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為考慮到機(jī)械的總傳動效率時，則為保證帶負(fù)載能正常的起動 和定位停止，步進(jìn)電動機(jī)的起動和制動轉(zhuǎn)矩Tq應(yīng)滿足下

9、列要求(6.9)(6.10)(6.11)181920 （a）過熱驗(yàn)算 對于連續(xù)工作負(fù)載不變的電動機(jī)，要求在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)。選擇電動機(jī)應(yīng)滿足 式中 TN電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（Nm）； 折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載方均根轉(zhuǎn)矩(Nm)； t電動機(jī)工作循環(huán)時間； TLa折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效慣性轉(zhuǎn)矩； TLF折算到電動機(jī)上的摩擦力矩。21a)b)變轉(zhuǎn)矩加減速控制計算模型一般伺服系統(tǒng)的計算模型。根據(jù)電動機(jī)發(fā)熱條件的等效原則，這種三角形轉(zhuǎn)矩波在加減速時的方均根轉(zhuǎn)矩TLr 由下式近似計算 式中 tp個負(fù)載工作周期的時間， 即tp=t1+t2+t3+t4。Nm22常用的矩形波負(fù)載轉(zhuǎn)矩、加減速計

10、算模型，其TLr由下式計算Nm2324（b）轉(zhuǎn)矩過載驗(yàn)算 轉(zhuǎn)矩過載校核的公式為 而 式中 折算到電動機(jī)軸上的最大負(fù)載力矩； 電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值(過載轉(zhuǎn)矩)； TN 電動機(jī)的額定力矩； km 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩過載系數(shù)。對直流伺服電動機(jī)，一般取km2.02.5；對交流伺服電動機(jī)，一般取km1.53。25目的:可最終獲得被控制對象的運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動速度要求。（1）減速比匹配選擇的一般原則要求在第2章中，提到了機(jī)械傳動減速比的分配原則 三、減速比的匹配選擇與各級減速比的分配 轉(zhuǎn)動慣量最小原則重量最輕原則傳動誤差最小原則綜合考慮確定各級傳動的減速比 26既要滿足被控制對象的調(diào)速范圍并在一定條件下綜合指標(biāo)參

11、數(shù)達(dá)到最佳，也要滿足脈沖當(dāng)量（分辨率）與進(jìn)給角間的響應(yīng)關(guān)系和在一定條件下輸出轉(zhuǎn)速最大或輸出轉(zhuǎn)矩最大等要求。本節(jié)提到的減速比匹配及分配，是以滿足控制對象的運(yùn)動特性、加速特性和動力特性為準(zhǔn)則，即依據(jù)負(fù)載特性、脈沖當(dāng)量（分辨率）、特殊要求等綜合分析選擇確定。27（2）各級減速比的分配原則與方法 1）按加速度最大原則選擇減速比當(dāng)要求輸入信號變化快、響應(yīng)快、加速度大時，應(yīng)按下式?jīng)Q定減速比 i：282）按最大輸出速度原則選擇減速比在輸入速度信號近似恒速時，有加速度最小，可按下式確定減速比 i ：3）滿足脈沖當(dāng)量、步距角、絲杠基本導(dǎo)程匹配關(guān)系選擇減速比4）減速器輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則選擇減速比即 最小原則：

12、295）按速度和加速度規(guī)定要求選擇減速比在速度和加速度有要求時，除按加速度最大原則選擇減速比外，還應(yīng)依據(jù)負(fù)載最大角速度與電機(jī)輸出角速度之間的關(guān)系，最終確定減速比。注意：應(yīng)用上述方法確定機(jī)械傳動部分的減速比，不能單一應(yīng)用某一種方法，應(yīng)用多種方法，綜合分析，結(jié)合被控制對象的具體情況，在依據(jù)減速比的分配原則（2章），最終確定機(jī)械傳動總減速比和各級減速比。302.2.2.齒輪傳動鏈的級數(shù)和各級傳動比的選擇 總原則：盡量采用較大傳動比的單級傳動多級傳動時，各級傳動比的分配遵循如下原則：1、重量最輕原則 小功率傳動時， i 的分配各級相等； 大功率傳動時， i 的分配先大后小。2、輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則

13、傳動比i 的分配先小后大，并且提高末一級齒輪副的精度，使輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小。3、最小等效轉(zhuǎn)動慣量原則 傳動比 i 的分配先小后大，級數(shù)越多等效轉(zhuǎn)動慣量越小，但級數(shù)太多時，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且等效轉(zhuǎn)動慣量降低不明顯。對數(shù)減少傳動精度提高31伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計從兩頭入手，一方面從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力和要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置；另一方面是從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計檢測裝置及信號的前向和后向通道。最后通過動態(tài)設(shè)計計算，設(shè)計適當(dāng)?shù)男Ｕa(bǔ)償裝置、完善電源電路及其它輔助電路，從而達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計要求。32初步方案逐步具體化：從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號的有效傳遞、輸入輸

14、出的阻抗匹配等，四、檢測傳感裝置、信號轉(zhuǎn)換接口電路、 放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計 信號處理與轉(zhuǎn)換、功率放大與驅(qū)動、系統(tǒng)電源匹配等。 信號檢測、信號處理與誤差傳遞、動態(tài)計算與調(diào)整電路設(shè)計（正補(bǔ)償設(shè)計、輔助電路設(shè)計）等。 最終使系統(tǒng)在輸入信號作用下，其輸出具有收斂特性。331.檢測傳感器的精度、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，信號的轉(zhuǎn)換要迅速及時，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。2.信號轉(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

15、入阻抗符合匹配要求34磁柵位移傳感器光電編碼傳感器測速發(fā)電機(jī)速度傳感器光電脈沖轉(zhuǎn)速傳感器35壓電式加速度傳感器空氣阻尼式加速度傳感器應(yīng)變片測力傳感器光柵傳感器的工作原理節(jié)距2（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺同步感應(yīng)器的工作原理364.伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源）支持3.放大電路：通常分為信號處理與功率放大（提高信號品質(zhì)為主），功率放大（增大能量為主）兩類1）功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配2）放大器應(yīng)為執(zhí)行元件的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件3）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4）輸入級應(yīng)能與檢測傳感裝置相匹配5）放大器應(yīng)有足夠的放

16、大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整應(yīng)盡可能地做到電源的輸出類型要少，在電源參量輸出具有足夠穩(wěn)定性（電壓、頻率）；防止外界干擾信號的進(jìn)入和電源波動、掉電、欠壓、過流、短路等非正常品質(zhì)電源的輸入對系統(tǒng)的影響。常用措施：濾波、隔離、屏蔽干擾信號；穩(wěn)壓、限壓、限流、斷電保護(hù)和短路保護(hù)。3738在穩(wěn)態(tài)設(shè)計的基礎(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)自動控制理論基礎(chǔ)課程所學(xué)知識建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)。分析在不同控制方式下工作臺閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)傳遞函數(shù)的建立方法。 1.半閉環(huán)控制方式:五、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及主諧振頻率的計算39滾珠絲杠傳動半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 Ka前置

17、放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反饋增益； Tm直流伺服電機(jī)時間常數(shù)；i1、i1減速比；Kr位置傳感器增益； Vi(s)輸入電壓的拉式變換；i(s)絲杠輸出轉(zhuǎn)角的拉式變換。 1）無外界干擾時的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型402）有外界干擾時的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型 附加擾動力矩（電壓VD表示）的系統(tǒng)框圖附加擾動力矩等效電壓后的系統(tǒng)框圖 412 全閉環(huán)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型：4243444546對于帶非剛性軸的傳動系統(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，往往感興趣的是機(jī)械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率。 3. 工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的主諧振頻率機(jī)械傳動系統(tǒng)的簡化47式中： K為機(jī)械傳動系統(tǒng)的總扭轉(zhuǎn)剛度（

18、 Nm/rad） Jeqm為機(jī)械傳動系統(tǒng)等效到電動機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2） Jeq為軸、轉(zhuǎn)動慣量以及工作臺總質(zhì)量m等效到電動機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2） JI為軸I上運(yùn)動零部件的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）機(jī)械傳動系統(tǒng)的主諧振頻率48495051525354小 結(jié)本小節(jié)掌握的主要內(nèi)容是通過對系統(tǒng)負(fù)載和傳動系統(tǒng)分析匹配，執(zhí)行元件和傳感元件等的合理選用與匹配設(shè)計，采用一定的總體設(shè)計方法和步驟，最終得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。55 第三節(jié) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合之二 機(jī)電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計考慮方法方 法： 穩(wěn)態(tài)設(shè)計所建立的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或誤差補(bǔ)償）形式定量計算

19、分析找到所需補(bǔ)償裝置的對數(shù)幅頻特性設(shè)計校正裝置有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計階段所設(shè)計的系統(tǒng)中去，達(dá)到穩(wěn)定工作和滿足被控制對象的各項(xiàng)動態(tài)指標(biāo)要求。目 的：在穩(wěn)態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性、過渡過程的品質(zhì)（響應(yīng)特性、振蕩特性等）、動態(tài)穩(wěn)定精度，動態(tài)響應(yīng)特性等指標(biāo)。一、機(jī)電伺服系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計561.反饋控制系統(tǒng)）定義：具有被控變量負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)） 特點(diǎn)：按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量小 能隨時了解被控變量變化情況 輸出影響輸入（閉環(huán)）存在問題： 必須有偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用 調(diào)節(jié)不及時，被控變量總是變化的572、前饋控制系統(tǒng)：）問題提出：反饋系統(tǒng)最大缺點(diǎn)，在干擾作用下，必須

20、形成偏差，才能進(jìn)行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。）定義：是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。3) 特點(diǎn): 按干擾進(jìn)行控制，控制及時，精度高。 僅僅對前饋量有控制作用 不能隨時了解被控變量變化情況 輸出影響輸入（開環(huán)）58二、伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法 （1）伺服系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性分析與過渡過程 對于任何系統(tǒng)，動態(tài)穩(wěn)定過程主要有三種情況。 即：指數(shù)規(guī)律上升平穩(wěn)地趨于穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出發(fā)散沒有穩(wěn)定值，系統(tǒng)

21、輸出振蕩最終能趨于穩(wěn)定值。 具體表征系統(tǒng)動態(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)。在時域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)過渡過程曲線的參數(shù)來表示。591）動態(tài)穩(wěn)定過程的特點(diǎn)： 系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)在過渡階段的性能參量。上述三種情況各有其特點(diǎn)。 第一種情況：系統(tǒng)直接趨于穩(wěn)定，剛性大（加速度大），無振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)過渡階段誤差大，不利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)。 第二種情況：系統(tǒng)振蕩發(fā)散不穩(wěn)定。 第三種情況：系統(tǒng)振蕩收斂逐步衰減區(qū)域穩(wěn)定，系統(tǒng)剛性較小，但慣量較大，過渡階段誤差教小，利于系統(tǒng)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)匹配。 鑒于第三種情況的控制系統(tǒng)，最能保證系統(tǒng)穩(wěn)定（硬件和軟件保

22、證），利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)匹配，系統(tǒng)過渡階段誤差最小的控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中最為常見。602）動態(tài)系統(tǒng)過渡階段的主要性能指標(biāo)動態(tài)特性參量或指標(biāo)：上升時間Ts；延滯時間Ty；調(diào)整時間Tt；最大超調(diào)量%，如圖所示。 61（2）伺服系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性校正方法 若靜態(tài)設(shè)計的控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或穩(wěn)定系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（過渡階段和穩(wěn)定階段）不能滿足使用要求。采取的主要措施是：第一步，設(shè)計調(diào)節(jié)器（校正器），調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)；第二步，設(shè)計反饋控制器，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。目的:達(dá)到系統(tǒng)的使用要求穩(wěn)態(tài)和動態(tài)指標(biāo)。盡管可用于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和校正的理論（數(shù)學(xué)模型）方法和手段較多，但在實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最

23、為廣泛和簡單的是PID調(diào)節(jié)器。下面針對PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用特點(diǎn)學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)器的設(shè)計和使用方法。62(1) PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)圖 6.15 有源調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)類型所對應(yīng)的圖傳遞函數(shù)備注Pa)Ib)PIc)PIDd)631）PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)（含調(diào)節(jié)電路） PID調(diào)節(jié)器無源阻容式調(diào)節(jié)器和有源阻容式調(diào)節(jié)器。 無源阻容式調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡單，無須提供外界電源等特點(diǎn)，但存在衰減較大、不易與系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)相匹配，應(yīng)用受到一定的限制。 有源阻容式調(diào)節(jié)器主要運(yùn)算放大器與阻容電路組成。通過合理的配置，可達(dá)到不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善系統(tǒng)動態(tài)性能的能力。有源阻容式調(diào)節(jié)器的電路構(gòu)成64PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)

24、和特點(diǎn)： a ) 比例( P )調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特點(diǎn)：調(diào)節(jié)作用主要取決于增益Kp的大小 ，Kp值越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但存在調(diào)節(jié)誤差，且當(dāng)Kp值太大時，可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，對于干擾較大、慣性也較大的系統(tǒng)，不宜單獨(dú)采用比例(P)調(diào)節(jié)。b ) 積分( I )調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特點(diǎn)：可以減少或消除調(diào)節(jié)誤差，但響應(yīng)慢，因而較少單獨(dú)使用。65c ) 比例積分Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：KP =R2/R1；Ti = R2C。特點(diǎn)：既克服了單純比例( P )調(diào)節(jié)存在調(diào)節(jié)誤差的缺點(diǎn)，又避免

25、了積分( I )調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，即穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性都得到了改善，所以應(yīng)用比較廣泛。 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和特點(diǎn)：66 d ) 比例積分微分( PID )調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。特點(diǎn)：不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也能改善系統(tǒng)動態(tài)性能，它比( PI )調(diào)節(jié)能使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性能和動態(tài)性能。但是，由于含有微分環(huán)節(jié)，在噪聲比較大或系統(tǒng)要求響應(yīng)快時，不宜采用PID調(diào)節(jié)。67在實(shí)際工程應(yīng)用中，有源的PID調(diào)節(jié)器校正與

26、誤差調(diào)整方法，通常不是依靠理論計算來確定系統(tǒng)參數(shù)的，而是通過觀察輸出響應(yīng)波形是否滿足使用要求，先調(diào)整比例時間常數(shù)KP；被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時間 I ，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益數(shù)KP；被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益 P ，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時間 I ，還可加大微分時間 D。反復(fù)調(diào)整直到所觀察到的輸出波形能滿足使用要求的輸出波形為止，便可確定PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)參數(shù) PID調(diào)節(jié)器使用調(diào)整方法：68(2) PID調(diào)節(jié)器的控制作用基本控制作用有三種基本形式：比例作用、積分作用和微分作用m為調(diào)節(jié)器的輸出；e為偏差信號；Kp為比例增益；Ti為積分

27、時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)6970（3）PID調(diào)節(jié)器對伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)校正性能分析 對于如圖所示的典型閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，在有效輸入信號和外界干擾信號作用下，為改善系統(tǒng)的性能，選擇適合系統(tǒng)控制的調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器的目的：是使系統(tǒng)輸出誤差（與目標(biāo)參量相比）最小和在外界干擾作用下產(chǎn)生輸出誤差最小。71典型閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的構(gòu)成在輸入和干擾信號同時作用下，傳遞函數(shù)：在輸入信號作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：在干擾信號作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：72（4）PID調(diào)節(jié)器對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能改善的實(shí)例分析對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能改善分析： 1）調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)（P）輸入信號與輸出信號的傳遞函數(shù)：干擾信號與輸出信號的傳遞函數(shù)：

28、閉環(huán)響應(yīng)的傳遞函數(shù)：如圖閉環(huán)控制系統(tǒng)，假設(shè) ； ； ； ；A=1；比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) K0 = 1.5（無調(diào)節(jié)時，K0 = 1）。 73有無比例調(diào)節(jié)器時的性能比較 代入閉環(huán)控制系統(tǒng)各部分（元件）的性能參數(shù)有：（無比例調(diào)節(jié)器時為： ）；（無比例調(diào)節(jié)器時為： ）；（無比例調(diào)節(jié)器時為： ）；（無比例調(diào)節(jié)器前為： ）；（無比例調(diào)節(jié)器前為： ）； 系統(tǒng)總的響應(yīng)為： 則有：74性能改善：由系統(tǒng)響應(yīng)推導(dǎo)和響應(yīng)仿真比較結(jié)果得出，閉環(huán)響應(yīng)仍為一階滯后，但時間常數(shù)比未加入調(diào)節(jié)器前的時間常數(shù)小，說明閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)快。 無PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng)有PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng) 75比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)： a) 當(dāng)干擾信號為階躍信號（幅

29、值為D0）時，拉氏變換D(s)=D0/s，依據(jù)拉氏變換終值定理，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(t)時，擾動信號輸出，即誤差Cssd為：表明系統(tǒng)在干擾信號的作用下，其輸出全為誤差，誤差值大小由系數(shù)K2和幅值D0決定。b) 當(dāng)輸入信號也為階躍信號（幅值為R0）時，其拉氏變換為R(s)=R0/s，依據(jù)拉氏變換的終值定理，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(t)時，輸入信號輸出，即誤差Cssr為： 表明系統(tǒng)在輸入信號作用下，其輸出穩(wěn)態(tài)值大小由系數(shù)K1和幅值R0決定。當(dāng)K1=1時，即A=(1+K0KvKpKh)/( K0KvKp)，系統(tǒng)輸出與目標(biāo)值相等。 762）調(diào)節(jié)器為積分調(diào)節(jié)（I） 其閉環(huán)響應(yīng)輸出信號為：通過計算可知，積分調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)對

30、干擾信號為階躍信號時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為零，表明外界干擾信號不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。若輸入信號的目標(biāo)值也為階躍信號時，閉環(huán)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)態(tài)輸出為： 當(dāng)A=Kh時，閉環(huán)系統(tǒng)輸入階躍信號的穩(wěn)態(tài)輸出信號為Cssr= R0，表明系統(tǒng)穩(wěn)定輸出等于目標(biāo)輸出。 77積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn) : 積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)可完全消除誤差，但是所需時間一般較長，系統(tǒng)響應(yīng)慢。即調(diào)節(jié)器輸出值與誤差的存在有關(guān)，輸出值隨時間的推移逐漸增大，直到消除誤差趨于穩(wěn)態(tài)輸出，達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出時的時間值與所存在誤差值的大小有關(guān)，誤差值越大，所需的時間越長；反之，則小。3）調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)（PI） 閉環(huán)響應(yīng)輸出信號為：78比例積分調(diào)節(jié)（PI）的特點(diǎn)：

31、比例積分調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)對干擾信號為階躍信號時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為零，表明外界干擾信號不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。若輸入信號的目標(biāo)值也為階躍信號時，閉環(huán)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)態(tài)輸出為： 當(dāng)A=Kh時，閉環(huán)系統(tǒng)輸入階躍信號的穩(wěn)態(tài)輸出信號為Cssr= R0，表明系統(tǒng)穩(wěn)定輸出等于目標(biāo)輸出。最大的特點(diǎn)是在改善閉環(huán)控制系統(tǒng)瞬時響應(yīng)的同時，即可降低單純比例調(diào)節(jié)存在的穩(wěn)態(tài)誤差，有可提高積分調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度。因而得到廣泛的應(yīng)用。 794）調(diào)節(jié)器為比例積分微分調(diào)節(jié)（PID） PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程： 調(diào)整比例調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動態(tài)過程過渡階段的響應(yīng)特性品質(zhì)。 通過積分調(diào)節(jié)消除干擾信號產(chǎn)生的誤差輸出。 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中微分調(diào)節(jié)（

32、D）的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)過程過渡階段響應(yīng)特性的品質(zhì)（減小超調(diào)量）。 重復(fù)上述過程，直到控制系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)達(dá)到要求為止。80積分比例微分被控對象r(t) +u(t)c(t)e(t)PID控制器PID調(diào)節(jié)原理： P（Proportional）：控制信號的強(qiáng)弱及響應(yīng)速度 I（Integral）：消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度 D（Differential）：減小超調(diào)，提高動態(tài)特性及控制精度PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：81（4）速度反饋校正（測速發(fā)電機(jī)局部負(fù)反饋）電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，所帶動的工作臺往往會產(chǎn)生“爬行現(xiàn)象”，若系統(tǒng)功率放大增益線性相當(dāng)差（非線性因素的作用），這種現(xiàn)象相當(dāng)明顯。為了改善

33、和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，在控制系統(tǒng)中常采用電流負(fù)反饋或速度負(fù)反饋來提高系統(tǒng)低速穩(wěn)定性。如圖所示二階速度負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 J等效轉(zhuǎn)動慣量；F等效粘性摩擦系數(shù)；K系統(tǒng)開環(huán)增益。 無負(fù)反饋時傳遞函數(shù)有負(fù)反饋時傳遞函數(shù)82系統(tǒng)有/無測速發(fā)電機(jī)負(fù)反饋的系統(tǒng)仿真 有測速發(fā)電機(jī)負(fù)反饋后，系統(tǒng)阻尼增加，系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減小，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性得到了較大的提高。 83三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對系統(tǒng)的影響簡介 任何機(jī)械系統(tǒng)都是質(zhì)量彈性振動系統(tǒng)。存在固有頻率，一旦系統(tǒng)振蕩頻率接近機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，機(jī)械系統(tǒng)將發(fā)生共振，損壞零部件。為了避開共振對機(jī)械系統(tǒng)的影響，常采用的方法：（1）依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸大小、材料和承受的外

34、載荷等情況，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、振動力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)的理論知識，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，機(jī)械振動系統(tǒng)的運(yùn)動和動力學(xué)方程。84 （2）依據(jù)機(jī)械振動系統(tǒng)的運(yùn)動和動力學(xué)方程，從機(jī)械系統(tǒng)彈性變形出發(fā)簡化系統(tǒng)，建立彈性變形時機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動和動力傳遞結(jié)構(gòu)框圖。 （3）由機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動和動力傳遞結(jié)構(gòu)框圖，寫出機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動和動力傳遞的控制等效框圖。 （4）建立機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 （5）應(yīng)用根軌跡法等，對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行因式分解，并分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量，評價和判斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量是否對機(jī)械系統(tǒng)的控制頻帶產(chǎn)生影響，若系統(tǒng)存在自激振蕩現(xiàn)象，應(yīng)采取相應(yīng)地措施避開自激振蕩，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。85

35、(1) 機(jī)械傳動間隙理想的齒輪傳動的輸入和輸出轉(zhuǎn)角之間是線性關(guān)系，即實(shí)際上，由于減速器的主動輪和從動輪之間間隙的存在和傳動方向的變化，齒輪傳動的輸入轉(zhuǎn)角和輸出轉(zhuǎn)角之間呈滯環(huán)特性，如圖6.29所示圖6.29 齒側(cè)間隙三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對系統(tǒng)的影響簡介 86圖6.30 多級齒輪傳動已知：i1,i2, i3，1, 2, 3, R為主動軸，C為從動軸將所有的傳動間隙都折算到輸出軸C上，其總間隙如果將其折算到輸入軸R上，其總間隙（6.64）（6.65）可見，最后一級齒輪的傳動間隙 3影響最大為了減小間隙的影響，除盡可能地提高齒輪的加工精度外，裝配時還應(yīng)減小最后一級齒輪的傳動間隙。多級齒輪傳動中，各級齒

36、輪間隙的影響是不相同的，現(xiàn)以三級傳動為例加以說明.87(2) 傳動間隙的影響齒輪傳動裝置在系統(tǒng)中的位置不同，其間隙對伺服系統(tǒng)的影響也不同圖6.31 傳動間隙在閉環(huán)內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖閉環(huán)之內(nèi)的動力傳動鏈(G2)齒輪傳動間隙影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不影響系統(tǒng)的精度2) 反饋回路上的傳動鏈(G3)齒輪傳動間隙既影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 又影響系統(tǒng)的精度88可靠性-指“產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?！巴瓿梢?guī)定功能” ：是指能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品的工作能力，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)定值。如果產(chǎn)品不能完成規(guī)定功能，就稱為失效。對于可修復(fù)的產(chǎn)品，也可稱為故障。由平均無故障時間MTBF (Mean Time Betw

37、een Failure)標(biāo)定?？偟膩砜?，可靠性的概念包括無故障性和耐久性兩方面的含義。6.4 機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計一、 可靠性設(shè)計無故障性 指產(chǎn)品在某一時期內(nèi)（某一段工作時間內(nèi)），連續(xù)不斷 地保持其工作能力的性能。 耐久性 指產(chǎn)品在整個使用期限內(nèi)和規(guī)定的維修條件下，保持其工 作能力的性能。892. 保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的方法根本方法：提高產(chǎn)品的設(shè)計和制造質(zhì)量，它的作用是消除 故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。具體方法： 裕度法 自動控制法 冗余技術(shù)：掩蔽法 診斷技術(shù)：暴露法主要是一種改進(jìn)硬件的措施用硬件、軟件或兩者相結(jié)合來保證產(chǎn)品可靠性的措施90例：某機(jī)電一體化產(chǎn)品的MTBF

38、高達(dá) 1000小時，保修半年。試說明該種產(chǎn)品可能出現(xiàn)故障的情況。答：產(chǎn)品故障少的就是可靠性高，產(chǎn)品的故障總數(shù)與壽命單位總數(shù)之比叫“故障率”（Failure rate），常用表示， MTBF=1/ 。該機(jī)電一體化產(chǎn)品的MTBF 高達(dá) 1000小時，并不是說該產(chǎn)品每個均能工作1000小時不出故障。由MTBF=1/可知=1/MTBF=1/1000h，即一小時內(nèi)，該產(chǎn)品的平均故障率為0.1%，一小時內(nèi)，平均1000個產(chǎn)品有1個會出故障。 91冗余技術(shù)：又稱儲備技術(shù)，是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段。表現(xiàn)：它可以在故障發(fā)生之后把故障造成的影響掩蔽起來，使產(chǎn)品在一定時間內(nèi)繼續(xù)保持其工作能力，

39、是一種掩蔽法。冗余方法分類：工作冗余和后備冗余選擇冗余方法的原則：采用冗余技術(shù)必須在充分進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)上采用，包括分析 1. 引起失效的真正原因 2. 經(jīng)濟(jì)上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素機(jī)械系統(tǒng)很少采用冗余技術(shù)，而常采用裕度法來提高可靠性。作用：推遲產(chǎn)品失效的時間基本思想：通過可靠性分析找出系統(tǒng)失效率高的薄弱環(huán)節(jié)，對此環(huán)節(jié)進(jìn)行冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，以此保證整個系統(tǒng)的可靠性。92診斷技術(shù)：是一種檢測技術(shù)。用來取得有關(guān)產(chǎn)品中產(chǎn)生的失效(故障）類型和失效的位置信息。表現(xiàn)：它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或?qū)⒁霈F(xiàn)的故障及時暴露出來，以便迅速修復(fù)。是一種暴露法。作用：及時發(fā)現(xiàn)故障，以便縮短修理時間，提高產(chǎn)品的有效

40、度。測試分類：1. 診斷測試故障出現(xiàn)之后 2. 故障監(jiān)測故障發(fā)生之前 診斷過程：測試，取得診斷信號分離出癥兆診斷癥兆：表征故障種類與位置的異常性信號。可分為兩類：1. 直接癥兆檢測產(chǎn)品整機(jī)或元部件的輸出參數(shù)時取得的2. 間接癥兆檢測與產(chǎn)品工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)時取得的 診斷：將測試取得的診斷信號與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較，或利用事先確定的癥兆與故障之間的對應(yīng)關(guān)系，來確定故障的種類與部位。93自動控制：利用機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢，使系統(tǒng) (產(chǎn)品)具有自適應(yīng)、自調(diào)整、自診斷甚至自修復(fù)的功能，可以大大提高系統(tǒng) (產(chǎn)品)的可靠性。在設(shè)計階段就應(yīng)規(guī)定適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件、維護(hù)保養(yǎng)條件和操作規(guī)程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的

41、維修性，如易損件應(yīng)便于更換、故障應(yīng)便于診斷、容易修復(fù)等。943.系統(tǒng)干擾和提高抗干擾能力的措施干擾的定義 干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電噪聲干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等等。 電噪聲干擾是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。 2）形成干擾的三要素 干擾源：產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備被稱為干擾源，如變壓器、繼電器、微波 設(shè)備、電機(jī)、無繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空中電磁信號 傳播途徑：干擾信號從干擾源到接收載體的渠道。 干擾對象：指受影響的設(shè)備的某個環(huán)節(jié)吸

42、收了干擾信號，并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電氣參數(shù)。 95供電干擾：從交流供電網(wǎng)傳來的干擾信號可影響電源電壓的穩(wěn)定性，并經(jīng)過整流電源竄入控制器。強(qiáng)電干擾：驅(qū)動電路中的強(qiáng)電元件如繼電器、電磁鐵和接觸器等感性負(fù)載，在斷電時會產(chǎn)生過電壓和沖擊電流。不僅影響驅(qū)動電路本身，通過電磁感應(yīng)干擾其他信號線路。這種干擾信號能通過外部接口通道影響控制器內(nèi)部I/O接口的狀態(tài)，并通過I/O接口進(jìn)入控制器。 干擾渠道示意圖96輻射干擾：系統(tǒng)附近或系統(tǒng)中的感性負(fù)載是最常見的干擾源，它的開、停會引起電磁場的急劇變化，其觸點(diǎn)的火花放電也會產(chǎn)生高頻輻射。 接地干擾：接地干擾是由于接地不當(dāng)、形成接地環(huán)路產(chǎn)生的。形成的電位差會產(chǎn)生一個

43、顯著的電流而干擾電路的低電平。由于接地點(diǎn)遠(yuǎn)而形成的環(huán)路，因?yàn)椴煌恢玫慕拥攸c(diǎn)一般不可能電位相同，因此形成圖中所示的地電位差是采用公用地線串聯(lián)接地而形成的環(huán)路，由于各設(shè)備負(fù)載不平衡、過載或漏電等原因，可能在設(shè)備之間形成電位差；97供電系統(tǒng)的抗于擾措施：針對交流供電網(wǎng)絡(luò)這個干擾源所采取的抗干擾措施主要是穩(wěn)(穩(wěn)壓)、濾(濾波)、隔(隔離)。 增加電子交流穩(wěn)壓器：在直流穩(wěn)壓電源的交流進(jìn)線側(cè)增加電子交流穩(wěn)壓器、用來穩(wěn)定220V單向交流進(jìn)線電壓增加低通濾波器，用來濾去電源進(jìn)線中的高頻分量或脈沖電流加入隔離變壓器:阻斷干擾信號的傳導(dǎo)通路，抑制干擾信號的強(qiáng)度2）提高系統(tǒng)抗干擾能力的措施針對不同類型的干擾信號，

44、采取的抗干擾措施也有所不同。98接口電路的抗干擾措施：在控制器與執(zhí)行元件之間的驅(qū)動接口電路中，首先是采取吸收的方法抑制其產(chǎn)生，然后采取隔離的方法，阻斷其傳導(dǎo)。轉(zhuǎn)換接口抵消隔離措施：差動式運(yùn)算放大器或橋式電路、高頻濾波整形電路。接地系統(tǒng)干擾措施：單點(diǎn)接地、并聯(lián)接地、光電隔離接地采用光99100101常用的抗干擾措施 屏 蔽屏蔽:指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸?？煞譃殡妶銎帘巍⒋艌銎帘魏碗姶艌銎帘?。 電場屏蔽:消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。 磁場屏蔽:消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。 如圖A所示

45、的變壓器，在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。 在如圖B所示的同軸電纜中，為防止信號在傳輸過程中受到電磁干擾，在電纜線中設(shè)置了屏蔽圖B 同軸電纜示意圖圖A 變壓器的屏蔽 102 隔離 1.光電隔離:以光作為媒介在隔離的兩端之間進(jìn)行信號傳輸?shù)?，所用的器件是光電耦合器。具有較強(qiáng)的隔離和抗干擾能力。 圖C所示為一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路。既可以用作一般輸入/輸出的隔離，也可以代替脈沖變壓器起線路隔離與脈沖放大作用。 由于光電耦合器具有二極管、三極管的電氣特性，使它能方便地組合成各種電路；又由于它靠光耦合傳輸信息，使它具有很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，因而在機(jī)電一體化產(chǎn)品中獲得了極其廣泛

46、的應(yīng)用。圖C 光電隔離1032.變壓器隔離對于交流信號的傳輸,一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強(qiáng)度,如圖D所示的變壓器耦合隔離電路。隔離變壓器把各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號源隔離開來，也就是把模擬地和數(shù)字地斷開。傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。圖D 變壓器隔離 共模干擾往往是指同時加載在各個輸入信號接口端的共有的信號干擾 104帶多層屏蔽的隔離變壓器:當(dāng)含有直流或低頻干擾的交流信號從一次側(cè)端輸入時，根據(jù)變壓器原理，二次側(cè)輸出的信號濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號幅值也被大大衰減，從而達(dá)到了抑制

47、干擾的目的。另外，在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線圈外設(shè)有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內(nèi)、外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用；中間層用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。這三層屏蔽層是為了防止外界電磁場通過變壓器對電路形成干擾而設(shè)置的，這種隔離變壓器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖E 多層隔離變壓器 1053.繼電器隔離 繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，而沒有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電器線圈接收電信號，而利用其觸點(diǎn)控制和傳輸電信號，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離（如圖F所示）。同時，繼電器觸點(diǎn)較多，且其觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，因此應(yīng)用非常廣

48、泛。圖F 繼電器隔離106 濾 波 濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因而當(dāng)接收器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。 圖為計算機(jī)電源采用的一種LC低通濾波器的接線圖。圖G 低通濾波器107圖(a)所示為觸點(diǎn)抖動抑制電路，對抑制各類觸點(diǎn)或開關(guān)在閉合或斷開瞬間因觸點(diǎn)抖動所引起的干擾是十分有效的。 圖(b)所示電路是交流信號抑制電路，主要用于抑制電感性負(fù)載在切斷電源瞬間所產(chǎn)生的反電勢。這種阻容吸收電路可以將電感線圈的磁場釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場的能量儲存起來，以降低能量的消散速度。 圖(c)所示電路是輸入信號的阻容濾波電

49、路，類似的這種線路既可作為直流電源的輸入濾波器，也可作為模擬電路輸入信號的阻容濾波器。圖H 干擾濾波電路 108 接地 1.一點(diǎn)接地 圖I所示是并聯(lián)一點(diǎn)接地方式。這種方式在低頻時是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點(diǎn)是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。圖I 并聯(lián)一點(diǎn)接地109多點(diǎn)接地所需地線較多，一般適用于低頻信號。若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾。如圖J所示，各接地點(diǎn)就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上。2. 多點(diǎn)接地圖J 多點(diǎn)接地 1103.地線的設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計時要綜合考慮各種地線的布局和接地方法。圖K所示是一臺數(shù)控機(jī)床的接地方法。 圖K 數(shù)控機(jī)床的接地 111 軟件抗干擾設(shè)計1.軟件濾波用軟件來識別有用信號和干擾信號并濾除干擾信號的方法稱為軟件濾波。識別信號的原則有三種：（1）時間原則 （2）空間原則 （3）屬性原則 1122.軟件“陷阱” 從軟件的運(yùn)行來看，瞬時電磁干擾可能會使CPU偏離預(yù)定的程序指針，進(jìn)入未使用的RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些莫名其妙的現(xiàn)象，其中死循環(huán)和程序“飛掉”是常見的。為了有效地排除這種干擾故障，常采用軟件“陷阱”法。 這種方法的基本指導(dǎo)思想是，把系統(tǒng)存儲器（RAM和ROM）中沒有使用的單元用某一種重新啟動的代碼指令填滿，作為軟件“陷阱