有机结合的分析与设计

第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计第六章第六章机电一体化系统的机电有机结合机电一体化系统的机电有机结合分析与设计分析与设计第一节第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计机电一体化系统的稳态与动态设计第二节第二节 机电有机结合之一机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法机电一体化系统稳态设计的考虑方法第三节第三节 机电有机结合之二机电有机结合之二 机电一体化系统动态设计的考虑方法机电一体化系统动态设计的考虑方法第四节第四节 机电一体化系统的可靠性、安全性设计机电一体化系统的可靠性、安全性设计习题与思考题习题与思考题1第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 机机电电一一体体化化系系统统（产产品品）的的设设计计过过程程是是机机电电参参数数相相互互匹匹配配，即即机机电电有有机机结结合合的的过过程程。机机电电伺伺服服系系统统是是典典型型的的机机电电一一体体化化系系统统。本本章章将将以以机机电电伺伺服服系系统统为为例例，说说明明机机电电一一体体化化系系统统设设计计的的一一般般考考虑虑方方法法。伺伺服服系系统统中中的的位位置置伺伺服服控控制制系系统统和和速速度度伺伺服服控控制制系系统统的的共共同同点点是是通通过过系系统统执执行行元元件件直直接接或或经经过过传传动动系系统统驱驱动动被被控控对对象象，从从而而完完成成所所需需要要的的机机械械运运动动。因因此此，工工程程上上是是围围绕绕机机械械运运动动的的规规律律和和运运动动参参数数对对它它们们提提出出技技术术要要求的。求的。第一节第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计机电一体化系统的稳态与动态设计2第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 在在进进行行机机电电伺伺服服系系统统设设计计时时，首首先先要要了了解解被被控控对对象象的的特特点点和和对对系系统统的的具具体体要要求求，通通过过调调查查研研究究制制订订出出系系统统的的设设计计方方案案。该该方方案案通通常常只只是是一一个个初初步步的的轮轮廓廓，包包括括系系统统主主要要元元部部件件的的种种类类、各各部部分分之之间间的的连连接接方方式式、系系统统的的控控制制方方式式、所所需需能能源源形形式式、校校正正补补偿偿方方法法，以以及及信信号号转转换换的的方方式式等等。有有了了初初步步设设计计方方案案就就要要进进行行定定量量的的分分析析计计算算，分分析析计计算算包包括括稳稳态态设设计计计计算算和和动动态态设设计计计计算算。稳稳态态设设计计包包括括使使系系统统的的输输出出运运动动参参数数达达到到技技术术要要求求、执执行行元元件件(如如电电动动机机)的的参参数数选选择择、功功率率（或或转转矩矩）的的匹匹配配及及过过载载能能力力的的验验算算、各各主主要要元元部部件件的的选选择择与与控控制制电电路路设设计计、信信号号的的有有效效传传递递、各各级级增增益益的的分分配配、各各级级之之间间阻阻抗抗的的匹匹配配和和抗抗干干扰扰措措施施等等，并并为为后后面面动动态态设设计计中中的的校校正正补补偿偿装装置置的引入留有余地。的引入留有余地。3第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计图图1.4 1.4 机电一体化系统（产品）基本组成机电一体化系统（产品）基本组成4第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 初初步步确确定定系系统统的的主主回回路路各各部部分分特特性性、参参数数，便便可可着着手手建建立立系系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技 术指标要求，通常要进行计算机仿真，或术指标要求，通常要进行计算机仿真，或 借助计算机进行辅助设计。借助计算机进行辅助设计。通通过过上上述述理理论论设设计计计计算算，完完成成的的还还仅仅是是一一个个较较详详细细的的设设计计方方案案，这这种种工工程程设设计计计计算算一一般般是是近近似似的的，只只能能作作为为工工程程实实践践的的基基础础。系系统统的的实实际际电电路路及及实实际际参参数数，往往往往要要通通过过样样机机的的试试验验与与调调试试，才才能能最最后后确确定定下下来来。这这并并不不等等于于以以上上设设计计计计算算是是多多余余的的，因因经经过过设设计计计计算算后后确确定定的的方方案案，考考虑虑了了机机电电参参数数的的有有机机结结合合与与匹匹配配，这这对对工工程程实实践践是是必必需需的的，这这有有利利于于减减少少盲盲目目性性和和加加快快样样机机的的调调试试与与电电路路参参数数的的确确定定。随随着着机机电电一一体体化化技技术术的的发发展展，机机电电一一体体化化系系统统的的自自动动化化程程度度越越来来越越高高。为为满满足足人人们们生生活活和和生生产产安安全全、可可靠靠地地使使用用要要求求，在在机机电电一一体体化化有有机机结结合合分分析析与与设设计计过过程程中中，必必须须充充分分注注意意其可靠性、安全性设计要求。其可靠性、安全性设计要求。稳态设计稳态设计动态设计动态设计5第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 第二节第二节 机电有机结合之一机电有机结合之一 机电一体化系统的稳态设计考虑方法机电一体化系统的稳态设计考虑方法 位置控制系统和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该位置控制系统和速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它多种形式。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。被控对象被控对象(简称负载简称负载)的运动形式有直线运动、回转运动、间的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。量设计计算得以顺利进行。一、典型负载一、典型负载6第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 1.1.典型负载分析典型负载分析 所所谓谓典典型型负负载载是是指指惯惯性性负负载载、外外力力负负载载、弹弹性性负负载载、摩摩擦擦负负载载(滑滑动动摩摩擦擦负负载载、粘粘性性摩摩擦擦负负载载、滚滚动动摩摩擦擦负负载载等等)。对对具具体体系系统统而而言言，其其负负载载可可能能是是以以上上几几种种典典型型负负载载的的组组合合，不不一一定定均均包包含含上上述述所所有有负负载载项项目目。在在设设计计系系统统时时，应应对对被被控控对对象象及及其其运运动动作作具具体体分分析析，从从而而获获得得负负载载的的综综合合定定量量数数值值，为为选选择择与与之之匹匹配配的的执执行行元件及进行动态设计分析打下基础。元件及进行动态设计分析打下基础。7第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 2.2.负载的等效换算负载的等效换算 被被控控对对象象的的运运动动，有有的的是是直直线线运运动动，如如机机床床的的工工作作台台X X、Y Y 及及Z Z 轴轴，机机器器人人臂臂部部的的升升降降、伸伸缩缩运运动动，绘绘图图机机的的X X、Y Y方方向向运运动动；也也有有的的是是旋旋转转运运动动，如如机机床床主主轴轴的的回回转转、工工作作台台的的回回转转、机机器器人人关关节节的的回回转转运运动动等等。执执行行元元件件与与被被控控对对象象有有直直接接连连接接的的，也也有有通通过过传传动动装装置连接的。置连接的。执执行行元元件件的的额额定定转转矩矩(或或力力、功功率率)、加加减减速速控控制制及及制制动动方方案案的的选选择，应与被控对象的固有参数择，应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等如质量、转动惯量等)相互匹配。相互匹配。因因此此，要要将将被被控控对对象象相相关关部部件件的的固固有有参参数数及及其其所所受受的的负负载载(力力或或转转矩矩等等)等等效效换换算算到到执执行行元元件件(k k)的的输输出出轴轴上上，即即计计算算其其输输出出轴轴承承受受的的等等效效转转动动惯惯量量和和等等效效负负载载转转矩矩(回回转转运运动动)或或计计算算等等效效质质量量和和等等效效力力(直线运动直线运动)。8第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计9第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 以机床工作台的伺服进给系统为例。下图所示的系统由以机床工作台的伺服进给系统为例。下图所示的系统由 个移动部件和个移动部件和 个转动部件组成。个转动部件组成。、和和 分别为移动部分的质量（分别为移动部分的质量（kgkg）、运动速度）、运动速度（m/sm/s）和所受的负载力（）和所受的负载力（N N）；）；、和和 分别为转动部件的转动惯分别为转动部件的转动惯量（量（）、转速（）、转速（或或 ）和所受负载转矩（）和所受负载转矩（）。）。1 1）求等效转动惯量）求等效转动惯量 。该系统运动部件的动能总和为：。该系统运动部件的动能总和为：设等效到执行元件输出轴上的总动能为：设等效到执行元件输出轴上的总动能为：10第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计由于由于 ，故：，故：用工程上常用单位时，可改写上式如下：用工程上常用单位时，可改写上式如下：式中，式中，执行元件的转速（执行元件的转速（r/minr/min）.2 2）求等效负载转矩）求等效负载转矩 。设上述系统在时间。设上述系统在时间t t内克服负载所做功的总和为：内克服负载所做功的总和为：同理，执行元件输出轴在时间同理，执行元件输出轴在时间t t内的转角为内的转角为则，执行元件所作的功为：则，执行元件所作的功为：，又，又故：故：采用工程单位又：采用工程单位又：11第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计等效负载转矩等效负载转矩 ：等效负载惯量等效负载惯量 ：等效阻尼系数等效阻尼系数 ：等效弹簧刚度等效弹簧刚度 ：结论：机械传动系统中，转动惯量、质量、阻尼系数、弹性系数由低速端结论：机械传动系统中，转动惯量、质量、阻尼系数、弹性系数由低速端向高速端转换时需要除以传动比的平方。向高速端转换时需要除以传动比的平方。回忆：机械传动系统中，速度、位移、加速度由低速端向高速端转换时需回忆：机械传动系统中，速度、位移、加速度由低速端向高速端转换时需要乘以传动比；力、转矩由低速端向高速端转换时需要除以传动比。要乘以传动比；力、转矩由低速端向高速端转换时需要除以传动比。12第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计13第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计14第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 二、二、执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择 伺伺服服系系统统是是由由若若干干元元部部件件组组成成的的，其其中中有有些些元元部部件件已已有有系系列列化化商商品品供供选选用用。为为降降低低机机电电一一体体化化系系统统的的成成本本，缩缩短短设设计计与与研研制制周周期期，应应尽尽可可能能选选用用标标准准化化零零部部件件。拟拟定定系系统统方方案案时时，首首先先确确定定执执行行元元件件的的类类型型，然然后后根根据据技技术术条条件件的的要要求求进进行行综综合合分分析析，选选择择与与被被控控对对象象及及其其负负载载相相匹匹配配的的执执行行元元件件。下下面面以以电电动动机机的的匹匹配配选选择择为为例例简简要要说说明明执执行行元元件件的的选选择择方方法法。被被控控对对象象由由电电动动机机驱驱动动，因因此此，电电动动机机的的转转速速、转转矩矩和和功功率率等等参参数数应应和和被被控控对对象象的的需需要要相相匹匹配配，如如冗冗余余量量大大，易易使使执执行行元元件件价价格格高高，使使机机电电一一体体化化系系统统的的成成本本升升高高，市市场场竞竞争争力力下下降降，在在使使用用时时，冗冗余余部部分分用用户户用用不不上上，易易造造成成浪浪费费。如如果果选选用用的的执执行行元元件件的的参参数数数数值值偏偏低低，将将达达不不到到使使用用要要求求。所所以以，应应选选择择与与被被控控对对象象的的需需要要相相适应的执行元件。适应的执行元件。15第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计1 1）系统执行元件的转矩匹配）系统执行元件的转矩匹配 设伺服进给系统执行元件输出轴所承受的等效负载转矩为设伺服进给系统执行元件输出轴所承受的等效负载转矩为 ，等效惯，等效惯性负载转矩为性负载转矩为 ，则电动机轴上的总负载转矩为：，则电动机轴上的总负载转矩为：考虑到机械的总传动效率考虑到机械的总传动效率 时，则有：时，则有：以机床工作台的伺服进给系统为例，运动轴所采用的执行元件（电动机）以机床工作台的伺服进给系统为例，运动轴所采用的执行元件（电动机）的额定转速基本上应该是系统所需最大转速；额定转矩应大于（考虑机械损的额定转速基本上应该是系统所需最大转速；额定转矩应大于（考虑机械损失）所需的最大转矩，即大于等效负载转矩与等效惯性负载转矩之和。失）所需的最大转矩，即大于等效负载转矩与等效惯性负载转矩之和。16第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计17第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计2 2）系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机）系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机）预选电动机的估算功率可由下式确定预选电动机的估算功率可由下式确定式中，式中，电动机的最高转速（电动机的最高转速（r/minr/min）；）；电动机的最高角速度（电动机的最高角速度（rad/srad/s）；）；考虑电动机、减速器等的功率系数，一般考虑电动机、减速器等的功率系数，一般1.21.22 2。在功率预选后，需要进行过热、过载验算。在功率预选后，需要进行过热、过载验算。18第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计（a a）过热验算：当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩）过热验算：当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩 ，在电动机磁通在电动机磁通 近似不变时，有：近似不变时，有：预选电动机的估算功率可由下式确定预选电动机的估算功率可由下式确定式中，式中，时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分别为时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分别为 ，。则所选电动机的不过热的条件为：则所选电动机的不过热的条件为：式中式中 电动机的额定转矩；电动机的额定转矩；电动机的额定功率；电动机的额定功率；由等效转矩换算的电动机功率由等效转矩换算的电动机功率,。其中其中 为电动机的额定转速。为电动机的额定转速。19第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计（b b）过载验算：应使得瞬时最大负载转矩）过载验算：应使得瞬时最大负载转矩 与电动机的额定转矩与电动机的额定转矩 的的比值不大于某一系数，即比值不大于某一系数，即式中，式中，电动机的过载系数。电动机的过载系数。20第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配 减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择确定，既要使减速比达到一定条件下最佳，的综合要求来选择确定，既要使减速比达到一定条件下最佳，同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系，还要同时满同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系，还要同时满足最大转速要求等。当然要全部满足上述要求是非常困难的。足最大转速要求等。当然要全部满足上述要求是非常困难的。21第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计（a a）使加速度最大的选择方法，当输入信号变化快、加速度又很大时，应）使加速度最大的选择方法，当输入信号变化快、加速度又很大时，应使得：使得：（b b）使速度最大的选择方法，当输入信号近似恒值，即加速度很小时，应）使速度最大的选择方法，当输入信号近似恒值，即加速度很小时，应使得：使得：其中，其中，电动机的粘性摩擦系数；电动机的粘性摩擦系数；负载的粘性摩擦系数。负载的粘性摩擦系数。（c c）满足送进系统传动基本要求的选择方法。即满足脉冲当量）满足送进系统传动基本要求的选择方法。即满足脉冲当量 、步距角、步距角 和丝杆基本导程和丝杆基本导程 之间的匹配关系：之间的匹配关系：。（d d）减速器输出轴角误差最小原则，即）减速器输出轴角误差最小原则，即 最小最小 。（e e）对速度和加速度均有一定要求的时，按照（）对速度和加速度均有一定要求的时，按照（a a）选择减速比）选择减速比i i，然后验，然后验算是否满足算是否满足 ，式中的，式中的 为负载的最大角速度；为负载的最大角速度；为电为电动机输出的角速度。动机输出的角速度。22第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 执执行行元元件件与与机机械械传传动动系系统统确确定定之之后后，需需要要根根据据所所拟拟系系统统的的初初步步方方案案，选选择择和和设设计计系系统统的的其其余余部部分分，把把初初步步方方案案逐逐步步具具体体化化。各各部部分分的的设设计计计计算算，必必须须从从系系统统总总体体要要求求出出发发，考考虑虑相相邻邻部部分分的的广广义义接接口口、信信号号的的有有效效传传递递(防防干干扰扰措措施施)、输输入入输输出出的的阻阻抗抗匹匹配配。总总之之，要要使使整整个个系系统统在在各各种种运运行行条条件件下下，达达到到各各项项设设计计要要求求。伺伺服服系系统统的的稳稳态态设设计计就就是是要要从从两两头头入入手手，即即首首先先从从系系统统应应具具有有的的输输出出能能力力及及要要求求出出发发，选选定定执执行行元元件件和和传传动动装装置置;其其次次是是从从系系统统的的精精度度要要求求出出发发，选选择择和和设设计计检检测测装装置置及及信信号号的的前前向向和和后后向向通通道道；最最后后通通过过动动态态设设计计计计算算，设设计计适适当当的的校校正正补补偿偿装装置置、完完善电源电路及其他辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。善电源电路及其他辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。检测传感装置的精度检测传感装置的精度(即分辨力即分辨力)、不灵敏区等要适应系统整体的精度、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性，信要求，在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小，性能要稳定可靠等。可能小，性能要稳定可靠等。信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗符合匹配要求。伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几输入阻抗符合匹配要求。伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题：个问题：四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计电源等的匹配选择与设计23第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计（a)a)功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求，不仅要满足执行元件额定值的需要，而且还应该能够行元件的容量要求，不仅要满足执行元件额定值的需要，而且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。总之，输出级的输出阻抗要小，保证执行元件短时过载、短时快速的要求。总之，输出级的输出阻抗要小，效率要高效率要高,时间常数要小。时间常数要小。（b b）放大器应为执行元件放大器应为执行元件(如电动机如电动机)的运行状态提供适宜条件。例如：的运行状态提供适宜条件。例如：为大功率电动机提供制动条件，为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢为大功率电动机提供制动条件，为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢电流提供限制保护措施。电流提供限制保护措施。（c c）放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。（d d）输入级应能与检测传感装置相匹配。即它的输入阻抗要大，以减轻输入级应能与检测传感装置相匹配。即它的输入阻抗要大，以减轻检测传感装置的负荷。检测传感装置的负荷。（e e）放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。24第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 伺伺服服系系统统的的能能源源（特特别别是是电电源源)支支持持：在在一一个个系系统统中中，所所需需电电源源一一般般很很难难统统一一，特特别别是是放放大大器器的的电电源源常常常常为为适适应应各各放放大大级级的的不不同同需需要要而而进进行行适适应应性性设设计计。但但是是最最关关键键的的还还是是动动力力电电源源，它它常常常常制制约约系系统统方方案案的的形形式式。系系统统对对电电源源的的稳稳定定度度和和对对频频率率的的稳稳定定度度都都有有一一定定要要求求，设设计计时时要要注注意意不不要要让让干干扰扰信信号号从从电电源源引引入入，所所使使用用电电源源应应具具有有足足够够的的保保护护措措施施，如如过过电电压压保保护护、掉掉电电保保护护、过过电电流流保保护护、短短路路保保护护等等。抗抗干干扰扰措措施施有有滤滤波波、隔隔离离、屏屏蔽蔽等等。此此外外，要要有有为为系系统统服服务务的的自自检检电电路路、显显示示与与操操作作装装置置。总总之之，系系统统设设计计牵牵涉涉的的知知识识面面较较广广，每一个环节均要给予充分注意。每一个环节均要给予充分注意。25第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算 在在稳稳态态设设计计的的基基础础上上，利利用用所所选选元元、部部件件的的有有关关参参数数，可可以以绘绘制制出出系系统统框框图图，并并根根据据自自动动控控制制理理论论基基础础课课程程所所学学知知识识建建立立各各环环节节的的传传递递函函数数，进进而而建建立立系系统统传传递递函函数数。现现以以工工作作台台闭闭环环伺伺服服进进给给系系统统为为例例，分析在不同控制方式下传递函数的建立方法。分析在不同控制方式下传递函数的建立方法。1.1.半闭环控制方式半闭环控制方式 下图下图a a为检测传感器装在丝杠端部的半闭环伺服控制系统。为检测传感器装在丝杠端部的半闭环伺服控制系统。26第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计半闭环伺服控制系统的系统框图如下图半闭环伺服控制系统的系统框图如下图b b所示。所示。27第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计上图的传递函数为上图的传递函数为:28第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计29第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 2 2.全全闭闭环环控控制制方方式式30第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计31第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计32第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计33第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计34第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 3.3.工作台进给系统的主谐振频率工作台进给系统的主谐振频率 对对于于带带非非刚刚性性轴轴的的传传动动系系统统，上上述述完完整整的的传传递递函函数数必必然然是是高高阶阶的的。而而在在控控制制系系统统应应用用中中，往往往往感感兴兴趣趣的的是是机机械械传传动动系系统统的的主主谐振频率。现就其主谐振频率的求法分析如下：谐振频率。现就其主谐振频率的求法分析如下：35第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计36第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计37第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计38第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 根根据据上上面面拉拉氏氏变变换换得得到到的的方方程程，可可画画出出如如下下图图所所示示的的简简化化系系统统框框图图。通过系统框图的进一步简化可得系统的传递函数为通过系统框图的进一步简化可得系统的传递函数为39第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计40第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计41第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计42第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计43第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计44第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计45第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计46第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 第三节第三节 机电有机结合之二机电有机结合之二 机电一体化系统的动态设计考虑方法机电一体化系统的动态设计考虑方法 机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般回路，还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一步进行系统的动态设计。步进行系统的动态设计。系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正(或补偿或补偿)形式，形式，设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。一、机电伺服系统的动态设计一、机电伺服系统的动态设计47第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 伺服系统常用的控制方式为反馈控制方式伺服系统常用的控制方式为反馈控制方式(即误差控制方式即误差控制方式)，也可采，也可采用前馈和反馈相结合的复合控制等方式。它们各具特点，需要按被控对象用前馈和反馈相结合的复合控制等方式。它们各具特点，需要按被控对象的具体情况和要求，从中选择一种适宜的方式。同样，校正形式也多种多的具体情况和要求，从中选择一种适宜的方式。同样，校正形式也多种多样，设计者需要结合稳态设计所得到系统的组成特点，从中选择一种或几样，设计者需要结合稳态设计所得到系统的组成特点，从中选择一种或几种校正形式，这是进行定量计算分析的前提。具体的定量分析计算方法很种校正形式，这是进行定量计算分析的前提。具体的定量分析计算方法很多，每种方法都有其自身的优点和不足。而工程上常用对数频率法即借助多，每种方法都有其自身的优点和不足。而工程上常用对数频率法即借助波德（波德（Bode)Bode)图和根轨迹方法进行设计，这些方法作图简便，概念清晰，图和根轨迹方法进行设计，这些方法作图简便，概念清晰，应用广泛。应用广泛。对数频率法即波德图法，主要适用于线性定常最小相位系统。系统以对数频率法即波德图法，主要适用于线性定常最小相位系统。系统以单位反馈构成闭环，若主反馈系统不为单位反馈构成闭环，若主反馈系统不为l l（单位反馈），则需要等效成单单位反馈），则需要等效成单位反馈的形式来处理。这是因为该方法主要用系统开环对数幅频特性进行位反馈的形式来处理。这是因为该方法主要用系统开环对数幅频特性进行设计，必须将各项设计指标反映到波德图上，并画出一条能满足要求的系设计，必须将各项设计指标反映到波德图上，并画出一条能满足要求的系统开环对数幅频特性，并与原始系统统开环对数幅频特性，并与原始系统(稳态设计基础上建立的系统稳态设计基础上建立的系统)的开环的开环对数幅频特性相比较，找出所需补偿对数幅频特性相比较，找出所需补偿(或校定或校定)装量的对数幅频特性。然后装量的对数幅频特性。然后根据此特性来设计校正根据此特性来设计校正(或补偿或补偿)装置，将该装置有效地连接到原始系统的装置，将该装置有效地连接到原始系统的电路中去，使校正电路中去，使校正(或补偿或补偿)后的开环对数幅频特性基本上与所希望系统的后的开环对数幅频特性基本上与所希望系统的特性相一致。这就是动态设计的一般考虑方法和步骤。特性相一致。这就是动态设计的一般考虑方法和步骤。48第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 二、系统的调节方法二、系统的调节方法 在在研研究究机机电电伺伺服服系系统统的的动动态态特特性性时时，一一般般先先根根据据系系统统组组成成建建立立系系统统的的传传递递函函数数(即即原原始始系系统统数数学学模模型型)，不不易易用用理理论论方方法法求求解解的的可可用用实实验验方方法法建建立立。进进而而可可以以根根据据系系统统传传递递函函数数分分析析系系统统的的稳稳定定性性、系系统统的的过渡过程品质过渡过程品质(响应的快速性和振荡响应的快速性和振荡)及系统的稳态精度。及系统的稳态精度。当当系系统统有有输输入入或或受受到到外外部部干干扰扰时时，其其输输出出必必将将发发生生变变化化，由由于于系系统统中中总总是是含含有有一一些些惯惯性性或或蓄蓄能能元元件件，其其输输出出量量也也不不能能立立即即变变化化到到与与外外部部输输入入或或干干扰扰相相对对应应的的值值，也也就就是是说说需需要要有有一一个个变变化化过过程程，这这个个变变化化过程即为系统的过渡过程。过程即为系统的过渡过程。当系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：当系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：系统的系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；系统的输出发散，即系统的输出发散，即没有稳态值，此时系统是不稳定的；没有稳态值，此时系统是不稳定的；系统的输出虽然有振荡，但最终系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值。能趋于稳态值。49第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 当当系系统统在在阶阶跃跃信信号号作作用用下下，过过渡渡过过程程大大致致有有以以下下三三种种情情况况：系系统统的的输输出出按按指指数数规规律律上上升升，最最后后平平稳稳地地趋趋于于稳稳态态值值；系系统统的的输输出出发发散散，即即没没有有稳稳态态值值，此此时时系系统统是是不不稳稳定定的的；系系统统的的输输出出虽虽然然有有振振荡荡，但最终能趋于稳态值。但最终能趋于稳态值。当系统的过渡过程结束后，其输出当系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输出相对应的稳定状态，此时值达到与输出相对应的稳定状态，此时系统的输出值与目标值之差称为稳态误系统的输出值与目标值之差称为稳态误差。具体表征系统动态特性好坏的定量差。具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标，在指标就是系统过渡过程的品质指标，在时域内，这种品质指标一般用单位阶跃时域内，这种品质指标一般用单位阶跃响应曲线（如图所示）中的参数来表示，响应曲线（如图所示）中的参数来表示，即即50第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计图图7.157.15 1.1.PIDPID调节器及其传递函数调节器及其传递函数51第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计52第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计53第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计54第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 2.2.调节作用分析调节作用分析 55第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计56第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计57第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计58第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计59第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计60第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计61第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计62第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计3.3.速度反馈校正速度反馈校正63第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计64第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计65第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计三、机械结构弹性变形对系统的影响三、机械结构弹性变形对系统的影响1.1.结构谐振的影响结构谐振的影响 传动系统因弹性变形而产生的振动，称为结构谐振传动系统因弹性变形而产生的振动，称为结构谐振(或机械谐振或机械谐振)。为为了了使使问问题题简简化化，在在分分析析系系统统时时，常常假假定定系系统统中中的的机机械械装装置置为为绝绝对对刚刚体体，即即无无任任何何结结构构变变形形。实实际际上上，机机械械装装置置并并非非刚刚体体，而而具具有有柔柔性性。其其物物理理模模型型是是质质量量-弹弹簧簧系系统统。例例如如机机床床进进给给系系统统中中，床床身身、电电动动机机、减减速速箱箱、各各传传动动轴轴都都有有不不同同程程度度的的弹弹性性变变形形，并并具具有有一一定定的的固固有有谐谐振振频频率率。但但对对于于一一般般要要求求不不高高且且控控制制系系统统的的频频带带也也比比较较窄窄，只只要要传传动动系系统统设设计计的的刚刚度度较较大大，结结构构谐谐振振频频率率通通常常远远大大于于闭闭环环上上限限频频率率，故故结结构构谐振问题并不突出。谐振问题并不突出。随着科学技术的发展，对控制系统的精度和响应快速性要求愈来愈随着科学技术的发展，对控制系统的精度和响应快速性要求愈来愈高，这就必须提高控制系统的频带宽度，从而可能导致结构谐振频率高，这就必须提高控制系统的频带宽度，从而可能导致结构谐振频率逐渐接近控制系统的带宽，甚至可能落到带宽之内，使系统产生自激逐渐接近控制系统的带宽，甚至可能落到带宽之内，使系统产生自激振荡而无法工作，或使机构损坏。振荡而无法工作，或使机构损坏。66第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计67第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计68第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计69第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计70第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计71第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计72第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计73第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计74第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计75第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计76第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计77第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计2.2.减小或消除结构谐振的措施减小或消除结构谐振的措施78第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计79第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计80第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计81第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计82第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计83第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计84第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计85第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计四、四、传动间隙对系统特性的影响传动间隙对系统特性的影响 1.1.机械传动间隙机械传动间隙 86第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计四、四、传动间隙对系统特性的影响传动间隙对系统特性的影响 1.1.机械传动间隙机械传动间隙 87第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计88第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计89第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计2.2.传动间隙的影响传动间隙的影响 90第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计2.2.传动间隙的影响传动间隙的影响 91第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计92第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计 上述主要介绍了可计算上述主要介绍了可计算(传动系统传动系统)部分的动态分析方法。机械系统部分的动态分析方法。机械系统(包括机械传动系统和机械支承系统包括机械传动系统和机械支承系统)在内、外的变化载荷作用下，会在内、外的变化载荷作用下，会表现出不同的动态响应特性。某些动态响应特性会影响机电一体化系表现出不同的动态响应特性。某些动态响应特性会影响机电一体化系统的正常工作，工程设计人员必须给予足够的重视。对不可计算的复统的正常工作，工程设计人员必须给予足够的重视。对不可计算的复杂机械系统的动态分析，通常采用被广泛使用的实验模态分析方法。杂机械系统的动态分析，通常采用被广泛使用的实验模态分析方法。通过这种方法可识别机械系统的结构模态参数，如固有振动频率、通过这种方法可识别机械系统的结构模态参数，如固有振动频率、振型、模态刚度、模态质量及模态阻尼等。从而建立用这些模态参数振型、模态刚度、模态质量及模态阻尼等。从而建立用这些模态参数表示的机械结构系统的动态方程，通过分折找出其问题所在，以便采表示的机械结构系统的动态方程，通过分折找出其问题所在，以便采取提高刚度和阻尼效果的有效方法。取提高刚度和阻尼效果的有效方法。实验振动模态分析方法有时域法和频域法。时域法是直接从机械系实验振动模态分析方法有时域法和频域法。时域法是直接从机械系统结构的时间域的响应求取模态参数。频域法是先将测试数据变换成统结构的时间域的响应求取模态参数。频域法是先将测试数据变换成频率域数据，然后进行模态分析进而确定模态参数，其具体分析方法频率域数据，然后进行模态分析进而确定模态参数，其具体分析方法请参看有关资料。请参看有关资料。五、机械系统实验振动模态参数五、机械系统实验振动模态参数 识别分析识别分析93第第6章章 有机结合的分析与设计有机结合的分析与设计7-4 题 图94