概说动力学课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 概 论,1.1,课程的性质、基本要求、意义和目标,对本课程的基本要求：,熟悉先修的课程，学习后应了解什么？掌握什么？学会什么？,1,、掌握常用电机、电器、晶闸管等及其电路的工作原理、主要特性，了解其应用和选用的方法；,本课程是机械设计制造及其自动化专业的一门主干技术基础课。,1,第一章 概 论,2,、掌握继电器,-,接触器控制、,PLC,控制器的基本原理，学会用它们来实现生产过程的自动控制；,3,、掌握常用的开环、闭环驱动控制系统的基本工作原理和特点、了解其性能及其应用场所；,4,、具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力；,5,、掌握机电传动的基本规律，学会分析控制系统的基本方法；,2,机电传动与控制课程的内容，包含拖动生产机械的电动机，和控制电机的一整套控制系统。,教材要求：,机电传动控制,邓星钟，,华中科技大学,出版社，,2001,年,3,版,学习辅导与习题,邓星钟，,华中科技大学,出版社,学习本课程旨在培养具有创新精神和实践能力的“,机电复合型,”人才。,第一章 概 论,3,第一章 概 论,本课程的特点和学好课程的方法：,学习时首先了解问题是如何提出的，特别注意对,基本概念、原理、公式,的理解和掌握，相互联系，了解其应用。做有关的,习题、思考题及自测练习,。坚持老师为主导，学生为,主体,的思想。,根据学科的发展与其内在规律，以伺服驱动系统为主导，以控制为线索，学习和掌握机电一体化技术所需的强电控制知识。,4,第一章 概述,第二章 机电传动系统的动力学方程,第三,七章 电机特性,第八章 继电器,-,接触器控制,第九章,PLC,第十章 晶闸管电路（简介）,第十一、十二章,直、交流传动控制,第十三章,步进电机 传动控制系统,简介,实验,4,学时,1.2,机电传动控制课程安排,5,1.3,机电传动的目的和任务：,电动机,+,生产机械,+,控制系统,机电传动系统,目的：,电能转变为机械能，实现生产机械的启动、停止、调速，完成各种生产工艺过程的要求，保证生产过程的正常运行。,任务：,指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加，质量的提高，生产成本的降低，劳动条件的改善以及能量的合理利用。,6,1.4,机电传动及控制系统的发展概况,1.,机电传动的发展概况,（,3,个阶段）,成组拖动单电机拖动多电机拖动,2.,控制系统的发展概况,（,4,个阶段）,20C,初的继电控制；,30-40,年代出现的电机放大控制，磁放大控制；,50,年代末出现晶闸管、功率管控制、采样控制；,70,年代,CNC,和,80,年代以来,FMS,（柔性制造系统）,CIMS,（计算机集成制造系统）,7,第二章 机电传动系统的动力学基础,本章基本要求：,掌握机电传动系统的运行方程式，用它来分析和判别机电传动系统的运行状态；,为列出多轴拖动系统的运行方程式，必须将转矩等进行折算，掌握其折算的原则和方法；,了解几种典型的生产机械的机械特性；,8,掌握机电传动系统稳定运行的条件，运用其来分析和判断系统的稳定平衡点；,重点：,运用运动方程式分别判别机电传动系统的运行状态；,运用稳定运行的条件来判别机电传动系统的稳定运行点，,第二章 机电传动系统的动力学基础,9,2.1,机电传动系统的运动方程式,（单轴）,T,M,电机产生的,转矩,T,L,负载转矩,n 转速,角速度,J 单轴传动系统中转动惯量,t 时间,单轴机电传动运动方程,当d,/dt= 0 ，n或,为常数称静态（相对静止）或稳态（稳定运动）,10,2.1,机电传动系统的运动方程式,（单轴）,用转速n代替,，用飞轮惯量（飞轮转矩）,GD,2,代替转动惯量J（J=m,2,，,、D为惯性半径和惯性直径，重力G=mg,则有,运动方程实用形式,转矩平衡方程形式,转动惯量,刚体绕轴转动惯性的度量。又称,惯性距,、,惯性矩,（俗称,惯性力距,、,惯性力矩）,其数值为,J= mi,ri,2,，,式中mi表示刚体的某个质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离。,惯性半径,任一截面对某轴的惯性矩除以该截面面积所得商的平方根值。,Td,动态转矩,11,系统运动状态：,设电动机某一转动方向,n,为正，,T,M,与,n,一致方向为正；,T,L,与,n,相反的方向为正。,当,T,d,0,时，系统加速；当,T,d,0,时，系统减速；当,T,d,=0,时，系统恒速。,转矩正方向,约定,：,12,根据上述约定，可以从转矩与转速的符号上来判定,T,M,、,T,L,的性质（拖动转矩或制动转矩）。,若,T,M,与,n,符号相同,(,同为正或同为负,),，则表示,T,M,的作用方向与,n,相同、,T,M,为,拖动转矩,；若,T,M,与,n,符号相反，则表示,T,M,的作用方向与,n,相反，,T,M,为,制动转矩,。,系统运动状态：,13,例子,1,、启动：电机拖动重物,上升，,T,M,与,n,同向为正，,T,L,与,n,反向为正，,上升,T,M, T,L,，则,dn/dt,为正，系统加速运行；,2,、制动：仍为提升，制动电磁转矩,T,M,与,n,反向为负，,T,L,为反向为正，则,dn/dt,为负，重物减速上升，直至停止。,14,系统运动状态：,而,T,L,若与,n,符号相同，则表示的作用方向与,n,相反，为,制动转矩,；若,T,L,与,n,符号相反，则表示的作用方向与,n,相同，,T,L,为,拖动转矩,。,这点很重要，是今后,分析系统的运行状态,（系统处于加速、减速还是匀速）的一个主要依据。也是本章的一个难点。本章的另一个难点在机械特性上判别系统稳定工作点时，如何找出它们。,15,例,图中为实际方向,1,）列出运动方程式（,要点：,T,M,与,n,同向为正，,T,L,与,n,反向为正,）,A,图：,T,M,- T,L,=(GD,2,/376) dn/dt,B,图：,-T,M,- T,L,=(GD,2,/376) dn/dt,C,图：,-T,M,+ T,L,=(GD,2,/376) dn/dt,2,）,T,M,、,T,L,为（,要点：,T,与,n,同向为拖动转矩，,T,与,n,反向为制动转矩,）,A,图：,T,M,为拖动转矩，,T,L,为制动转矩,B,图：,T,M,为制动转矩，,T,L,为制动转矩,C,图：,T,M,为制动转矩，,T,L,为拖动转矩,3,）判断（,要点：,Td=T,M,-T,L,， ,0,，加速；,0,为减速；,=0,为恒速,）,A,图：加速，因,T,M,T,L,，,dn/dt,0,B,图：匀速，,T,M,=T,L,dn/dt =,0,C,图：减速，,-T,M,+ T,L, dn/dt,0,T,M,T,M,T,M,T,L,T,L,T,L,n,n,n,T,M,T,L,T,M,=,T,L,T,M,T,L,16,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,实际运动系统一般常是多轴系统，为了列出这个系统的运动方程，必须把上述各量,折算,到某一轴上（电机轴），即折算成为单轴系统。,折算时的基本原则是折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在,能量,关系或,功率,关系上保持,不变,。,17,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1,、负载转矩的折算,基本原则：,功率守恒,原则。即折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系上保持不变。,对于旋转运动，如下图所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率是：,T,L,、,L,生产机械负载 转矩和角速度,18,则电动机轴上的负载功率是：,设,折算到电动机轴的负载转矩是,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,M,电动机角速度,T,N.m,=9550 P,kw,/n,r/min,19,考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗，这个损耗可以用传动效率 来表示，即：,于是得到折算到电动机轴上的负载转矩,T,L,：,传动机构,速比,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,c电机拖动负载传动效率,20,对于,直线运动,，如下图卷扬机构所示，,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,生产机械的负载功率是：,21,反映到电动机轴上的负载功率是：,如电动机拖动生产机械旋转或运动，,传动机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关系，有：,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,22,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,如果是生产机械拖动电动机旋转，传动机构中的损耗由负载承担，根据功率平衡关系，有：,c负载拖动电机传动效率,23,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,1,、负载转矩的折算,基本原则：功率守恒原则。即折算前的多轴系统同折算后的单轴系统，在功率关系上保持不变。,对于旋转运动，如下图所示，当系统匀速运动时，生产机械的负载功率是：,24,则电动机轴上的负载功率是：,设 折算到电动机轴的负载转矩是,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,T,n.m,=9550 P,kw,/n,r/min,25,考虑到传动机构在传递功率的过程中有损耗，这个损耗可以用传动效率 来表示，即：,于是得到折算到电动机轴上的负载转矩：,传动机构速比,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,26,对于直线运动，如下图卷扬机构所示，,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,生产机械的负载功率是：,27,反映到电动机轴上的负载功率是：,如电动机拖动生产机械旋转或运动，,传动机构中的损耗由电动机承担，根据功率平衡关系，有：,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,28,2,、转动惯量和飞轮转矩的折算,基本原则：,动能守恒,原则。,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,J,M,、,J,1,、,J,L,电机轴、中间轴、生产机械轴上的转动惯量,J,1,电机轴与中间轴间长度比,j,L,电机轴与生产机械间传动比,GD,M,2,、,GD,1,2,、,GD,L,2,电机轴、中间轴、生产机械轴上诶论转矩,GD,Z,2,、折算到电机轴上总诶论转矩,29,对于直线运动时电机轴上总转动惯量：,总飞轮转矩,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,M 直线运动部件质量,M,电机角速度,30,最后将折算后的负载转矩、飞轮转矩代入单轴系统的方程式，可得到,多轴系统方程式,。,2.2,转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算,31,例题,有一机电传动系统如图所示，已知：重物G=10000N,，,上升速度v=0.6m/s,，,卷筒直径d=0.9m,，,每对齿轮转速比j1=j2=6,，,每对齿轮效率,1=,2=0.94,，,卷筒效率,=0.95,，,滑轮效率,=0.96,。试求：,（1） 电动机轴上的转速；,（2）负载重物折算到电机轴上的转矩,M,G,j1,j2,F,V,D,解,（1）卷筒转速,n,L,=60（2V）/,D =6020.6/(3.140.9)=25.5r/min,电机轴转速n,M=,n,L,j1j2=25.566=918r/min,（2）卷筒上转矩,T,L,=Fr/,3,4,=(G/2)(D/2)/(0.950.96)=2470.1Nm,转算到电机周上转矩,T,LM,= T,L,/j,1,j,2,1,2,=2470.1/660.940.94 =77.56Nm,32,2.3,生产机械的机械特性,同一轴上的负载转矩和转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。,恒转矩型机械特性,常见机械：,提升机构、提升机行走机构、皮带输送机、技术切削机床,反抗转矩：,摩擦,.,非弹性压缩,.,拉伸扭转等负载转矩,.,切削力矩等，阻碍运动方向，与,n,同向，一四象限；,位能转矩：,重力和弹性压缩、拉伸、扭转产生，作用方向恒定，与,n,方向无关，因此有,+,有,-,，一二象限；。,33,2.3,生产机械的机械特性,离心式通风机、水泵型机械特性,直线型机械特性,34,2.3,生产机械的机械特性,恒功率型机械特性：,负载转矩,T,L,与转速成反比,如车床,：粗加工切削量大，负载大，选择低速；精加工切削力小，选择高速。如此：,切削功率基本不变,。,曲柄连杆机构负载转矩,TL,随转角变化，破碎机、球磨机负载变化无规律。,35,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,机电传动系统的稳定运行包含,两重含义：,一是,系统应能以一定的速度匀速运转。,曲线,1,代表电动机机械特性，曲线,2,代表负载机械特性。,36,二是,系统受到某种外部干扰而使运行速度稍有变化，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,37,充分而必要条件是：,1,、,电动机机械特性曲线 和生产机械的机械特性曲线 有,交点,（平衡点,A B,）。,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,38,2,、,当转速大于平衡点所对应的转速时，必须有,当转速小于平衡点所对应的转速时，必须有,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,39,只有满足上述两个条件的平衡点，才是具有恢复到原平衡状态能力而进入稳定运行。,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,40,所以：,a,点是稳定的平衡点，干扰,(,TL,),排除后可回复到,a,点。,b,点不是稳定的平衡点，干扰排除后不能回复到,b,点。,转速小于平衡点所对应的转速时，,转速大于平衡点所对应的转速时，,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,41,另一种方法是：引进一个,机械特性硬度,的概念，即机械特性在平衡点的切线,系统稳定运行的充分条件是：,机械特性硬度是可正可负，注意判别。,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,电动机的,机械特性硬度应小于负载的,42,由上分析，对于恒转矩负载，电动机的转速增加时，必须具有向下倾斜的机械特性，系统才能稳定。（因为负载的机械特性硬度是,0,，电动机的机械特性硬度应为负值）,对于右图情况，,b,点是稳定的平衡点。负载的机械特性硬度大于电动机机械特性硬度。,2.4,机电传动系统稳定运行的条件,43,练习右图：,1,电机，,2,负载,图,a,电动机的机械特性硬度为负,生产机械的机械特性硬度为正。,图,b,电动机的机械特性硬度和生产机械的机械特性硬度均为正。但后者大一些（硬）。,图,c,电动机的机械特性硬度和生产机械的机械特性硬度均为负。但后者的绝对值小一些。,44,