1、1,第5章 機電一體 化系統(tǒng)的元、部件的特性分析,5-1 機電一體化系統(tǒng)與自動控制理論 5-2 機電一體化系統(tǒng)的元、部件動態(tài)特性 習題與思考題,2,5-1 機電一體化系統(tǒng)與自動控制理論,自動控制理論是機電一體化系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)，隨著機電一體 化技術(shù)的發(fā)展，控制理論在機電一體化系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。 機電一體化系統(tǒng)的操作過程控制目的有兩個： 其一是根據(jù)操作條件的變化，制訂最佳操作方案； 其二是對操作過程進行自動檢測和自動控制，提高控制性能， 實現(xiàn)規(guī)定的目的功能。 在機電一體化系統(tǒng)中，伺服控制的首要目標是系統(tǒng)的輸出， 要盡可能使輸出量跟蹤隨時刻變化的輸入量，因此對抗外部干擾 的能力要求更高。對被控

2、對象來說，系統(tǒng)的各構(gòu)成要素的特性參 數(shù)比較容易掌握，而隨操作條件和環(huán)境條件變化的過程控制較難 掌握，為此以反饋控制理論為基礎(chǔ)的控制理論是機電一體化系統(tǒng) 不可缺少的理論基礎(chǔ)。,3,所謂“反饋”，是通過適當?shù)臋z測傳感裝置將輸出量的全部或一部分返回到輸入端，使之與輸入量進行比較，用其偏差對系統(tǒng)進行控制，反饋控制的目標是使該偏差為零。在設(shè)計機電一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)時，首先必須明確其靜態(tài)和動態(tài)特性要求，研究其外部干擾的形式、強弱、持續(xù)時間及其作用點，其次必須選擇具有適合該系統(tǒng)特性的調(diào)節(jié)器、檢測傳感器及執(zhí)行元件。 在經(jīng)典控制理論中，研究機電體化系統(tǒng)的動態(tài)特性是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，而傳遞函數(shù)是通過數(shù)學中的拉

3、普拉斯變換定義的。 當系統(tǒng)(或執(zhí)行元件)的運動能夠用相關(guān)定律(如電學、熱學、力學等的某些定律)描述時，該系統(tǒng)(或執(zhí)行元件)的傳遞函數(shù)就可用理論推導的方法求出。對那些無法用相關(guān)定律推導其傳遞函數(shù)的系統(tǒng)(或執(zhí)行元件)，可用實驗法建立其傳遞函數(shù)。,“反饋”的涵義,4,經(jīng)典控制理論研究機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)特性是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的，而傳遞函數(shù)是通過數(shù)學中的拉普拉斯變換定義的。這里僅就機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中用到的動態(tài)特性的分析基礎(chǔ)做以概述。 常用函數(shù)的拉氏變換和反變換可從拉氏變換表中查出，通常不必自己計算。 一般來說，機電一體化系統(tǒng)(或元件)的輸入量(或稱輸入信號)和輸出量(或稱輸出信號)可用時間函數(shù)描述，

4、輸入量與輸出量之間的因果關(guān)系或者說系統(tǒng)（或元件）的運動特性可用微分方程描述。 這里僅就機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中用到的動態(tài)特性的分析基礎(chǔ)概述。 系統(tǒng)(或元件)的運動特性也可以用傳遞函數(shù)描述。線性定常系統(tǒng)(或元件)的傳遞函數(shù)定義為：零初始值下，系統(tǒng)（元件）輸出量拉氏變換與輸入量拉氏變換之比。 當系統(tǒng)受到外部干擾時，其輸出量必將發(fā)生變化，但由于系統(tǒng)總含有慣性或儲能元件，其輸出量不可能立即變化到與外部干擾相應的值，而需要有一個過程，這個過程就是系統(tǒng)的過渡過程。,5,系統(tǒng)（或執(zhí)行元件）在階躍信號作用下(即操作量階躍變化時)的過渡過程，大致可分為穩(wěn)定過程、不穩(wěn)定過程(發(fā)散)、穩(wěn)定過程(有振蕩)三種情況，并可近

5、似地用傳遞函數(shù)表示。 伺服系統(tǒng)有時也稱伺服機構(gòu)，它是以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。其輸出量隨輸入量的變化而變化，因此有時也稱隨動系統(tǒng)。 在隨動系統(tǒng)中，輸出量不僅受輸入量控制，而且反饋回來影響輸入量，所以稱其為閉環(huán)控制或反饋控制。并且由于系統(tǒng)是利用輸出量與輸入量之間的偏差進行控制的，故又稱負反饋控制。對于輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯(lián)系的控制，則稱其為開環(huán)控制。 通過隨動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以分析： 1）系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)，即系統(tǒng)響應的快速性和振蕩性。 2）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，即穩(wěn)態(tài)誤差的大小。,6,流經(jīng)系統(tǒng)的信號隨時間連續(xù)變化時，則稱系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)，其信號為連續(xù)時間信號；在

6、系統(tǒng)中，只要有一個地方的信號是脈沖信號或數(shù)字信號時，就稱系統(tǒng)為離散系統(tǒng)或稱采樣系統(tǒng)，其脈沖信號或數(shù)字信號稱為離散信號或采樣信號。 所謂采樣，是指將連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖或數(shù)字信號的過程。采樣控制系統(tǒng)包括一般的采樣系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。 由于采樣系統(tǒng)中存在脈沖(或數(shù)碼)信號，所以不能直接利用拉氏變換的方法建立各元件的傳遞函數(shù)。通常用z變換方法來研究采樣系統(tǒng)。由于篇幅所限，關(guān)于z變換，需要時請讀者閱讀其他有關(guān)參考書。,7,一、拉普拉斯變換與傳遞函數(shù),8,9,10,二、系統(tǒng)的過渡過程特性,11,12,三、伺服系統(tǒng)及其動態(tài)特性,13,14,15,16,四、采樣控制簡介 1. 采樣控制概念 首先介紹一下流

7、經(jīng)系統(tǒng)信號的性質(zhì)。 流經(jīng)系統(tǒng)的信號隨時間連續(xù)變化時，則稱系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)，其信號為連續(xù)時間信號；在系統(tǒng)中，只要有一個地方的信號是脈沖信號或數(shù)字信號時，就稱系統(tǒng)為離散系統(tǒng)或稱采樣系統(tǒng)，其脈沖信號或數(shù)字信號稱為離散信號或采樣信號。 所謂采樣，是指將連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖或數(shù)字信號的過程。采樣控制系統(tǒng)包括一般的采樣系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。下面通過一個一般采樣控制系統(tǒng)實例，介紹采樣控制的有關(guān)概念。右圖是爐溫控制系統(tǒng)原理圖。,17,18,19,2. 數(shù)字控制系統(tǒng),20,21,22,23,3.采樣系統(tǒng)的研究方法,由于采樣系統(tǒng)中存在脈沖(或數(shù)碼)信號，所以不能利用拉氏變換的方法建立各元件的傳遞函數(shù)。通常用z變

8、換方法來研究采樣系統(tǒng)。由于篇幅所限，關(guān)于z變換，本書不予介紹，需要時請讀者閱讀其他有關(guān)參考書。,24,25,一、 機械系統(tǒng)特性及變換機構(gòu),機械系統(tǒng)是由軸、軸承、絲杠及連桿等機械零件構(gòu)成的，其功能是將一種機械量變換成與目的要求對應的另一種機械量。例如，有的連桿機構(gòu)就是將回轉(zhuǎn)運動變換為直線運動。機械系統(tǒng)在傳遞運動的同時還將進行力(或轉(zhuǎn)矩)的傳遞。因此，機械系統(tǒng)的各構(gòu)成零部件必須具有承受其所受力(或轉(zhuǎn)矩)的足夠強度和剛度的尺寸。但尺寸一大，質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量就大，系統(tǒng)的響應就慢。,26,27,28,29,齒輪傳動機構(gòu)圖,30,撓帶傳動機構(gòu),31,32,二、 機械系統(tǒng)的機構(gòu)靜力學特性,1. 負載力(或轉(zhuǎn)矩

9、)向輸入端的換算,機構(gòu)靜力學所研究的問題是：機構(gòu)輸出端所受負載(力或轉(zhuǎn)矩)向輸入端的換算；機構(gòu)內(nèi)部的摩擦力(或轉(zhuǎn)矩)對輸入端的影響；求由上述各種力或重力加速度引起的機構(gòu)內(nèi)部各連桿、軸承等的受力。這里主要對研究機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中機電有機結(jié)合最重要的第一、第二個問題加以敘述。第三個問題是機構(gòu)的強度、剛度設(shè)計中要研究的重要問題，此處予以省略。,33,2. 機構(gòu)內(nèi)部摩擦力的影響 1) 線性變換機構(gòu),34,35,讀者注意 其他系統(tǒng)的動態(tài)特性，這里從略，請讀者參看教材補充。,36,習題與思考題 5-1 回顧所學機械控制工程（自動控制理論基礎(chǔ)）的相關(guān)知識，簡述 機電一體化系統(tǒng)設(shè)與機械控制工程理論的關(guān)系。 5-2 機電一體化系