第七章機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電有機(jī)結(jié)合的與設(shè)計(jì)

1、返回目錄回看結(jié)束放映1第七章第七章機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)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)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(jì)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)習(xí)題與思考題返回目錄回看結(jié)束放映2 機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設(shè)計(jì)過(guò)程是機(jī)電參數(shù)相互匹配，即機(jī)電有機(jī)結(jié)合的過(guò)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(shuō)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)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過(guò)系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過(guò)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)

2、械運(yùn)動(dòng)。因此，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。第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)返回目錄回看結(jié)束放映3 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(guò)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(如電動(dòng)機(jī))的參數(shù)選擇、功率（或轉(zhuǎn)矩）的匹配及

3、過(guò)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)中的校正補(bǔ)償裝置的引入留有余地。返回目錄回看結(jié)束放映4 初步確定系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數(shù)已初步確定，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。 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 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)。 通過(guò)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)。系統(tǒng)的實(shí)際電路及實(shí)際參數(shù)，往往要通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)與調(diào)試，才能最后確定下來(lái)。這并不等于以上設(shè)計(jì)計(jì)

4、算是多余的，因經(jīng)過(guò)設(shè)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(lái)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(guò)程中，必須充分注意其可靠性、安全性設(shè)計(jì)要求。穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)返回目錄回看結(jié)束放映5 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)考慮方法機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)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)

5、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。 被控對(duì)象(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(lái)，使定量設(shè)計(jì)計(jì)算得以順利進(jìn)行。一、典型負(fù)載一、典型負(fù)載返回目錄回看結(jié)束放映6 1. 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、是指慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載( (滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載等負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載等) )。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

6、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)。返回目錄回看結(jié)束放映7 2.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)X、Y 及Z 軸，機(jī)器人臂部的升降、伸縮運(yùn)動(dòng)，繪圖機(jī)的X、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(guò)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

7、被控對(duì)象的固有參數(shù)( (如質(zhì)量、如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等) )相互匹配相互匹配。 因此，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(力或轉(zhuǎn)矩等)等效換算到執(zhí)行元件(k)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(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力(直線運(yùn)動(dòng))。返回目錄回看結(jié)束放映8返回目錄回看結(jié)束放映9返回目錄回看結(jié)束放映10返回目錄回看結(jié)束放映11 二、 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

8、求進(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)的匹配選擇為例簡(jiǎn)要說(shuō)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)，因此，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)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)象的需要相適應(yīng)的執(zhí)行元件。返回目錄回看結(jié)束放映12返回目錄回看結(jié)束放映13返回目錄回看結(jié)束放映14返回目錄回看結(jié)束放映15返回目錄回看結(jié)束放映16 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

9、當(dāng)量和機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合要求來(lái)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。返回目錄回看結(jié)束放映17 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)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)的有效傳遞(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)行元件和傳動(dòng)裝置;其次是從系統(tǒng)的

10、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(guò)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(即分辨力)、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(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。 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(wèn)題： 四、檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口

11、電路、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)放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)返回目錄回看結(jié)束放映18 （a) 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)該能夠保證執(zhí)行元件短時(shí)過(guò)載、短時(shí)快速的要求?？傊?，輸出級(jí)的輸出阻抗要小，效率要高, 時(shí)間常數(shù)要小。 （b） 放大器應(yīng)為執(zhí)行元件(如電動(dòng)機(jī))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)的電樞電流提供限制保護(hù)措施。 （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。 （d） 輸入級(jí)應(yīng)

12、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。 （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。 返回目錄回看結(jié)束放映19 伺服系統(tǒng)的能源（特別是電源)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(guò)電壓保護(hù)、掉電保護(hù)、過(guò)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)的自檢電路、顯示與操作裝置?？傊?/p>

13、，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。返回目錄回看結(jié)束放映20五、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、部件的有關(guān)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)，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)的建立方法。 1. 1.半閉環(huán)控制方式半閉環(huán)控制方式 下圖a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)。返回目錄回看結(jié)束放映21半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖b所示。返回目錄回看結(jié)束放映22上圖的傳遞函數(shù)為:返回目錄回看結(jié)束放

14、映23返回目錄回看結(jié)束放映24 2 . 2 . 全閉環(huán)控制方式全閉環(huán)控制方式返回目錄回看結(jié)束放映25返回目錄回看結(jié)束放映26返回目錄回看結(jié)束放映27返回目錄回看結(jié)束放映28 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。現(xiàn)就其主諧振頻率的求法分析如下：返回目錄回看結(jié)束放映29返回目錄回看結(jié)束放映30 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(guò)系統(tǒng)框圖的進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為返回目錄回看結(jié)束放映31返回目錄回看結(jié)束放映32返回目錄

15、回看結(jié)束放映33返回目錄回看結(jié)束放映34返回目錄回看結(jié)束放映35 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)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)包括：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正(或補(bǔ)償)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)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)

16、計(jì)返回目錄回看結(jié)束放映36 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)，也可采用前饋和反饋相結(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)頻率法即借助波德（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，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)以單位反饋構(gòu)成閉環(huán)，若主反饋系統(tǒng)不為l（單位反饋），

17、則需要等效成單位反饋的形式來(lái)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)(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(或校定)裝量的對(duì)數(shù)幅頻特性。然后根據(jù)此特性來(lái)設(shè)計(jì)校正(或補(bǔ)償)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(或補(bǔ)償)后的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性基本上與所希望系統(tǒng)的特性相一致。這就是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一般考慮方法和步驟。返回目錄回看結(jié)束放映37 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)

18、學(xué)模型)，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)定性、系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)(響應(yīng)的快速性和振蕩)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或干擾相對(duì)應(yīng)的值，也就是說(shuō)需要有一個(gè)變化過(guò)程，這個(gè)變化過(guò)程即為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。 當(dāng)系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過(guò)渡過(guò)程大致有以下三種情況：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；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒(méi)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。 返回目錄回看結(jié)束放映38 當(dāng)系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過(guò)渡

19、過(guò)程大致有以下三種情況：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；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，即沒(méi)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。 當(dāng)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)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)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)特性好壞的定量指標(biāo)就是系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)，在時(shí)域內(nèi)，這種品質(zhì)指標(biāo)一般用單位階躍響應(yīng)曲線單位階躍響應(yīng)曲線（如圖所示）中的參數(shù)來(lái)表示，即返回目錄回看結(jié)束放映39 1. PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)返回目錄回看結(jié)束放映40返回目錄回看結(jié)束放映41 2. 調(diào)節(jié)作用分析 返回目錄回看結(jié)束放映42返回目錄回看結(jié)束放映43返回目

20、錄回看結(jié)束放映44返回目錄回看結(jié)束放映45返回目錄回看結(jié)束放映46返回目錄回看結(jié)束放映47返回目錄回看結(jié)束放映48返回目錄回看結(jié)束放映493. 速度反饋校正返回目錄回看結(jié)束放映50返回目錄回看結(jié)束放映51 三、機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響 1.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)諧振(或機(jī)械諧振)。 為了使問(wèn)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(wú)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。其物理模型是質(zhì)量- 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)

21、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)諧振頻率通常遠(yuǎn)大于閉環(huán)上限頻率，故結(jié)構(gòu)諧振問(wèn)題并不突出。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的精度和響應(yīng)快速性要求愈來(lái)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(wú)法工作，或使機(jī)構(gòu)損壞。返回目錄回看結(jié)束放映52返回目錄回看結(jié)束放映53返回目錄回看結(jié)束放映54返回目錄回看結(jié)束放映55返回目錄回看結(jié)束放映56返回目錄回看結(jié)束放映57返回目錄回看結(jié)束放映582.2.減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施減小或消除結(jié)構(gòu)諧振的措施返回目錄回看結(jié)束放映59返回目錄回看結(jié)束放映60返回目錄回看結(jié)

22、束放映61返回目錄回看結(jié)束放映62四、 傳動(dòng)間隙對(duì)系統(tǒng)特性的影響 1. 機(jī)械傳動(dòng)間隙 返回目錄回看結(jié)束放映63返回目錄回看結(jié)束放映642. 傳動(dòng)間隙的影響 返回目錄回看結(jié)束放映65返回目錄回看結(jié)束放映66 上述主要介紹了可計(jì)算(傳動(dòng)系統(tǒng))部分的動(dòng)態(tài)分析方法。機(jī)械系統(tǒng)(包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械支承系統(tǒng))在內(nèi)、外的變化載荷作用下，會(huì)表現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。某些動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性會(huì)影響機(jī)電一體化系統(tǒng)的正常工作，工程設(shè)計(jì)人員必須給予足夠的重視。對(duì)不可計(jì)算的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析，通常采用被廣泛使用的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法。 通過(guò)這種方法可識(shí)別機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，如固有振動(dòng)頻率、振型、模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量及模態(tài)阻

23、尼等。從而建立用這些模態(tài)參數(shù)表示的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程，通過(guò)分折找出其問(wèn)題所在，以便采取提高剛度和阻尼效果的有效方法。 實(shí)驗(yàn)振動(dòng)模態(tài)分析方法有時(shí)域法和頻域法。時(shí)域法是直接從機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)間域的響應(yīng)求取模態(tài)參數(shù)。頻域法是先將測(cè)試數(shù)據(jù)變換成頻率域數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行模態(tài)分析進(jìn)而確定模態(tài)參數(shù)，其具體分析方法請(qǐng)參看有關(guān)資料。五、機(jī)械系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)振動(dòng)模態(tài)參數(shù) 識(shí)別分析返回目錄回看結(jié)束放映67 要發(fā)揮機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)有的作用，首先應(yīng)使它可靠地工作。在設(shè)計(jì)一個(gè)新的系統(tǒng)（或產(chǎn)品）時(shí)，要對(duì)各種方案進(jìn)行分析比較，要想得到一個(gè)最佳方案，不考慮可靠性問(wèn)題是不完善的。因此，可靠性問(wèn)題是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。所

24、謂可靠性，是指“產(chǎn)品產(chǎn)品( (或系統(tǒng)或系統(tǒng)) )在規(guī)定在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”?！巴瓿梢?guī)定功能”就是能夠連續(xù)地保持產(chǎn)品(或系統(tǒng))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(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品，也可稱為故障?？梢娛?或故障)是一種破壞產(chǎn)品(或系統(tǒng))工作能力系統(tǒng) (產(chǎn)品)完成規(guī)定的功能是相對(duì)于“規(guī)定條件規(guī)定條件”和和“規(guī)定時(shí)間規(guī)定時(shí)間”而言的?！耙?guī)定條件規(guī)定條件”是指使用時(shí)的應(yīng)力條件(工作條件)、環(huán)境條件和存儲(chǔ)時(shí)的存儲(chǔ)條件等，“規(guī)定條件”不同，系統(tǒng)（產(chǎn)品）的可靠性也不同。例如，同一半導(dǎo)體器件，在使用時(shí)要求輸

25、出不同的功率，但不同的溫度和濕度等環(huán)境條件、存儲(chǔ)條件都會(huì)影響其可靠性?！耙?guī)定時(shí)間規(guī)定時(shí)間”長(zhǎng)短的不同，系統(tǒng)（產(chǎn)品）的可靠性也不同，一般來(lái)說(shuō)，規(guī)定的時(shí)間越長(zhǎng)、故障越多，可靠性也就越低。的事件，失效(或故障)越頻繁可靠性就越低。 總的來(lái)看，可靠性的概念包括系統(tǒng) (產(chǎn)品)的無(wú)故障性和耐久性兩方面的含義。系統(tǒng) (產(chǎn)品)的無(wú)故障性，是指系統(tǒng) (產(chǎn)品)在某一時(shí)期內(nèi)(或某一段工作時(shí)間內(nèi))，連續(xù)不斷地保持其工作能力的性能。系統(tǒng) (產(chǎn)品)的耐久性是指產(chǎn)品在整個(gè)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。一般來(lái)說(shuō)，如果不采取維修和預(yù)防措施消除故障、恢復(fù)其喪失了的工作能力，系統(tǒng) (產(chǎn)品)是不能長(zhǎng)時(shí)期工作的。

26、第四節(jié)第四節(jié) 機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)的 可靠性、安全性設(shè)計(jì)可靠性、安全性設(shè)計(jì)一、一、 可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì) 1. 可靠性的基本概念返回目錄回看結(jié)束放映68 2. 保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的方法 保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)具有必要的可靠性是一個(gè)綜合性問(wèn)題，不能單純依靠某一特定的方法。在保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的方法中，提高系統(tǒng) (產(chǎn)品)的“設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量”是最根本的方法，它的作用是消除故障于發(fā)生之前，或者降低故障率。但從某種意義上來(lái)講，由于故障是一種隨機(jī)事件，因而是不可避免的。 在這種情況下，冗余技術(shù)就成為保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的一種重要方法，它可以在故障發(fā)生之后把故障造成的影響掩蔽起來(lái)，使系

27、統(tǒng) (產(chǎn)品)在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)保持工作能力。 如果說(shuō)冗余技術(shù)是一種掩蔽法，那么診斷技術(shù)就是一種暴露法，它可以把已經(jīng)出現(xiàn)的或即將出現(xiàn)的故障及時(shí)暴露出來(lái)，以便迅速修復(fù)。因?yàn)楣收涎诒沃荒芡七t系統(tǒng) (產(chǎn)品)失效的時(shí)間，如果時(shí)間一長(zhǎng)，故障就會(huì)累積起來(lái)，終歸是掩蔽不住的。因此，診斷技術(shù)的作用就在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，以便縮短修理時(shí)間，提高系統(tǒng) (產(chǎn)品)的有效度。 返回目錄回看結(jié)束放映69返回目錄回看結(jié)束放映70 自動(dòng)控制：自動(dòng)控制：在系統(tǒng) (產(chǎn)品)設(shè)計(jì)中，利用機(jī)電一體化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，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。這是因?yàn)樽赃m應(yīng)和自調(diào)整等自動(dòng)化技術(shù)，能

28、使機(jī)器具有適應(yīng)工作條件經(jīng)常變化的功能(對(duì)外界的作用作出反應(yīng))，以及恢復(fù)喪失了的工作能力的功能，使系統(tǒng) (產(chǎn)品)不僅具有完成規(guī)定功能的能力，而且能夠長(zhǎng)時(shí)期地保持這種能力，不必?fù)?dān)心外界影響，也不必?fù)?dān)心系統(tǒng) (產(chǎn)品)本身在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生故障。 此外，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮到在使用階段如何保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的問(wèn)題，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) (產(chǎn)品)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的維修性，如易損件應(yīng)便于更換、故障應(yīng)便于診斷、容易修復(fù)等。 （2） 冗余技術(shù)冗余技術(shù)。冗余技術(shù)又稱儲(chǔ)備技術(shù)。它是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來(lái)提高系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的一種手段。冗余有工作冗余和后備冗余兩類。 工作冗余：又稱工

29、作儲(chǔ)備或掩蔽儲(chǔ)備，是一種兩個(gè)或兩個(gè)以上單元并行工作的并聯(lián)模型。平時(shí)，由各個(gè)單元平均負(fù)擔(dān)工作應(yīng)力，因此工作能力有冗余。只有當(dāng)所有的單元都失效時(shí)系統(tǒng)才失效，如果還有任何一個(gè)單元未失效，系統(tǒng)就可靠地工作，不過(guò)這個(gè)單元要負(fù)擔(dān)額定的全部工作應(yīng)力。 后備冗余后備冗余：又稱非工作儲(chǔ)備或待機(jī)儲(chǔ)備。平時(shí)只需一個(gè)單元工作，另一個(gè)單元是冗余的，用于待機(jī)備用。這種系統(tǒng)必須設(shè)置失效檢測(cè)與轉(zhuǎn)換裝置，不斷檢測(cè)工作單元的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)失效就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，用后備單元代替失效的工作單元。返回目錄回看結(jié)束放映71 在設(shè)計(jì)中，究竟采用哪種冗余方法為好,要根據(jù)具體情況作具體分析。如果失效檢測(cè)和轉(zhuǎn)換裝置絕對(duì)可靠，則后備冗余的可靠度比

30、工作冗余法高，如果不絕對(duì)可靠，就寧肯采用工作冗余法,因工作冗余系統(tǒng)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是由于冗余單元分擔(dān)了工作應(yīng)力，各單元的工作應(yīng)力都低于額定值，因此其可靠度比預(yù)定值高。 選擇冗余法必須考慮產(chǎn)品性能上的要求,如果由多個(gè)單元同時(shí)完成同一工作顯著影響系統(tǒng)的工作特性時(shí)，就不能采用工作冗余法；產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須考慮環(huán)境條件和工作條件的影響， 例如，如果多個(gè)工作單元同時(shí)工作，因每個(gè)工作單元的溫升而產(chǎn)生系統(tǒng)所不能容許的溫升時(shí)，最好采用后備冗余法。又如系統(tǒng)的電源有限，不足以使冗余單元同時(shí)工作，也以采用后備冗余法為好。 決定是否采用冗余技術(shù)時(shí)，要分析引起失效的可能原因。當(dāng)失效真正是隨機(jī)失效時(shí)，冗余技術(shù)就能大大提高可靠度

31、，但如果失效是由于過(guò)應(yīng)力所引起的，冗余技術(shù)就沒(méi)有用。如果某一環(huán)境條件是使并聯(lián)各單元失效的共同因素，則冗余單元也并不可靠。 通常，機(jī)械系統(tǒng)很少采用冗余技術(shù)，而常采用裕度法來(lái)提高可靠性。 例如在強(qiáng)度、剛度、抗振性等方面采取較大的安全系數(shù)，實(shí)現(xiàn)可靠性儲(chǔ)備。當(dāng)然在采用冗余技術(shù)時(shí)，還要考慮經(jīng)濟(jì)上的可行性和產(chǎn)品的體積和重量等因素。返回目錄回看結(jié)束放映72 （3） 診斷技術(shù)診斷技術(shù)。從本質(zhì)上來(lái)看， 診斷技術(shù)是一種檢測(cè)技術(shù)， 用來(lái)取得有關(guān)系統(tǒng) (產(chǎn)品)中產(chǎn)生的失效(故障)類型和失效位置信息。它的任務(wù)有兩個(gè)：一是出現(xiàn)故障時(shí)，迅速確定故障的種類和位置，以便及時(shí)修復(fù)；二是在故障尚未發(fā)生時(shí)，確定產(chǎn)品中有關(guān)元器件距離極

32、限狀態(tài)的程度，查明系統(tǒng) (產(chǎn)品)工作能力下降的原因，以便采取維護(hù)措施或進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，防止發(fā)生故障。診斷的過(guò)程是：首先對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行特定的測(cè)試，取得診斷信號(hào)(輸出參數(shù))，再?gòu)脑\斷信號(hào)中分離出能表征故障種類和位置的異常性信號(hào)，即癥兆；最后將癥兆與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，確定故障的種類和故障位置。 測(cè)試：測(cè)試：通常有兩種測(cè)試，一是在故障出現(xiàn)之后，為了迅速確定故障的種類和位置，對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行的試驗(yàn)性測(cè)試，這時(shí)診斷對(duì)象處于非工作狀態(tài)，這種情況稱為診斷測(cè)試；二是在故障發(fā)生之前，診斷對(duì)象處于工作狀態(tài)，為了預(yù)測(cè)故障或及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障而進(jìn)行的在線測(cè)試，這種情況稱為故障監(jiān)測(cè)。 癥兆：癥兆：癥兆是有助于判斷故障種類和故障位置的

33、異常性診斷信號(hào)，可分為直接癥兆和間接癥兆兩類。直接癥兆是在檢測(cè)產(chǎn)品整機(jī)的輸出參數(shù)或可能出現(xiàn)故障的元、部件的輸出參數(shù)時(shí)，取得的異常性診斷信號(hào)。例如，系統(tǒng) (產(chǎn)品)的主要性能參數(shù)異常或有關(guān)機(jī)械零件的磨損量、變形量等參數(shù)變化的信號(hào)。間接癥兆是從那些與系統(tǒng) (產(chǎn)品)工作能力存在函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)中取出的異常性診斷信號(hào)。例如，系統(tǒng) (產(chǎn)品)的音響信號(hào)、溫度變化、潤(rùn)滑油中的磨損產(chǎn)物、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)(幅頻特性)等，都可作為取得間接癥兆的信號(hào)。采用間接癥兆進(jìn)行診斷的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以在系統(tǒng) (產(chǎn)品)處于工作狀態(tài)及不作任何拆卸的情況下,評(píng)價(jià)產(chǎn)品的工作能力。其缺點(diǎn)是，間接癥兆與系統(tǒng) (產(chǎn)品)輸出信號(hào)之間往往存在某種隨

34、機(jī)關(guān)系，此外，一些干擾因素也會(huì)影響間接癥兆的有效性。盡管如此，間接癥兆在診斷技術(shù)中還是得到了廣泛應(yīng)用。返回目錄回看結(jié)束放映73 診斷：診斷：診斷就是將測(cè)試取得的診斷信號(hào)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，或利用事先確定的癥兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)確定故障的種類與部位。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是根據(jù)系統(tǒng) (產(chǎn)品)或元、部件輸出參數(shù)的極限值來(lái)設(shè)定的。癥兆與故障之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)理論分析或模擬仿真試驗(yàn)來(lái)建立，這種關(guān)系用列表形式來(lái)表示時(shí)，稱為故障診斷表，有時(shí)稱為故障字典。 前面簡(jiǎn)述了保證系統(tǒng) (產(chǎn)品)可靠性的方法，其中裕度法主要是一種改進(jìn)硬件的措施，自動(dòng)控制法以及冗余技術(shù)和診斷技術(shù)是用硬件、軟件或兩者結(jié)合來(lái)保證系統(tǒng) (產(chǎn)品

35、)可靠性的措施。 3. 干擾和抗干擾措施 在機(jī)電一體化系統(tǒng) (產(chǎn)品)中，電噪聲的干擾是產(chǎn)生元部件失效或數(shù)據(jù)傳輸、處理失誤、進(jìn)而影響其可靠性的最常見和最主要的因素，這是機(jī)電一體化系統(tǒng) (產(chǎn)品)設(shè)計(jì)中不可忽視的問(wèn)題之一。 （1)干擾源干擾源。一般來(lái)說(shuō)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）中，用專用或通用微型計(jì)算機(jī)組成的控制器，其硬件經(jīng)過(guò)篩選和老化處理，可靠性非常高，平均無(wú)故障工作時(shí)間較長(zhǎng)，因此，引起控制器故障(失效)的原因多半不在于其本身，而在于從各種渠道進(jìn)入控制器的干擾信號(hào)。 返回目錄回看結(jié)束放映74 下圖表示干擾信號(hào)進(jìn)入控制器的各種渠道。這些渠道可分為兩大類型：一是傳導(dǎo)型，通過(guò)各種線路傳入控制器，包括供電

36、干擾、強(qiáng)電干擾和接地干擾等；二是輻射型，通過(guò)空間感應(yīng)進(jìn)入控制器，包括電磁干擾和靜電干擾等。 供電干擾供電干擾：控制器一般都配備有專用的直流穩(wěn)壓電源，即使如此，從交流供電網(wǎng)傳來(lái)的干擾信號(hào)仍然可能影響電源電壓的穩(wěn)定性，并可能經(jīng)過(guò)整流電源竄入控制器。這些干擾信號(hào)主要來(lái)源于附近大容量用電設(shè)備的負(fù)載變化和開、停時(shí)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)。這些設(shè)備在起動(dòng)時(shí)使電網(wǎng)電壓瞬時(shí)降低，在停止時(shí)又產(chǎn)生過(guò)電壓和沖擊電流。此外，雷電感應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。供電電網(wǎng)對(duì)控制器的另一種干擾是斷電或瞬時(shí)斷電，這將引起數(shù)據(jù)丟失或程序紊亂。 強(qiáng)電干擾強(qiáng)電干擾：驅(qū)動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓和沖擊電流

37、。這些干擾信號(hào)不僅影響驅(qū)動(dòng)電路本身，還會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)干擾其他信號(hào)線路。這種強(qiáng)電干擾信號(hào)能通過(guò)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(guò)I/O接口進(jìn)入控制器。 干擾渠道示意圖返回目錄回看結(jié)束放映75 輻射干擾輻射干擾：如果在控制系統(tǒng)附近存在磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)或電磁波輻射源，就可能通過(guò)空間感應(yīng)，直接干擾系統(tǒng)中的各設(shè)備(控制器、驅(qū)動(dòng)接口、轉(zhuǎn)換接口等)和導(dǎo)線，使其中的電平發(fā)生變化，或產(chǎn)生脈沖干擾信號(hào)。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(huì)引起電磁場(chǎng)的急劇變化，其觸點(diǎn)的火花放電也會(huì)產(chǎn)生高頻輻射。人體和處于浮動(dòng)狀態(tài)的設(shè)備都可能帶有靜電，甚至可能積累很高的電壓。在靜電場(chǎng)中，導(dǎo)體表

38、面的不同部位會(huì)感應(yīng)出不同的電荷，或?qū)w上原有的電荷經(jīng)感應(yīng)而重新分配，這些都將干擾控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 （2)抗干擾措施抗干擾措施。用來(lái)抑制上述各種干擾信號(hào)的產(chǎn)生或防止干擾信號(hào)危害的抗干擾措施，既有針對(duì)各種干擾源的性質(zhì)和部位而采取的措施，也有從全局出發(fā)而采取的提高產(chǎn)品可靠性的措施。 接地干擾接地干擾：接地干擾是由于接地不當(dāng)、形成接地環(huán)路產(chǎn)生的。下圖為接地環(huán)路的兩種典型情況。圖a是由于接地點(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；圖b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(guò)載或漏電等原因，可能在設(shè)備之間形成電位差；無(wú)論哪種情況形成的電

39、位差，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)顯著的電流而干擾電路的低電平。返回目錄回看結(jié)束放映76 供電系統(tǒng)的抗于擾措施：針對(duì)交流供電網(wǎng)絡(luò)這個(gè)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(lái)穩(wěn)定220V單向交流進(jìn)線電壓，可以進(jìn)一步提高電源電壓的穩(wěn)定性。 增加低通濾波器，用來(lái)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，以阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)通路，并抑制干擾信號(hào)的強(qiáng)度。 在可靠性要求很高的地方，可采用不間斷電源(具有備用直流電源)，以解決瞬時(shí)停電或瞬時(shí)電壓降所造成的危害。 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(dòng)接口

40、電路中，少不了由弱電轉(zhuǎn)強(qiáng)電的電感性負(fù)載，以及用來(lái)通、斷電感負(fù)載的觸點(diǎn)，這些都是產(chǎn)生強(qiáng)電干擾的干擾源。對(duì)于這種干擾，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)。這種強(qiáng)電干擾，也會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)影響控制器與檢測(cè)傳感器之間的轉(zhuǎn)換接口電路。對(duì)于這種干擾以及從空間感應(yīng)受到的其他輻射干擾，也需采取隔離的辦法，以免通過(guò)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)入控制器。采用RC電路或二極管和穩(wěn)壓二極管吸收在電感負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，以消除強(qiáng)電干擾。 采用光隔離措施以防止驅(qū)動(dòng)接口中的強(qiáng)電干擾及其他干擾信號(hào)進(jìn)入控制器。如下圖a所示,GT為光電耦合器，信號(hào)在其中單向傳輸，其輸入端與輸出端之間的寄生電容很小，絕緣電阻又非常大，

41、因此干擾信號(hào)很難從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。返回目錄回看結(jié)束放映77 轉(zhuǎn)換接口的隔離：為了防止各種干擾影響由檢測(cè)傳感器傳來(lái)的較弱的模擬信號(hào)，通常采用差分式運(yùn)算放大器來(lái)隔離干擾信號(hào)，其原理如下圖b所示。這種放大器的輸出信號(hào)決定于兩個(gè)輸入端的電位差，即UP -Ui，而干擾信號(hào)的相位及大小對(duì)兩個(gè)輸入端來(lái)說(shuō)是相同的，因此干擾信號(hào)就被抵消了。 對(duì)于近距離的檢測(cè)傳感器發(fā)出的數(shù)字或脈沖信號(hào)，不必再經(jīng)過(guò)放大，可采用下圖c所示的抗干擾電路。由R1和C1組成濾波器，濾去高頻干擾。由于經(jīng)過(guò)RC濾波后的脈沖信號(hào)往往有脈動(dòng)和抖動(dòng)，為了改善脈沖前沿，故增加了一級(jí)整形電路。 接地系統(tǒng)的抗干擾措施：要防止從接地系

42、統(tǒng)傳來(lái)的干擾，主要方法是切斷接地環(huán)路，通常采用以下措施。圖a 驅(qū)動(dòng)接口的光電隔離措施 圖b 差分式運(yùn)算放大器抗干擾原理圖c 近距離數(shù)字信號(hào)抗干擾接口電路返回目錄回看結(jié)束放映78 4. 軟件的可靠性技術(shù) 軟件的可靠性技術(shù)，大致包含以下兩方面的內(nèi)容。 （1） 利用軟件來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性 由于系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，因而系統(tǒng)的可靠性也分硬件可靠性和軟件可靠性兩個(gè)方面，通過(guò)提高元器件的質(zhì)量、采用冗余設(shè)計(jì)、進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)、增設(shè)抗干擾裝置等措施，能夠提高硬件的可靠性。但是要想得到理想的可靠度是不夠的，這要求利用軟件來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，其措施有： 增加系統(tǒng)信息管理的軟件，與硬件配合，對(duì)信息進(jìn)行保護(hù)。

43、 這包括防止信息被破壞,在出現(xiàn)故障時(shí)保護(hù)信息，在故障排除后，恢復(fù)信息等；利用軟件冗余，防止信息的輸入輸出過(guò)程及傳送過(guò)程中出錯(cuò)。如對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)采用重復(fù)校驗(yàn)方式， 對(duì)信息采用重復(fù)傳送并進(jìn)行校驗(yàn)等；編制診斷程序，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，找出故障的部位，以便縮短修理時(shí)間；用軟件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度，這包括在發(fā)生故障時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù),迅速將故障裝置切換成備用裝置；在過(guò)負(fù)荷或環(huán)境條件變化時(shí)，采取應(yīng)急措 施；在排除故障后，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常并投入運(yùn)行等。返回目錄回看結(jié)束放映79 （2）提高軟件的可靠性。 盡管采用軟件可提高系統(tǒng)可靠性， 但值得指出的是， 由于種種原因，軟件本身也會(huì)發(fā)生故障。為了減少出錯(cuò)，提高軟件的可靠性，使用戶

44、滿意，應(yīng)該采取以下措施：程序分段和層次結(jié)構(gòu)； 在進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將程序分成若干具有獨(dú)立功能的子程序塊，各程序塊可單獨(dú)也可和其 他程序一起使用，各程序塊之間通過(guò)一個(gè)固定的通信區(qū)和一些指定的單元進(jìn)行通信。每個(gè)程序塊能進(jìn)行調(diào)整和修改而不影確其他程序塊。這些各自獨(dú)立的程序塊在連接時(shí)， 盡量減少程序之間的依賴關(guān)系，按層次進(jìn)行排列，而各程序塊具有獨(dú)立功能， 因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于修改和擴(kuò)充、故障少。提高可測(cè)試性設(shè)計(jì)：軟件故障具有和硬件故障不同的特點(diǎn)， 軟件故障往往是在設(shè)計(jì)階段，由于人為錯(cuò)誤，或者在運(yùn)行初期輸入程序時(shí)的操作錯(cuò)誤而引起，很少發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行之后這種存在于程序內(nèi)的錯(cuò)誤，必須通過(guò)反復(fù)測(cè)試才能發(fā)現(xiàn)

45、，因此為了使軟件便于測(cè)試，應(yīng)進(jìn)行提高可測(cè)試性的設(shè)計(jì)，通常有三種方法：第一種方法是明確軟件規(guī)格，使測(cè)試易于進(jìn)行；第二種方法是把測(cè)試手段的設(shè)計(jì)作為軟件開發(fā)的一部分來(lái)進(jìn)行；第三種方法是把程序結(jié)構(gòu)本身組成便于測(cè)試的形式。對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試：要求軟件完全滿足用戶的要求，十全十美幾乎是不可能的。要軟件完全可靠、沒(méi)有故障，必須對(duì)軟件進(jìn)行多次測(cè)試，每測(cè)試一次，修改一次，逐步達(dá)到完善。 返回目錄回看結(jié)束放映80 測(cè)試的基本方法是給軟件一個(gè)典型的輸入，觀測(cè)輸出是否符合要求，如發(fā)現(xiàn)結(jié)果有錯(cuò)，應(yīng)設(shè)法將可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的區(qū)域逐步縮小，經(jīng)修改后,再次調(diào)試，直到消除所有錯(cuò)誤為止。 測(cè)試按照下述步驟進(jìn)行：?jiǎn)卧獪y(cè)試，即對(duì)每個(gè)程序塊單獨(dú)

46、地進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)各程序塊的測(cè)試，找出程序設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，測(cè)試可利用事先準(zhǔn)備好的經(jīng)過(guò)某種算法產(chǎn)生的測(cè)試碼來(lái)進(jìn)行；局部或系統(tǒng)測(cè)試，即對(duì)由若干程序塊組成的局部程序或系統(tǒng)程序進(jìn)行測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)各程序塊之間連接的正確性；系統(tǒng)功能調(diào)試，測(cè)試該軟件能實(shí)現(xiàn)的功能；現(xiàn)場(chǎng)安裝、綜合驗(yàn)收。 軟件，特別是應(yīng)用軟件，其可靠性除了取決于設(shè)計(jì)而使其具有固有的特性外，還取決于使用條件。必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，在實(shí)際系統(tǒng)中，按設(shè)計(jì)、使用雙方共同擬定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收調(diào)試，直到滿足用戶要求達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為止。 通過(guò)以上步驟，經(jīng)過(guò)調(diào)試后的軟件，應(yīng)該說(shuō)，發(fā)生軟件故障的可能性已減至最小限度。返回目錄回看結(jié)束放映81 二、二、 安全性設(shè)計(jì)安全性設(shè)

47、計(jì) 隨著生產(chǎn)機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械、裝配機(jī)械等的機(jī)電一體化的發(fā)展、自動(dòng)化程度的提高，安全性設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。從工業(yè)安全角度來(lái)看，要減少生產(chǎn)事故的發(fā)生，在很大程度上寄希望于發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)。本節(jié)以工業(yè)機(jī)器人為例討論安全性設(shè)計(jì)問(wèn)題。 1. 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生事故的原因 自動(dòng)化程度的提高使人們淡化了安全觀念，這是產(chǎn)生事故的主要原因之一。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)線的一個(gè)重要組成部分，設(shè)計(jì)人員往往不太注意機(jī)器人本身的安全措施。又由于機(jī)器人作為自動(dòng)化的手段，又容易忽視人-機(jī)的配合。故：對(duì)機(jī)器人的可靠性還較低的認(rèn)識(shí)不足；雖是自動(dòng)機(jī)械，但實(shí)際上與人有密切聯(lián)系，盡管人的不安全動(dòng)作直接與事故有聯(lián)系，但在設(shè)計(jì)和使用上還沒(méi)充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)；機(jī)器人的手臂是在三維空間運(yùn)動(dòng)的，沒(méi)有在整體上充分考慮安全保護(hù)措施。因此，在維修或調(diào)整時(shí)，自動(dòng)化機(jī)械突然起動(dòng)而造成事故的情況，以及在機(jī)器人或自動(dòng)機(jī)械的危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)、幾臺(tái)自動(dòng)機(jī)械的接口處、甚至由于鉤切屑等小事而造成事故的情況較多。發(fā)生機(jī)器人事故的情況(如被機(jī)器人搬運(yùn)的工件碰傷、或被機(jī)械手碰傷、夾住等）多數(shù)是在某種誤動(dòng)作時(shí)發(fā)生的。誤動(dòng)作的原因主要是機(jī)器人的可靠性低引起的