現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)(講義)

1、現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)Modern mechano-electronic system engineering 課程編號(hào)：1220312022 學(xué)分?jǐn)?shù)：2 開課單位：機(jī)械學(xué)院 課內(nèi)總時(shí)數(shù)：32 課程性質(zhì)： þ學(xué)位課 ¨非學(xué)位課 任課教師姓名及職稱：楊公源 教授 開課學(xué)期：I 教學(xué)方式：講授與實(shí)踐 一、 教學(xué)要求及目的：要求學(xué)生熟悉和掌握現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)理論，包括環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的建模（集中參數(shù)、分布參數(shù)、時(shí)變與非線性等環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的建模），控制理論（傳統(tǒng)、現(xiàn)代、最優(yōu)、自適應(yīng)、智能等理論），基于系統(tǒng)整體最佳的傳感檢測(cè)技術(shù)及工程實(shí)踐、伺服傳動(dòng)技術(shù)及工程實(shí)踐，運(yùn)動(dòng)控制和過程控制技術(shù)及

2、工程實(shí)踐，精密機(jī)械技術(shù)及工程實(shí)踐。目的是使學(xué)生能夠?qū)⑸鲜隼碚摵图夹g(shù)融會(huì)貫通，以工藝為主線、控制理論為指導(dǎo)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用為手段、系統(tǒng)整體最佳為目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)教學(xué)要求及目的，在理論講授之外，還要面對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行研討和實(shí)踐。二、 課程的主要內(nèi)容1、 系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)相互制約的各個(gè)部分如何構(gòu)成具有一定功能的整體（即系統(tǒng)）；機(jī)電系統(tǒng)的涵義；機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)的涵義。2、 環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的建模 機(jī)理建模，辨識(shí)建模，觀測(cè)器建模；分布參數(shù)模型的集中參數(shù)表示；時(shí)變模型、非線性模型的分段處理。3、 現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)傳統(tǒng)（經(jīng)典）控制理論，現(xiàn)代控制理論，系統(tǒng)辨識(shí)理論，智能控制理論，最優(yōu)控制理論，

3、自適應(yīng)控制理論。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，過程控制技術(shù)，混合控制技術(shù)，微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，精密機(jī)械技術(shù)，系統(tǒng)整體技術(shù)。4、 機(jī)械電子學(xué)（機(jī)電一體化）與機(jī)電融合“Mechatronics”理念的涵義，機(jī)電融合多鐘理論和技術(shù)的相互交叉、相互滲透、融會(huì)貫通和綜合運(yùn)用。5、 傳感檢測(cè)裝置與機(jī)電系統(tǒng)的匹配新型位置檢測(cè)、速度檢測(cè)和加速度檢測(cè)；新型多軸系統(tǒng)的同步檢測(cè)，新型多單元（多機(jī)架，多分部）跟隨系統(tǒng)的張力檢測(cè)；新型溫度、壓力、液位、流量、濃度、成份的檢測(cè)與變送；纖維層厚度的非接觸檢測(cè)，條干檢測(cè)，織物疵點(diǎn)檢測(cè)；復(fù)合材料定量在線檢測(cè)。6. 執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器與機(jī)電系統(tǒng)的匹配新型變頻器及變頻電

4、動(dòng)機(jī)；新型伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電動(dòng)機(jī)；小慣量專用電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器；新型電主軸；懸浮電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器；擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器；糾偏一體化裝置；新型液壓缸一體化裝置；新型液壓馬達(dá)一體化裝置；新型氣缸一體化裝置；新型在線自動(dòng)滴定裝置。7 運(yùn)動(dòng)控制器與機(jī)電系統(tǒng)的匹配1）基于微控制器、微處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，2.）基于ARM和專用芯片（ASIC）的運(yùn)動(dòng)控制器，3） 基于ARM和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器，4） 基于ARM和DSP的運(yùn)動(dòng)控制器，5） 基于工業(yè)PC的以DSP、FPGA為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器，6）Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制器，7）嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器，8）具有運(yùn)動(dòng)控制功能的PLC，9）采用可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）

5、的運(yùn)動(dòng)控制器，10）采用可編程自動(dòng)化控制器（PAC）的運(yùn)動(dòng)控制器，11）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS，12）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS。8 過程控制器與機(jī)電系統(tǒng)的匹配1) 基于專用集成電路（ASIC）的過程控制器（調(diào)節(jié)器），2）基于ARM的過程控制器（調(diào)節(jié)器），3 ）可編程調(diào)節(jié)器，4）智能調(diào)節(jié)器，5） 過程控制站（PCS），6 ）基于DSP和ARM的過程控制器，.7）基于PC總線的開放式過程控制器，8）具有過程控制功能的PLC，9 ）具有過程控制模塊的PLC，10）具有遠(yuǎn)程過程控制模塊的PLC，11） 具有PC機(jī)模塊的PLC，12）具有多CPU模塊的PLC，13）集散控制系統(tǒng)DCS，14）現(xiàn)場總線控

6、制系統(tǒng)FCS，15 ）計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)CIPS。9 現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)1）環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析2）半閉環(huán)與全閉環(huán)機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析3）半閉環(huán)與全閉環(huán)機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差4）半閉環(huán)與全閉環(huán)機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析5）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)法6）計(jì)算機(jī)輔助工具M(jìn)ATLAB應(yīng)用三、 預(yù)修課程：1、 線性控制理論2、 泛函分析。四、 適用專業(yè)、范圍：工學(xué)學(xué)科各學(xué)科、專業(yè)現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)第1章 概述1.1系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)1.2 機(jī)電系統(tǒng)的組成和功能1.3 機(jī)械的分類1.4 機(jī)電系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)1.5 機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1.6 國內(nèi)外機(jī)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀1.7 機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 第2章 機(jī)電系

7、統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)2.1 控制理論（傳統(tǒng)、現(xiàn)代、智能）2.2 系統(tǒng)工程理論2.3 系統(tǒng)辨識(shí)與建模理論2.4 隨機(jī)過程理論2.5 自適應(yīng)控制理論2.7 最優(yōu)控制理論2.8 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)2.9 過程控制技術(shù)2.10 混合控制技術(shù)2.11 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS）2.12計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）2.13 智能生產(chǎn)系統(tǒng)第3章 傳感器與系統(tǒng)的匹配（以紡織機(jī)械為例）3.1 異性纖維檢測(cè)3.2 纖維層厚度檢測(cè)3.3 纖維條條干均勻度檢測(cè)3.4 粗紗條干均勻度檢測(cè)3.5 細(xì)紗條干均勻度檢測(cè)3.6 紗條外觀檢測(cè)3.7 紗條張力檢測(cè)3.8 紗線回潮率檢測(cè)3.9 紗線上漿率檢測(cè)3.10 織物疵點(diǎn)檢測(cè)

8、3.11 織物緯斜檢測(cè)3.12 織物線速度非接觸檢測(cè)3.13織物張力非接觸檢測(cè)3.14 織物溫度非接觸檢測(cè)3.15 織物白度檢測(cè)3.16 織物色差檢測(cè)3.17 軋余率檢測(cè)3.18 織物回潮率檢測(cè)3.19 織物幅寬檢測(cè)3.20 溶液流量檢測(cè)3.21 氣體質(zhì)量流量檢測(cè)3.22 液位檢測(cè)3.23 物位檢測(cè)3.24 溶液濃度檢測(cè)3.25 溶液粘度檢測(cè)3.26 烘房溫度檢測(cè)3.27 復(fù)合材料定量檢測(cè)3.28 材料厚度檢測(cè)第4章 執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)的匹配4.1 新型直流電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器4.2 交流異步伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器4.3 交流永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器4.4 小慣量專用電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器4.5 直線電動(dòng)機(jī)

9、和驅(qū)動(dòng)器4.6 直接傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器4.7 新型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器4.8 磁致伸縮電動(dòng)機(jī)4.9 擺動(dòng)電動(dòng)機(jī)4.10 懸浮電動(dòng)機(jī)4.11 糾偏一體化電動(dòng)機(jī)4.12 比例電磁鐵和驅(qū)動(dòng)器4.13 電磁粉末制動(dòng)器/離合器和驅(qū)動(dòng)器4.14 新型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和驅(qū)動(dòng)器4.15 液壓馬達(dá)PWM一體化裝置4.16 液壓缸PWM一體化裝置4.17 脈沖編碼調(diào)制(PCM)電液裝置4.18 氣缸一體化裝置第5章 運(yùn)動(dòng)控制器與系統(tǒng)的匹配5.1 運(yùn)動(dòng)控制的學(xué)科屬性5.2 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的綜合性5.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組態(tài)5.4 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心 運(yùn)動(dòng)控制器5.5 運(yùn)動(dòng)控制器的分類與功能5.6 基于專用集成電路（ASIC）的

10、運(yùn)動(dòng)控制器5.7 基于ARM的運(yùn)動(dòng)控制器5.8 基于ARM和CPLD的運(yùn)動(dòng)控制器5.9 基于ARM和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器5.10 基于DSP和CPLD的運(yùn)動(dòng)控制器5.11 基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器5.12 基于DSP和ARM的運(yùn)動(dòng)控制器5.13 基于PC總線、DSP和FPGA的開放式運(yùn)動(dòng)控制器5.14 Soft型開放式運(yùn)動(dòng)控制器5.15 基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制器5.16 嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器5.17 具有運(yùn)動(dòng)控制功能的PLC5.18 具有運(yùn)動(dòng)控制模塊的PLC5.19 具有遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制模塊的PLC5.20 具有PC機(jī)模塊的PLC5.21 具有多CPU模塊的PLC5.22 可編程計(jì)算機(jī)控制器（PC

11、C）5.23 可編程自動(dòng)化控制器（PAC）5,24 混合型控制器5.25 EIC控制器5.26 程序運(yùn)動(dòng)控制器5.27 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)集成第6章 過程控制器與系統(tǒng)的匹配6.1 基于專用集成電路（ASIC）的過程控制器（調(diào)節(jié)器）6.2 基于ARM的過程控制器（調(diào)節(jié)器）6.3 可編程調(diào)節(jié)器6.4 智能調(diào)節(jié)器6.5 過程控制站（PCS）6.6 基于DSP和ARM的過程控制器6.7 基于PC總線的開放式過程控制器6.8 具有過程控制功能的PLC6.9 具有過程控制模塊的PLC6.10 具有遠(yuǎn)程過程控制模塊的PLC6.11 具有PC機(jī)模塊的PLC6.12 具有多CPU模塊的PLC6.13 可編程計(jì)算機(jī)控制

12、器（PCC）6.14 可編程自動(dòng)化控制器（PAC）6.15 過程控制系統(tǒng)集成（CIPS）第7章 混合型控制器與系統(tǒng)的匹配7.1 混合型控制器的概念7.2 運(yùn)動(dòng)控制器與過程控制器的相互接近（滲透、融合）7.3 多CPU工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(MIPC)7.4 混合型控制器（HC900）7.5 可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）7.7 多CPU模塊PLC7.8 具有運(yùn)動(dòng)控制模塊和過程控制模塊的PLC7.9 CIMS與CIPS的融合（CIM理念的拓展）第8章 機(jī)電系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與仿真8.1 環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8.2 半閉環(huán)與全閉環(huán)機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析8.3 半閉環(huán)與全閉環(huán)機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差8.4 半閉環(huán)與全閉環(huán)

13、機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析8.5 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)法8.6 計(jì)算機(jī)輔助工具的應(yīng)用（后六章為應(yīng)用實(shí)例） 第1章 概述1.1機(jī)電系統(tǒng)的含義1.1.1 關(guān)于系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)的含義1. 關(guān)于“系統(tǒng)“世界著名的科學(xué)家錢學(xué)森教授指出：“所謂系統(tǒng)，是由相互制約的各個(gè)部分組成的具有一定功能的整體”。因此，系統(tǒng)本身就強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)部分之間的協(xié)調(diào)與匹配，實(shí)現(xiàn)整體最佳，以便實(shí)現(xiàn)期望的功能。2. 關(guān)于“機(jī)電、機(jī)械電子、機(jī)電系統(tǒng)”關(guān)于“機(jī)電”，在英漢詞典中與之對(duì)應(yīng)的詞匯有：electromechanical(機(jī)電的)，electromechanics(機(jī)電學(xué))，mechno-electronic(機(jī)械電子的)，還有日

14、本人創(chuàng)造的英文單詞“Mechatronics”,即“機(jī)械電子學(xué)”或“機(jī)電一體化”。在國內(nèi)，還有人在“mechano-electronic”后面分別加上了“Engineering”、“Science”、“Technology”、“Control Technology”、“Product”以及“System”等詞，從而產(chǎn)生了“機(jī)電工程學(xué)”、“機(jī)電科學(xué)”、“機(jī)電技術(shù)”、“機(jī)電控制技術(shù)”、“機(jī)電產(chǎn)品”以及“機(jī)電系統(tǒng)”等詞匯。1971年，日本的機(jī)械設(shè)計(jì)副刊特集中首次提出了“Mechatronics”一詞，即“機(jī)械電子學(xué)”，它是機(jī)械(Mechanics)和電子(Electronics)兩個(gè)詞的復(fù)合詞，在我

15、國，通常將其翻譯成“機(jī)電一體化”。機(jī)電一體化至今還沒有統(tǒng)一的嚴(yán)格的定義，最簡潔的解釋是“機(jī)械與電子的有機(jī)結(jié)合”。經(jīng)過多年的實(shí)踐，人們對(duì)“機(jī)電一體化”的認(rèn)識(shí)不斷深入，“機(jī)電一體化”也不斷地被賦予新的內(nèi)容?！癕echatronics”也被美國、英國及歐洲所認(rèn)可。機(jī)電一體化的核心是控制，因此，有人將機(jī)電系統(tǒng)稱為機(jī)電控制系統(tǒng) ，機(jī)電系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)與匹配，以便達(dá)到系統(tǒng)整體最佳的目標(biāo)，。當(dāng)今，采用機(jī)電一體化技術(shù)所設(shè)計(jì)和制造的機(jī)電系統(tǒng)，就其涵義而言，已從最初的“在機(jī)械制造中引入電子技術(shù)” ，拓寬為“機(jī)電儀一體化(MEI)”，或“機(jī)電光儀一體化”。再進(jìn)一步，有

16、些專家認(rèn)為，機(jī)電一體化是不同層次的CIMS(Computer Integrated Manufacturing System直譯為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，意譯為計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng))。就其應(yīng)用的制造工業(yè)而言，它已由最初的離散型制造工業(yè)拓寬到連續(xù)型流程工業(yè)和混合型制造工業(yè)。就其技術(shù)而言，它是微電子、電力電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、通信、傳感檢測(cè)、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、精密機(jī)械以及自動(dòng)控制等多種技術(shù)相互交叉、相互滲透、有機(jī)結(jié)合而成的一種新的綜合性技術(shù)。 就其理念而言，它強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)5大要素(部分)之間的協(xié)調(diào)與配合，即系統(tǒng)整體最佳，簡稱“最佳匹配” ；它強(qiáng)調(diào)的是上述十種技術(shù)的融會(huì)貫通，綜合運(yùn)用；它強(qiáng)調(diào)的是

17、工藝、機(jī)械、控制的有機(jī)結(jié)合。就學(xué)科而言，它是一門邊緣學(xué)科。當(dāng)今的機(jī)電一體化系統(tǒng)，早已拚棄了過去的“機(jī)械電氣”的拼合模式，而是把機(jī)械與電子有機(jī)地結(jié)合起來，是一種“融合”模式。應(yīng)用機(jī)電一體化控制技術(shù)就會(huì)開發(fā)出各式各樣的機(jī)電系統(tǒng)，機(jī)電系統(tǒng)遍及各個(gè)領(lǐng)域。3. 關(guān)于“現(xiàn)代機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)”“系統(tǒng)工程”的一般定義（含義）：系統(tǒng)工程是從整體出發(fā)合理開發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的工程技術(shù)。它根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，綜合應(yīng)用自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)中有關(guān)的思想、理論和方法，利用電子計(jì)算機(jī)作為工具，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、要素、信息和反饋等進(jìn)行分析，以達(dá)到最優(yōu)規(guī)劃、最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)管理和最優(yōu)控制的目的。在上一段內(nèi)容的前面冠以“機(jī)電”兩

18、字，就是機(jī)電系統(tǒng)工程的定義（含義）。1.1.2 紡織機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)的含義 紡織機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)是紡織機(jī)械上的機(jī)電系統(tǒng)。涉及“開、清、梳、并、粗、細(xì)、絡(luò)、整經(jīng)、漿紗、織造、退漿、煮練、漂白、絲光、預(yù)縮、染色、印花、拉幅定型以及特殊整理”等一系列機(jī)械和裝備。1.2 機(jī)電系統(tǒng)的組成和功能1.2.1 機(jī)電系統(tǒng)的組成機(jī)電系統(tǒng)涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、軍事、建筑、辦公、文化娛樂以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，可以說是種類繁多、千差萬別，但歸納起來，它們都是由機(jī)械裝置、傳感器、驅(qū)動(dòng)器（動(dòng)力裝置）、執(zhí)行器和計(jì)算機(jī)這五個(gè)部分(五大要素)組成。與圖1-1對(duì)應(yīng)的是五大功能，如圖1-2所示。 圖1-1 機(jī)電系統(tǒng)的五大要素 圖 1-2

19、機(jī)電系統(tǒng)的五大功能1.2.2 紡織機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)的特征和功能 1. 被加工材料的“柔性” 無論是天然纖維、羊毛還是合成纖維，其本身的柔性加大了檢測(cè)和加工的難度，例如，棉條、粗紗和細(xì)紗條干均勻度的檢測(cè)與控制，上漿率的檢測(cè)與控制，織物伸長率的檢測(cè)與控制等等。 被加工材料的柔性也增加了建立數(shù)學(xué)模型的難度，就以最簡單的“松緊架”為例，自1957年至今，國外文獻(xiàn)中介紹的數(shù)學(xué)模型就有16種，其表達(dá)式相差甚遠(yuǎn)。松緊架有兩種，一種是三棍升降式松緊架，另一種是三棍擺式松緊架。三輥升降式松緊架由兩只固定輥、升降輥、大鏈輪、大鏈條、重錘(配重)、小連輪、小鏈輪及角度傳感器組成。角度傳感器取出的電壓信號(hào)就代表升降輥的位

20、置，升降輥的零位設(shè)定在兩只大鏈輪的中間處?？椢锏膹埩τ膳渲貋碓O(shè)定。三棍擺式松緊架與升降式松緊架的差別是可動(dòng)輥形式不同，可動(dòng)輥繞著支點(diǎn)擺動(dòng)，故稱為擺輥，擺輥既可自轉(zhuǎn)又可繞支點(diǎn)擺動(dòng)。當(dāng)擺動(dòng)角度較小時(shí)，擺式松緊架和升降式松緊架可統(tǒng)一用圖1-3來描述。 圖1-3 松緊架示意圖列寫有關(guān)的方程如下： 可動(dòng)輥位移可動(dòng)輥角度傳感器的輸出電壓對(duì)以上各式取拉氏變換，得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)，然后繪出松緊架的結(jié)構(gòu)圖，如圖1-4所示。應(yīng)用穩(wěn)定判據(jù)分析，可得出結(jié)論，即當(dāng)時(shí)間常數(shù)相互錯(cuò)開，即T25T53，對(duì)穩(wěn)定性有利。 由圖1-4可知，引起可動(dòng)輥位移的因素有： 1. 傳動(dòng)輥1線速度 2. 傳動(dòng)輥2線速度 3. 進(jìn)入本張力區(qū)之前

21、織物的彈性變形 4. 加壓力 圖1-4 松緊架結(jié)構(gòu)圖由圖1-4可知： 結(jié)論是電壓信號(hào)Usy與速差積分成正比。2. 被加工材料的“不確定性“ 以純棉半制品和制品為例，不同產(chǎn)地棉花的纖維平均長度不同，經(jīng)過梳理、并合、牽伸、加捻后的粗紗、細(xì)紗的條干參數(shù)在軸向是不確定的，只是在樣本數(shù)足夠大的條件下可計(jì)算出條干變異系數(shù)，這也增大了建立數(shù)學(xué)模型和制定控制策略的難度。 例如，高速并條機(jī)輸出棉條的速度是1800m/min，30m/s，30mm/ms，如果要求勻整的短片段為30mm，則要求從傳感器檢測(cè)、計(jì)算機(jī)計(jì)算、伺服驅(qū)動(dòng)器輸出、伺服電動(dòng)機(jī)變速到改變牽伸比，必需在1ms內(nèi)完成，這可能嗎？即便可能，由于材料的不確

22、定性，可能導(dǎo)致相反的控制結(jié)果。就并條機(jī)而言，目前采用的開環(huán)、閉環(huán)以及混合環(huán)的控制策略已經(jīng)不能滿足要求，需要研制、開發(fā)新型控制策略和算法。 3. 多個(gè)單元之間的“耦合“與“解耦”、“同步”與“張力” 紡織機(jī)械的特征之一是“多單元”，如，清、梳、并聯(lián)合機(jī)，細(xì)、絡(luò)聯(lián)合機(jī)，漿紗機(jī)，退、煮、漂聯(lián)合機(jī)，絲光機(jī)，軋染機(jī)，拉幅定型機(jī)等，圖1-5 所示的是連續(xù)軋染機(jī)工藝流程圖。對(duì)于連續(xù)軋染機(jī)，軋車、透風(fēng)架、預(yù)烘箱、焙烘箱、烘筒、蒸洗箱、水洗箱中的傳動(dòng)單元，由于介質(zhì)、環(huán)境和織物工藝路徑的不同，加之導(dǎo)輥直徑、減速機(jī)的減速比以及電機(jī)功率的不同，要實(shí)現(xiàn)任意車速設(shè)定下，28個(gè)單元在動(dòng)態(tài)過程中的嚴(yán)格同步升、降速，且各個(gè)松緊

23、架均應(yīng)處于零位附近，既要利用“耦合”又要解除“耦合”，即“解耦”，既要“同步”又要“張力”恒定，必需研發(fā)智能型控制系統(tǒng)。 圖1-5 連續(xù)軋染機(jī)工藝流程圖 4. 工藝過程的“時(shí)變”特性和“非線性”特性 在圖1-5中，退卷軸的織物每退繞一層，退繞軸的半徑就減少一個(gè)織物厚度，因此，退繞軸半徑是隨時(shí)間變化的變量，為了有效地進(jìn)行控制，需要建立退繞過程的數(shù)學(xué)模型。退繞軸上織物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb為：（1-11）（1-12）（1-13）（1-14）力矩平衡方程式為：（1-15）（1-16）（1-17）（1-18）（1-19）（1-20）（1-21）（1-22）（1-23）式中：r1單位寬度織物的質(zhì)量密度；q1占積

24、率；r1退繞軸軸半徑；r10 空軸半徑；g1織物的比重；g重力加速度；b1織物的寬度；K1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變換系數(shù)；Md 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；MZ 阻轉(zhuǎn)矩；1 變速比，1=1/2'；J1 折算到電動(dòng)機(jī)軸上等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JD 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JK 空軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jb 軸上織物的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 1AC伺服電動(dòng)機(jī)的角速度；1 折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上等效的粘性摩擦系數(shù)；r1 退繞軸的半徑；1 每層織物的厚度；r1m退繞軸滿軸時(shí)的半徑；n1退繞的層數(shù)；F 織物張力；v1 織物退繞線速度；v2e等效卷取線速度；kf 張力系數(shù)；K2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換系數(shù)；K3 退繞軸半徑變化轉(zhuǎn)換系數(shù)。以上，式（1-11）（1-23）描述

25、了退繞軸退繞過程的動(dòng)力學(xué)特征，其數(shù)學(xué)表達(dá)式中包括退繞軸瞬時(shí)半徑的4次方運(yùn)算、瞬時(shí)半徑的3次方與瞬時(shí)半徑導(dǎo)數(shù)的乘法運(yùn)算、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度的乘法運(yùn)算、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度導(dǎo)數(shù)的乘法運(yùn)算、角速度與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)數(shù)的乘法運(yùn)算以及速差的積分運(yùn)算等等，使得退繞軸的數(shù)學(xué)模型為非線性、時(shí)變數(shù)學(xué)模型，增大了分析和控制的難度。 關(guān)于退繞張力控制方式，第一種控制方式是摩擦傳動(dòng)退繞方式，如圖1-5所示，摩擦傳動(dòng)裝置由變頻器、變頻電動(dòng)機(jī)、減速器以及摩擦輥等組成，在摩擦輥?zhàn)銐蛘龎毫Φ淖饔孟?，借助摩擦力將織物從退繞軸拉出。理論上，這種控制方式的退繞線速度是恒定的，便于進(jìn)行同步和張力控制，但是，使用這種裝置的印染企業(yè)，因?yàn)榇纹仿氏喈?dāng)

26、高，都放棄了原設(shè)備的自控功能，不得已采用人工調(diào)節(jié)，其方式五花八門，影響觀瞻。 第二種退繞張力控制方式是中心傳動(dòng)退繞方式，這種方式又分為消極傳動(dòng)方式和積極傳動(dòng)方式。消極傳動(dòng)是對(duì)退繞軸進(jìn)行制動(dòng)，通過調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩來保持織物張力恒定。常用的有電磁粉末制動(dòng)器或帶式氣動(dòng)制動(dòng)裝置。積極傳動(dòng)是使用變頻電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)，通過可變功率分配來控制織物張力。 5. “分布參數(shù)”與“集中參數(shù)”關(guān)于分布參數(shù)，簡單的說就是參數(shù)是時(shí)間和空間的函數(shù)，分布參數(shù)系統(tǒng)需要用偏微分方程和泛函微分方程來描述。集中參數(shù)系統(tǒng)可以用有限個(gè)變量來描述，而分布參數(shù)系統(tǒng)必須用場（一維或多維空間變量的函數(shù)來描述）。就紡織材料而言，其工藝過程無疑

27、屬于分布參數(shù)系統(tǒng)，由于種種原因，人們只能用集中參數(shù)（亦稱集總參數(shù)）系統(tǒng)來進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和控制。 以上，從五個(gè)方面簡要地介紹了紡織機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)的特征，這些特征增加了紡織機(jī)電系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和控制的難度。僅以紡織機(jī)械上最簡單的“松緊架”為例，其示意圖如圖1-3所示。當(dāng)簡化為集中參數(shù)時(shí)，有關(guān)表達(dá)式如式（1-1）式（1-10）所示，對(duì)各式取拉氏變換后，可繪出松緊架的結(jié)構(gòu)圖，如圖1-4所示。 面對(duì)圖1-4，應(yīng)用梅遜公式，可锝： （1）單獨(dú)回路增益 G2G3 G2G6 G1G3 G1G6 G1G2G3 G1G2G6 G1G6G2G3 G2G6G1G3 (2) 兩兩互不接觸回路 G1G6G2G3 G1G3G2

28、G6特征式： 1G2G3G2G6G1G3G1G6G1G2G3G1G2G64G1G2G3G61.3 紡織機(jī)械的分類1.3.1 根據(jù)工藝分類 1. 開棉機(jī) 2. 清棉機(jī) 3. 抓棉機(jī) 4. 混棉機(jī) 5. 成卷機(jī) 6. 開清棉聯(lián)合機(jī) 7. 梳棉機(jī) 8. 并條機(jī) 9. 粗紗機(jī) 10. 絡(luò)筒機(jī) 11. 整經(jīng)機(jī) 12. 漿紗機(jī) 13 有梭織機(jī) 14. 劍桿織機(jī) 15. 噴氣織機(jī) 16. 片梭織機(jī) 17. 噴水織機(jī) 18. 退漿機(jī) 19. 煮練機(jī) 20. 水洗機(jī) 21. 烘干機(jī) 22. 筒子染色機(jī) 23. 液流染色機(jī) 24. 氣流染色機(jī) 25. 卷染機(jī) 26. 連續(xù)軋染機(jī) 27. 圓網(wǎng)印花機(jī) 28. 平網(wǎng)印

29、花機(jī) 29 磁棒印花機(jī) 30 噴墨印花機(jī) 31. 拉幅定型機(jī)1.3.2 根據(jù)系統(tǒng)的屬性分類 1. 運(yùn)動(dòng)控制類型 2. 過程控制類型 3. 混合控制類型1.4 紡織機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ) 見目錄。1.5 紡織機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1.5.1 環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的建模技術(shù)1.5.2 異性纖維檢測(cè)和剔除技術(shù)1.5.2 棉網(wǎng)厚薄均勻度檢測(cè)和控制技術(shù)1.5.3 棉條條干均勻度在線檢測(cè)與控制技術(shù)1.5.4 粗紗條干均勻度在線檢測(cè)與控制技術(shù)1.5.5 細(xì)紗條干均勻度在線檢測(cè)與控制技術(shù)1.5.6 紗線上漿率在線檢測(cè)與控制技術(shù)1,5.7 紗線張力在線非接觸檢測(cè)與控制技術(shù)1.5.8 織物張力在線非接觸檢測(cè)與控制

30、技術(shù)1.5.9 烘房內(nèi)溫度與濕度的解耦控制技術(shù)1.5.10 pH值在線檢測(cè)與控制技術(shù)1.5.11 色差在線檢測(cè)與控制技術(shù)1.5.12 多軸傳動(dòng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)1.5.13 多點(diǎn)（即夾持點(diǎn)）傳動(dòng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)1.5.14 基于多源信息融合技術(shù)的纖維動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)技術(shù)1.6.15 特種纖維多層角聯(lián)織造技術(shù)1.5.16 綠色印染技術(shù)（廢液中的物質(zhì)回收、廢液處理、熱能綜合利用、自動(dòng)配液） 紡織機(jī)電工程學(xué)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)就大類而言，紡織機(jī)械包括棉紡、毛紡和化纖機(jī)械。紡織機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以工藝為主線，控制理論為指導(dǎo)，系統(tǒng)整體最佳為目標(biāo)，這就涉及到以下理論和技術(shù)：傳統(tǒng)控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論、系統(tǒng)

31、工程理論、系統(tǒng)辨識(shí)與建模理論、隨機(jī)過程理論、自適應(yīng)控制理論、最優(yōu)控制理論、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、過程控制技術(shù)、混合控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)（直譯：計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS）和智能生產(chǎn)系統(tǒng)。 。2.8 運(yùn)動(dòng)控制的含義2.8.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類在介紹運(yùn)動(dòng)控制的概念之前，首先要了解自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類方法。根據(jù)分類目的的不同，有多種分類方法，以下是常用的分類方法。1. 根據(jù)信號(hào)傳遞路徑來分類：可分為開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和復(fù)式系統(tǒng)。2. 根據(jù)參考輸入信號(hào)的特征來分類：可分為恒值系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和程序系統(tǒng)。3. 根據(jù)所用元件的類型來分類：可分為電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和氣壓（氣動(dòng)）系統(tǒng)。4. 根據(jù)系統(tǒng)參

32、數(shù)是否隨時(shí)間變化來分類：可分為定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)。5. 根據(jù)系統(tǒng)是否滿足疊加原理來分類：可分為線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。6. 根據(jù)系統(tǒng)中所有信號(hào)是否是時(shí)域連續(xù)信號(hào)來分類：可分為連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)（包括采樣系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)）。7. 根據(jù)被控變量的屬性（或系統(tǒng)的功用）來分類：可分為溫度、壓力、流量、液位、位置、速度、加速度、力和力矩等控制系統(tǒng)。以上分類方法還可以組合應(yīng)用，例如，通常將溫度、壓力、流量、液位、物位、成分和濃度等控制系統(tǒng)稱為過程控制系統(tǒng)；將位置、速度、加速度、力和力矩等控制系統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)這種組合分類方法，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)兩大類型。2.8.1.2 運(yùn)動(dòng)控

33、制的含義運(yùn)動(dòng)控制是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行位置、速度、加速度、力和力矩控制，使運(yùn)動(dòng)部件能夠按照期望的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)完成相應(yīng)的動(dòng)作。 根據(jù)系統(tǒng)所用元件的類型，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)又可分為電氣、液壓、氣壓(氣動(dòng))等運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 圖 2-8-1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成2.8.1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成如圖2-8-1所示，系統(tǒng)由傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器和機(jī)構(gòu)（機(jī)械部分）組成。1. 控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器種類繁多，如，基于專用集成電路（ASIC）的運(yùn)動(dòng)控制器；基于IPC和運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制器；基于ARM的運(yùn)動(dòng)控制器；基于ARM和CPLD的運(yùn)動(dòng)控制器；基于ARM和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器

34、；基于DSP和CPLD的運(yùn)動(dòng)控制器；基于DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器；基于DSP和ARM的運(yùn)動(dòng)控制器；基于PC總線、DSP和FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器；具有運(yùn)動(dòng)控制功能的PLC；具有運(yùn)動(dòng)控制模塊的PLC；具有遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制模塊的PLC；具有多CPU模塊的PLC；可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）和可編程自動(dòng)化控制器（PAC）等。2. 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器是動(dòng)力裝置，如，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)交流變頻電動(dòng)機(jī)的變頻器，驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)或液壓缸的液壓泵；驅(qū)動(dòng)氣壓馬達(dá)或氣缸的空壓機(jī)。3. 執(zhí)行器執(zhí)行器包括以電、氣壓和油壓等作為動(dòng)力源的各種元器件及裝置。如以電作為動(dòng)力源的普通直流電動(dòng)

35、機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、三相交流變頻電動(dòng)機(jī)、三相交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)、比例電磁鐵、電磁粉末離合器/制動(dòng)器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及電磁泵等，以氣壓作為動(dòng)力源的氣壓馬達(dá)和氣缸，以油壓作為動(dòng)力源的液壓馬達(dá)和液壓缸等。4. 機(jī)構(gòu)（機(jī)械部分）機(jī)械是由機(jī)械零件組成的、能夠傳遞運(yùn)動(dòng)并完成某些有效工作的裝置。機(jī)械由輸入部分、轉(zhuǎn)換部分、傳動(dòng)部分、輸出部分以及安裝固定部分等組成。通用的傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零件有齒輪、齒條、鏈條、鏈輪、蝸桿、蝸輪、帶、帶輪、曲柄以及凸輪等等。兩個(gè)零件互相接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就形成了運(yùn)動(dòng)副，由若干運(yùn)動(dòng)副組成的具有確定運(yùn)動(dòng)的裝置稱為機(jī)構(gòu)。就傳動(dòng)而言，機(jī)構(gòu)就是傳動(dòng)鏈。為

36、了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)整體最佳的目標(biāo)，從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面來考慮，傳動(dòng)鏈越短越好。因?yàn)樵趥鲃?dòng)副中存在“間隙非線性”，根據(jù)控制理論中的分析，這種間隙非線性會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。另外，傳動(dòng)件本身的慣量也會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在數(shù)控機(jī)床行業(yè)中之所以存在“半閉環(huán)控制”，其原因就在于此。 據(jù)此，提出了“軸對(duì)軸傳動(dòng)(DD傳動(dòng))”，如電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)機(jī)床的主軸，或者機(jī)床主軸就是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，從而出現(xiàn)了各種電主軸。這對(duì)執(zhí)行器提出了更高的要求，存在機(jī)械裝置、執(zhí)行器以及驅(qū)動(dòng)器之間的協(xié)調(diào)與匹配問題。5. 傳感器傳感器是從被測(cè)對(duì)象中提取信息的器件，用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作時(shí)所要監(jiān)視和控制的物理量、化學(xué)量和

37、生物量。大多數(shù)傳感器是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于顯示和構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是頻率化、復(fù)合化、數(shù)字化、集成化和智能化。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體最佳，在選用或研制傳感器時(shí)要考慮傳感器與其他部分之間的協(xié)調(diào)與匹配。例如，集傳感檢測(cè)、變送、信息處理及通信等功能為一體的智能化傳感器已廣泛用于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。又如，編碼器、變頻電動(dòng)機(jī)和變頻器的一體化裝置等。 有關(guān)控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器和傳感器的詳細(xì)內(nèi)容蔣在后續(xù)的各章中進(jìn)行介紹。2.8.2 電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是以電作為動(dòng)力源的各種元器件及裝置，如交流電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)、特種電動(dòng)機(jī)以及其它的

38、電動(dòng)執(zhí)行器。使用電動(dòng)機(jī)的電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)亦稱電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它是使用量最大、覆蓋面最廣的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，以往的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)、電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)、直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)，側(cè)重于速度控制；而直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)則側(cè)重于位置跟隨控制。電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括位置、速度、加速度、力和力矩控制，由于這類系統(tǒng)使用量大、覆蓋面廣，因此，通常所說的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)指的就是電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，本書也將采用這種表述形式。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，運(yùn)動(dòng)控制可劃分為以下幾種類型。2.8.2.1 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制 這類運(yùn)動(dòng)控制的特點(diǎn)是僅對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的終點(diǎn)位置有要求，而對(duì)由起點(diǎn)到終點(diǎn)所走過的軌跡

39、未作硬性規(guī)定。但是，從系統(tǒng)整體的角度來考慮，應(yīng)針對(duì)具體的被控對(duì)象來設(shè)計(jì)控制算法，對(duì)軌跡的形態(tài)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、加減速曲線形狀及停車時(shí)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)等都應(yīng)進(jìn)行周全的考慮并選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值，以達(dá)到最佳工況。2.8.2.2 連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制 這類運(yùn)動(dòng)控制亦稱輪廓控制，主要用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控沖床、雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)、激光切割機(jī)、火焰切割機(jī)以及等離子切割機(jī)等。2.8.2.3 同步運(yùn)動(dòng)控制 同步運(yùn)動(dòng)控制是指多個(gè)軸之間或多個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)控制。“同步”包括位置同步、速度同步和加速度同步三種模式。 對(duì)于多軸即多個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)單元組成的系統(tǒng)，當(dāng)確定一個(gè)主軸即主令單元后，在主軸每轉(zhuǎn)中的不同角度區(qū)間即規(guī)劃的

40、ON/OFF區(qū)間，有相應(yīng)的軸運(yùn)動(dòng)，而且它們的速度分別與主軸速度成相應(yīng)的比值關(guān)系，這種“同步”功能即電子凸輪和電子齒輪功能。對(duì)于多個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)都是一對(duì)加壓的導(dǎo)輥，被加工材料是織物、非織造布、塑料薄膜、橡膠帶、膠片、紙張以及金屬帶材等。對(duì)于這類系統(tǒng)，當(dāng)確定了主令單元后，“同步”是指比值控制，相鄰單元的速度比值系數(shù)可以等于1或大于1或小于1，具體的數(shù)值由工藝來決定。2.8.2.4 跟隨運(yùn)動(dòng)控制跟隨控制是多軸運(yùn)動(dòng)控制的一種類型，設(shè)1#軸為主令軸，該軸編碼器的輸出信號(hào)除了用于本軸的速度反饋或位置反饋外，還是2#軸控制系統(tǒng)的速度給定或位置給定信號(hào)，依次類推，從而構(gòu)成速度跟隨或位置跟隨

41、控制系統(tǒng)。2.8.2.5 同步&跟隨運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于紡織機(jī)械而言，這種模式更為實(shí)用?！巴健?的第一層意思是指比值控制，相鄰單元的速度比值系數(shù)可以等于1或大于1或小于1；“同步” 的第二層意思是解耦，例如，啟動(dòng)和停車過程，各個(gè)軸之間的跟隨檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)該不動(dòng)，相當(dāng)于解耦?！案S”的著重點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)，在恒定車速時(shí)依靠跟隨檢測(cè)機(jī)構(gòu)和控制器實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸之間的緊緊跟隨，盡可能做到跟隨位置誤差為零。2.8.3 液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2.8.3.1 液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是液壓缸或液壓馬達(dá)，液壓缸是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器。液壓馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器。驅(qū)動(dòng)器是液壓泵，它的作用是供給一

42、定流量的壓力油液，為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。2.8.3.2 液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制閥和液壓輔件 液壓控制閥包括方向閥、壓力閥、流量閥、溢流閥、高速開關(guān)閥、比例閥和伺服閥。液壓輔件包括濾油器、蓄能器、壓力表、熱交換器和油箱等。2.8.3.3 液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括位置、速度、加速度和力控制系統(tǒng)。1. 液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 1）在同等輸出功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、慣性小電動(dòng)執(zhí)行器的動(dòng)作是基于電磁作用，鐵磁材料的磁通飽和特性使得一定體積的電動(dòng)執(zhí)行器不能輸出大的力或力矩。即便是優(yōu)質(zhì)的鐵磁材料，每平方厘米面積所產(chǎn)生的力也不超過220牛頓，而液壓執(zhí)行器每平方厘米面積所產(chǎn)生的力已超

43、過3200牛頓。因此，與電動(dòng)機(jī)同樣大小的液壓馬達(dá)，其輸出力矩是電動(dòng)機(jī)的十幾倍。液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是相應(yīng)功率電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的1左右。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小使得環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)減小，從而加快了響應(yīng)速度。 2）液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量大 液壓裝置允許有較大的增益值，液壓裝置的時(shí)間常數(shù)一般是電動(dòng)裝置的1/5至1/10，因此，液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量大。 3）液壓系統(tǒng)的剛性高 液壓油的可壓縮性小，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)所引起的液壓油的體積變化很小，故系統(tǒng)剛性高。電動(dòng)機(jī)的輸出力矩是由電磁作用產(chǎn)生的，其剛性比液壓系統(tǒng)低。 2. 液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn) 1）需要單獨(dú)的能源 需要由電動(dòng)機(jī)、泵、閥、油箱等組成液壓站，進(jìn)行能量的

44、兩次轉(zhuǎn)換。不便于遠(yuǎn)距離傳輸。 2）對(duì)液壓油的抗污染要求高 液壓伺服閥要求油液中的雜質(zhì)顆粒直徑不大于5mm，否則會(huì)造成堵塞甚至損壞元件，故對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境要求較高。 3）對(duì)油溫比較敏感 當(dāng)溫度變化時(shí)，液壓油的粘性隨之變化，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)特性發(fā)生變化。 4）液壓元件的加工精度要求較高 要求液壓元件的配合面絕對(duì)不泄漏是不可能的，而液壓元件的泄漏使得液壓系統(tǒng)不能嚴(yán)格地保證定比傳動(dòng)。為了減少泄漏，對(duì)液壓元件的加工精度要求較高。2.8.4 氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2.8.4.1 氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器是氣缸或氣動(dòng)馬達(dá)，氣缸是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器。氣動(dòng)馬達(dá)是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器。驅(qū)動(dòng)器是

45、空氣壓縮機(jī)（簡稱空壓機(jī)），它的作用是供給一定壓力和流量的壓縮空氣，為氣壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。2.8.4.2 氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的氣壓控制元件和氣壓輔助元件 氣壓控制元件包括方向閥、壓力閥、流量閥和邏輯元件。氣壓輔助元件包括過濾器、干燥器、壓力表、消聲器和管接件等。2.8.4.3 氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括位置、速度、加速度、力和力拒控制系統(tǒng)。1. 氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1）工作介質(zhì)成本低氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的介質(zhì)是空氣，故成本低而且環(huán)保。 2）工作介質(zhì)粘度低 壓縮空氣的粘度很低，因此，用氣量較大的企業(yè)都設(shè)有空氣壓縮站，進(jìn)行集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。 3）耐環(huán)境性 氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可在易燃、易

46、爆、多粉塵和振動(dòng)等惡劣環(huán)境中工作。 2. 氣壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn) 1）需要單獨(dú)的能源 需要由電動(dòng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、閥、儲(chǔ)氣罐等組成氣壓裝置或空壓站，進(jìn)行能量的兩次轉(zhuǎn)換。 2）空氣的可壓縮性大 空氣的可壓縮性大，會(huì)影響位置和速度控制精度。 3）氣壓信號(hào)傳送速度低 氣壓信號(hào)傳送速度限制在聲速以內(nèi)，不適用于高速傳送信號(hào)。2.8.5 綜合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)工藝要求，有的生產(chǎn)設(shè)備既需要使用電氣運(yùn)動(dòng)控制裝置又需要使用液壓運(yùn)動(dòng)控制裝置；有的既需要使用電氣運(yùn)動(dòng)控制裝置又需要使用氣壓運(yùn)動(dòng)控制裝置；有的三者均需要，從而構(gòu)成了多種模式的綜合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。2.8.5.1 電氣與液壓運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電氣與液壓運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用實(shí)例

47、之一是1450熱連軋機(jī)，該機(jī)的電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用Siemens公司的SimovertMasterDrives多機(jī)架交流傳動(dòng)系統(tǒng)。液壓卷取機(jī)由日本三菱重工提供。卷取機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)過程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)或操作人員給定的數(shù)據(jù)和指令，來控制電氣與液壓傳動(dòng)裝置。電氣與液壓運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用實(shí)例之二是阿博格精密注射成型機(jī)，該機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，注射成型機(jī)各運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可在全液壓到全電動(dòng)兩個(gè)極端之間根據(jù)用戶生產(chǎn)實(shí)際需要而采取液壓與電動(dòng)的隨意組合。2.8.5.2 電氣與氣壓（氣動(dòng)）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電氣與氣壓（氣動(dòng)）運(yùn)動(dòng)控制廣泛地應(yīng)用于通用機(jī)械、汽車、鋼鐵、橡膠、塑料、造紙、印刷、紡織、印染及食品等生產(chǎn)設(shè)備上。1.橡膠工

48、業(yè)以擠出壓延法膠片生產(chǎn)線為例，該機(jī)主要由銷釘冷喂料擠出機(jī)、二輥壓延機(jī)及單層膠片輔機(jī)等組成。配套輔機(jī)主要由接取裝置、六輥冷卻裝置、切割輸送帶、移動(dòng)輸送帶、機(jī)架、雙工位表面卷取裝置、氣壓控制管路、排煙罩及電氣部分等組成。該生產(chǎn)線的接取裝置、六輥冷卻裝置中采用電氣傳動(dòng)；移動(dòng)輸送裝置中采用了移動(dòng)氣缸；墊布導(dǎo)開裝置的張力由導(dǎo)開端部的氣動(dòng)摩擦片控制，通過調(diào)整差壓調(diào)壓閥的壓力控制氣動(dòng)摩擦片對(duì)摩擦盤的壓力，來獲取不同的張力。 2. 塑料工業(yè)以雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線全長約80米，主要包括擠出機(jī)及機(jī)頭系統(tǒng)、冷輥裝置、前掃描測(cè)厚裝置、儲(chǔ)片架、縱向拉伸區(qū)域、橫向拉伸區(qū)域、橫拉輥裝置、后處理

49、區(qū)域、后掃描測(cè)厚裝置、上卷輥裝置以及收卷區(qū)域。前部傳動(dòng)對(duì)擠出電機(jī)、冷輥電機(jī)、慢速輥電機(jī)、快速輥電機(jī)和橫拉輥電機(jī)共五臺(tái)交流永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制、后部傳動(dòng)對(duì)后處理電機(jī)、上卷輥電機(jī)、收卷1電機(jī)和收卷2電機(jī)共4臺(tái)交流永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。相鄰單元之間的同步檢測(cè)采用氣缸加壓式浮動(dòng)輥裝置，該裝置的角位移傳感器輸出信號(hào)經(jīng)變送后送到PLC，由PLC進(jìn)行同步控制。3. 造紙工業(yè)造紙機(jī)由網(wǎng)部、壓榨、前干燥、后壓榨、后干燥、壓光和卷紙等部分組成。工藝流程為：流漿箱輸出的紙漿在網(wǎng)部脫水成型，在壓榨部進(jìn)行壓縮使紙層均勻，經(jīng)過前干燥進(jìn)行干燥，接著進(jìn)入后壓榨進(jìn)行施膠，再進(jìn)入后干燥器烘干處理，然后利用壓光機(jī)使紙張平滑，最后通

50、過卷紙機(jī)形成母紙卷。造紙機(jī)為多分部系統(tǒng)，電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為多分部變頻調(diào)速同步控制系統(tǒng)。其氣壓運(yùn)動(dòng)控制裝置包括氣動(dòng)脫水、氣動(dòng)糾偏、復(fù)合式氣動(dòng)刮刀和退紙氣動(dòng)制動(dòng)等裝置。 4. 印刷工業(yè)以凹印機(jī)為例，其電氣運(yùn)動(dòng)裝置為無軸(電子軸)傳動(dòng)裝置，每個(gè)印刷單元都由高性能的交流伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)裝置用于印刷過程中的張力檢測(cè)與控制。浮動(dòng)輥式張力檢測(cè)方式是一種間接的張力檢測(cè)方式，實(shí)質(zhì)上是一種位置控制，當(dāng)張力穩(wěn)定時(shí)，料帶上的張力與氣缸作用力保持平衡，使浮動(dòng)輥處于中央位置。當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，張力與氣缸作用力的平衡被破壞，浮動(dòng)輥位置會(huì)上升或下降，此時(shí)擺桿將繞M點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)浮動(dòng)輥電位器一起轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，浮動(dòng)輥位移傳感器

51、準(zhǔn)確地檢測(cè)出浮動(dòng)輥位置的變化，它將以位置信號(hào)反饋給張力控制器，控制器經(jīng)過計(jì)算并輸出控制信號(hào)，控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏。然后浮動(dòng)輥恢復(fù)到原來的平衡位置。由于浮動(dòng)輥式張力檢測(cè)裝置本身是一種儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，利用其自身的沉余作用，對(duì)大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用，同時(shí)也能減弱料卷的偏心（橢圓）以及速度變化對(duì)張力的影響。此系統(tǒng)要求氣缸磨擦系數(shù)小，響應(yīng)速度快，氣源穩(wěn)定。浮動(dòng)輥和擺桿的重量要輕，轉(zhuǎn)動(dòng)要靈活。 浮動(dòng)輥/反饋復(fù)合式張力檢測(cè)方式：它可同時(shí)檢測(cè)由浮動(dòng)輥位移傳感器輸出的浮動(dòng)輥位置信號(hào)和張力傳感器輸出的張力信號(hào)，從而可向系統(tǒng)提供更高精度的張力控制。其特點(diǎn)是：它不但具有浮動(dòng)輥控制對(duì)大范圍張力跳變的吸收或緩

52、沖功能，而且還對(duì)機(jī)器加、減速時(shí)有很好的緩沖平穩(wěn)作用，并容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷。具有張力傳感器閉環(huán)控制的高精度、高重復(fù)性的特點(diǎn)。例如美國蒙特福(MONTALVO)公司的X/D3000型浮動(dòng)輥/反饋復(fù)合式張力控制裝置就屬于該種類型。  5. 紡織、印染工業(yè) 電氣與氣壓運(yùn)動(dòng)控制裝置廣泛地應(yīng)用于紡織和印染工業(yè)中，舉例如下： 1）多倉混棉機(jī)多倉混棉機(jī)有4倉、6倉、8倉、10倉之分，采用逐倉喂入原料，原料為經(jīng)過初步開松的各種等級(jí)的原棉、棉型化纖和中長化纖。采用梯度儲(chǔ)棉、同步輸出和多倉混棉。電氣運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用交流變頻電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，與前后機(jī)臺(tái)連鎖，同步工作。氣壓控制系統(tǒng)由空壓機(jī)、調(diào)壓閥、壓力繼電器、電磁

53、閥和氣缸等組成，用于向各個(gè)料倉輸棉并控制面葙內(nèi)棉層高度。 2）并條機(jī) 并條的任務(wù)是對(duì)梳棉機(jī)輸出的生條進(jìn)行并合、牽伸、混合及成條。新型并條機(jī)的電氣運(yùn)動(dòng)控制采用四套交流伺服傳動(dòng)裝置。氣壓運(yùn)動(dòng)控制為氣動(dòng)搖架加壓裝置，該裝置由空壓機(jī)、搖架體、壓力板、手柄轉(zhuǎn)子、后分配桿、前分配桿和氣囊等組成。每根膠輥的壓力都能分別調(diào)節(jié)。 3）細(xì)紗機(jī) 細(xì)紗工序的任務(wù)是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的電氣運(yùn)動(dòng)控制采用多電機(jī)分部傳動(dòng)，錠子、羅拉、鋼領(lǐng)板升降分別由三臺(tái)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。 氣壓運(yùn)動(dòng)控制為氣動(dòng)搖架加壓裝置，該裝置由空壓機(jī)、搖架體、壓力板、手柄轉(zhuǎn)子、后分配桿、前分配桿和氣囊等組成。 4）漿紗機(jī) 漿紗是經(jīng)紗準(zhǔn)備工程中的重要工序。漿紗是使經(jīng)紗內(nèi)部、表明滲入和