第7章 機(jī)電結(jié)合分析與設(shè)計(jì)

1、,第7章 機(jī)電一體化系統(tǒng) 機(jī)電有機(jī)結(jié)合 分析與設(shè)計(jì),第7章 機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì),重點(diǎn)學(xué)習(xí)： 機(jī)電有機(jī)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法 機(jī)電有機(jī)結(jié)合的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法 在機(jī)電位置/速度控制系統(tǒng)，一般可直接或者間接經(jīng)機(jī)械變換機(jī)構(gòu)（減速器、絲杠螺母機(jī)構(gòu)）來驅(qū)動(dòng)被控制對(duì)象。 主要任務(wù)：是圍繞被控制對(duì)象的具體要求，采用合理的設(shè)計(jì)方法，尋求最終獲取機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)參數(shù)。 學(xué)習(xí)方法：結(jié)合典型的機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和手段。,7.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法,機(jī)電有機(jī)結(jié)合的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法 在機(jī)電伺服系統(tǒng)主要元件選擇或設(shè)計(jì)、各部分之間連接方式、系統(tǒng)控制方式、所需能源供給形

2、式、校正補(bǔ)償方法、信號(hào)轉(zhuǎn)換方式等初步確定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)總體方案的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)靜態(tài)設(shè)計(jì)，為機(jī)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。 重點(diǎn)研究：系統(tǒng)自身的穩(wěn)態(tài)特性（假設(shè)無外界干擾）,系統(tǒng)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的目的：,使控制被控對(duì)象能完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)即進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析以及計(jì)算，保障整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體性能。,典型機(jī)電一體化系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的組成與運(yùn)動(dòng)特征,工作空間 自由度 位姿 關(guān)節(jié)變量,連桿,移動(dòng)關(guān)節(jié),轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方法研究的主要內(nèi)容或步驟：, 信號(hào)的有效傳遞。 各級(jí)增益的分配。 各級(jí)之間阻抗的匹配和所采取的抗干擾的措施。 系統(tǒng)總體方案的確定。, 使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到所要求技術(shù)狀態(tài)。

3、執(zhí)行元件的參數(shù)選擇。 功率（力/力矩）匹配以及過載能力的驗(yàn)算。 各主要元件的選擇與控制電路的設(shè)計(jì)。,穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方法學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：,（1）負(fù)載分析。 （2）執(zhí)行元件匹配選擇。 （3）機(jī)械傳動(dòng)比選擇與各級(jí)減速比確定原則。 （4）檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路、電源匹配與設(shè)計(jì)。 （5）機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立。 （6）分析研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。,單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性,7.1.1 負(fù)載分析,（1）典型負(fù)載形式 無論被控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形式如何，負(fù)載形式及其特點(diǎn)千差萬別，歸納起來具有一些共性負(fù)載典型負(fù)載。 包括：慣性負(fù)載、外力負(fù)載、內(nèi)力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載 。,三維掃描儀或裝置,目的：獲取負(fù)

4、載特征參量。 方法：綜合負(fù)載特性，進(jìn)行有效組合，獲取必要負(fù)載特征參量。為系統(tǒng)執(zhí)行元件，機(jī)械變換機(jī)構(gòu)等的選用或設(shè)計(jì)，系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。,（2）慣量和負(fù)載的等效換算,慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)換的作用： 為使所選擇執(zhí)行元件（功率、力/力矩、運(yùn)動(dòng)參量）與被控對(duì)象的固有參數(shù)（質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、運(yùn)動(dòng)參數(shù)）等相匹配，將輸出軸各部分的慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)換到執(zhí)行元件的輸出端，以便確定執(zhí)行元件。,1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算,無論機(jī)械傳動(dòng)或變換元件是直線運(yùn)動(dòng)還是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用總動(dòng)能不變的原理，可進(jìn)行等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 能量守恒：E = Ek,2）等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算,無論外部或內(nèi)部負(fù)載是力還是力矩，應(yīng)用虛功原理，可進(jìn)行

5、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。,7.1.2 執(zhí)行元件的匹配選擇,執(zhí)行元件的匹配選擇主要包括轉(zhuǎn)矩匹配、功率匹配、過熱保護(hù)系數(shù)和過載保護(hù)系數(shù)驗(yàn)算四部分。,直流電機(jī),步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu),（1）執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配,考慮機(jī)械傳動(dòng)效率，則執(zhí)行元件的等效輸出轉(zhuǎn)矩：,注意：執(zhí)行元件為伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作區(qū)域應(yīng)在恒轉(zhuǎn)矩輸出調(diào)速區(qū)內(nèi)。,測(cè)算執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)矩 （摩擦負(fù)載和工作負(fù)載）和等效慣性轉(zhuǎn)矩T慣的總和。,（2）執(zhí)行元件的功率匹配,電機(jī)功率的合理確定是執(zhí)行元件選擇的重要參數(shù)之一。 主要依據(jù)電機(jī)的等效負(fù)載和最高轉(zhuǎn)速確定。 常用下式進(jìn)行預(yù)選。,再通過過熱驗(yàn)算和過載驗(yàn)算，最終確定電機(jī)的功率。,（3）電

6、機(jī)的過熱驗(yàn)算,電機(jī)在一定工作時(shí)間范圍內(nèi)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，應(yīng)用等效法（勵(lì)磁磁通近似不變）計(jì)算電機(jī)的等效轉(zhuǎn)矩（平均轉(zhuǎn)矩）。,電機(jī)不產(chǎn)生過熱的條件為： ，,（4）過載驗(yàn)算條件,7.1.3 機(jī)械傳動(dòng)減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配,減速比匹配的目的是可最終獲得被控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)速度要求。 （1）減速比匹配選擇的一般原則要求 在第2章中，提到了機(jī)械傳動(dòng)減速比的分配原則，主要依據(jù)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小、重量最輕、傳動(dòng)誤差最小，以及綜合考慮來確定各級(jí)傳動(dòng)的減速比。,本節(jié)提到的減速比匹配及分配，是以滿足控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特性、加速特性和動(dòng)力特性為準(zhǔn)則。,即依據(jù)負(fù)載特性、脈沖當(dāng)量（分辨率）、特殊要求等綜合分析選擇

7、確定，減速比的確定既要滿足被控制對(duì)象的調(diào)速范圍并使在一定條件下綜合指標(biāo)參數(shù)達(dá)到最佳，也要滿足脈沖當(dāng)量（分辨率）與進(jìn)給角之間的相應(yīng)關(guān)系和在一定條件下輸出轉(zhuǎn)速最大或輸出轉(zhuǎn)矩最大等要求。 （2）各級(jí)減速比的分配原則與方法 1）按加速度最大原則選擇減速比 當(dāng)要求輸入信號(hào)變化快、響應(yīng)快、加速度大時(shí)，應(yīng)按下式?jīng)Q定減速比 i：,2）按輸入速度恒定原則選擇減速比,在輸入速度信號(hào)近似恒速時(shí)，有加速度最小，可按下式確定減速比 i ：,3）滿足脈沖當(dāng)量、進(jìn)給角、絲杠基本導(dǎo)程匹配關(guān)系選擇減速比,4）減速器輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則選擇減速比,即 最小原則：,5）按速度和加速度規(guī)定要求選擇減速比,在速度和加速度有要求時(shí)，除

8、按加速度最大原則選擇減速比外，還應(yīng)依據(jù)負(fù)載最大角速度與電機(jī)輸出角速度之間的關(guān)系，最終確定減速比。,注意：應(yīng)用上述方法確定機(jī)械傳動(dòng)部分的減速比，不能單一應(yīng)用某一種方法，應(yīng)用多種方法，綜合分析，結(jié)合被控制對(duì)象的具體情況，在依據(jù)減速比的分配原則（2章），最終確定機(jī)械傳動(dòng)總減速比和各級(jí)減速比。,7.1.4 檢測(cè)傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、 放大電路、電源的匹配與設(shè)計(jì),要達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)（功能指標(biāo)），系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，主要涉及兩方面內(nèi)容：, 信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換、功率放大與驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)電源匹配等。 信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理與誤差傳遞、動(dòng)態(tài)計(jì)算與調(diào)整電路設(shè)計(jì)（正補(bǔ)償設(shè)計(jì)、輔助電

9、路設(shè)計(jì)）等。 最終使系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，其輸出具有收斂特性。,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)步驟：,主要包括功能部件的選擇與設(shè)計(jì)（不含執(zhí)行元件） 1）檢測(cè)傳感裝置的選擇 依據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的類型，考慮傳感器的精度（分辨率）、不靈敏區(qū)、工作范圍、輸入/輸出特性（線性）、信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信噪比、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦特性、穩(wěn)定性和可靠性等，合理選擇傳感器。,光柵傳感器的工作原理,磁柵位移傳感器,光電編碼傳感器,測(cè)速發(fā)電機(jī)速度傳感器,光電脈沖轉(zhuǎn)速傳感器,壓電式加速度傳感器,空氣阻尼式加速度傳感器,應(yīng)變片測(cè)力傳感器,2）信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì)和選用 主要指A/D、D/A的選用,盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)、通用、商業(yè)集成元件作為信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的核心

10、元件設(shè)計(jì)接口電路。重點(diǎn)考慮輸入輸出通道數(shù)，通道類型，通道阻抗與連接元件阻抗之間的匹配等。 3）伺服系統(tǒng)放大器（驅(qū)動(dòng)電路）的設(shè)計(jì)與選用 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)通常分為兩部分：信號(hào)處理與功率放大（提高信號(hào)品質(zhì)為主），功率放大（增大能量為主）。,具體要求： a）最后輸出級(jí)的功率應(yīng)與執(zhí)行元件功率（電流、電壓、容量、額定值）相匹配。 輸出阻抗小、效率高、時(shí)間常數(shù)小。 b）為執(zhí)行元件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要的適宜條件。 制動(dòng)條件、限流保護(hù)條件等。 c）放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，保障執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮。 d）輸入級(jí)應(yīng)與檢測(cè)傳感器相匹配。 輸入阻抗大，可減輕檢測(cè)傳感器的負(fù)荷。 e）放大器要有足夠的放大倍數(shù)，工作特性穩(wěn)

11、定可靠、易于調(diào)整等。,4）伺服系統(tǒng)的能源（電源）支持,電源系統(tǒng)由于受所選用或設(shè)計(jì)的各分系統(tǒng)能源輸入形式和要求不同的限制，電源供給統(tǒng)一是困難的。但是、在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡可能地作到電源的輸出類型要少，在電源參量輸出具有足夠穩(wěn)定性（電壓、頻率）的同時(shí)，要采取保護(hù)措施，防止外界干擾信號(hào)的進(jìn)入和電源波動(dòng)、掉電、欠壓、過流、短路等非正常品質(zhì)電源的輸入對(duì)系統(tǒng)的影響。 常用措施：濾波、隔離、屏蔽干擾信號(hào)；穩(wěn)壓、限壓、限流、斷電保護(hù)和短路保護(hù)。,7.1.5 機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型,機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的類型實(shí)際上是多種多樣的，但從控制系統(tǒng)工作原理上講，主要分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制三類數(shù)學(xué)模

12、型。 下面結(jié)合典型實(shí)例進(jìn)行學(xué)習(xí)。 （1）開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制比較簡(jiǎn)單，前面已學(xué)習(xí)。 傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型為： （2）半閉環(huán)控制系統(tǒng) 如圖滾珠絲杠傳動(dòng)半閉環(huán)伺服進(jìn)給控制系統(tǒng),滾珠絲杠傳動(dòng)半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖,Ka前置放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反饋增益； Tm直流伺服電機(jī)時(shí)間常數(shù)；i1、i1減速比；Kr位置傳感器增益； Vi(s)輸入電壓的拉式變換；i(s)絲杠輸出轉(zhuǎn)角的拉式變換。,1）無外界干擾時(shí)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型,2）有外界干擾時(shí)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型,附加擾動(dòng)力矩（電壓VD表示）的系統(tǒng)框圖 附加擾動(dòng)力矩等效電壓后的系統(tǒng)框圖,3）全閉環(huán)控制系統(tǒng),傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型：,小 結(jié),本小節(jié)掌握的主

13、要內(nèi)容是通過對(duì)系統(tǒng)負(fù)載和傳動(dòng)系統(tǒng)分析匹配，執(zhí)行元件和傳感元件等的合理選用與匹配設(shè)計(jì)，采用一定的總體設(shè)計(jì)方法和步驟，最終得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。,7.2 機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法： 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）基礎(chǔ)上，選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或誤差補(bǔ)償）形式，有效地與穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）系統(tǒng)相融合，構(gòu)成具有誤差補(bǔ)償作用的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)定工作和滿足被控制對(duì)象的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求。 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的目的： 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、過渡過程的品質(zhì)（響應(yīng)特性、振蕩特性等）、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等指標(biāo)參數(shù)。 動(dòng)態(tài)

14、設(shè)計(jì)的主要方法或手段： 為保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定各指標(biāo)參數(shù)的誤差（精度），常用的設(shè)計(jì)方法有校正（或誤差補(bǔ)償）法、波德（Bode）圖法、根軌跡圖法等。,7.2.1 伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法,（1）伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析與過渡過程 對(duì)于任何系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過程主要有三種情況。 即：指數(shù)規(guī)律上升平穩(wěn)地趨于穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出發(fā)散沒有穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出振蕩最終能趨于穩(wěn)定值。,1）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過程的特點(diǎn)：,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和系統(tǒng)在過渡階段的性能參量。上述三種情況各有其特點(diǎn)。 第一種情況：系統(tǒng)直接趨于穩(wěn)定，剛性大（加速度大），無振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)過渡階段誤差大，不利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)。 第二種情況：系統(tǒng)

15、振蕩發(fā)散不穩(wěn)定。 第三種情況：系統(tǒng)振蕩收斂逐步衰減區(qū)域穩(wěn)定，系統(tǒng)剛性較小，但慣量較大，過渡階段誤差教小，利于系統(tǒng)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)匹配。 鑒于第三種情況的控制系統(tǒng)，最能保證系統(tǒng)穩(wěn)定（硬件和軟件保證），利于系統(tǒng)性能參量的調(diào)節(jié)匹配，系統(tǒng)過渡階段誤差最小的控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中最為常見。,2）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)過渡階段的主要性能指標(biāo),動(dòng)態(tài)特性參量或指標(biāo)：上升時(shí)間Ts；延滯時(shí)間Ty；調(diào)整時(shí)間Tt；最大超調(diào)量%，如圖所示。,（2）伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性校正方法,若靜態(tài)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或穩(wěn)定系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（過渡階段和穩(wěn)定階段）不能滿足使用要求。采取的主要措施是：第一步，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器（校正器），調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)

16、態(tài)性能參數(shù)；第二步，設(shè)計(jì)反饋控制器，改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)。目的在于達(dá)到系統(tǒng)的使用要求穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。 盡管可用于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和校正的理論（數(shù)學(xué)模型）方法和手段較多，但在實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛和簡(jiǎn)單的是PID調(diào)節(jié)器。 下面針對(duì)PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用特點(diǎn)學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和使用方法。,1）PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)（含調(diào)節(jié)電路）,PID調(diào)節(jié)器無源阻容式調(diào)節(jié)器和有源阻容式調(diào)節(jié)器。 無源阻容式調(diào)節(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無須提供外界電源等特點(diǎn)，但存在衰減較大、不易與系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)相匹配，應(yīng)用受到一定的限制。 有源阻容式調(diào)節(jié)器主要運(yùn)算放大器與阻容電路組成。通過合理的配置，可達(dá)到不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，也能改善系

17、統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的能力。 有源阻容式調(diào)節(jié)器的電路構(gòu)成,有源阻容式調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和特點(diǎn)：,a ) 比例( P )調(diào)節(jié)圖a 傳遞函數(shù)：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特點(diǎn)：調(diào)節(jié)作用主要取決于增益Kp的大小 ，Kp值越大調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但存在調(diào)節(jié)誤差，且當(dāng)Kp值太大時(shí)，可能引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。 b ) 積分( I )調(diào)節(jié)圖b 傳遞函數(shù)：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特點(diǎn)：可以減少或消除調(diào)節(jié)誤差，但響應(yīng)慢，因而較少單獨(dú)使用。 c ) 比例積分圖c 傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：KP =R2/R1； Ti = R2C。 既克服了單純比例( P

18、 )調(diào)節(jié)存在調(diào)節(jié)誤差的缺點(diǎn)，又避免了積分( I )調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的弱點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能得到了改善。,d ) 比例積分微分( PID )調(diào)節(jié)圖d,傳遞函數(shù)：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。 特點(diǎn)：不但能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能也能改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，相比之下，它比( PI )調(diào)節(jié)能使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)性能。但是，由于含有微分環(huán)節(jié)，在噪聲比較大或系統(tǒng)要求響應(yīng)快時(shí)，不宜采用PID調(diào)節(jié)。 PID調(diào)節(jié)器使用調(diào)整方法： 在實(shí)際工程應(yīng)用中

19、，有源的PID調(diào)節(jié)器校正與誤差調(diào)整方法，通常不是依靠理論計(jì)算來確定系統(tǒng)參數(shù)的，而是通過觀察輸出響應(yīng)波形是否滿足使用要求，先調(diào)整比例時(shí)間常數(shù)KP；再調(diào)整積分時(shí)間常數(shù)Ti；最后調(diào)整微分時(shí)間常數(shù)Td；反復(fù)調(diào)整直到所觀察到的輸出波形能滿足使用要求的輸出波形為止，便可確定PID調(diào)節(jié)器控制的系統(tǒng)參數(shù),（3）PID調(diào)節(jié)器對(duì)伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)校正性能分析,對(duì)于如圖所示的典型閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，在有效輸入信號(hào)和外界干擾信號(hào)作用下，為改善系統(tǒng)的性能。 PID調(diào)節(jié)器的目的：是使系統(tǒng)輸出誤差（與目標(biāo)參量相比）最小和在外界干擾作用下產(chǎn)生輸出誤差最小。,典型閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的構(gòu)成,在輸入和干擾信號(hào)同時(shí)作用下，傳遞函數(shù)：,在輸入

20、信號(hào)作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：,在干擾信號(hào)作用下，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：,（4）PID調(diào)節(jié)器對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能改善的實(shí)例分析,如上圖閉環(huán)控制系統(tǒng)，假設(shè) ； ； ； ；A=1；比例調(diào)節(jié)器的比例系 數(shù) K0 = 1.5（無調(diào)節(jié)時(shí)，K0 = 1）。,對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能改善分析： 1）調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)（P） 輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的傳遞函數(shù)： 干擾信號(hào)與輸出信號(hào)的傳遞函數(shù)： 閉環(huán)響應(yīng)的傳遞函數(shù)：,有無比例調(diào)節(jié)器時(shí)的性能比較,代入閉環(huán)控制系統(tǒng)各部分（元件）的性能參數(shù)有： （無比例調(diào)節(jié)器時(shí)為： ）； （無比例調(diào)節(jié)器時(shí)為： ）； （無比例調(diào)節(jié)器時(shí)為： ）； 則有： （無比例調(diào)節(jié)器前： ）; （無比例調(diào)節(jié)器前： ）; 系

21、統(tǒng)總的響應(yīng)為：,性能改善：由系統(tǒng)響應(yīng)推導(dǎo)和響應(yīng)仿真比較結(jié)果得出，閉環(huán)響應(yīng)仍為二階響應(yīng)，但時(shí)間常數(shù)比未加入調(diào)節(jié)器前的時(shí)間常數(shù)小，說明閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)快。,無PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng),有PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)響應(yīng),比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)：,a) 當(dāng)干擾信號(hào)為階躍信號(hào)（幅值為D0）時(shí)，拉氏變換D(s)=D0/s，依據(jù)拉氏變換終值定理，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(t)時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)輸出，即誤差Cssd為： 表明系統(tǒng)在干擾信號(hào)的作用下，其輸出全為誤差，誤差值大小由系數(shù)K2和幅值D0決定。 b) 當(dāng)輸入信號(hào)也為階躍信號(hào)（幅值為R0）時(shí)，其拉氏變換為R(s)=R0/s，依據(jù)拉氏變換的終值定理，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)(t)時(shí)，輸入信號(hào)輸出，即誤差Cssr為

22、： 表明系統(tǒng)在輸入信號(hào)作用下，其輸出穩(wěn)態(tài)值大小由系數(shù)K1和幅值R0決定。當(dāng)K1=1時(shí)，即A=(1+K0KvKpKh)/( K0KvKp)，系統(tǒng)輸出與目標(biāo)值相等。,2）調(diào)節(jié)器為積分調(diào)節(jié)（I）,其閉環(huán)響應(yīng)輸出信號(hào)為： 通過計(jì)算可知，積分調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為零，表明外界干擾信號(hào)不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。若輸入信號(hào)的目標(biāo)值也為階躍信號(hào)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)態(tài)輸出為： 當(dāng)A=Kh時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)的穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)為Cssr= R0，表明系統(tǒng)穩(wěn)定輸出等于目標(biāo)輸出。,積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn) :,積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)可完全消除誤差，但是所需時(shí)間一般較長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)慢。即調(diào)節(jié)器輸出值與誤

23、差的存在有關(guān)，輸出值隨時(shí)間的推移逐漸增大，直到消除誤差趨于穩(wěn)態(tài)輸出，達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的時(shí)間值與所存在誤差值的大小有關(guān)，誤差值越大，所需的時(shí)間越長(zhǎng)；反之，則小。 3）調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)（PI） 閉環(huán)響應(yīng)輸出信號(hào)為：,比例積分調(diào)節(jié)（PI）的特點(diǎn)：,比例積分調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為零，表明外界干擾信號(hào)不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。若輸入信號(hào)的目標(biāo)值也為階躍信號(hào)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)所具有的穩(wěn)態(tài)輸出為： 當(dāng)A=Kh時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)的穩(wěn)態(tài)輸出信號(hào)為Cssr= R0，表明系統(tǒng)穩(wěn)定輸出等于目標(biāo)輸出。 最大的特點(diǎn)是在改善閉環(huán)控制系統(tǒng)瞬時(shí)響應(yīng)的同時(shí)，即可降低單純比例調(diào)節(jié)存在的穩(wěn)態(tài)誤差，有可提高積分

24、調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度。因而得到廣泛的應(yīng)用。,4）調(diào)節(jié)器為比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）,調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中微分調(diào)節(jié)（D）的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程過渡階段響應(yīng)特性的品質(zhì)（減小超調(diào)量）。 PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程： 調(diào)整比例調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)過程過渡階段的響應(yīng)特性品質(zhì)。 通過積分調(diào)節(jié)消除干擾信號(hào)產(chǎn)生的誤差輸出。 重復(fù)上述過程，直到控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)達(dá)到要求為止。,（4）速度反饋校正（測(cè)速發(fā)電機(jī)局部負(fù)反饋）,在電機(jī)處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所帶動(dòng)的工作臺(tái)往往會(huì)產(chǎn)生“爬行現(xiàn)象”，若系統(tǒng)功率放大增益線性相當(dāng)差（非線性因素的作用），這種現(xiàn)象相當(dāng)明顯。為了改善和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，在控制系統(tǒng)中常采用電

25、流負(fù)反饋或速度負(fù)反饋來提高系統(tǒng)低速穩(wěn)定性。 如圖所示二階速度負(fù)反饋控制系統(tǒng)。 無負(fù)反饋時(shí)傳遞函數(shù) 有負(fù)反饋時(shí)傳遞函數(shù) J等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F等效粘性摩擦系數(shù)；K系統(tǒng)開環(huán)增益。,系統(tǒng)有/無測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)反饋的系統(tǒng)仿真,有測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)反饋后，系統(tǒng)阻尼增加，系統(tǒng)的超調(diào)量明顯減小，系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性得到了較大的提高。,7.2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響簡(jiǎn)介,實(shí)際上，任何機(jī)械系統(tǒng)都是質(zhì)量彈性振動(dòng)系統(tǒng)。存在固有頻率，一旦系統(tǒng)振蕩頻率接近機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，機(jī)械系統(tǒng)將發(fā)生共振，損壞零部件。 為了避開共振對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響，常采用的方法： （1）依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸大小、材料和承受的外載荷等情況，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)

26、、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)的理論知識(shí)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)方程。,（2）依據(jù)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)方程，從機(jī)械系統(tǒng)彈性變形出發(fā)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，建立彈性變形時(shí)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)框圖。 （3）由機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)框圖，寫出機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的控制等效框圖。 （4）建立機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 （5）應(yīng)用根軌跡法等，對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行因式分解，并分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量，評(píng)價(jià)和判斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率分量是否對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的控制頻帶產(chǎn)生影響，若系統(tǒng)存在自激振蕩現(xiàn)象，應(yīng)采取相應(yīng)地措施避開自激振蕩，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。,7.3 機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性

27、設(shè)計(jì),（1）可靠性的概念 指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品的可靠性是一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，常用MTBF指標(biāo)來衡量。 （2）保證產(chǎn)品（系統(tǒng)）可靠性的主要方法 1）提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量裕度法、自動(dòng)控制。 2）采用冗余技術(shù)工作冗余、后備冗余。 3）故障診斷技術(shù)測(cè)試、癥兆、診斷。 注意：裕度法是從改進(jìn)硬件性能，提高系統(tǒng)可靠性的有效方法；自動(dòng)控制、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)是用硬件和軟件來提高系統(tǒng)可靠性的有效措施。,（3）系統(tǒng)干擾和提高抗干擾能力的措施,系統(tǒng)干擾：指產(chǎn)生系統(tǒng)元部件失效或數(shù)據(jù)傳輸、處理失誤，進(jìn)而影響系統(tǒng)可靠工作的內(nèi)部因素和外部因素。 1）系統(tǒng)干擾源的類型 傳導(dǎo)型由線路傳入信號(hào)影響控制系統(tǒng)工作。 如：供電干擾