《伺服系统稳态设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《伺服系统稳态设计（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、伺服系统稳态设计,概述伺服系统典型负载分析和计算伺服系统控制方案选择伺服电机选择伺服检测装置的选择放大装置选择,概 述,伺服系统稳态设计的内容 对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。伺服系统稳态设计目的 确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系统的控制能力。 动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包括满足动态误差、稳定性及快速性要求。 伺服系统稳态设计特点 稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。,工程定量计算的计量单位 我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭牌数据仍沿
2、用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。,伺服系统典型负载分析和计算,明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学特性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。 掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对象的实际运动规律来建立负载和干扰模型。 一、系统典型负载分析 随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机(或液压、气动马达)带动被控对象做机械运动。其控制特性与被控对象相联系的动力学特性关系极大。 被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳态和动态性能。 系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎任一系统均
3、有。,1.摩擦负载 在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面之间都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。 在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数据做近似地估算。 从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚动摩擦。在条件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩擦力小。 以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘性摩擦(或称湿摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦)。在条件相同情况下，干摩擦最大，粘性摩擦小，半干摩擦力介于两者之间。 摩擦力Fc = fN。 摩擦系数f与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动速度、接触时间等均有关。,输出轴上承受的摩擦力矩是由系统整个机械传
4、动各部分的摩擦作用综合的结果。以旋转运动为例: 静摩擦力矩最大，随着输出角速度的增加(01)时，摩擦力矩又略有增加或保持不变。摩擦负载对系统的工作品质影响很大。 对随动系统而言，摩擦负载影响系统的控制精度。当要求低速跟踪时，由于摩擦负载在低速区有dMc/d0，系统将出现的低速爬行现象。,2.惯性负载 物体作变速运动时便有惯性负载产生。当执行元件带动被控对象沿直线作变速运动时，被控对象存在有惯性力FL FL = - m (dv/dt)式中m为被控对象质量；v为运动速度；负号表示惯性力FL的方向始终阻止速度变化。 当系统所带的被控对象作旋转运动时，被控对象形成的惯性负载转矩为 ML = - JLd
5、/dt式中ML为惯性负载转矩；JL为被控对象绕其转轴的转动惯量； 为其角速度。JL= m为质点质量，r为绕轴半径。 具有简单几何形状的质量均匀分布的物体转动惯量表达式列入34页表3.2中。图形较为复杂的对象可用简单形状组合而成。 流体中作变速运动时，除自身的惯性力和惯性力矩以外，还有部分有水引起的附加质量(或附加质量惯量)。,3.阻尼负载 当被控对象在流体中运动时，除了形成一定的附加质量惯量(或附加质量转动惯量)以外，还会产生一个由于流体摩擦、兴波等原因而造成的阻力(或阻力矩)，这个力(或力矩)与物体运动的速度、速度的平方甚至更高次方成比例。在相对运动速度不高情况下，可以认为阻尼力(或力矩)与
6、运动速度(或角速度)成比例。 Fv = - bv M = - 2N Fv为阻尼力；b为阻尼系数；v为对象在流体中的运动速度； M为阻尼力矩；2N为阻尼力矩系数（或阻尼系数）。 在分析船在水中运动或者类似舵、鳍等伸出船外的装置在水中转动时，会用到阻尼力(力矩)和附加水质量(或转动惯量)。有时在减速箱中为保持良好润滑而注入一些润滑油也会产生阻尼力(力矩)。,综合以上情况，可以用一个通式来表示负载力矩，即 F = - Fcsig(v) bv - m dv/dt M = - Mcsig() - 2N- Jd/dt式中的b和2N根据运动存在的介质，可以是某个常数(在流体中)，也可以是零(在空气中)。 4
7、.其他工作阻力负载 除了上述三项由对象自身运动而产生的负载力(力矩)之外。有些运动对象还会受到正常工作要克服的阻力(力矩)。例如: 切削机床的切削力(力矩)； 升降机在上升时要克服重力； 船舶减摇鳍在转动时要克服由于重心与转轴不一致导致的重力力矩和由于浮力中心和轴线不一致而造成的浮力不平衡力矩； 雷达天线在运动时要克服风载阻力矩。,二、典型系统的综合负载分析和计算 实际伺服系统控制被控对象运动过程中，都要克服多种负载的影响，因而需要根据各自的运动规律做具体分析和综合。 我们在建立系统动力学方程以及在选择执行元件功率时，需要把对象所受到的负载换算到执行元件输出轴上。 1.负载的传递和转化 一般高
8、速运动的执行元件带动相对低速运动的被控对象都需用减速装置。三级齿轮减速器负载的传递与转化。,电机经过三级齿轮减速而带动负载。Z11，Z12，代表各级齿轮齿数。电机至负载的总速比为i 。,2.负载的综合特性例1：龙门刨床工作台控制 系统负载分析与综合 设R为与工作台齿条相啮合的齿轮节，圆半径i为电机与该齿轮之间传动链的总速比，为总效率。,例2：火炮方位随动系统分析与综合。 火炮跟踪等速直线飞行目标的运动规律如下。当系统跟踪目标时，角速度dA/dt始终为正值，故摩擦力矩Mc可视为常值。 设运动部分转动惯量不变，惯性力矩Mj应与 的规律一致。若在跟踪过程中对目标进行射击，则会有冲击力矩Ms作用在执行
9、轴上，系统承受的总的负载力矩t1时刻M出现的脉冲为迭加了冲击力矩Ms所致。,例3 减摇鳍转鳍力矩分析与综合 船舶减摇鳍在船舷外的空间位置示意图。 鳍在与平行迎面来流之间的攻角为 。由于鳍上方的水流受挤而流线变密，导致流速增加，鳍下方流速减小。鳍上方的静压小于下方的静压，两者的压差如图中排线箭头形成的包络线。总的合力作用点为P，合力为R。R可以分解为升力Y和阻力X，升力Y对船重心形成扶正力矩。合力对轴线O形成一力矩M01。此时如果鳍首向上转动，则M01将阻碍鳍转动。,当鳍角做一般性的运动时，流体动力形成的力矩为式中M01为定常流体动力力矩。因为鳍轴不在首部，故呈非平衡状态。M01 = Cm1 ,
10、Cm1是用实验方法获得的与攻角有关系数； M02为非定常力矩，它与攻角角速度和攻角 有关。计算Cm2比较复杂，需根据一定的图谱公式，然后再假定鳍角 做某种规律的运动，一般假定 = sint。这样才能知道 与 的对应关系得Cm2。一般等于1.32倍的船的谐摇频率。,M03是一项与加速度 有关的惯性力矩。它是由鳍自身的转动惯量和附加水质量惯量引起的惯性力矩。式中的J是鳍、鳍轴和做摇摆运动的连动部分总的转动惯量,J是附加水质量转动惯量。 Mc是摩擦力矩。由于有防止渗漏的密封装置，摩擦力矩比一般的传动要大，通过实船实验表明：Mc约占总力矩的10%20%。 M01是由重力不通过轴线和浮力不通过轴线引起的
11、不平衡力矩。按鳍的几何形状和空间布置可算出。,三、随机干扰负载模型 控制系统常常遇到非确定的随机干扰负载，需要根据实际情况来建立随机干扰负载模型（干扰负载的谱密度函数）。例4 雷达天线随动系统的风载模型。 考虑随机信息(例如风速、陀螺漂移等)的值是跃变的，每一区段值与以前区段值无关，而且跃变时刻t1,t2,t3,是随机的。先求这类信号的相关函数，相关函数是相距为时刻的两个函数值的乘积的平均值。当x(t)和x(t+)处在同一区段时 x(t)x(t+) = 而当x(t)和x(t+)处于不同区段时，有 x(t)x(t+) =,设t和t+在同一区段的概率为Q()，则相关函数可表示为R()为信号在时间间
12、隔内不变的概率。 设是信号在单位时间内的平均变化次数，在t足够小时，在t内变化的概率就是t，而不变化的概率是1-t。将(0，)分为成r个t，第一个t内不变的概率为(1-t)，第一个t和第二个t均不变的概率为(1-t)2，在r个t内均为不变的概率是(1-t) r。以/t代替r，并令t0，得,信号在(0，)内不变的概率，即 从上式可以看到，这类谱密度函数的主要参数是均方值和单位时间内变化次数。这两个参数一般可以根据物理过程来近似得到。就雷达天线的风载而言，可以先估算风载力矩均方值，再根据当地风速在单位时间内变化的次数确定。有了这两个参数，就可以确定风载谱密度了。,举例说明：设有直径为6m的天线，已
13、知平均风速V0 =72 km/h，阵风最大风速Vm=96km/h,=0.11(1/s)，天线上的风载力矩为,例5 斜浪航行时的横摇干扰模型假设：波浪是一维平稳随机过程，也就是其谱密度是单参数谱 船舶傍浪航行时波浪对船舶的横摇干扰模型为K()是考虑船的宽度和吃水深度对波浪来说并不是一个点而引起的修正系数；为波倾角，波倾角是波动方程(X,t)对坐标X的导数，相当于船所在波面位置处波面和水平面的夹角；S()为海浪波幅谱密度。 航向与浪向的夹角（参考方向：相对为0）,斜浪航行时，航速会影响船与波浪的遭遇频率。逆斜浪使船与波浪遭遇周期变短，顺斜浪则其变长。斜浪航行时波倾角与傍浪航行是不一致的。这两种因素
14、都使横摇干扰力矩模型变化。,浪向角为逆斜浪航行的情况。波峰相对于船的传播速度为,绝对坐标系里的海浪波幅谱密度是S()，相对坐标系里波幅谱密度是S(e)。波能谱从S()到S(e)，总能量并没有变化。对应d和de区间的能量相等，即 S()d= S(e)de因为有,考虑斜浪航行时波倾角的变化。斜浪航行时，相对波长已不是而是。此时对应横剖面的波倾角 u=sin式中为傍浪时的波倾角。 当考虑以上所讨论的两种因素后，船在斜浪航行时的横摇干扰力矩模型是 斜浪时波倾角幅度变化仅仅在船的长度相对于波长是很小的情况下才有意义。当船长与波长相接近时，沿船长不同的横剖面上波倾角不仅在大小而且在符号上也发生了变化。 ,
