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1、1,第五章 机电一体 化系统的元、部件特性分析,第一节 自动控制理论与机电一体化系统 第二节 机电一体化系统的元、部件动态特性 习题与思考题,2,第一节 自动控制理论 与机电一体化系统,自动控制理论是机电一体化系统的控制基础，随着机电一体化技术的发展，控制理论在机电一体化系统中的应用越来越广泛。机电一体化系统的操作过程控制目的有两个，其一是根据操作条 件的变化，制定最佳操作方案；其二是对操作过程进行自动检测和自动控制，提高控制性能，实现规定的目的功能。 在机电一体化系统中，伺服控制的首要目标是系统的输出，要尽可能使输出量跟踪随时刻变化的输入量，因此，对抗外部干 扰的能力要求更高。对被控对象来说
2、，系统的各构成要素的特性参数比较容易掌握，而随操作条件和环境条件变化的过程控制较难掌握，为此，以反馈控制理论为基础的控制理论是机电一体化系统不可缺少的理论基础。,3,“反馈”是通过适当的检测传感装置将输出量的全部或一部分返回到输入端，使之与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制，反馈控制的目标是使该偏差为零。在设计机电一体化系统的控制系统时，首先必须明确其静态和动态特性要求，研究其外部干扰的形式、强弱、持续时间及其作用点，其次，必须选择具有适合该系统特性的调节器、检测传感器及执行元件。在经典控制理论中，研究机电体化系统的动态特性是以传递函数为基础的，而传递函数是通过数学中的拉普拉斯变换定义的。
3、当系统(或执行元件)的运动能够用相关定律(如电学、热学、力学等的某些定律)描述时，该系统(或执行元件)的传递函数就可用理论推导的方法求出。对那些无法用相关定律推导其传递函数的系统(或执行元件)，可用实验法建立其传递函数。,“反馈”的涵义,4,常用函数的拉氏变换和反变换可从拉氏变换表中查出，通常不必自己计算。一般来说，机电一体化系统(或元件)的输入量(或称输入信号)和输出量(或称输出信号)可用时间函数描述，输入量与输出量之间的因果关系或者说系统（或元件）的运动特性可用微分方程描述。这里仅就机电一体化系统设计中用到的动态特性的分析基础概述。系统(或元件)的运动特性也可以用传递函数描述。线性定常系统
4、(或元件)的传递函数定义为：零初始值下，系统（元件）输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比。当系统受到外部干扰时，其输出量必将发生变化，但由于系统总含有惯性或储能元件，其输出量不可能立即变化到与外部干扰相应的值，而需要有一个过程，这个过程就是系统的过渡过程。,5,系统（或执行元件）在阶跃信号作用下(即操作量阶跃变化时)的过渡过程，大致可分为稳定过程、不稳定过程(发散)、稳定过程(有振荡)三种情况，并可近似地用传递函数表示。伺服系统有时也称伺服机构，它是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。其输出量随输入量的变化而变化，因此，有时也称随动系统。在随动系统中，输出量不仅受输入量控制，而且反馈回来
5、影响输入量，所以称其为闭环控制或反馈控制。并且由于系统是利用输出量与输入量之间的偏差进行控制的，故又称负反馈控制。对于输出量与输入量之间只有顺向作用，而无反向联系的控制，则称其为开环控制。 通过随动系统的传递函数可以分析：1）系统过渡过程品质，即系统响应的快速性和 振荡性。2） 系统的稳态精度，即稳态误差的大小。,6,流经系统的信号随时间连续变化时，则称系统为连续时间系统，其信号为连续时间信号；在系统中，只要有一个地方的信号是脉冲信号或数字信号时，就称系统为离散系统或称采样系统，其脉冲信号或数字信号称为离散信号或采样信号。所谓采样是指将连续时间信号转变为脉冲或数字信号的过程。采样控制系统包括一
6、般的采样系统和数字控制系统。由于采样系统中存在脉冲(或数码)信号，所以不能直接利用拉氏变换的方法建立各元件的传递函数。通常用z变换方法来研究采样系统。由于篇幅所限，关于z变换，需要时请读者阅读其他有关参考书。,7,一、拉普拉斯变换与传递函数,8,9,10,二、系统的过渡过程特性,11,12,三、伺服系统及其动态特性,13,14,15,16,四、采样控制简介1. 采样控制概念 首先介绍一下流经系统信号的性质。流经系统的信号随时间连续变化时，则称系统为连续时间系统，其信号为连续时间信号；在系统中，只要有一个地方的信号是脉冲信号或数字信号时，就称系统为离散系统或称采样系统，其脉冲信号或数字信号称为离
7、散信号或采样信号。所谓采样是指将连续时间信号转变为脉冲或数字信号的过程。采样控制系统包括一般的采样系统和数字控制系统。下面通过一个一般采样控制系统实例，介绍采样控制的有关概念。右图是炉温控制系统原理图。,17,18,19,2. 数字控制系统,20,21,22,23,3.采样系统的研究方法,由于采样系统中存在脉冲(或数码)信号，所以不能利用拉氏变换的方法建立各元件的传递函数。通常用z变换方法来研究采样系统。由于篇幅所限，关于z变换，本书不予介绍，需要时请读者阅读其他有关参考书。,24,第二节 机电一体化系统元、 部件的动态特性分析,机电一体化系统由机械系统、传感检测系统、执行元件系统和电子信息处
8、理(控制)系统等子系统构成。各子系统的输入与输出之间不一定成比例关系，可具有某种频率特性(动态特性或传递函数)，即输出可能具有与输入完全不同的性质。机械系统一般都具有非线性环节，在非线性不能忽略时，只能用微分方程来研究其特性。,考虑各子系统的动态特性和非线性进行电子信息处理系统设计是机电一体化系统设计的一个特点。本章主要介绍机电一体化系统中的机械系统、传感系统和执行元件系统等几个子系统的基本特性，并从机电一体化系统构成要素的角度说明其分析方法。,25,一、 机械系统特性及变换机构,机械系统是由轴、轴承、丝杠及连杆等机械零件构成的，其功能是将一种机械量变换成与目的要求对应的另一种机械量。例如，有
9、的连杆机构就是将回转运动变换为直线运动。机械系统在传递运动的同时还将进行力(或转矩)的传递。因此，机械系统的各构成零部件必须具有承受其所受力(或转矩)的足够强度和刚度的尺寸。但尺寸一大，质量和转动惯量就大，系统的响应就慢。,26,27,28,29,齿轮传动机构图,30,挠带传动机构,31,回转-直线线性变换机构,回转-直线(或直线-回转)线性变换机构如上图所示。图a为齿轮齿条机构图，图b为滚珠丝杠副。,32,二、 机械系统的机构静力学特性,1. 负载力(或转矩)向输入端的换算,机构静力学所研究的问题是：机构输出端所受负载(力或转矩)向输入端的换算；机构内部的摩擦力(或转矩)对输入端的影响；求由
10、上述各种力或重力加速度引起的机构内部各连杆、轴承等的受力。这里主要对研究机电一体化系统设计中机电有机结合最重要的第一、第二个问题加以叙述。第三个问题是机构的强度、刚度设计中要研究的重要问题，此处予以省略。,33,2. 机构内部摩擦力的影响1) 线性变换机构,34,35,读者注意其他系统的动态特性，这里从略，请读者参看教材补充。,36,习题与思考题5-1 回顾所学机械控制工程（自动控制理论基础）的相关知识，简述机电 一体化系统设计与机械控制工程理论的关系。 5-2 机电一体化系统的操作过程控制目的是什么？ 5-3 为什么说以反馈控制理论为基础的控制理论是机电一体化系统设计不可缺少的基础理论？ 5-4 简述传递函数、系统的过渡过程、伺服系统的动态特性的含义。 5-5 用所学机械控制工程（自动控制理论基础）对机电一体化系统元、部件的动态特性进行分析。,
