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1、机电系统工程学,第六章机电一体化系统机电有机结合分析与设计 讲授：郑海明机 械 工 程 系,第六章 机电系统有机结合分析与设计,重点学习：机电有机结合的稳态设计考虑方法 机电有机结合的动态设计考虑方法 在机电位置/速度控制系统，一般可直接或者间接经机械变换机构（减速器、丝杠螺母机构）来驱动被控制对象。主要任务：是围绕被控制对象的具体要求，采用合理的设计方法，寻求最终获取机械运动规律和运动性能指标参数。学习方法：结合典型的机电控制系统设计，掌握机电系统设计的基本方法和手段。,第一节 机电有机结合设计概述,机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配、即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型
2、的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案。在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：,1系统闭环与否的确定 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，
3、开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响应特性。2执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。,6.1 机电有机结合设计概述,3传动机构方案的选择 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与
4、传递。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。4控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛的应用。,6.1 机电有机结合设计概述,6.1 机电有机结合设计概述,此
5、外还包括各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法，及信号转换的方式等。该方案通常只是一个初步的轮廓，有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括:,稳态设计,初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。,主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或 借助计算机进行辅助设计。,动态设计,通过上述理论设计计算，完成的还仅是一个较详细的设计方案，这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实践的基础。系统的实际电路及实际参数，往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并不等于
6、以上设计计算是多余的，因经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定，对工程实践是必需的。此外，随着机电一体化技术的发展，机电一体化系统（产品）的自动化程度越来越高。为满足人们生活和生产安全、可靠地使用要求，在机电一体化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意其可靠性、安全性设计要求。,6.1 机电有机结合设计概述,6.2 机电一体化系统的稳态设计考虑方法,机电有机结合的稳态设计考虑方法 在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系统总
7、体方案的稳定性设计静态设计，为机电系统的动态设计创造条件。重点研究：系统自身的稳态特性（假设无外界干扰）,系统稳定设计的目的：,使控制被控对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学、动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能。,稳态设计方法研究的主要内容或步骤：,信号的有效传递。各级增益的分配。各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。系统总体方案的确定。,使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。执行元件的参数选择。功率（力/力矩）匹配以及过载能力的验算。各主要元件的选择与控制电路的设计。,稳态设计方法学习的主要内容：,（1）负载分析。（2）执行元件匹配选择。（3）机械传动比选
8、择与各级减速比确定原则。（4）检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。（5）机电系统数学模型的建立。（6）分析研究系统的稳态特性。,单位阶跃响应系统的稳态特性,6.2.1 负载分析,（1）典型负载形式 无论被控制对象的运动形式如何，负载形式及其特点千差万别，归纳起来具有一些共性负载典型负载。包括：惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载。,目的：获取负载特征参量。方法：综合负载特性，进行有效组合，获取必要负载特征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。,（2）惯量和负载的等效换算,惯量和负载转换的作用：为使所选择执行元件
9、（功率、力/力矩、运动参量）与被控对象的固有参数（质量、转动惯量、运动参数）等相匹配，将输出轴各部分的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便确定执行元件。,1）等效转动惯量的计算,无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动，应用总动能不变的原理，可进行等效转动惯量的计算。能量守恒：E=Ek,2）等效负载转矩的计算,无论外部或内部负载是力还是力矩，应用虚功原理，可进行等效负载转矩的计算。,6.2.2 执行元件的匹配选择,伺服系统是由若干元部件组成的，其中有些元部件已有系列化商品供选用。为降低机电一体化系统的成本，缩短设计与研制周期，应尽可能选用标准化零部件。拟定系统方案时，首先确定执行元件的类
10、型，然后根据技术条件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。,6.2.2 执行元件的匹配选择,执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配、功率匹配、过热保护系数和过载保护系数验算四部分。,直流电机,步进电机及驱动,步进电机基本结构,（1）执行元件的转矩匹配,考虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩：,注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。,测算执行元件输出轴上的等效转矩（摩擦负载和工作负载）和等效惯性转矩T惯的总和。,（2）执行元件的功率匹配,电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。主要依据电机的等效负载和最高转速确定。常用下式进行预选。,再
11、通过过热验算和过载验算，最终确定电机的功率。,（3）电机的过热验算,电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法（励磁磁通近似不变）计算电机的等效转矩（平均转矩）。,电机不产生过热的条件为：，,（4）过载验算条件,6.2.3 机械传动减速比的匹配选择与各级减速比的分配,减速比匹配的目的是可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。（1）减速比匹配选择的一般原则要求 在第2章中，提到了机械传动减速比的分配原则，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动的减速比。,本节提到的减速比匹配及分配，是以满足控制对象的运动特性、加速特性和动力特性为准则。,即依据负
12、载特性、脉冲当量（分辨率）、特殊要求等综合分析选择确定，减速比的确定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足脉冲当量（分辨率）与进给角之间的相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大等要求。（2）各级减速比的分配原则与方法 1）按加速度最大原则选择减速比当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按下式决定减速比 i：,2）按输入速度恒定原则选择减速比,在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，可按下式确定减速比 i：,3）满足脉冲当量、进给角、丝杠基本导程匹配关系选择减速比,4）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比,即 最小原则：,5）按速度和加速度规
13、定要求选择减速比,在速度和加速度有要求时，除按加速度最大原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速比。,注意：应用上述方法确定机械传动部分的减速比，不能单一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析，结合被控制对象的具体情况，在依据减速比的分配原则（第2章），最终确定机械传动总减速比和各级减速比。,6.2.4 检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源的匹配与设计,要达到机电一体化系统设计的主要性能指标（功能指标），系统稳态设计的重点在伺服系统的稳态设计，主要涉及两方面内容：,信号处理与转换、功率放大与驱动、系统电源匹配等。信号检测、信号处理与误差传递、动
14、态计算与调整电路设计（正补偿设计、辅助电路设计）等。最终使系统在输入信号作用下，其输出具有收敛特性。,系统稳态设计步骤：,主要包括功能部件的选择与设计（不含执行元件）1）检测传感装置的选择 依据被检测对象的类型，考虑传感器的精度（分辨率）、不灵敏区、工作范围、输入/输出特性（线性）、信号的转换、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等，合理选择传感器。,光栅传感器的工作原理,磁栅位移传感器,光电编码传感器,测速发电机速度传感器,光电脉冲转速传感器,压电式加速度传感器,空气阻尼式加速度传感器,应变片测力传感器,2）信号转换接口电路的设计和选用 主要指A/D、D/A的选用,尽可能选用标准、通用
15、、商业集成元件作为信号转换电路的核心元件设计接口电路。重点考虑输入输出通道数，通道类型，通道阻抗与连接元件阻抗之间的匹配等。3）伺服系统放大器（驱动电路）的设计与选用 驱动电路设计通常分为两部分：信号处理与功率放大（提高信号品质为主），功率放大（增大能量为主）。,具体要求：a）最后输出级的功率应与执行元件功率（电流、电压、容量、额定值）相匹配。输出阻抗小、效率高、时间常数小。b）为执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。制动条件、限流保护条件等。c）放大器应有足够的线性范围，保障执行元件的容量得以正常发挥。d）输入级应与检测传感器相匹配。输入阻抗大，可减轻检测传感器的负荷。e）放大器要有足够的放
16、大倍数，工作特性稳定可靠、易于调整等。,4）伺服系统的能源（电源）支持,电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形式和要求不同的限制，电源供给统一是困难的。但是、在设计电源系统时，应尽可能地作到电源的输出类型要少，在电源参量输出具有足够稳定性（电压、频率）的同时，要采取保护措施，防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。常用措施：滤波、隔离、屏蔽干扰信号；稳压、限压、限流、断电保护和短路保护。此外，要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。总之，系统设计牵涉的知识面较广，每一个环节均要给予充分注意。,6.2.5 机电一体化系统数学模型的类型
17、,机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种多样的，但从控制系统工作原理上讲，主要分为开环控制、半闭环控制、闭环控制三类数学模型。下面结合典型实例进行学习。（1）开环控制系统 开环控制比较简单，前面已学习。传递函数数学模型为：（2）半闭环控制系统 如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统,滚珠丝杠传动半闭环控制系统框图,Ka前置放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反馈增益；Tm直流伺服电机时间常数；i1、i1减速比；Kr位置传感器增益；Vi(s)输入电压的拉式变换；i(s)丝杠输出转角的拉式变换。,1）无外界干扰时的传递函数数学模型,2）有外界干扰时的传递函数数学模型,附加扰动力矩（电压VD表
18、示）的系统框图 附加扰动力矩等效电压后的系统框图,3）全闭环控制系统,传递函数数学模型：,4.工作台进给系统的主谐振频率 对于带非刚性轴的传动系统，上述完整的传递函数必然是高阶的。而在控制系统应用中，往往感兴趣的是机械传动系统的主谐振频率。现就其主谐振频率的求法分析如下：,根据上面拉氏变换得到的方程，可画出如下图所示的简化系统框图。通过系统框图的进一步简化可得系统的传递函数为:,小 结,本小节掌握的主要内容是通过对系统负载和传动系统分析匹配，执行元件和传感元件等的合理选用与匹配设计，采用一定的总体设计方法和步骤，最终得到系统的传递函数稳态设计的数学模型。,6.3 机电一体化系统的动态设计考虑方
19、法,机电一体化伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此必须进一步进行系统的动态设计。系统动态设计方法：在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基础上，选择系统的控制方式和校正（或误差补偿）形式，有效地与稳态设计所建立的数学模型（传递函数）系统相融合，构成具有误差补偿作用的反馈调节系统，达到稳定工作和满足被控制对象的各项动态指标要求。,6.3 机电一体化系统的动态设计考虑方法,系统动态设计的目的：在稳态设计的基础上，保证系统的动态稳定性、过渡过程的品质（响应特性、振荡特性等）、动态稳定精度，动
20、态响应特性等指标参数。动态设计的主要方法或手段：为保证系统动态稳定各指标参数的误差（精度），常用的设计方法有校正（或误差补偿）法、波德（Bode）图法、根轨迹图法等。,6.2.1 伺服系统的调节方法,（1）伺服系统动态稳定性分析与过渡过程 对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。即：指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出发散没有稳定值，系统输出振荡最终能趋于稳定值。,1）动态稳定过程的特点：,系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大（加速度大），无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的调节
21、。第二种情况：系统振荡发散不稳定。第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统刚性较小，但惯量较大，过渡阶段误差教小，利于系统性能参数的调节匹配。鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定（硬件和软件保证），利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差最小的控制系统，在实际应用的控制系统中最为常见。,2）动态系统过渡阶段的主要性能指标,动态特性参量或指标：上升时间Ts；延滞时间Ty；调整时间Tt；最大超调量%，如图所示。,（2）伺服系统动态稳定性校正方法,若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系统的主要性能指标（过渡阶段和稳定阶段）不能满足使用要求。采取的主要措施是：第一步，设计调节器（校正器
22、），调节系统稳态性能参数；第二步，设计反馈控制器，改善系统稳态性能参数。目的在于达到系统的使用要求稳态和动态指标。尽管可用于系统调节和校正的理论（数学模型）方法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最为广泛和简单的是PID调节器。下面针对PID调节器的应用特点学习调节器的设计和使用方法。,1）PID调节器及其传递函数（含调节电路）,PID调节器无源阻容式调节器和有源阻容式调节器。无源阻容式调节器具有结构简单，无须提供外界电源等特点，但存在衰减较大、不易与系统的其它环节相匹配，应用受到一定的限制。有源阻容式调节器主要运算放大器与阻容电路组成。通过合理的配置，可达到不但能改善系统的稳定性能，也能
23、改善系统动态性能的能力。有源阻容式调节器的电路构成,有源阻容式调节器的传递函数和特点：,a)比例(P)调节图a 传递函数：Gc(s)=Kp=R2/R1 特点：调节作用主要取决于增益Kp的大小，Kp值越大调节作用越强，但存在调节误差，且当Kp值太大时，可能引起系统不稳定。b)积分(I)调节图b 传递函数：Gc(s)=1/(Ti s)=1/(R1C s)特点：可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而较少单独使用。c)比例积分图c 传递函数：Gc(s)=KP 1+1/(Ti s)其中：KP=R2/R1；Ti=R2C。既克服了单纯比例(P)调节存在调节误差的缺点，又避免了积分(I)调节响应慢的弱点，系统
24、稳定性和动态性能得到了改善。,d)比例积分微分(PID)调节图d,传递函数：Gc(s)=KP1+1/(Ti s)+Td s 其中：KP=(R1C1+R2C2)/(R1 R2)；Ti=R1C1+R2C2；Td=R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。特点：不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动态性能，相比之下，它比(PI)调节能使系统具有更好的稳定性能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声比较大或系统要求响应快时，不宜采用PID调节。PID调节器使用调整方法：在实际工程应用中，有源的PID调节器校正与误差调整方法，通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，而是通过观察输出响应波形是否满足使用要
25、求，先调整比例时间常数KP；再调整积分时间常数Ti；最后调整微分时间常数Td；反复调整直到所观察到的输出波形能满足使用要求的输出波形为止，便可确定PID调节器控制的系统参数,（3）PID调节器对伺服系统的调节校正性能分析,对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在有效输入信号和外界干扰信号作用下，为改善系统的性能。PID调节器的目的：是使系统输出误差（与目标参量相比）最小和在外界干扰作用下产生输出误差最小。,典型闭环系统传递函数的构成,在输入和干扰信号同时作用下，传递函数：,在输入信号作用下，系统的传递函数：,在干扰信号作用下，系统的传递函数：,（4）PID调节器对闭环控制系统性能改善的实例分析,
26、如上图闭环控制系统，假设；A=1；比例调节器的比例系数 K0=1.5（无调节时，K0=1）。,对闭环控制系统性能改善分析：1）调节器为比例调节（P）输入信号与输出信号的传递函数：干扰信号与输出信号的传递函数：闭环响应的传递函数：,有无比例调节器(P)时的性能比较,代入闭环控制系统各部分（元件）的性能参数有：（无比例调节器时为：）；（无比例调节器时为：）；（无比例调节器时为：）；则有：（无比例调节器前：）;（无比例调节器前：）;系统总的响应为：,性能改善：由系统响应推导和响应仿真比较结果得出，闭环响应仍为二阶响应，但时间常数比未加入调节器前的时间常数小，说明闭环系统响应快。,无PID调节的系统响
27、应,有PID调节的系统响应,比例调节的特点：,a)当干扰信号为阶跃信号（幅值为D0）时，拉氏变换D(s)=D0/s，依据拉氏变换终值定理，系统处于稳态(t)时，扰动信号输出，即误差Cssd为：表明系统在干扰信号的作用下，其输出全为误差，误差值大小由系数K2和幅值D0决定。b)当输入信号也为阶跃信号（幅值为R0）时，其拉氏变换为R(s)=R0/s，依据拉氏变换的终值定理，系统处于稳态(t)时，输入信号输出，即误差Cssr为：表明系统在输入信号作用下，其输出稳态值大小由系数K1和幅值R0决定。当K1=1时，即A=(1+K0KvKpKh)/(K0KvKp)，系统输出与目标值相等。,2）调节器为积分调
28、节（I）,其闭环响应输出信号为：通过计算可知，积分调节闭环系统对干扰信号为阶跃信号时的稳态响应为零，表明外界干扰信号不会影响系统的稳态输出。若输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所具有的稳态输出为：当A=Kh时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号为Cssr=R0，表明系统稳定输出等于目标输出。,积分调节器的特点:,积分调节器构成的闭环系统可完全消除误差，但是所需时间一般较长，系统响应慢。即调节器输出值与误差的存在有关，输出值随时间的推移逐渐增大，直到消除误差趋于稳态输出，达到稳态输出时的时间值与所存在误差值的大小有关，误差值越大，所需的时间越长；反之，则小。3）调节器为比例积分调节（PI）
29、闭环响应输出信号为：,比例积分调节（PI）的特点：,比例积分调节闭环系统对干扰信号为阶跃信号时的稳态响应为零，表明外界干扰信号不会影响系统的稳态输出。若输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所具有的稳态输出为：当A=Kh时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号为Cssr=R0，表明系统稳定输出等于目标输出。最大的特点是在改善闭环控制系统瞬时响应的同时，即可降低单纯比例调节存在的稳态误差，有可提高积分调节的响应速度。因而得到广泛的应用。,4）调节器为比例积分微分调节（PID）,调节环节中微分调节（D）的作用是调节系统动态过程过渡阶段响应特性的品质（减小超调量）。PID调节器的调节过程：调整比例调
30、节和微分调节提高系统的响应速度和动态过程过渡阶段的响应特性品质。通过积分调节消除干扰信号产生的误差输出。重复上述过程，直到控制系统动态性能指标和稳态性能指标达到要求为止。,（4）速度反馈校正（测速发电机局部负反馈）,在电机处于低速运转时，所带动的工作台往往会产生“爬行现象”，若系统功率放大增益线性相当差（非线性因素的作用），这种现象相当明显。为了改善和提高系统的稳定性能，在控制系统中常采用电流负反馈或速度负反馈来提高系统低速稳定性。如图所示二阶速度负反馈控制系统。无负反馈时传递函数 有负反馈时传递函数 J等效转动惯量；F等效粘性摩擦系数；K系统开环增益。,系统有/无测速发电机负反馈的系统仿真,
31、有测速发电机负反馈后，系统阻尼增加，系统的超调量明显减小，系统的相对稳定性得到了较大的提高。,6.3.2 机械结构弹性变形对系统的影响简介,实际上，任何机械系统都是质量弹性振动系统。存在固有频率，一旦系统振荡频率接近机械系统的固有频率，机械系统将发生共振，损坏零部件。为了避开共振对机械系统的影响，常采用的方法：（1）依据机械系统的结构、尺寸大小、材料和承受的外载荷等情况，应用结构力学、材料力学、振动力学、弹性力学等相关的理论知识，建立相应的数学模型，机械振动系统的运动和动力学方程。,（2）依据机械振动系统的运动和动力学方程，从机械系统弹性变形出发简化系统，建立弹性变形时机械系统的运动和动力传递
32、结构框图。（3）由机械系统运动和动力传递结构框图，写出机械系统运动和动力传递的控制等效框图。（4）建立机械系统的传递函数。（5）应用根轨迹法等，对系统的传递函数进行因式分解，并分析系统的结构谐振频率分量，评价和判断系统的结构谐振频率分量是否对机械系统的控制频带产生影响，若系统存在自激振荡现象，应采取相应地措施避开自激振荡，从而使系统工作稳定可靠。,1.结构谐振的影响 传动系统因弹性变形而产生的振动，称为结构谐振(或机械谐振)。为了使问题简化，在分析系统时，常假定系统中的机械装置为绝对刚体，即无任何结构变形。实际上，机械装置并非刚体，而具有柔性。其物理模型是质量-弹簧-阻尼系统。例如机床进给系统
33、中，床身、电动机、减速箱、各传动轴都有不同程度的弹性变形，并具有一定的固有谐振频率。但对于一般要求不高且控制系统的频带也比较窄，只要传动系统设计的刚度较大，结构谐振频率通常远大于闭环上限频率，故结构谐振问题并不突出。随着科学技术的发展，对控制系统的精度和响应快速性要求愈来愈高，这就必须提高控制系统的频带宽度，从而可能导致结构谐振频率逐渐接近控制系统的带宽，甚至可能落到带宽之内，使系统产生自激振荡而无法工作，或使机构损坏。,2.减小或消除结构谐振的措施,四、传动间隙对系统特性的影响,1.机械传动间隙,2.传动间隙的影响,上述主要介绍了可计算(传动系统)部分的动态分析方法。机械系统(包括机械传动系
34、统和机械支承系统)在内、外的变化载荷作用下，会表现出不同的动态响应特性。某些动态响应特性会影响机电一体化系统的正常工作，工程设计人员必须给予足够的重视。对不可计算的复杂机械系统的动态分析，通常采用被广泛使用的实验模态分析方法。通过这种方法可识别机械系统的结构模态参数，如固有振动频率、振型、模态刚度、模态质量及模态阻尼等。从而建立用这些模态参数表示的机械结构系统的动态方程，通过分折找出其问题所在，以便采取提高刚度和阻尼效果的有效方法。实验振动模态分析方法有时域法和频域法。时域法是直接从机械系统结构的时间域的响应求取模态参数。频域法是先将测试数据变换成频率域数据，然后进行模态分析进而确定模态参数，
35、其具体分析方法请参看有关资料。,五、机械系统实验振动模态参数识别分析,6.4 机电一体化系统的可靠性设计,（1）可靠性的概念 指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。产品的可靠性是一个综合性评价指标体系，常用MTBF(Mean Time Between Failure)指标来衡量。总的来看，可靠性的概念包括系统(产品)的无故障性和耐久性两方面的含义。系统(产品)的无故障性，是指系统(产品)在某一时期内(或某一段工作时间内)，连续不断地保持其工作能力的性能。系统(产品)的耐久性,是指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其工作能力的性能。一般来说，如果不采取维修和预防措施消除故
36、障、恢复其丧失了的工作能力，系统(产品)是不能长时期工作的。,（2）保证产品（系统）可靠性的主要方法 保证系统(产品)具有必要的可靠性是一个综合性问题，不能单纯依靠某一特定的方法。在保证系统(产品)可靠性的方法中，提高系统(产品)的“设计和制造质量”是最根本的方法，它的作用是消除故障于发生之前，或者降低故障率。但从某种意义上来讲，由于故障是一种随机事件，因而是不可避免的。冗余技术成为保证系统(产品)可靠性的一种重要方法，它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使系统(产品)在一定时间内继续保持工作能力。如果说冗余技术是一种掩蔽法，那么诊断技术就是一种暴露法，它可以把已经出现的或即将出现的
37、故障及时暴露出来，以便迅速修复。因为故障掩蔽只能推迟系统(产品)失效的时间，如果时间一长，故障就会累积起来，终归是掩蔽不住的。因此，诊断技术的作用就在于及时发现故障，以便缩短修理时间，提高系统(产品)的有效度。,（2）保证产品（系统）可靠性的主要方法,1）提高产品的设计和制造质量裕度法、自动控制。自动控制：在系统 设计中，利用机电一体化技术的优势，使系统 具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大提高系统(产品)的可靠性。这是因为自适应和自调整等自动化技术，能使机器具有适应工作条件经常变化的功能(对外界的作用作出反应)，以及恢复丧失了的工作能力的功能，使系统(产品)不仅具有完成规定功
38、能的能力，而且能够长时期地保持这种能力，不必担心外界影响，也不必担心系统(产品)本身在运转过程中发生故障。此外，在设计阶段就应考虑到在使用阶段如何保证系统(产品)可靠性的问题，应规定适当的环境条件、维护保养条件和操作规程。系统(产品)结构应具有良好的维修性，如易损件应便于更换、故障应便于诊断、容易修复等。,2）采用冗余技术工作冗余、后备冗余。冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统(产品)可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类。工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的单
39、元都失效时系统才失效，如果还有任何一个单元未失效，系统就可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，一旦发现失效就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作单元。,在设计中，究竟采用哪种冗余方法为好,要根据具体情况作具体分析。如果失效检测和转换装置绝对可靠，则后备冗余的可靠度比工作冗余法高，如果不绝对可靠，就宁肯采用工作冗余法,因工作冗余系统还有一个优点，就是由于冗余单元分担了工作应力，各单元的工作应力都低于额定值，因此其可靠度比预定值高
40、。选择冗余法必须考虑产品性能上的要求,如果由多个单元同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采用工作冗余法；产品设计必须考虑环境条件和工作条件的影响，例如，如果多个工作单元同时工作，因每个工作单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后备冗余法。又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法为好。,决定是否采用冗余技术时，要分析引起失效的可能原因。当失效真正是随机失效时，冗余技术就能大大提高可靠度，但如果失效是由于过应力所引起的，冗余技术就没有用。如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因素，则冗余单元也并不可靠。通常，机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来
41、提高可靠性。例如在强度、刚度、抗振性等方面采取较大的安全系数，实现可靠性储备。当然在采用冗余技术时，还要考虑经济上的可行性和产品的体积和重量等因素。,3）故障诊断技术测试、症兆、诊断。从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关系统(产品)中产生的失效(故障)类型和失效位置信息。它的任务有两个：出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明系统(产品)工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。诊断的过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号(输出参数)，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和
42、位置的异常性信号，即症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置。测试：通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。,症兆：症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信可分为直接症兆和间接症兆两类。直接症兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元、部件的输出参数时，取得的异常性诊断信号。例如，系统(产品)的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号
43、。间接症兆是从那些与系统(产品)工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。例如，系统(产品)的音响信号、温度变化、润滑油中的磨损产物、系统动态参数(幅频特性)等，都可作为取得间接症兆的信号。采用间接症兆进行诊断的主要优点是，可以在系统(产品)处于工作状态及不作任何拆卸的情况下,评价产品的工作能力。其缺点是，间接症兆与系统(产品)输出信号之间往往存在某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是得到了广泛应用。,诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。标准
44、数据是根据系统 或元、部件输出参数的极限值来设定的。症兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表，有时称为故障字典。前面简述了保证系统(产品)可靠性的方法，其中裕度法主要是一种改进硬件的措施，自动控制法以及冗余技术和诊断技术是用硬件、软件或两者结合来保证系统(产品)可靠性的措施。,（3）系统干扰和提高抗干扰能力的措施,系统干扰：指产生系统元部件失效或数据传输、处理失误，进而影响系统可靠工作的内部因素和外部因素。1）系统干扰源的类型 传导型由线路传入信号影响控制系统工作。如：供电干扰、强电干扰、接地干扰等。辐射型由空间感应输入信号影响控
45、制系统工作。如：电磁干扰、电场干扰、静电干扰等。2）提高系统抗干扰能力的措施 针对不同类型的干扰信号，采取的抗干扰措施也有所不同。供电系统的抗干扰措施：稳压、滤波、隔离。接口电路的抗干扰措施：吸收抑制、阻断隔离。,（4）软件的可靠性技术,转换接口抵消隔离措施：差动式运算放大器或桥式电路、高频滤波整形电路。接地系统干扰措施：单点接地、并联接地、光电隔离接地。,控制系统有硬件和软件组成，软件的可靠性设计也至关重要。主要包括利用软件提高控制系统的可靠性和提高软件自身的可靠性。1）利用软件提高控制系统的可靠性 增加系统的管理软件与硬件的匹配，保护处理信息。利用冗余技术，防止信息输入输出和传送中出错。编
46、制软件对系统的故障诊断程序和故障修复程序。编制可对系统(硬件和软件)进行调试和保护的程序。,2）提高软件自身的可靠性,采用软件分和层次结构编程。提高软件自身可测试程序的设计。对软件进行测试调试提高可靠性的关键技术。3）软件测试调试技术的制定 制定合理的软件测试调试技术方法是提高可靠性的关键技术之一。具体方法如下：确定软件测试调试前的初试条件输入条件、输出结果评价规范 单元或模块测试。局部或系统测试。系统功能或性能调试与测试。现场安装、综合验收与评价。,本章总结,重点掌握机电有机结合的稳态设计考虑方法研究的主要内容和检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源的匹配选择与设计；重点掌握机电有机结合的动态设计考虑方法研究的主要内容，伺服系统的调节方法。了解机械结构弹性变形对系统的影响和减少影响可采用的措施，动态设计考虑方法的主要设计程序及要求；了解控制系统的可靠性设计方法与要求。,课外作业：,（1）机电一体化系统伺服系统稳态设计的目的和作用是什么？（2）机电一体化系统的伺服系统稳态设计应从哪两方面入手？（3）机电一体化系统伺服系统动态设计的目的和作用是什么？（4）比例调节、积分调节、比例积分调节、比例积分微分调节的优缺点有哪些？（5）什么是机电一体化系统的可靠性？主要包括哪些内容。,
