1、1 机电一体化系统设计机电一体化系统设计第六章第六章 机电一体化系统的机电有机结机电一体化系统的机电有机结合分析与设计合分析与设计6.1 机电一体化系统的稳态与动态设计机电一体化系统的稳态与动态设计 6.2 稳态设计考虑方法稳态设计考虑方法 6.3 动态设计考虑方法动态设计考虑方法 6.4 可靠性、安全性设计可靠性、安全性设计第第6章章 机电一体化系统机电一体化系统机电有机结合分析与设计机电有机结合分析与设计机电伺服系统机电伺服系统位置伺服控制位置伺服控制速度伺服控制速度伺服控制执行元件执行元件被控对象被控对象(负载）负载）研究研究机械运动的规律机械运动的规律运动的参数运动的参数3 机电一体化
2、系统设计机电一体化系统设计典型机电一体化系统典型机电一体化系统工业机器人的组成与运动特征工业机器人的组成与运动特征v 工作空间工作空间 自由度自由度 位姿位姿 关节变量关节变量连杆连杆移动关节移动关节转动关节转动关节稳态设计方法研究的主要内容或步骤：稳态设计方法研究的主要内容或步骤：位置位置,速速度检测度检测单元单元 机械机械 部件部件 位置位置,速度反速度反馈馈 数控机床数控机床 伺服系统组成伺服系统组成 使系统的输出运动参数达到所要求技术状使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。态。执行元件的参数选择。执行元件的参数选择。功率功率(力力/力矩力矩)匹配以及过载能力的验算。匹配以及过载能力的
3、验算。各主要元件的选择与控制电路的设计。各主要元件的选择与控制电路的设计。信号的有效传递。信号的有效传递。各级增益的分配。各级增益的分配。各级之间阻抗的匹配和所各级之间阻抗的匹配和所 采取的抗干扰的措施。采取的抗干扰的措施。系统总体方案的确定系统总体方案的确定稳态设计方法学习的主要内容：稳态设计方法学习的主要内容：(1)(1)负载分析。负载分析。(2)(2)执行元件匹配选择。执行元件匹配选择。(3)(3)机械传动比选择与各级减机械传动比选择与各级减速比确定原则。速比确定原则。(4)(4)检测传感装置、信号转换检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源匹接口电路、放大电路、电源匹配与设计。配
4、与设计。(5)(5)机电系统数学模型的建立。机电系统数学模型的建立。(6)(6)分析研究系统的稳态特性。分析研究系统的稳态特性。单位阶跃响应系统单位阶跃响应系统 稳态特性稳态特性伺服系统设计的流程：伺服系统设计的流程：提出对系统的要求提出对系统的要求制定系统设计方案制定系统设计方案定量的分析与计算定量的分析与计算完成设计方案完成设计方案稳态设计计算稳态设计计算动态设计计算动态设计计算输出运动参数输出运动参数执行元件参数的选执行元件参数的选择择功率的匹配、过载能力的验算功率的匹配、过载能力的验算主要元部件的选择主要元部件的选择控制电路的设计控制电路的设计信号的有效传递信号的有效传递各级增益的分配
5、各级增益的分配各级阻抗的匹配各级阻抗的匹配抗干扰的措施抗干扰的措施设计校正补偿装设计校正补偿装置，满足动态技置，满足动态技术指标的要求。术指标的要求。通过计算机仿真或辅助设计通过计算机仿真或辅助设计被控对象被控对象的特点的特点6.2 机电一体化系统的稳态设计方法机电一体化系统的稳态设计方法6.2.1 负载分析负载分析1、典型负载：、典型负载：直线运动、回转运动、间歇运动直线运动、回转运动、间歇运动惯性负载惯性负载外力负载外力负载弹性负载弹性负载摩擦负载摩擦负载2、负载的等效换算、负载的等效换算被控对象的运动被控对象的运动直线运动直线运动旋转运动旋转运动被控对象被控对象执行元件执行元件直接连接直
6、接连接间接连接间接连接额定转矩、加减速控制、制动额定转矩、加减速控制、制动参数匹配参数匹配联系：联系：?惯量惯量转矩转矩质量质量力力例如：例如：某系统由某系统由m个移动部件和个移动部件和n个转动部件组成。个转动部件组成。移动部件的参数移动部件的参数:质量质量mi（Kg）;运动速度运动速度vi（m/s）、负载力、负载力Fi（N）转动部件的参数转动部件的参数:转动惯量转动惯量Jj（Kg.m2）;转速或角速度转速或角速度nj-wj（m/s rad/s）、负载转矩、负载转矩Tj（N.m）。）。1、求等效转动惯量、求等效转动惯量Jkeq2、求等效负载转矩、求等效负载转矩Tkeq转化的原则：转化的原则：转
7、化前后系统的瞬时动能保持不变。转化前后系统的瞬时动能保持不变。转化前系统的动能总合：转化前系统的动能总合：112122121jjjmiiiJvmE假设转化到执行元件的输出轴上，则转化后系统的动能总合：假设转化到执行元件的输出轴上，则转化后系统的动能总合：221kkeqkJEkEE 又因为则有2211211212121kkeqjjjiiiJJvm22112211kjjjkiiikeqJvmJkn22112211241kjjjkiiikeqnJnvmJ1、求等效转动惯量、求等效转动惯量2、求等效负载转矩、求等效负载转矩keqT假设：系统运行时间为假设：系统运行时间为t，则系统在此时间内克服负载所做
8、的功为：，则系统在此时间内克服负载所做的功为：njjjimiinjjjimiitTtvFTSFW1111执行元件所做的功为：执行元件所做的功为：tTTWkkeqkkeqk由由kWW kjnjjkimiikjnjjkimiikeqnTnvFTvFT111121已知：移动部件（工作台、夹具、工件等）的总质量已知：移动部件（工作台、夹具、工件等）的总质量mA=400kg；沿运动方向的；沿运动方向的负载负载FL=800N(包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯量包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯量Jm=410-5 kgm2，转速为，转速为nm；齿轮轴部件；齿轮轴部件I(含齿轮）的转动惯量含
9、齿轮）的转动惯量JI=510-4kgm2；齿轮轴部件；齿轮轴部件II(含齿轮）的转动惯量含齿轮）的转动惯量JII=710-4kgm2；轴；轴II的负载转矩的负载转矩TL=4Nm；齿轮；齿轮z1与与z2的齿数分别为的齿数分别为20和和40，模数为，模数为1mm。求：等效到电机轴上的等效转动惯量求：等效到电机轴上的等效转动惯量 等效到电机轴上的等效转矩等效到电机轴上的等效转矩meqJmeqT参考课本参考课本P219 解1）求meqJ222)(41mIIIIImmaameqnnJJJnvmJ100010001000112212mznmzzznmzinvmmma21zznnmII2224-24-252
10、2.1264.0)4020(Kg.m107Kg.m105Kg.m104100020140041mKgnnKgJmmmeq 2）求meqTmIILmALnnTnvF21Tmeq211.4100080021zzmNnmznNmmmN.106.2.2 执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择(课本课本P220）执行元件的匹配选择主要包括执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配转矩匹配、功率匹配功率匹配、过热保护系数过热保护系数和和过载保护系数验算过载保护系数验算四部分。四部分。直流电机直流电机步进电机及驱动步进电机及驱动步进电机基本结构步进电机基本结构(1)执行元件的转矩匹配执行元件的转矩匹配TTTmeq惯考
11、虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩：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，电动机工作区注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域域应在恒转矩输出调速区内。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测算执行元件输出轴上的等效转矩(摩擦负载和摩擦负载和工作负载工作负载)和等效惯性转矩和等效惯性转矩T T惯惯的总和。的总和。kcqT/)(/TTTmeq惯例如：例如：机床工作台某轴的伺服电动机输出轴上所受等效负载转矩机床工作台某轴的伺服电动机输出轴上所受等效负载转矩 25Nm，等效转动惯量为，等效转动惯量为Jmeq=3X10-2kg.m2，由工，
12、由工作台某轴的极限速度换算为电动机输出轴角速度为作台某轴的极限速度换算为电动机输出轴角速度为50rad/s,等等加速和等减速时间加速和等减速时间t0.5s，机械传动系统的总传动效率，机械传动系统的总传动效率0.85，求电机轴上的总的等效负载转矩？，求电机轴上的总的等效负载转矩？为保证带负载时能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动为保证带负载时能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动转矩转矩Tq必须满足必须满足等效惯性等效惯性负载转矩负载转矩考虑传动效率时考虑传动效率时等效总负载转矩等效总负载转矩现在假设选用现在假设选用110B003反应式步进电动机，最大静转矩反应式步进电动机，最大静转矩Tj
13、max=7.84Nm。当采。当采用三相六拍通电方式，（用三相六拍通电方式，（P97）则其起动转矩为则其起动转矩为TfeqT)(35.0501032NmtJJTmJeqmJeqJeq(2)执行元件的功率匹配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。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。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。常用下式进行预选。maxmax55.9TnJTPmmeqmeq 再通过过热验算和过载验算，最终确定电机的功率。再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的过热验
14、算 电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法用等效法(励磁磁通近似不变励磁磁通近似不变)计算电机的等效转矩计算电机的等效转矩(平平均转矩均转矩)。电机不产生过热的条件为：电机不产生过热的条件为：，(4)过载验算条件过载验算条件21122121tttTtTTeqeqNTTeqNPP mNkTTmax6.2.3 减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比的确定要考虑三个因素：减速比的确定要考虑三个因素：负载的性质负载的性质脉冲当量脉冲当量系统的综合要求系统的综合要求要求：要求：在某种条件下，减速比达到最佳，又要
15、满足脉冲当在某种条件下，减速比达到最佳，又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系和最大转速的要求。量与步距角之间的相应关系和最大转速的要求。1、使加速度最大使加速度最大（复习）复习）212)(mLmLFTTJJTTimLF2、使输出速度为最大使输出速度为最大3、满足传动系统基本要求满足传动系统基本要求21122)(ffTTimLFTTmLF00360li 4、输出轴转角误差最小输出轴转角误差最小ninkki)(max5、对加速度和速度同时有要求对加速度和速度同时有要求按第一种方法确定减速比，然后按下式验算按第一种方法确定减速比，然后按下式验算mLimax负载的最大角速度负载的最大角速度电机输出的
16、角速度电机输出的角速度6.2.4 检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、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要达到机电一体化系统设计的主要性能指标(功能指功能指标标)，系统稳态设计的重点在伺服系统的稳态设计，主要，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：涉及两方面内容：信号处理与转换、功率放大与驱信号处理与转换、功率放大与驱动、系统电源匹配等。动、系统电源匹配等。信号检测、信号处理与误信号检测、信号处理与误差传递、动态计算与调整电差传递、动态计算与调整电路设计（正补偿设计、辅助路设计（正补偿设
17、计、辅助电路设计）等。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。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：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）主要包括功能部件的选择与设计（不含执行元件）1)1)检测传感装置的选择检测传感装置的选择 依据被检测对象的类型，考虑传感器的精度依据被检测对象的类型，考虑传感器的精度(分辨率分辨率)、不灵敏区、工作范围、输入不灵敏区、工作范围、输入/输出特性输出特性(线性线性)、信号的转、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，换、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等，合理选
18、择传感器。合理选择传感器。32411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理同步感应器的工作原理同步感应器的工作原理输 出 信 号励 磁 电 源654SS3NNSSS7NN1SNN200abx磁栅位移传感器磁栅位移传感器光电编码传感器光电编码传感器MI0RLV0测速发电机速度传感器测速发电机速度传感器透 镜光 源光 电 器 件带 缝 隙 圆 盘指 示 缝 隙 盘光电脉冲转速传感器光电脉冲转速传感器引出线3质量块1 壳体压电晶片m4 2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器3241C12C空气阻尼式加速度传感空气阻尼式加速度传感器器a)PPb)P1R
19、4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR应变片测力传感器 2）信号转换接口电路的设计和选用）信号转换接口电路的设计和选用 主要指主要指A/D、D/A的选用的选用 尽可能选用标准、通用、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）。26 机电一体化系统设计机电一体化系统设计v 具体要求：具体要求：a)最后输出级的
20、功率应与执行元件功率最后输出级的功率应与执行元件功率(电流、电压、电流、电压、容量、额定值容量、额定值)相匹配。相匹配。输出阻抗小、效率高、时间常数小。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。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。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。得以正常发挥。d)输入级应与检测传感器相匹配。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。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大倍数
21、，工作特性稳定可靠、放大器要有足够的放大倍数，工作特性稳定可靠、易于调整等。易于调整等。4)伺服系统的能源伺服系统的能源(电源电源)支持支持 电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形式式和要求不同的限制，电源供给统一是困难的。但是、在设和要求不同的限制，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电源参量输出具有足够稳定性稳定性(电压、频率电压、频率)的的同时，要采同时，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、取保护措施
22、，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。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、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。限流、断电保护和短路保护。6.2.5 机电一体化系统数学模型的类型机电一体化系统数学模型的类型 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，主要分为控制系统工作原理上讲，主要分为开环控制开环控制、半闭环控制半闭环控制、闭闭环控制环控制三类数学模型。三
23、类数学模型。下面结合典型实例进行学习。下面结合典型实例进行学习。(1)开环控制系统开环控制系统 开环控制比较简单，前面已学习。开环控制比较简单，前面已学习。传递函数数学模型为：传递函数数学模型为：(2)半闭环控制系统半闭环控制系统 如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统 memesGGGG(t)ii2D工作台ViFii1滚珠丝杠传感器电动机1前置放大功放U(t)i测速发电机滚珠丝杠传动半闭环控制系统框图滚珠丝杠传动半闭环控制系统框图 K Ka a前置放大器增益；前置放大器增益；K KA A功率放大器增益；功率放大器增益；K Kv v速度反馈增益；速度反馈增
24、益；T Tm m直流伺服电机时间常数；直流伺服电机时间常数；i i1 1、i i1 1减速比；减速比；K Kr r位置传感器增益；位置传感器增益；V Vi i(s)(s)输入电压的拉式变换；输入电压的拉式变换；i i(s)(s)丝杠输出转角的拉式变换。丝杠输出转角的拉式变换。iV(s)GG12G34GKAKamKmS（1+T S）i11K SGVG6Kr2i15Gi765432173243211)()()(GGGGGGGGGGGGGsVssGii)/()1(/2121i iKKKKsKKKsTiKKKrmAaVmAmmAa1)无外界干扰时的传递函数数学模型无外界干扰时的传递函数数学模型2)有外
25、界干扰时的传递函数数学模型有外界干扰时的传递函数数学模型 附加扰动力矩附加扰动力矩(电压电压VD表示表示)的系统框图的系统框图 附加扰动力矩等效电压后的系统框图附加扰动力矩等效电压后的系统框图 )/()1()/()()()()(21210i iKKKKsKKKsTiKRRKsVssGrmAaVmAmTamiiiG52S（1+T S）GK SKGV7A2m3GmK(s)11i4G1iG6GKKV(s)ira1TAK KR+R0ADV(s)AK KTA0R+RV(s)DKAS（1+T S）mmK1i1iKaKi1r1K SV3)全闭环控制系统全闭环控制系统传递函数数学模型：传递函数数学模型：i滚珠
26、丝杠电动机D1位置检测传感器前置放大功放Fi工作台i速度环位置环微机测速发电机V(s)iaK1GG5S（1+T S）GG7K SVAK2Gm3mG4G(s)jX(s)iKb)()1()()()()(2sGKKKKsKKKsTsGKKKsVsXsGjbmAaVmAmjmAaii 实例（课本实例（课本P228）由直流伺服电动机驱动的全闭环控制系统如图所示，直流伺服电机的转速n为1200r/min，功率P为1.5KW，转子的转动惯量Jm为2*10-4Kg.m2，滚珠丝杠的直径d为60mm，长度l为2.16m，基本导程l0为12mm，丝杠的转速ns为400r/min，齿轮减速比i为3，齿轮z1、z2的
27、齿数为17、51，模数m为2，齿轮的宽度B为15mm，工作台移动部件的总重量W为2000N，最大进给速度为4.8m/min，导轨的摩擦系数为0.05.经测量，齿轮的齿侧间隙为0.12mm。试计算由于轴向刚度和齿轮间隙引起的失动量。丝杠两端采用止推轴承支撑，轴向弹性模量E为2.1*1011Pa，止推轴承的刚度系数KB为1.07*109N/m螺母的刚度为2.14*109N/m。所以丝杠的轴向刚度（Kc）两端均有止推轴承支撑，其丝杠长度应取为 则 又单个轴承的刚度与 丝杠是串联，则其串联后的刚度为：).(1075.216.2406.014.3101.2482112mNldElESKc2l).(105
28、.58mNKc2lcBcBcBKKKKKKK111 而轴承与二分之一丝杠是两组并联，所以 此刚度由于螺母串联，则其刚度为 工作台启动时的摩擦阻力F=2000*0.05=100N 则其压缩量（变形量x1）)/(1026.7105.51007.1105.51007.122288989 mNKKKKKKcBcB)/(1024.51014.21026.71014.21026.789898 mNKKKKKNNe)(185.0)(1042.510081mmKFxe 则其失动量为2 x1=0.37（um）齿轮间隙引起的失动量为x2总的失动量为)(72.000072.025114.321212.0212.02
29、12.022202202mmmmzlxmzlx)(81.12221mxxx课后习题1.伺服系统的设计流程是什么？伺服系统的设计流程是什么？2.机电一体化系统的设计包括机电一体化系统的设计包括稳态设计稳态设计和和动态设计动态设计。3.伺服控制系统中，其负载往往比较复杂，为了便于分析，常将它分伺服控制系统中，其负载往往比较复杂，为了便于分析，常将它分解为几种典型负载，这些典型负载是指：解为几种典型负载，这些典型负载是指：，弹性负，弹性负载，摩擦负载。载，摩擦负载。4.如图所示三级齿轮传动链，如图所示三级齿轮传动链，I为输入轴，为输入轴，O为输出轴，各级传动比为为输出轴，各级传动比为i1、i2、i3
30、，各齿轮的齿数分别为，各齿轮的齿数分别为Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6。1）设各级齿轮的齿侧间隙分别为）设各级齿轮的齿侧间隙分别为1、2、3，求将所有齿侧间隙都，求将所有齿侧间隙都折算到输出轴折算到输出轴O上的总间隙上的总间隙。2）设各齿轮轴的转动惯量分别为）设各齿轮轴的转动惯量分别为JI、J1、J2、JO，求将所有转动惯量，求将所有转动惯量都归算到输出轴都归算到输出轴O上的总转动惯量上的总转动惯量J。IZ2Z1Z3Z4Z5Z5Z612O6.3 机电一体化系统的动态设计考虑方法机电一体化系统的动态设计考虑方法 系统动态设计方法系统动态设计方法：在稳态设计所建立的数学模型在稳态设计所建立的数
31、学模型(传递函数传递函数)基础上，选择系统的控基础上，选择系统的控制方式和校正制方式和校正(或误差补偿或误差补偿)形式，有效地与稳态设计所建立的数形式，有效地与稳态设计所建立的数学模型学模型(传递函数传递函数)系统相融合，构成具有误差补偿作用的反馈调系统相融合，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。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。系统动态设计的目的：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、过渡过程的品质质(响应特性、振荡特性等响应特性、振荡特性等)、
32、动态稳定精度，动态响应特性等指、动态稳定精度，动态响应特性等指标参数。标参数。动态设计的主要方法或手段：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为保证系统动态稳定各指标参数的误差(精度精度)，常用的设计方法，常用的设计方法有有校正校正(或误差补偿或误差补偿)法法、波德波德(Bode)图法图法、根轨迹图法根轨迹图法等。等。6.3.2 伺服系统的调节方法伺服系统的调节方法 (1)(1)伺服系统动态稳定性分析与过渡过程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。对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。即：即：指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出
33、发散没有稳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。定值，系统输出振荡最终能趋于稳定值。1)1)动态稳定过程的特点：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。过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。第一种情况第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大：系统直接趋于稳定，刚性大(加速度大加速度大)，无振，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。荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的调节。第二种情况第二种情
34、况：系统振荡发散不稳定。：系统振荡发散不稳定。第三种情况第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统刚性较：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。匹配。鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定(硬件和软件硬件和软件保证保证)，利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差最小，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。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
35、主要性能指标动态系统过渡阶段的主要性能指标 动态特性参量或指标动态特性参量或指标：上升时间：上升时间Ts；延滞时间；延滞时间Ty；调整时间调整时间Tt；最大超调量；最大超调量%。(2)伺服系统动态稳定性校正方法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能指标(过渡阶段和稳定阶段过渡阶段和稳定阶段)不能满足使用要求。采取的不能满足使用要求。采取的主要措施是：第一步，设计调节器主要措施是：第一步，设计调节器(校正器校正器)，调节系统稳，调节系统稳态性能参数；第二步，设计反馈控制器，改善系统稳态性态性能参数；第二
36、步，设计反馈控制器，改善系统稳态性能参数。能参数。目的在于达到系统的使用要求目的在于达到系统的使用要求稳态和动态指标。稳态和动态指标。尽管可用于系统调节和校正的理论尽管可用于系统调节和校正的理论(数学模型数学模型)方法和手方法和手段较多，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的是PID调节器。调节器。下面针对下面针对PID调节器的应用特点学习调节器的设计和使用调节器的应用特点学习调节器的设计和使用方法方法。例：单轨悬挂小车输送线例：单轨悬挂小车输送线 主要参数：载重量500 10000kg；运行速度10/12.5/40m/min;控制方
37、式：设置变频调速功能，使载物车启动/停止更平稳，定位准确，空载车回程时间短。联锁/互锁功能：l当前某工位有载物车时，后一工位载物车不能前进；l当载物车未上升到位时，载物车不能运行；l如道岔未按要求合轨，载物车不能继续运行。故障诊断/报警功能：当电机缺相/过载或载物车/道岔/未按要求运行到位 时即可报警。联网功能：能方便地与其它控制系统实现联网进行各种信息的交换。岔道提升机控制系统的品质0|tIAEe dt 稳、准、快启动快，但超调大且有较长时间振荡低速爬行，但无超调和振荡快速且超调不大，但稳态误差太大快速且超调不大，无稳态误差定量指标：1.稳态误差(准确性)2.综合指标:绝对误差积分2022-
38、7-2945PID控制原理PID:Proportional-Integral-Derivative(比例积分微分)本质上是一种负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现控制系统要求：稳、快、准控制系统要求：稳、快、准 PIDPID调节器的优点调节器的优点：1.1.技术成熟技术成熟 2.2.易被人们熟悉和掌握易被人们熟悉和掌握 3.3.不需要建立数学模型不需要建立数学模型 4.4.控制效果好控制效果好PIDPID调节的实质：调节的实质：根据系统输入的偏差，按照根据系统输入的偏差，按照PIDPID的函数关系进行运算，其
39、的函数关系进行运算，其结果用以控制输出。结果用以控制输出。PIDPID调节的特点：调节的特点：PIDPID的函数中各项的物理意义清晰，调节灵活，便于程序的函数中各项的物理意义清晰，调节灵活，便于程序化实现。化实现。l连续系统连续系统 PID调节器的控制规律为调节器的控制规律为l （5-15-1）l式中式中 u(t)和和e(t)分别为调节器的输出和输入信号，分别为调节器的输出和输入信号，Kp、Ti和和Td分别为比例系数、积分时间常数和微分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数。分时间常数。l为了用计算机实现为了用计算机实现PID控制规律，要将式（控制规律，要将式（5-1）转换成离散化形式。转换
40、成离散化形式。tdipdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()(kidipTTkekTeTTiTeTkTeKkTu0)1()()(1)()(uyr？u=f(e)tdttdeKdtteKteKtu0dip)()()()(PProportion 比例比例 I Integral 积分积分D Differentiation 微分微分PID控制器的定义及其优点1.PID全称比例-积分-微分控制器，是自动控制系统设计中 最经典应用最广泛的一种控制器(一种算法)。2.原理简单，使用中不需精确的系统模型；3.如果被控对象难以控制，可以使用改进型PID控制。PID控制原理控制原理-PID控制器控制器0
41、()()()tpiddeu tK e tKe t dtKdt+ruey iKedtideKdt +e(t)=r(t)-y(t)-Kped5.2PIDPID算法的原理及数字实现算法的原理及数字实现模拟模拟PIDPID调节原理调节原理PIDPID调节器是一种线性调节器，他将设定值调节器是一种线性调节器，他将设定值r(t)r(t)与实际值与实际值c(t)c(t)的偏的偏差：差：e(t)=r(t)-c(t)e(t)=r(t)-c(t)按其比例、积分、微分通过按其比例、积分、微分通过线性线性组合构成控制量。组合构成控制量。1)PID调节器及其传递函数调节器及其传递函数(含调节电路含调节电路)PID调节器
42、调节器无源阻容式调节器无源阻容式调节器和和有源阻容式调节器有源阻容式调节器。无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。受到一定的限制。有源阻容式调节器有源阻容式调节器主要运算放大器与阻容电路组成。通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，也能改善过合理的配置，可达到不但能改善系统的稳定性能，也能改善系统动态性能的能力。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
43、电路构成R12x(s)y(s)Gx(s)R1Gy(s)x(s)R1Gy(s)R1G222x(s)C1有源阻容式调节器的传递函数和特点：有源阻容式调节器的传递函数和特点：a)比例比例(P)调节调节图图a 传递函数：传递函数：Gc(s)=Kp=R2/R1 特点：调节作用主要取决于增益特点：调节作用主要取决于增益Kp的大小的大小，Kp值越大调节作值越大调节作用越强，但存在调节误差，且当用越强，但存在调节误差，且当Kp值太大时，可能引起系统不值太大时，可能引起系统不稳定。稳定。b)积分积分(I)调节调节图图b 传递函数：传递函数：Gc(s)=1/(Ti s)=1/(R1C s)特点：可以减少或消除调节
44、误差，但响应慢，因而较少单独特点：可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而较少单独使用。使用。c)比例比例积分积分图图c 传递函数：传递函数：Gc(s)=KP 1+1/(Ti s)其中：其中：KP=R2/R1；Ti=R2C。既克服了单纯比例既克服了单纯比例(P)调节存在调节误差的缺点，又避免了积调节存在调节误差的缺点，又避免了积分分(I)调节响应慢的弱点，系统稳定性和动态性能得到了改善。调节响应慢的弱点，系统稳定性和动态性能得到了改善。d)比例比例积分积分微分微分(PID)调节调节图图d 传递函数：传递函数：Gc(s)=KP1+1/(Ti s)+Td s 其中：其中：KP=(R1C1+R2C2)
45、/(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，不宜采用快时，不宜采用PID调节。调节。PID调节器使用调整方法：调节器使用调整方法：在实际工程应用中，有源的在实际工程应用中，有源的PID调节器校正与误差调整方调节器校正与误差
46、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求，先调整比例时间常数输出响应波形是否满足使用要求，先调整比例时间常数KP；再；再调整积分时间常数调整积分时间常数Ti；最后调整微分时间常数；最后调整微分时间常数Td；反复调整直；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，便可确定确定PID调节器控制的系统参数调节器控制的系统参数 2022-7-2955PIDPID调节器的基本结构调节器的基本结构1.比例调节器比例调节器 2.比例积分调
47、节器比例积分调节器3.比例微分调节器比例微分调节器 4.比例积分微分调节器比例积分微分调节器 2022-7-29561.1.模拟模拟PIDPID调节器调节器 图图l l 模拟模拟PIDPID控制控制 PIDPID控制器是一种线性控制器；控制器是一种线性控制器；根据对象的特性和控制要求，可根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。灵活地改变其结构。)()()(tytrte 数字数字PID控制算法控制算法u(k)工业计算机工业计算机-re(k)y(k)PID算法算法对象对象数据通道数据通道 D/AA/Du(t)y(t)反馈环节反馈环节计算机控制的特点：1.离散性：连续变量离散化；2.灵活性：算
48、法的灵活性；3.实时性：采样周期 Ts。数字PID控制位置型dttdeKdtteKteKtudip)()()()()1()()(keketdekTtTdtsssknstTkekedttdeTnedtte)1()()()()(00 sdknsipTkekeKTneKkeKku)1()()()()(0数字PID控制增量型sdknsipTkekeKTneKkeKku)1()()()()(0 sdknsipTkekeKTneKkeKku)2()1()()1()1(10 )()1()(kukuku)2()1(2)()()1()()(kekekeTKkeTKkekeKkusdsip2022-7-2960离
49、散系统的数字PID控制仿真 仿真实例 设被控制对象为：采样时间为1ms,采用Z变换进行离散化，经过Z变换后的离散化对象为：ssSsG1047035.87523500)(23()(2)(1)(3)(2)(4)(3)(2)(1)(3)(2)(4)(3)outoutoutoutykaykaykaykbu kbu kbu k2022-7-29612022-7-2962 参数整定找最佳，从小到大顺序查参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线振荡很频繁，比例度盘要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线漂浮绕大湾，比例度盘往
50、小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低理想曲线两个波，前高后低4比比1（扩充响应曲线法）（扩充响应曲线法）一看二调多分析，调节质量不会低一看二调多分析，调节质量不会低2022-7-2964PID工程整定法-经验法(3)PID调节器对伺服系统的调节校正性能分析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，在有效输入信对于如图所示的典型闭环伺服控
