第五章机电一体化系统的元部件特性分析精要.ppt

----第五章---- 第五章 机电一体化系统的元、部件特性分析 §5-1 自动控制理论与机电一体化系统 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。 定义：将输出量的全部或一部分返回到输入端，与输入量进行比较，用其偏差对系统进行控制 目标：使该偏差为零。 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。 量化噪声的大小取决于量化单位q的大小。为减小对系统精度和平滑性的不利影响，q值足够小，即计算机有足够的字长。 当字长足够时，可以忽略由于量化而引起的幅值上的断续性。 如果认为采样编码过程瞬时完成，并用理想的脉冲来等效代替数字信号，则数字信号可以看成采样信号，A/D过程就是可以用每隔T秒瞬时闭合一次的开关S来表示 §5-2 机电一体化系统元、 部件的动态特性分析 多自由度非线性变换机构 1.连杆机构 特点：具有刚性大，运动速度高，改变连杆尺寸参数可实现需要的运动，对力/力矩和运动轨迹/速度具有放大或缩小的功能。但连杆机构一般只能实现一定范围内的运动，在某些点上近似地满足输入与输出之间函数关系、运动关系一旦确定就不能改变。 连杆机构：平面/空间连杆机构、多自由度串联机构和并联机构、直线平移机构等。 非线性机构 非线性机构 2.凸轮机构 凸轮机构通常作为执行元件输出要求的复合运动轨迹和驱动力，运动轨迹由凸轮轮廓形状保证。但凸轮机构的传动效率较低，凸轮轮廓形状生产制造困难。 机构学的研究课题 机构运动学 机构动力学 机构综合（创造性机构设计等） §5.2.2 机械系统的机构静力学特性 §5.2.2 机械系统的机构静力学特性 1．负载力(或力矩)向输入端的换算 换算方法——虚功原理 多输入-多输出系统负载力(或力矩)向输入端的换算 (1)线性变换机构 机构内部由于摩擦阻力的存在，机构的输入与输出变换关系难于确定。但对于线性系统而言，变换关系的变化可认为仅与摩擦角相关，与输入转角无关。 滑动丝杠副机构 由于摩擦阻力的存在，该值会有变化，但不受输入转角?的影响 曲柄滑块机构的运动变换关系为： (2)非线性变换机构——曲柄滑块机构 机构动力学是研究机构要素的惯性、机构中各元部件的刚性所产生的振动问题。主要研究内容： （1）平面运动机构要素的动态力和动态转矩。 ——刚体动力学问题。 （2）空间运动机构要素的动态力和动态转矩。 ——刚体动力学问题。 （3）Lagrange公式与动态力或转矩向输入端的换算。 ——刚体动力学问题。 （4）机构输出端的弹性与动态特性。 ——弹性动力学问题。 1、平面运动机构要素的动态力及动态力矩 3．Lagrange与动态力(或力矩)向输入端的换算。 设机构要素重心位置矢量为r，绕重心的回转角速度为ω，则该要素所具有的动能为 可以认为式中的第一项为惯性力项，第二项为离心力和哥氏力项，第三项可认为是重力项。如果从输入端来看，动态力(力矩)是变化的惯性力矩、与速度平方成比例的力和变化的重力共同的作用，系统具有非线性特性。 这种机构内的弹性有的能够换算到输出端，有的不能换算到输出端，多连杆机构的连杆弹性属于后者，这种弹性的处理相当复杂，常采用现代设计方法中的有限元方法进行计算。 §5-3 传感器的特性分析 机电一体化系统中传感器输入的物理量多为机械量(位移、速度、加速度、力等)，而输出的物理量为电量(电压、电流等)。 信号处理过程中，传感器包含传感元件(变换器)，运算放大电路，以便将微弱的电信号变换成较强的便于利用的信号。 有的传感器中装有机械量之间的变换装置 变换器根据变换的物理过程可分为以下几种： 1) 电／磁变换：动电式、静电式、磁阻式、霍尔效应式等。 2) 压电变换：压电元件。 3) 应变／电阻变换：应变片、半导体应变计。 4) 光／电变换：光电二极管、光敏晶体管。 此外，还有其它的利用半导体和陶瓷等产生的各种物理现象的变换器。 一、动电式变换器的特性 二、压电式变换器的特性 若上式中的RCsl，则Gme≈d/C 。此时可得到与力成比例的输出，但固有振动周期比τ＝RC低的情况不能准确求出。由此可知，只有当被测信号频率足够高的情况下，才有可能实现不失真测量。 在压电元件上并联Cl，虽然可使τ ＝(C十C1)增大，但这也不能测量变化缓