生产机械的机械特性
机械系统中的动态特性与控制
机械系统中的动态特性与控制随着科技的不断发展，机械系统在现代社会中扮演着至关重要的角色。
从汽车引擎到飞机发动机，从工业生产线到机器人，机械系统的运行和控制方式对于工程项目的成功与否至关重要。
本文将探讨机械系统中的动态特性和控制方法，以期了解和优化其运行过程。
一、机械系统中的动态特性在了解机械系统的动态特性之前，我们需要明确什么是机械系统。
机械系统是指由不同的机械元件组成的一个整体，这些元件相互连接并通过一定的动力方式协同工作。
机械系统的动态特性主要包括以下几个方面。
1.自由度：机械系统的自由度是指系统内可独立移动和变形的最小数目。
例如，一个弹簧与质量振子组成的系统有两个自由度，因为弹簧可以沿垂直方向移动，质量振子可以沿水平方向摆动。
2.惯性：机械系统的惯性是指系统对力的反应能力，也可以理解为系统内部元件的质量和惯性矩的总和。
惯性越大，系统对外界力的响应越迟缓。
3.阻尼：机械系统中的阻尼是指对系统振动的抵抗力量。
阻尼可以分为线性阻尼和非线性阻尼两种。
线性阻尼的大小与振动速度成正比，非线性阻尼则与振动速度的平方成正比。
4.刚度：机械系统中的刚度是指系统受力时的变形程度。
刚度越大，系统受力时的变形越小，反之亦然。
二、机械系统的控制方法了解了机械系统的动态特性后，我们可以运用相应的控制方法来优化系统的运行。
1.反馈控制：反馈控制是最常用的机械系统控制方法之一。
它通过感测系统输出信号并与期望输出进行对比，从而调整输入信号，以实现对系统状态的控制。
常见的反馈控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器。
2.前馈控制：前馈控制是指在预测系统输出的基础上，提前对输入信号进行调整。
与反馈控制不同，前馈控制不需要对系统输出进行实时监测和比较。
前馈控制能够提供较快的响应速度和较小的误差，但对系统内部变化和外界扰动的抗干扰能力较弱。
3.自适应控制：自适应控制是一种能够根据系统内部和外部变化自动调整控制参数的控制方法。
它通过建立系统的数学模型和适应算法，实时监测系统状态并根据优化准则调整控制参数。
机电传动系统的动力学基础
j1
M 1
—电动机与中间传动机构的速比；
jL
M
—电动机与生产机械轴之间的速比；
§2.2 转矩.转动惯量和飞轮惯量的折算
三、转动惯量和飞轮惯量的折算
当速比j较大时，可用适当加大电动机轴转动惯量或 飞轮惯量来考虑中间传动机构转动惯量或飞轮惯量的影响。
折算到电动机轴上的总转动惯量（工程简化式）
成正比。 TL = C n 2 C为常数
三、直线型机械特性 特点：负载转矩与转速
成正比
TL=C n C为常数
§2.3 生产机械的机械特性
四、恒功率型机械特性 特点:功率基本不变， 负载转矩与转速成反比
TL＝C/n C为常数
§2.4机电传动系统的稳定运行条件
一、机电系统稳定运行的含义 1. 系统应能以一定速度匀速运行； 2. 系统受某种外部干扰（如电压波动、负载转矩
3. 在单轴拖动系统中，已知电动机输出转矩和负载转矩的作用方向 与转速的方向相同，则系统正处于
a. 加速 b. 减速 c. 匀速 d. 静止 4．在机电系统中，已知电动机输出转矩小于负载转矩，且电动机 的输出转矩作用方向与转速的方向相同，而负载转矩的方向与转速 相反，则系统正处于
a. 加速 b.减速 c.匀速 d.静止
a点： TM TL 0
当负载突然增加后 TM TL' 0 TM' TL' 0
当负载波动消除后 TM' TL 0 TM TL 0 故a点为系统的稳定平衡点。 同理b点不是稳定平衡点。
§2.3 生产机械的机械特性
机械特性：转矩与转速之间的特性关系。 生产机械的机械特性： n=f (T L) 电动机轴上的负载转矩与 转速n之间的关系特性。 电动机的机械特性：n=f (T M) 电动机轴上所产生的转矩和转速n之间关系的特性。
机械设计制造及其自动化的特点及优势
机械设计制造及其自动化的特点及优势机械设计制造是我国重要的工业产业之一，发展到如今，已经逐渐向自动化方面靠拢。
下面就由店铺为你带来机械设计制造及其自动化的特点及优势，希望你喜欢。
机械设计制造及其自动化的特点优势分析1 具有环保性能传统的机械设计制造业在实际的制造过程中，经常会由于技术人员的失误，导致出现残次品或者需要返工，甚至生产的产品无法投入使用，只能重新加工，不仅造成了对原材料的浪费，同时还耽误的工业生产的进程，对和谐社会的构建极为不利。
而机械设计制造自动化是以计算机技术为基础，利用计算机程序进行机械操作，能够有效降低出错率，进而节省了原材料和能源，降低企业生产成本。
同时随着机械自动化的发展，其产品具有技术含量高、体积小的特点，能够满足当前机械设计的需求[1]。
机械制造业是工业生产领域的内容，在生产的过程中难免会产生废物、废气等对周围的环境造成污染，与生态环境的保护理念相违背。
而机械自动化的生产能够通过空气净化技术、降噪技术等降低工业污染，有效的保护环境。
特别是机械自动化中的节约性能和环保性能的联合技术生产不仅能够降低能源的消耗，提高产品的生产效率及质量，同时还能够有效的减少对周围环境的危害，实现绿色生产的目的。
2 安全性能比较高传统的机械制造业中是采用纯人工的操作方式，安全操作是机械制造业中的首要任务，主要是因为人为操作中极容易引发安全事故。
比如机械操作失误造成人员伤亡等。
机械制造业一般都是大批量的生产，生产中使用的机械都是大型机械，这样才能在短时间内生产出大量的产品，但是在机械控制中也存在很大的难度，一旦出现失误，难以及时采取有效的措施去控制和阻止事故的发生，因此操作人员存在很大的安全隐患。
随着科学技术的发展，机械自动化的可行性逐渐提升，通过技术与机械的组合，能够替代人员手工的操作，工作人员只需要通过远程操控来控制机械生产即可。
虽然我国的机械自动化程度仍然不高，操作人员还无法实现远离生产机械，但是相对于传统机械制造业来说，随着其程序的精准度的提升，机械故障已经得到有效的控制，操作人员的人身安全得到保障。
电力拖动与控制B卷答案
（5～Y△降压启动适用于电动机轻载启动，而且仅限于正常运行接法的电动机。
、三相交流异步电动机有能耗A、转速与轴上的负载成正比B、转速与电源电压成正比C、转速与电源频率成正比D、转速与三相励磁电流成正比3、直流电动机的机械特性描述了( D )的对应关系。
A、速度与电压B、速度和电流C、转矩和电压D、速度和转矩4、异步电动机工作时，转子的转速n与旋转磁场转速n0的关系是( A)。
A、n<n0B、n>n0C、n=n0D、n≤n05、三相异步电动机起动瞬时，转差率为( C )A、S=0B、S=S NC、S=1D、S>16、在正反转和行程控制电路中，把正、反转接触器的一对辅助动断触头分别串接在对方的控制回路中，其目的是为了( C )。
A、起自锁作用B、保证两个接触器能同时动作C、保证两个接触器不能同时动作D、能灵活控制电机正反转7、三相异步电动机的旋转方向由( C )决定。
A.电源电压大小B.电源频率的高低C.定子电流的相序D.转子电流的频率8、在继电器接触器控制电路中，自锁环节的功能是( B )A、保证可靠停车B、保证起动后持续运行C、兼有点动功能D、保证正反转不会同时作用9、交流电动机铁心采用硅钢片的目的是（C）。
A、减小磁阻和铜耗B、减小磁滞损耗和涡流损耗C、减小涡流D、减小磁滞和矫顽力10、电动机正反转控制电路中的联锁保护环节( B )A、仅保护电机B、仅保护电源C、电动机，电源均保护D、均无保护作用三、（1×10＝10分）判断题（正确的打√错误的打×）1、三相异步电动机的额定功率指输入功率。
（×）2、热继电器在电动机线路中作用是保护电动机不过负荷。
（√）3、在继电器接触器电动机控制电路中，自锁环节的功能是保证起动后电动机持续运行。
（√）4、三相异步电动机星三角降压启动方法，适用于正常运行三角形接法的电动机。
（√）5、三相异步电动机制动状态时机械特性在第二、四象限。
上课第2章机电传动系统动力学基础1讲诉
TM、TL、n的方向如图（a）所示。
运动方程式为： TMTLJ260ddnt
因此重物上升时，TM为拖动转矩，TL为制动转矩。
当重物在上升过程中制动时： TM为负， TL为正。
运动方程式为：
TMTLJ260ddnt
☞ 此时，动态转矩和加速度都是负的， 它们使重物减速上升，直到停止为止，系统中 由动能产生的动态转矩被电机的制动转矩和负载 转矩所平衡。
JZ
JM
JL jL2
GDZ2 GDM2GjL2DL2
☞ 一般δ =1.1～1.25。
重点
☞ 对于直线运动，折算到电机轴上的转动惯量为：
JZJMJj121JjL L 2 mvM 22
☞ 总飞轮转矩为：
多轴G 拖 Z 2D 动 G系 M D 2G 统 程 j1 21 2D 的 式 G TjM 运 L 2 ： L 2 D T动 L3G 6 3方 G n 75 D Z2225dvdntM
☞ 例如，电动机通过减速机构（如减速齿轮箱、蜗轮 蜗杆等）与生产机械相连，如图所示：
重点
为了对多轴拖动系统进行运行状态的分析， 一般是将多轴拖动系统等效折算为单轴系统。
即，将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动 部分的质量折算到某一根轴上。一般折算到电机轴上。
静态时：
折算的基本原则是：折算前的多轴系统和折算后的 单轴系统在能量关系或功率关系上保持不变。
☞ 机电传动系统是一个由电动机拖动、通过传动机构 带动生产机械运转的整体。
☞ 尽管电动机种类繁多，特性各异；
☞ 生产机械的负载特性多种多样；
☞ 但从动力学的角度去分析， 它们都应服从动力学的统一规律。
2.1 机电传动系统的运动方程式
机电传动控制1-3
[ J ] J M J 2 / j2 J 3 / j3 m j (
2 2 j 1
n
vj
M
)
2
忽略中间传动机构的转动惯量 2 [ J ] J M J L / jL
2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算
3. 飞轮转矩的折算 依据转动惯量与飞轮转矩的关系，得到折 算到电机轴上的总的飞轮转矩为：
串励：励磁绕组与电枢绕组串联
复励：一部分并联，一部分串联
3.3 他励直流电动机的机械特性
电压平衡方程：
U E I a Ra E K e n Ra U n Ia K e K e
I a T /( K t )
直流电动机机械特 性的一般表达式
Ra U n T n0 n 2 K e K e K t
第三章 直流电机的工作原理及特性 本 章 重 点： 掌握直流电机的工作原理； 掌握直流电机的机械特性；
掌握直流电机启动、调速、制动的
方法。
3.1 直流电机的基本结构和工作原理
直 流 电 机
交 流 电 机
3.1 直流电机的基本结构和工作原理
1. 基本结构
定子： 主磁极、换向极、 机座、轴承、电刷
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
由机电传动系统的运动方程式：
TM TL GD 2 dn 375 dt
知，系统的运动状态取决于电动机与生产机械双 方．为了使系统运行合理．就要使电动机的机械持 性与生产机械的机械特性尽量相配合。特性配合好 的一个起码要求是系统要能稳定运行。
动画
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
2.4 机电传动系统稳定运行的条件
讨论： a点：当TL突然增大到TL’时， 因速度不能突变，电机转 矩仍 为 TM ，此时 ，TM<TL’ n减小，TM增大，直到与TL’ 相等，运行于a’点。 当干扰撤销后，TM’>TL, n 增大，TM’减小，直到与TL 相等，即在a点稳定运行。
机电传动与控制
习题及答案一、填空题1.多轴拖动系统折算为单轴系统时，转矩折算依据折算前后功率不变的原则，转动惯量和飞轮转矩与运动系统的动能有关，可根据动能守恒原则进行折算。
2.生产机械的典型机械特性可以归纳为以下几种：恒转矩型、恒功率型、离心式通风机型和直线型。
3.要有效地缩短机电传动系统过渡过程的时间，应设法减小转动惯量和提高动态转矩。
4.机电传动系统中，低速轴的转矩大，高速轴的转矩小。
5.生产机械对电动机调速系统提出的主要静态技术指标有调速范围、静差度、和平滑性。
6.直流电动机通过改变电源的正负极性来改变旋转方向，交流电动机通过改变定子三相交流电的通电相序来改变旋转方向。
7.直流电动机常用的调速方法有改变电枢电压U 、改变电枢电路外串电阻Rad 和改变电动机主磁通 。
8. 三异步电动机主要由定子和转子构成。
定子又称磁极，转子又称电枢。
9.一台三相异步电动机接入50Hz三相对称电源，额定运行时S=0.04，则此时转子感应电流的频率为 2 Hz。
10.三相交流异步电动机按照转子的结构可分为绕线式异步电动机和鼠笼式式异步电动机。
11.三相鼠笼式异步电动机的制动方法有回馈制动、反接制动和能耗制动三种。
12.单相异步电动机无自启动能力，常采用电容分相法和罩极法进行启动。
13.测速发电机是一种将转速信号变换成电信号的元件，它的输出电压与转速成正比。
14.同步电动机常采用异步启动法进行启动。
15.晶闸管的导通条件是阳极加正向电压与控制极加正向电压，晶闸管由导通转变为阻断的条件是阳极正向电压降低到一定值（或断开或反向）。
16.变频调速系统可以分为交交变频调速与交直交变频调速两大类。
二、判断题1.要加快机电传动系统的过渡过程，应设法减小飞轮惯量和加大动态转矩。
（√）2.位能性恒转矩是一种转矩方向随转速方向的改变而改变的转矩。
（X ）3.无论直流电机作电动机使用还是作发电机使用，转矩T和电动势E所起的作用是一样的。
（X ）4.位能性恒转矩是一种转矩大小和方向都不改变的转矩。
他、并、串 、复励电动机机械特性总结
他、并、串、复励电动机机械特性5-4-1 、他（并）励电动机与串励电动机各适用与拖动什么样的生产机械？【答】：他（并）励电动机具有硬的机械特性，适合于拖动有转速恒定要求的生产机械；而串励电动机具有软的机械特性，电机的过载能力强。
因此，适合于拖动牵引和起重机械。
5-4-2 、同容量不同励磁方式的各直流电动机，其转矩特性和机械特性相比较有什么特点？【答】：①、他（并）励电动机的转矩特性是一条过原点的直线，机械特性是一条过理想空载转速点的下降的直线。
他（并）励电动机产生的电磁转矩只与电枢电流成正比。
②、串励电动机的转矩特性是一条上升的抛物线，机械特性是一条下降的近似双曲函数的曲线。
额定负载电流以下时，产生的电磁转矩比并励的小；额定电流以上时，产生的电磁转矩比并励的大。
③、复励电动机的转矩特性和机械特性介于串励和他（并）励机之间。
5-4-3 、为什么直流电动机不允许直接起动？使用起动电阻起动时应如何操作？【答】：直流电动机电枢绕组的电阻一般较小，起动时转速为零，若直接起动电源电压全部加在电枢绕组上，将会产生很大的电流，烧毁电枢绕组，因此直流电动机不允许直接起动。
使用起动电阻起动时：首先接通额定励磁励磁电源，串入起动电阻。
然后接通电枢回路的电源，直流电动机电枢串电阻起动。
随着电动机转子转速的增加，电枢电流相应减小，为了保持足够的起动转矩，应相应减小起动电阻的阻值。
就这样，在起动过程中，随着电动机转速的增加，相应减小起动电阻，直至起动电阻全部切除，起动完毕。
5-4-4 、如果直流电动机并励电路发生断路故障，将产生什么后果？为什么？【答】：如果并励电路发生断路故障，若空载直流电动机将会出现“飞车”；若负载转矩较大，则会出现因电枢电流过大而烧毁的后果。
这是因为并励电路断路，主磁通为很小的剩磁磁通。
感应电势很小，电枢电流很大；若电机所带负载很小，很大的电枢电流在很小的剩磁的作用下，将产生一定的电磁转矩，使电动机加速，只有电动机转速达到很高的危险转速（飞车）时，才可能感应出一定的电势去平衡电源电压，使电枢电流有所减小。
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生产机械的机械特性
同一转轴上负载转矩与转速之间的函数关系，称为生产机械的机械特性。
即
n=f(T L)。
不同类型的生产机械在运动中受阻力的性质不同，其机械特性曲线的形状也有所不同，大体上可以归纳为以下几种典型的机械特性。
一、恒转矩型机械特性
此类机械特性的特点是负载转矩为常数，如图2.4所示。
属于这一类的生产机械有提升机构、提升机的行走机构、皮带运输机以及金属切削机床等。
依据负载转矩与运动方向的关系，可以将恒转矩型的负载转矩分为反抗转矩和位能转矩。
反抗转矩也称摩擦转矩，是因摩擦、非弹性休的压缩、拉伸与扭转等作用所产生和负载转矩，机床加工过程中切削所产生的负载转矩就是反抗转矩。
反抗转矩的方向恒与运动方向相反，运动方向发生改变时，负载转矩的方向也会随着改变，因而它是阻碍运动的。
按关于转矩正方向的约定可知，反抗转矩恒与转速n 取相同的符号，即n为正方向时T L为正，特性曲线在第一象限；n为反方向时T L 为负，特性曲线为第三象限，如图2.4所示。
位能转矩与摩擦转矩不同，它是物体的重力和弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩，卷扬机起吊重物时重力所产生的负载转矩就是位能转矩。
位能转矩的作用方向恒定，与运动方向无关，它在某方向阻碍运动，而在相反方
向便促进运动。
卷扬机起吊重物时由于重力的作用方向永远向着地心，所以，由它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向，当电动机拖动重物上升时，T L 与n方向相反；而当重物下降时，T L则与n方向相同。
不管n为正向还是反向，反抗转矩T L和符号总是正的；位能转矩T L的符号则有时为正，有时为负。
二、离心式通风机型机械特性
这一类型的机械是按离心力原理工作的，如离心式鼓风机、水泵等，它们的负载转矩T L与n的平方成正比，即T L=Cn2，C为常数，如图2.5所示。
三、直线型机械特性
这一类机械的负载转矩T L是随n的增加成正比地增大，即T L=Cn，C为常数，如图2.6所示。
实验室中作模拟负载用的他励直流发电机，当励磁电流和电枢电阻固定不变时，其电磁转矩与转速即成正比。
四、恒功率型机械特性
，或K=T L n∞P为常数，如此类机械的负载转矩T L与转速成反比，即T L=K
n
图2.7所示。
例如车床加工、在粗加工时，切削量大，负载阻力大，开低速；在精加工时，切削量小，负载阻力小，开高速。
当选择这样的加工方式时，不同的转速下，切削功率其余不变。
除了上述几种类型的生产机械外，还有一些生产机械具有各自的转矩特性，如带曲柄连杆机构的生产机械，它们的负载转矩T L是随转角α而变化的，而球磨机、碎石机等生产机械，其负载转矩则随时间作无规律的随机变化，等等。
还应指出，实际负载可能是单一类型的，也可能是几种典型的综合，例如，实际通风机除了主要是通风性质的负载特性外，轴上还有一定的摩擦转矩T0，所以，实际通风机的机械特性应为T L=T0+Cn2，如图2.5中的虚线所示。