最新机电一体化原理及应用第三章0
机电一体化系统设计第3章
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机电一体化系统设计
执行元件的比较——气压式
特点：空气压力源的压力为0.5~0.7Mpa；要求 操作人员技术熟练。
优点：气源方便、成本低；无泄漏污染；速度快、操 作比较简单。 缺点：功率小，体积大，动作不够平稳；不易小型化； 远距离传输困难；工作噪声大，难伺服。
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机电一体化系统设计
3.1.2 执行元件的基本要求
输入一个脉冲电机转动一步，转子角位移的大小及 转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间 上与输入脉冲同步。
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机电一体化系统设计
3.3.1 步进电动机的特点与种类
①步进电机的工作状态不易受各种因素干扰的影响；
②步进电机的步距角有误差，转子转过一定角度后会 出现累积误差，但转子转过一圈后，累积误差变为 零。
①性能密度和比功率大，PG＝P/G； ②快速性能，即加速转矩大，频响特性好；
③位置控制精度高、调速范围宽，低速运行平稳， 无爬行现象、分辩力高、振动噪声小； ④适应起、停频繁的工作要求；
⑤可靠性高、寿命长。
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机电一体化系统设计
3.3 步进电动机及驱动
步进电机：又称脉冲电机，将电脉冲信号 转换成机械 角位移的执行元件。
③动态特性。动态稳定区，启动转矩Tq，最高连续 运行频率，空载启动频率与惯－频特性。 ④步进电机型号表示方法。
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机电一体化系统设计
失调角示意图
失调角=0, 转矩=0
失调角>0, 转矩<0
失调角=1/2转子齿距 转矩=0
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机电一体化系统设计
矩—角 特性曲线
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动态特性参数：主要指动态稳定区、启动转矩、矩－频特性、 惯－频特性等。 动态稳定区：在步进电机从A相转换为B(或AB)相通电，不产 生丢步时的稳定工作区域θr 。步进电机工作的拍数越多，稳定 工作区域θr越接近静态稳定工作区域θe，越不容易丢步。 起动转矩Tq：两相(A、B)矩－角特性交点Tq表示步进电机单 相励磁时所能带动的极限负载转矩，与步进电机的相数和通电 方式有关。
机电一体化技术-第03章 执行器
（4）气动执行器应该是正立垂直安装于水平管道上。 特殊情况下需要水平或倾斜安装时，除小口径阀外， 一般应加支撑。即使正立垂直安装，当阀的自重较大 和有振动场合时，也应加支撑。
（5）通过控制阀的流体方向在阀体上有箭头标明， 不能装反。
控制阀的口径选择是由控制阀流量系数KV值决 定的。流量系数KV的定义为：当阀两端压差为 100kPa，流体密度为1g/cm3，阀全开时，流经控制 阀的流体流量。
7.气动执行器的安装和维护
（1）为便于维护检修，气动执行器应安装在靠近地面 或楼板的地方。
（2）气动执行器应安装在环境温度不高于+60℃和不 低于-40℃的地方，并应远离振动较大的设备。
快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速 启闭的切断阀或双位控制系统。
6.控制阀的选择
1）控制阀结构与特性的选择
结构形式选择 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物
理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。 特性选择
先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然 后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。
第三章 执行器
3.1 概述
1.执行器作用
接收控制器输出的控制信号，改变操 纵变量，使生产过程按预定要求正常 进行。
控制信号 执行器
操纵变量
蒸汽加热反应器工艺控制图
温度给定
﹢ ‐
温度控制器 TC
干扰 蒸汽流量
控制阀
反应器
出料温度
温度传感与变送器 TT
反应器温度控制系统方框图
2.执行器组成
电流4~20mA
气关阀
例2：加热炉炉温的控制
TT
TC
机电一体化——第三章 机电一体化系统的机械设计
机电一体化系统的机械设计3.1 概述控制系统机械设计的目的是构成能经济地满足所希望精度、稳定性及快速响应目标值的系统。
关于控制系统（控制装置和控制对象的总称），我们对只考虑输入和输出信号时的控制系统特性进行了分析。
例如，要想提高反馈控制系统的精度，可以通过加快频率响应，增大回路增益来实现。
但是，由于构成系统的各部要素具有限的刚性、质量、负载力，以及空动等特点，增大回路增益会引起自激振荡。
作为对策，可减小驱动输出，这虽然可使振荡停止，但驱动力量不足，使系统不能跟踪快速变化的目标值，导致快速性及动态精度降低。
为了增大快速性，可以加大驱动输出，但制造费用变高，不适合实际应用（图3.1）。
图3.1 反馈控制系统的构成因此，对于闭环系统，在系统精度和稳定性、快速性和稳定性之间有一种对立的关系。
一个控制系统很少由纯电气组成，它包括机械、液压、热功等其他元件。
这些元件议程形式的的驻在于系数和变量的物理意义。
各种输入函数常用来估价物理系统的动态性能，则可用明确的解析结果来预示输入的响应。
下面对系统驱动部分与机械部分的关系及其对系统特性的影响进行分析，找出互相匹配的适当值，并对怎样设计机械部分才能更好地发挥控制性能这一问题进行论述。
3.2 伺服刚性图3.2 驱动部分的构成传递给机械控制的信号具有有限的能量，是在发生变形的状态下被传递和驱动的。
因此，在这里我们首先讨论机构控制系统设计中非常重要的伺服刚性问题。
图3.3 图3.2的分部方块图在图3.2所示的反馈控制系统中，对驱动马达的轴施回回转外力F d ，使轴回转△θ角度。
除去外力F d ，则又回复到原来停止位置。
可见，闭环系统具有如弹簧那样的特性，这被称为控制系统的刚性——通常称为伺服刚性，或为力矩增益（位置增益×力矩常数）。
根据图3.3及图3.4，伺服刚性K S 可用下式来表示。
f t da a d s K K K K F K =∆=θ（3.1） 式中，F d 为外力（负载等产生的力矩）（N ﹒m ）；△θ为外力F d 引起的电动马达轴变化量（。
机电一体化技术第三章-计算机控制技术
3.1.4 计算机控制系统的类型
计算机控制系统有各种各样的结构和形式。 按计算机参与的形式，可以分为开环和闭环 控制系统； 按采用的控制方案，又分为程序和顺序控 制、常规控制、高级控制（最优、自适应、 预测、非线性等）、智能控制（FUZZY控制、 专家系统和神经网络等）。
3.1.4 计算机控制系统的类型
3.1.1 计算机控制系统概述
自动控制系统通常由被控对象、检测传感装 置、控制器等组成。控制器既可以由模拟控制 器组成，也可以由数字控制器组成，数字控制 器大多是用计算机实现的。 因此计算机控制系统指的是采用了数字控制 器的自动控制系统。
3.1.1 计算机控制系统概述
工业控制计算机 输入量r(k) E(k) 控制器 D/A 执行机构 生产过程 被控对象 被控量y(t)
+
—
D/A 变送器 测量元件
图3-1 典型计算机闭环控制系统 计算机控制系统包括控制计算机（包括硬件、软 件和网络）和生产过程（包括被控对象、检测传感器、 执行机构）两大部分。
3.1.1 计算机控制系统概述
计算机控制系统的核心是控制程序。计算机控制系 统执行控制程序的过程如下： （1）实时数据采集 对被控参数按一定的采样时间 间隔进行检测，并将结果输入计算机。 （2）实时计算 对采集到的被控参数进行处理后， 按预先设计好的控制算法进行计算，决定当前的控 制量。 （3）实时控制 根据实时计算得到的被控量，通过 D/A转换器将控制信号作用于执行机构。 （4）实时管理 根据采集到的被控参数和设备的状 态，对系统的状态进行监督和管理。
3.1.2 计算机控制系统的组成
（4）生产过程 生产过程包括被控对象及其测量变送仪表 和执行机构。测量变送仪表将被控对象需要监 视和控制的各种参数（如温度、流量、压力、 液位、位置、速度等）转换为电的模拟信号 （或数字信号），而执行机构将过程通道输出 的模拟控制信号转换为相应的控制动作，从而 改变被控对象的被控量。
机电一体化系统设计第3章：执行元件的分类及控制用电机的驱动a
• 2、体积小，重量轻
• 通常用执行元件单位重量所能达到的输 出功率或比功率，即用功率密度或比功 率密度来评价这项指标。设执行元件的 重量为G，则功率密度＝P/G ，比功率 密度＝ T2/J/G
• 3、便于维修、安装
• 4、易于微机控制
四、执行装置的基本动作原理
• 1.电气式执行元件的动作原理
• 本章教学难点：步进电机、直流、交流伺服电机控 制。
第一节执行元件的作用、分类及机电一体化系统
• 作用：
对其基本要求
• 执行元件主要用来根据控制信息和指令，
将来自电、液压、气压等各种能源的能量转换
成旋转运动、直线运动等方式机械能，并完成
要求动作的能量转换装置，它在机电一体化系
统中所处的位置参见下图。
占空间，使设备难于小型化。 • ② 对油的要求（杂质、温度等）严格； • ③ 易泄露且有污染；
二、执行元件的特点与性能
• 3. 气压执行元件： • 优点： • ① 气源方便、成本低； • ② 无泄漏污染； • ③ 速度快、操作比较简单； • ④ 利用空气的可压缩性可实现缓冲控制； • 缺点： • ① 由于空气的可压缩性，高精度伺服控制
• 伺服（随动）－servo：系统由如此几种设备 组成，它们可以连续地监测系统的实际信息 （位置、速度、加速度等），把这些信息与理 想的给定信号相比较，然后做出适当的必要的 调整以使差值为最小。
伺服电动机控制方式的基本形式
异步电动机内部结构
• 普通电机可正反转，但不能调速 • 普通电机+微电子控制=控制用电机 • 方便调速 • 异步电机转速表达式： •
一、执行元件分类
•
根据使用能量的不同，可以将执行元件分
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
机电一体化系统设计第三章虚拟仪器与Labv
H
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虚拟仪器硬件
• 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和 测控功能硬件。
– 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计 算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它 管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。 因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、 网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统 的快速发展。
虚拟仪器的基本结构图11虚拟仪器的内部功能划分acquisitioncontrol采集与控制plugindayaacquisition插入式数据采集gpibieee488gpib仪器vxivxi仪器rs232rs232仪器dataanalysis数据分析digitalsignalprocessing数字信号处理digitalfiltering数字滤波statistics统计numericalanalysis数字分析datapresentation数据表达hardcopyoutput硬拷贝输出filegraphicaluserinterface图形用户接口networking网络虚拟仪器的内部功能划传统仪器虚拟仪器中心环节关键是硬件关键是软件开发维护费开发与维护费用高开发与维护费用低技术更新周价格昂贵价格低并且可重用性与可配置性强仪器定义厂商定义仪器功能用户定义仪器功能功能设定仪器的功能规模均已固定系统功能和规模可通过软件修改和增减开放性封闭的系统与其它设备连接受限基于计算机的开放系统可方便地同外设网络及其它设备连接应用情况多为实验室拥有个人可以拥有一个实验室虚拟仪器的特点虚拟仪器技术是在pc技术的基础上发展起来的所以完全继承了以现成即用的pc技术为主导的最新商业技术的优点包括功能超卓的处理器和文件io使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析
H
第三章 机电一体化系统数学模型
1 0 x k x 2 m
1 m
状态变量图
u
1 x 0 B 1 1 u x2 m m
2 x
∫
B m
1 x2 x
∫
x1
1
y
K m
3.由微分方程写出状态方程
设系统微分方程如下：
用向量和矩阵写成如下形式的状态方程：
1 0 x x 2 0 n a0 x 1 0 0 1 0 x1 0 0 x2 0 u an1 xn b0
--数学模型
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第四章 机电一体化系统的建模与仿 真
（1）基本概念：
通过输入与输出间信息传递关系，描述系统动态特性
dny d n1 y d mx d m1 x an n an1 n1 a0 y bm m bm1 m1 b0 x dt dt dt dt 式中n m
第三章 机电一体化系统数学模型
本章的学习内容： 模型的基本概念 数学模型的表现形式
微分方程 传递函数 状态空间描述 数学模型的建立方法 系统微分方程的建立 机电系统传递函数的建立 状态空间表达式的建立
数学模型的建立
例：如图所式的质量-弹簧-阻尼组成的机械动 力学系统，其输入量为作用力f(t)，输出量为 质量块的位移y(t) 。 (1)应用达朗贝尔原理，系统的运动方程为 M y(t)
1 0 x k x 2 m
1 x 0 B 1 1 u x2 m m
机电一体化第3章伺服系统
机电一体化第3章伺服系统伺服系统是一种通过对输出信号和反馈信号进行比较、处理和控制，从而实现对给定输出的精确控制的系统。
伺服系统通常由伺服电机、传感器和控制器组成。
伺服电机是伺服系统的核心部件。
它具有快速响应、输出力矩大、扭矩稳定性好等特点。
传感器是用来实时检测伺服电机的运动状态和位置的装置。
控制器是整个伺服系统的大脑，其主要功能是接收传感器反馈的信号，与给定的输出信号进行比较，然后产生相应的控制信号，实现对伺服电机的精确控制。
伺服系统在机电一体化中扮演着非常重要的角色。
它广泛应用于机床、自动化生产线、机器人等领域。
伺服系统具有下列特点：1.高精度：伺服系统可以实现对输出信号的精确控制，通常精度可达到小数微米或小数角度级别。
2.高可靠性：伺服系统具有较高的工作稳定性和可靠性，能够在恶劣环境和长时间工作条件下保持正常运行。
3.快速响应：伺服系统具有较快的响应速度，能够及时响应外部输入信号的变化，并迅速调整输出信号。
4.高动态性：伺服系统能够实现高速、高加速度的运动，适用于高速运动和快速变化的应用场景。
伺服系统在机电一体化中的应用非常广泛。
例如，在机床领域，伺服系统可以实现对工件的精确加工和定位；在自动化生产线上，伺服系统可以实现对物料的准确分拣和组装；在机器人领域，伺服系统可以实现对机器人的灵活运动和高精度操作。
总之，伺服系统是机电一体化中的重要组成部分，它能够实现对给定输出的精确控制，并具有高精度、高可靠性、快速响应和高动态性等特点。
伺服系统在各个领域中都有广泛的应用，对提高生产效率和产品质量起到了重要作用。
机电一体化技术三-PPT精选文档
电阻应变计是根据应变—电阻效应，将给测
试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。 它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而 且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、 位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传 感器，广泛应用于机械、交通、建筑、化工 和电力等行业。
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电阻应变计的结构
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4、电阻应变计的应用
电阻应变计主要有以下两种应用方式：
（1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后
的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析 结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。 在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接 粘贴应变片进行测量，如图所示。
电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面胶（或覆盖层）、
粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。
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图3-9 电阻应变计的构造 1—敏感栅；2—引出线；3—粘结剂（未示出）；4—覆盖层；5—基底
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3、应变计的类型
电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、
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1、增量式光电编码器
图3-2 增量式光电编码器
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2、绝对式光电编码器 绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透
明区组成，这些透明及不透明区按一定编 码构成，编码盘上码道的条数就是数码的 位数。绝对式编码器能够直接给出对应于 每个转角位置的二进制数码，便于计算机 处理。
数字输出 N1 门 数字器
编码器 脉冲
t 时钟 控制逻辑
图3-6(a) 脉冲频率法测转速
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