一阶和二阶系统的动态特性参数 - 机电一体化
机电一体化机械系统设计研究(1)
机电一体化机械系统设计研究作者：金婷燕林玲来源：《数字化用户》2013年第11期【摘要】一体化机电机械系统是由通过计算机系统的控制和协调，包括机械系统、电力系统、电子系统、液压系统、光学技术等伺服系统，通过由电动机控制、传动机构以及执行机构等电子系统完成的一系列的机械运动，从而完成系统功能的任务的要求。
接下来，本文将根据笔者多年的相关经验，详细论述机电一体化机械系统设计研究。
【关键词】机电一体化机械系统研究设计一体化机电机械系统是由通过计算机系统的控制和协调，用于完成能量流、运动以及机械力等多项动力学任务，并由多种机电部件相互配合、相互联系、相互协调所组成的系统。
因为这是一个系统性的程序和任务，因此，对机电一体化的机械系统研究一定要站在“系统”的角度进行科学、合理的设计。
一、一体化机电机械系统设计的基本要求首先，精度性高。
机电产品的精度直接决定和影响产品的整体质量，机电一体化产品的工艺水平、技术性能、功能都要优于其他普通产品，因此，高进度是其首要条件和标准。
也就是说如果机械系统不够精确，即使其他系统在精确，都不可能顺利完成预期机械操作。
其次，快速反应性。
机电系统的快速反应性指的就是系统从接受指令一直到执行指令任务中间的时间差必须要短，只有这样才能更好地控制系统精确的完成任务，同时，控制系统及时、准确的根据系统运行状况得到相应的信息指令，从而准确的进行任务执行和完成。
再次，稳定性良好。
为更好的保证机械系统的精确度和反应性，在进行机械设计中通常会有高刚度、低摩擦、无间隙、高谐振频率等要求。
与此同时，机械系统还应该具备可靠性高、寿命长、重量轻、体积小等优点。
二、一体化机电机械系统构成首先，传动机构。
机械一体化中的传动机构，一方面是转矩与转速的变换器，一方面这已经成为伺服系统中非常重要的组成部分，传动机构需要结合伺服控制的标准和要求进行设计，从而更好地满足系统机械体系的伺服性能。
所以说，传动机不仅需要具备比较高的精确度，还需要具备体积小、重量轻、运转高速、噪音低、可靠性高的特点和要求。
机电一体化系统的基本概念和基本构成,共性关键技术,以及发展
黑 箱 法 的 表 达
物料 能量 信息
机电一体化产品 （黑箱）
物料′ 能量′ 信息′
伴生输入
物料：固体、液体、气体等任何物体； 能量：机械能、电能、热能、化学能、光 能等； 信息：数据、指示值、测量值、控制信号、 波形等。 物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成 成品； 能量的转换指如何将其它形式的能量转换 成机械能或机械能变成其它形式能量； 信息的传输或转换指将物理量的测量和显 示、控制信号的传递等。 2、黑箱法求解方法 黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步
一、市场调研
二、原理方案设计
1．产品方案构思 产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案 表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一 体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面 的修改。 2．方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选， 选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再 选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评 价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方
机电一体化技术发展方向
1、智能化 2、微型化 3、模块化 4、 网络化 5 人格化
6、 绿色化
智能化：智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要方向。 在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、 模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学新思想、新方法，模 拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维和自主决策等能力， 以求得到更高的控制目标。主要体现在诊断过程的智能化，人 机接口的智能化，自动编程的智能化，加工过程的智能化。 模块化：由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开 发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电 一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要 制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲 突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建 一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带 来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业 还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企 业带来美好的前程。
机电一体化机械技术
1.丝杠螺母系统的最小拉压刚度 K0min 和最小扭转刚度 KT min 2.丝杠工作台系统纵向振动和扭转振动的最小固有频率。
（1）计算丝杠螺母系统的刚度
K L min =
π d 2E
4lmax
=
π × 0.0482 × 2.1×1011
（2）丝杠扭转刚度计算 丝杠扭转刚度可用下式计算：
KT =
π d 2G
32l
N m2
式中： d ——丝杠的中径，m
G ——材料的剪切弹性模量，
l——受力点到支撑端的距离， m
下面是不同刚度对系统性能的影响：
图2.3 不同刚度时系统的频率特性（K＜K＜K）
例2.2 在例2.1的数控机床进给系统中，若预紧后丝杠支承 轴向刚度 K B = 2.14 ×109 N m，丝杠螺母间的接触刚度 K N = 1.72 × 109 N m （取丝杠的最大工作长度 Lmax = 1.2m ，拉压弹性模量 E = 2.1×1011 N m2
图2.8 齿轮齿条传动原理
（2）丝杠螺母（螺杆）传动 传动比大、可反向自锁、结构简单、工艺性好，效率较低。 滚珠丝杠可以实现高效率、高精度传动，滚珠丝杠副的传动效 率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍，可以做到无间 隙传动，广泛应用于数控机床工作台，数控平台和机器人的驱 动。
图2.9 丝杠螺母传动原理 图2.10 软盘驱动器中磁头的螺杆机构
（3）同步齿型带实现的移动传动 它具有同步齿型带转动传动的特点，可以实现较大的 直线位移，广泛应用于移动型工作台、绘图机、打印机、 复印机、扫描仪等办公设备和计算机外设的驱动。
图2.11 打印机字车的同步带驱动机构
机电一体化技术发展历程
机电一体化技术发展历程机电一体化技术是指将机械、电子和信息技术有机地结合在一起，实现设备的智能化、自动化和高效化。
它的发展历程经历了几个重要的阶段，本文将从提出机电一体化概念的初期阶段到现代机电一体化应用的发展进行探讨。
一、早期机电一体化发展20世纪50年代，随着电子技术的快速发展，机电一体化概念开始浮现。
当时，人们意识到通过将机械与电子结合，可以提高设备的性能和效率。
然而，由于技术水平的限制和应用范围的狭窄，早期的机电一体化技术应用并不广泛。
二、数字化技术的崛起随着数字化技术的崛起，机电一体化进入了一个新的发展阶段。
数字化技术的引入使得机电系统的控制更加精确和灵活。
1990年代初，计算机技术的飞速发展促进了数字化控制技术的进步。
人们能够使用计算机程序来控制和监测机电系统的运行，从而提高系统的自动化水平。
三、智能化技术的兴起随着人工智能和物联网技术的迅猛发展，机电一体化进入了智能化阶段。
智能化技术的引入使得机电系统能够更好地感知和响应外界环境的变化。
传感器的应用使得设备能够实时监测各种参数，通过数据处理和分析，实现智能判断和决策。
四、应用领域的拓展随着机电一体化技术的不断发展，其应用领域也得到了极大的拓展。
除了传统的制造业领域，机电一体化技术已广泛应用于智能家居、智能交通、医疗器械等领域。
例如，智能家居系统可以通过感应器和自动化装置实现家电设备的自动控制，提高居民的生活品质。
总结：机电一体化技术的发展历程经历了从早期到现代的演变过程。
随着数字化技术和智能化技术的发展，机电一体化技术不断创新和应用，为各行各业带来了巨大的改变和发展。
未来，随着物联网、大数据和人工智能等新技术的不断涌现，机电一体化技术将继续迎来新的发展机遇，为社会经济发展做出更大的贡献。
机电一体化技术概述及应用
机电一体化技术概述及应用摘要：机电一体化作为一种复合技术，随着时代科技的潮流成为工业发展的主流趋势。
机电一体化结合电子技术和机械技术为一体，是一门综合自控技术、传感技术和机械技术等交叉而成的技术，随着计算机和科技发展，其应用范围越来越广。
工业生产从机械电气走向机电一体化是发展的必然趋势，各个国家都非常重视机机电一体的研究和探索。
而且机电一体化已经逐步走入人们的生活中，不仅对全球的科技，经济，军事，社会发展产生了很深的影响，也影响了机电一体化将来的发展趋势。
本文介绍了机电一体化概述，现在的应用领域，发展概况和未来发展趋势等内容，希望可以帮助大家理解机电一体化的概念和应用。
关键字：机电一体化，概述及应用一：引语随着科学技术的发展，推动了机械工业的技术改造和革命。
在机械工业中，计算机技术和微电子技术的迅猛发展推动了机电一体的进展，使得机械工业的产品，技术结构，构成和功能，管理体系，生产方式都产生了很大的变化，让机械电气化走向了机电一体化。
现如今，各国也都在积极推动机电一体化的发展，使其更好的为人们服务。
下面就让我们来探讨一下与机电一体化技术的概述和应用有关的内容。
二：机电一体化概述机电一体化不是电子和机械的简单相加，而是指在机构的动力功能，主功能，控制功能和信息处理功能上引进新的电子技术，在控制论，系统论和信息论的基础上建立起应用技术，是电子化设计，机械装置和软件所构成的总称。
随着机电一体化的蓬勃发展，机电一体在向着高速度，高精度，高柔性化，模块化，高性能的方向发展。
当今的机电一体化已经成为一门有完整体系的新学科，机电一体化包括机电一体化的产品和技术两方面。
机电一体化的产品是肢体和人手的延伸，还是人头脑和感官的延展。
机电一体化包括机器人，数控机床床，汽车电子化的产品，智能化仪器，cad系统，电子印刷等。
机械电气化和电子一体化的主要区别就在智能化上，机电一体化是从整个系统的理念出发，把微电子技术，机械技术，控制技术，信息技术等在工程系统的基础上进行有机的整合，实现整个一体化系统的优化和发展。
机电一体化的现状和发展前景
机电一体化技术的现状及发展前景导读：一般认为，机电一体化技术是一门跨学科的综合性高技术，是由微电子技术、计算机技术、信息技术、机械技术及其他技术相融合而构成的一门独立的交叉学科,是机电工业发展的必然趋势。
文章简述了机电一体化技术的现状,并指出其发展趋势和就业前景。
(一)机电一体化的发展：机电一体化的发展大体可以分为4个阶段。
1:20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。
在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。
由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。
2:20世纪70~80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。
这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。
大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。
3:20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。
一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。
4：如今机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，朝着并开始处于以下方向。
（1）绿色化：绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中,符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极少,资源利用率极高。
机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境,报废后能回收利用。
工业的发展使得资源减少，生态环境受到严重污染。
绿色化成了时代的趋势，产品的绿色化更成了适应未来发展的一大特色。
（2）智能化：近几年,处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件,有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。
机电一体化
机电一体化技术目录1.机电一体化（Mechatronics）的基本概念 (7)1.1Mechatronics的基本含义 (7)1.2机电一体化的含义 (7)1.2.1日本关于Mechatronics的定义 (7)1.2.2美国关于现代机械系统的定义 (7)1.2.3我国对机电一体化的理解 (8)2.机电一体化技术的进展 (8)2.1机电一体化技术的发展史 (8)2.2国外机电一体化技术进展 (10)2.3国内机电一体化技术的进展 (11)3.机电一体化系统的基本构成 (13)3.1对机电一体化系统组成部分的认识 (13)3.2机电一体化系统的一种新认识 (14)3.3机电一体化系统的基本结构要素 (14)3.4机电一体化系统的功能构成 (17)4.机电一体化的相关技术 (20)4.1机械技术 (20)4.2传感技术 (20)4.3信息处理技术 (20)4.4接口技术 (20)4.5伺服驱动技术 (21)4.6系统总体技术 (21)5.机电一体化设计方法 (21)5.1模块化设计方法 (21)5.2柔性化设计方法 (22)5.3取代设计方法 (22)5.4融合设计方法 (22)5.5优化设计方法 (22)6.机电一体化技术的研究现状及发展趋势 (23)6.1机电一体化的研究现状 (23)6.1.1 计算机数控机床 (23)6.1.2汽车的机电一体化 (23)6.1.3工业机器人 (24)6.2机电一体化的核心技术 (24)6.2.1机械本体技术 (24)6.2.2传感技术 (25)6.2.3信息处理技术 (25)6.2.4驱动技术 (25)6.2.5接口技术 (25)6.2.6软件技术 (26)6.3机电一体化的发展趋势 (26)6.3.1智能化 (26)6.3.2模块化 (26)6.3.3微型化 (27)6.3.4绿色化 (27)6.3.5网络化 (28)6.3.6系统化 (28)7.机电一体化技术的应用研究 (29)7.1数控机床 (30)7.2计算机集成制造系统 (30)7.3柔性制造系统 (31)7.4工业机器人 (31)8. 结束语 (31)摘要：机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。
机电一体化的发展及趋势论述
机电一体化的发展及趋势论述摘要：本文从新时期机电一体化发展的外部环境、发展渊源以及机电一体化技术的现状,对新时期机电一体化技术发展趋势进行了展望。
综述了国内外机电一体化技术的现状,分析了机电一体化技术的发展趋势。
关键字：机电一体发展趋势在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
自电子技术一问世,电子技术与机械技术的结合就开始了,只是出现了半导体集成电路,尤其是出现了以微处理器为代表的大规模集成电路以后,”机电一体化”技术之后有了明显进展,引起了人们的广泛注意.一、机电一体化概要机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。
机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科。
但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。
由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。
只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。
但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。
即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
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一阶和二阶系统的动态特性参数 - 机电一
体化
检测系统的时域动态性能指标一般都是用阶跃输入时检测系统的输出响应，即过渡过程曲线上的特性参数来表示。
1．一阶系统的时域动态特性参数
一阶测量系统时域动态特性参数主要是时间常数及与之相关的输出响应时间。
（1）时间常数
时间常数是一阶系统的最重要的动态性能指标，一阶测量系统为阶跃输入时，其输出量上升到稳态值的63.2％所需的时间，就为时问常数。
一阶测量系统为阶跃输入时响应曲线的初始斜率为1／。
（2）响应时间
当系统阶跃输入的幅值为A时，对一阶测量系统传递函数式（1-54）进行拉氏反变换，得一阶测量系统的对阶跃输入的输出响应表达式为
（1）
其输出响应曲线如图1所示。
从式（1）和图1，可知一阶测量系统响应Y（t）随时间t增加而增大，当t=∞时趋于最终稳态值，即y（∞）=kA。
理论上，在阶跃输入后的任何具体时刻都不能得到系统的最终稳态值，即总是y （t∞）<ka。
因而工程上通常把tr=4（这时有一阶测量系统的输出y （4τ）≈ y （∞）×98.2％=0．982kA）当作一阶测量系统对阶跃
输入的输出响应时间。
一阶检测系统的时间常数越小，其系统输出的响应就越快。
顺便指出，在某些实际工程应用中根据具体测量和试验需要，也有把tr=5或tr=3作为一阶测量系统对阶跃输入输出响应时间的情况。
</ka。
因而工程上通常把t
图1 一阶测量系统对阶跃输入的响应
2．二阶系统的时域动态特性参数和性能指标
对二阶测量系统，当输入信号x（t）为幅值等于A的阶跃信号时，通过对二阶测量系统传递函数式进行拉氏反变换，可得常见二阶测量系统（通常有01，称为欠阻尼）的对阶跃输入的输出响应表达式
上式右边括号外的系数与一阶测量系统阶跃输入时的响应相同，其全部输出由二项叠加而成。
其中一项为不随时间变化的稳态响应KA，另一项为幅值随时间变化的阻尼衰减振荡（暂态响应）。
暂态响应的振荡角频率wd称为系统有阻尼自然振荡角频率。
暂态响应的幅值按指数规律衰减，阻尼比善愈大暂态幅值衰减愈快。
如果=0，则二阶测量系统对阶跃的响应将为等幅无阻尼振荡；如果=1，称为临界阻尼，这时二阶测量系统对阶跃的响应为稳态响应KA叠加上一项幅值随时间作指数减少的暂态项，系统响应无振荡；如果1，称为过阻尼，其暂态响应为两个幅值随时间作指数减少的暂态项，且因其中一个衰减很快（通常可忽略其影响）。
整个系统响应与一阶系统对阶跃
输入响应相近，可把其近似地作为一阶系统分析对待。
在阶跃输入下，不同阻尼比对（二阶测量）系统响应的影响如图2所示。
图2 阶跃输入下，二阶测量（不同阻尼比对）响应
可见，阻尼比和系统有阻尼自然振荡角频率是二阶测量系统最主要的动态时域特性参数。
常见01衰减振荡型二阶系统的时域动态性能指标示意图如图3所示。
表征二阶测量系统在阶跃输入作用下时域主要性能指标主要如下：
（1）延迟时间td系统输出响应值达到稳态值的50％所需的时间，称为延迟时间。
（2）上升时间tr系统输出响应值从10％到达90％稳态值所需的时间，称为上升时间。
图3 二阶系统的时域动态性能指标不恿图
（3）响应时间ts在响应曲线上，系统输出响应达到一个允许误差范围的稳态值，并永远保持在这一允许误差范围内所需的最小时间，称为响应时间。
根据不同的应用要求，允许误差范围取值不同，对应的响应时间也不同。
工程中多数选系统输出响应第一次到达稳态值的95％或98％（也即允许误差为±5％或±2％）的时间为响应时间。
（4）峰值时间tp输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间，称为峰值时间。
因为峰值时间与超调量相对应，所以峰值时间等于阻
尼振荡周期的一半，即tp=T／2。
（5）超调量σ超调量为输出响应曲线的最大偏差与稳态值比值的百分数，即
σ=[ y （tp）-y（∞）]／y（∞）×100％
（6）衰减率 d 衰减振荡型二阶系统过渡过程曲线上相差一个周期T的两个峰值之比称为衰减率。
上述衰减振荡型二阶检测系统的动态性能指标、相互关系及计算公式如表1所示。
表1 01二阶检测系统时域动态性能指标
3．检测系统的频域动态性能指标
检测系统的频域动态性能指标由检测系统的幅频特性和相频特性的特性参数来表示，主要有通频带与工作频带以及系统固有角频率。
（1）系统的通频带与工作频带
如果一个检测系统，其输出Y（t）与输入X（t）之间满足 Y（t）=AX（t-τ）（2）
即系统的输出与输入之间有一个数值为A的固定放大倍数和相移为的延时。
这样的系统称为完全不失真系统。
在工程上，完全不失真系统难于实现。
一些设计较好的检测系统通常也只在一定的频度范围内使幅频特性曲线保持一段较为平坦的近似水平的线段（在这一范围A近似不变）。
工程上，把幅频放大倍数大于的范围叫通频带。
而检测系统的相频特性近似线性的范围一般比通频带小得多。
为使检测系统有较高的精度，应选检测系统相频特性近似线性或幅频特性近似水平的频率范围为系统的工作频带。
（2）系统的固有频率
当|H（jω）|= |H（jω）|max时所对应的频率称为系统固有角频率w0。
知道和确定了检测系统的固有角频率w0，就可以确定该系统可测信号的频率范围，以保证测量获得较高的精度，这在设计和选用检测仪器和检测系统时是非常重要的。