1、會計學1機電一體化系統的元部件特性機電一體化系統的元部件特性ch資料資料2第1頁/共39頁3 反饋：反饋：“反饋”是通過適當的檢測傳感裝置將輸出量的全部或一部分返回到輸入端，使之與輸入量進行比較，用其偏差對系統進行控制，反饋控制的目標是使該偏差為零。 傳遞函數與拉普拉斯變換：傳遞函數與拉普拉斯變換：在經典控制理論中，研究機電體化系統的動態特性是以傳遞函數為基礎的，而傳遞函數是通過數學中的拉普拉斯變換定義的。 獲取傳遞函數的方法：獲取傳遞函數的方法： 當系統(或執行元件)的運動能夠用相關定律(如電學、熱學、力學等的某些定律)描述時，該系統(或執行元件)的傳遞函數就可用理論推導的方法理論推導的方法

2、求出。 對那些無法用相關定律推導其傳遞函數的系統(或執行元件)，可用實驗法實驗法建立其傳遞函數。第2頁/共39頁4 常用函數的拉氏變換和反變換可從拉氏變換表中查出，通常不必自己計算。一、拉普拉斯變換與傳遞函數第3頁/共39頁5 一般來說，機電一體化系統(或元件)的輸入量輸入量(或稱輸入信號)和輸出量輸出量(或稱輸出信號)可用時間函數時間函數描述，輸入量與輸出量之間的因果關系因果關系或者說系統（或元件）的運動特性運動特性可用微分方程微分方程描述。 系統(或元件)的運動特性也可以用傳遞函數傳遞函數描述。 線性定常系統線性定常系統( (或元件或元件) )的傳遞函數定義為：的傳遞函數定義為：零初始值下

3、，系統（元件）輸出量拉氏變換與輸入量拉氏變換之比。 當系統受到外部干擾時，其輸出量必將發生變化，但由于系統總含有慣性或儲能元件，其輸出量不可能立即變化到與外部干擾相應的值，而需要有一個過程，這個過程就是系統的過渡過程。系統的過渡過程。 二、系統的過渡過程特性第4頁/共39頁6 系統（或執行元件）在階躍信號作用下(即操作量階躍變化時)的過渡過程，大致可分為穩定過程穩定過程、不穩定過程不穩定過程( (發散發散) )、穩定過程穩定過程( (有振蕩有振蕩) )三種情況，并可近似地用傳遞函數表示。圖5.1 過程的瞬態響應第5頁/共39頁7 伺服系統伺服系統有時也稱伺服機構伺服機構，它是以機械位置或角度作

4、為控制對象的自動控制系統。其輸出量隨輸入量的變化而變化，因此，有時也稱隨動系統隨動系統。 如果輸出量不僅受輸入量控制，而且反饋回來影響輸入量，則稱其為閉環控制閉環控制或反饋控制反饋控制。并且由于系統是利用輸出量與輸入量之間的偏差進行控制的，故又稱負反饋控制負反饋控制。對于輸出量與輸入量之間只有順向作用，而無反向聯系的控制，則稱其為開環控制開環控制。 實例 三、伺服系統及其動態特性第6頁/共39頁8第7頁/共39頁9 根據控制系統框圖，和系統中各元件的傳遞函數，以及控制理論，可以寫出系統總的傳遞函數?？梢苑治觯嚎梢苑治觯?1）系統過渡過程品質系統過渡過程品質，即系統響應的快速性和振蕩性。 2）系

5、統的穩態精度系統的穩態精度，即穩態誤差的大小。第8頁/共39頁10 流經系統的信號隨時間連續變化時，則稱系統為連續時間系統連續時間系統，其信號為連續時間信號；在系統中，只要有一個地方的信號是脈沖信號或數字信號時，就稱系統為離散系統離散系統或稱采樣系統采樣系統，其脈沖信號或數字信號稱為離散信號離散信號或采樣信號采樣信號。 所謂采樣采樣是指將連續時間信號轉變為脈沖或數字信號的過程。采樣控制系統包括一般的采樣系統一般的采樣系統和數字控制系統數字控制系統。四、采樣控制簡介一般采樣控制系統實例 第9頁/共39頁圖5.7 爐溫控制系統原理圖第10頁/共39頁12圖圖5.10 5.10 采樣系統典型結構采樣

6、系統典型結構保持器保持器被控對象被控對象反饋元件反饋元件誤差信號誤差信號采樣信號采樣信號保持器處理之保持器處理之后的采樣信號后的采樣信號第11頁/共39頁13圖圖5.11 5.11 數字控制系統工作原理框圖數字控制系統工作原理框圖系統中含有數字計算機或者數字式控制系統的系統，稱之為數字控制系統。信號的采樣信號的采樣信號的復現信號的復現第12頁/共39頁14圖圖5.12 A/D5.12 A/D轉換過程轉換過程將采樣信號，也就是時間上離散而幅值上連續的信號，量化后成為數字信號的過程，這是一個近似過程，稱為量化過程量化過程。第13頁/共39頁15圖圖5.12 D/A 5.12 D/A 轉換過程轉換過

7、程每個采樣周期內保持數字信號為常值。第14頁/共39頁16 本章主要介紹機電一體化系統中的機械系統機械系統、傳感系統傳感系統和執行元件系統執行元件系統等幾個子系統的基本特性，并從機電一體化系統構成要素的角度說明其分析方法。第15頁/共39頁17第16頁/共39頁 齒輪傳動機構圖（線性傳動機構）第17頁/共39頁（線性傳動機構）第18頁/共39頁 回轉-直線(或直線-回轉)線性變換機構圖a齒輪齒條機構圖；圖b滾珠絲杠副第19頁/共39頁21 機構靜力學所研究的問題是： 機構輸出端所受負載(力或轉矩)向輸入端的換算； 機構內部的摩擦力(或轉矩)對輸入端的影響； 求由上述各種力或重力加速度引起的機構

8、內部各連桿、軸承等的受力。 這里主要對研究機電一體化系統設計中機電有機結合最重要的第一、第二個問題加以敘述。第三個問題是機構的強度、剛度設計中要研究的重要問題，此處予以省略。第20頁/共39頁22yyxyxFxyFFddnnynnxMMMyFTTTxF),(),(22112211yTxFxyFFxxyyFy = f(x),M,M,M,T,T,TFxxFyyy = f(x)2）多輸入）多輸入多輸出機械系統多輸出機械系統 輸入功的總和與輸出功的總和：輸入功的總和與輸出功的總和：輸入力與輸出負載的關系：輸入力與輸出負載的關系：第21頁/共39頁23圖5.21 滑動絲杠變換機構 第22頁/共39頁24

9、r0絲杠螺紋中徑處半徑；Tx使絲杠產生轉動所需轉矩；FxFn 、 uFn在x向的分力；Fy螺母所受的向上推力，也為Fn 、 uFn在y向的分力；u摩擦系數；第23頁/共39頁25sincoscossinnnynnxFFFFFF)arctantan(00rFrFTyxx)arctantan(0r可推導出使絲杠轉動所需的轉矩：可推導出使絲杠轉動所需的轉矩：得出得出Fy 向向Tx 轉換的轉換的變換系數為：變換系數為：因摩擦阻力存在，該值會有變化，因摩擦阻力存在，該值會有變化， 但不受輸入轉角的影響。但不受輸入轉角的影響。第24頁/共39頁262）非線性變換機構）非線性變換機構第25頁/共39頁27y

10、FaT)cos()sin(cosarctan其中：其中：ABCabFyy因摩擦阻力存在，從因摩擦阻力存在，從Fy向向T的變換系數與的變換系數與有關，但不是比例關系。有關，但不是比例關系。第26頁/共39頁28第27頁/共39頁29機械量變換機械-電氣變換運算放大電路GmGmeGexsyvv 輸入量與電信號輸出量之間的變換關系（傳遞函數）輸入量與電信號輸出量之間的變換關系（傳遞函數） Gs = Gm Gme Ge 除此之外，有時還需整形濾波、模數轉換的處理變換等信除此之外，有時還需整形濾波、模數轉換的處理變換等信號轉換過程。號轉換過程。第28頁/共39頁30第29頁/共39頁31霍爾效應：霍爾效

11、應：是指當固體導體有電流通過，且放置在一個磁場內，導體內的電荷載子受到磁場力而偏向一邊，繼而產生電壓。電場力會平衡磁場力。第30頁/共39頁32dtdiLvdxdyksdtdiLvdtdksRLsKsGme/1動電式變換器的變換式為（動電式變換器的變換式為（k感應電壓常數）：感應電壓常數）：或或傳遞函數：傳遞函數：當當Ls/R1時，時，Gmed/C，輸出與力成比例。，輸出與力成比例。第32頁/共39頁34鐵氧體鐵芯一次線圈二次線圈yyy發光元件受光元件（1）差分變壓器。）差分變壓器。（2）靜電式變換器。）靜電式變換器。（3）應變計測量應力變）應變計測量應力變化的變換器?；淖儞Q器。（4）光電編碼器。）光電編碼器。第33頁/共39頁35第34頁/共39頁36 對于典型的質量、彈簧、阻尼系統（檢測對象為位移對于典型的質量、彈簧、阻尼系統（檢測對象為位移x）0kyyyxm 運動方運動方程：程：mkn/固有頻率：固有頻率：mk2/阻阻 尼尼 比：比： 2222nnmssssxsysG 傳遞函數：傳遞函數：0.11010.110= 0.10.20.50.711振幅頻率特性曲線振幅頻率特性曲線只有當只有當/n1 1時，才有時