數(shù)控機(jī)床機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合分析與設(shè)計(jì)(更新版)
【正文】 種多樣的，但從控制系統(tǒng)工作原理上講，主要分為開環(huán)控制 、 半閉環(huán)控制 、 閉環(huán)控制 三類數(shù)學(xué)模型。 即： 指數(shù)規(guī)律上升平穩(wěn)地趨于穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出發(fā)散沒有穩(wěn)定值，系統(tǒng)輸出振蕩最終能趨于穩(wěn)定值。 3/9/2023 30 （ 2） 伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性校正方法 若控制系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或穩(wěn)定系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（過渡階段和穩(wěn)定階段）不能滿足使用要求時(shí)，需要在系統(tǒng)中引入一個(gè)專用于改善性能的附加裝置，即校正裝置。 b ) 積分 ( I )調(diào)節(jié) —— 圖 b 傳遞函數(shù)： Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特點(diǎn)： 可以減少或消除調(diào)節(jié)誤差，但響應(yīng)慢，因而較少單獨(dú)使用。但是，由于含有微分環(huán)節(jié)，在噪聲比較大或系統(tǒng)要求響應(yīng)快時(shí)，不宜采用 PID調(diào)節(jié)。 3/9/2023 39 （ 2） 依據(jù)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)方程 ， 從機(jī)械系統(tǒng)彈性變形出發(fā)簡(jiǎn)化系統(tǒng) ， 建立彈性變形時(shí)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)框圖 。 （ 4） 建立機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 。 如圖所示二階速度負(fù)反饋控制系統(tǒng)。即調(diào)節(jié)器輸出值與誤差的存在有關(guān)，輸出值隨時(shí)間的推移逐漸增大，直到消除誤差趨于穩(wěn)態(tài)輸出，達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)的時(shí)間值與所存在誤差值的大小有關(guān)，誤差值越大，所需的時(shí)間越長(zhǎng)；反之，則短。 盡管可用于系統(tǒng)調(diào)節(jié)和校正的理論（數(shù)學(xué)模型）方法和手段較多，但在實(shí)際應(yīng)用控制系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛和簡(jiǎn)單的是 PID調(diào)節(jié)器。上述三種情況各有其特點(diǎn)。 （ 1）開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制比較簡(jiǎn)單，前面已學(xué)習(xí)。 —— 輸入阻抗大，可減輕檢測(cè)傳感器的負(fù)荷?？紤]輸入輸出通道數(shù)， 匹配 問題。 （ 1） 減速比匹配選擇的一般原則要求 在第 2章中，提到了機(jī)械傳動(dòng)減速比的分配原則，主要依據(jù)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小、重量最輕、傳動(dòng)誤差最小，以及綜合考慮來確定各級(jí)傳動(dòng)的減速比。 直流電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)基本結(jié)構(gòu) 3/9/2023 10 （ 1）執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)矩匹配 TTTmeq 慣??? 考慮機(jī)械傳動(dòng)效率，則執(zhí)行元件的等效輸出轉(zhuǎn)矩： 注意：執(zhí)行元件為伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作區(qū)域應(yīng)在恒轉(zhuǎn)矩輸出調(diào)速區(qū)內(nèi)。 3/9/2023 5 一、典型 負(fù)載分析 （ 1）典型負(fù)載形式 無論被控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形式如何，負(fù)載形式及其特點(diǎn)千差萬別，歸納起來具有一些共性負(fù)載 —— 典型負(fù)載。 ② 執(zhí)行元件的參數(shù)選擇。 ⑤ 信號(hào)的有效傳遞。為系統(tǒng)執(zhí)行元件，機(jī)械變換機(jī)構(gòu)等的選用或設(shè)計(jì)，系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。 主要依據(jù)電機(jī)的等效負(fù)載和最高轉(zhuǎn)速確定。減速比要滿足被控制對(duì)象的調(diào)速范圍，并使在一定條件下綜合指標(biāo)參數(shù)達(dá)到最佳，也要滿足脈沖當(dāng)量（分辨率）與進(jìn)給角之間的相應(yīng)關(guān)系和在一定條件下輸出轉(zhuǎn)速最大或輸出轉(zhuǎn)矩最大等要求 。 —— 輸出阻抗小 、 效率高 、 時(shí)間常數(shù)小 。但是、在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡可能地作到電源的輸出類型要少，在電源參量輸出具有 足夠穩(wěn)定性（電壓、頻率）的同時(shí) ，要采取保護(hù)措施， 防止外界干擾信號(hào)的進(jìn)入和電源波動(dòng)、掉電、欠壓、過流、短路等非正常品質(zhì)電源的輸入對(duì)系統(tǒng)的影響。 3/9/2023 26 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) ： 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）基礎(chǔ)上，選擇系統(tǒng)的控制方式和校正（或誤差補(bǔ)償）形式，有效地與穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)所建立的數(shù)學(xué)模型（傳遞函數(shù)）系統(tǒng)相融合，構(gòu)成具有誤差補(bǔ)償作用的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)定工作和滿足被控制對(duì)象的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求。 第三種情況 ：系統(tǒng)振蕩收斂逐步衰減區(qū)域穩(wěn)定，系統(tǒng)剛性較小，但慣量較大，過渡階段誤差教小，利于系統(tǒng)性能參數(shù)的調(diào)節(jié)匹配。 有源阻容式調(diào)節(jié)器 —— 主要運(yùn)算放大器與阻容電路組成。 d ) 比例 — 積分 — 微分 ( PID )調(diào)節(jié) —— 圖 d 傳遞函數(shù) ： Gc(s) = － KP[1+1/(Ti s ) +Td s ] 其中： KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。 3/9/2023 38 三、 機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響簡(jiǎn)介 實(shí)際上，任何機(jī)械系統(tǒng)都是質(zhì)量 — 彈性振
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