伺服系统稳态设计方案.ppt
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流体中作变速运动时，除自身的惯性力和惯性力矩以外，还有 部分有水引起的附加质量(或附加质量惯量)。
3.阻尼负载
当被控对象在流体中运动时，除了形成一定的附加质量惯量 (或附加质量转动惯量)以外，还会产生一个由于流体摩擦、兴波 等原因而造成的阻力(或阻力矩)，这个力(或力矩)与物体运动的 速度、速度的平方甚至更高次方成比例。在相对运动速度不高情 况下，可以认为阻尼力(或力矩)与运动速度(或角速度)成比例。
综合以上情况，可以用一个通式来表示负载力矩，即 F = - Fcsig(v) – bv - m [dv/dt] M = - Mcsig(Ω) - 2NΩ- J[dΩ/dt]
式中的b和2N根据运动存在的介质，可以是某个常数(在流体中)， 也可以是零(在空气中)。
4.其他工作阻力负载
除了上述三项由对象自身运动而产生的负载力(力矩)之外。有些 运动对象还会受到正常工作要克服的阻力(力矩)。例如:
• 伺服系统稳态设计特点
稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。
• 工程定量计算的计量单位
我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭 牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。
名称
飞轮转矩 转动惯量
力 力矩 功(能) 功率
符号 nΩ GD2
J F M或T
W
P
1.摩擦负载
在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面之间 都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。
在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数据做
从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚动摩擦。在条 件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩擦力小。
以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘性摩擦(或称湿 摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦)。在条件相同情
Fc = f·N。 摩擦系数f与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动速 度、接触时间等均有关。
输出轴上承受的摩擦力矩是由系统整个机械传动各部分的摩擦 作用综合的结果。以旋转运动为例:
Mc
Mc
Mc
1
1
静摩擦力矩最大，随着输出角速度Ω的增加(0<｜Ω｜<Ω1)， 摩擦力矩减小，当Ω继续增加(｜Ω｜>｜Ω1｜)时，摩擦力矩又 略有增加或保持不变。摩擦负载对系统的工作品质影响很大。
当系统所带的被控对象作旋转运动时，被控对象形成的惯性负载 转矩为
ML = - JL[dΩ/dt] ML为惯性负载转矩；JL为被控对象绕其转轴的转动惯量；
Ω为其角速度。JL= m r 2 m为质点质量，r为绕轴半径。
具有简单几何形状的质量均匀分布的物体转动惯量表达式列入34 页表3.2中。图形较为复杂的对象可用简单形状组合而成。
对随动系统而言，摩擦负载影响系统的控制精度。当要求低速 跟踪时，由于摩擦负载在低速区有dMc/dΩ<0，系统将出现的低 速爬行现象。
2.
物体作变速运动时便有惯性负载产生。当执行元件带动被控对 象沿直线作变速运动时，被控对象存在有惯性力FL
FL = - m (dv/dt) m为被控对象质量；v为运动速度；负号表示惯性力FL的方
掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对
一、系统典型负载分析
随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机(或液 压、气动马达)带动被控对象做机械运动。其控制特性与被 控对象相联系的动力学特性关系极大。
被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳 态和动态性能。
系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负 载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎 任一系统均有。
伺服系统稳态设计
• 概述 • • • 伺服电机选择 • •
概述
• 伺服系统稳态设计的内容
对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传 动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。
• 伺服系统稳态设计目的
确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系 统的控制能力。
动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包 括满足动态误差、稳定性及快速性要求。
我们在建立系统动力学方程以及在选择执行元件功率时，需 要把对象所受到的负载换算到执行元件输出轴上。
1.负载的传递和转化
一般高速运动的执行元件带动相对低速运动的被控对象都需
用减速装置。三级齿轮减速器负载的传递与转化。
电机
M
Z11
Z22 Z31
i1
Baidu Nhomakorabea
i2
i3
L
负载
Z12 Z21 Z32
工程单位
r/min
kg·m2 g·cm2 kg·m·s2 g·cm·s2
kg
kg·m g·cm
kg·m W·h
kg·m/s hP
国际单位 rad/s N·m2 kg·m2 N N·m
J或N·m W或J/s
换算关系
1 r/min = π/30 rad/s
1 kg·m2 = 9.8 N·m2 1 g·cm2 = 9.8×10-7 N·m 1 kg·m·s2 = 9.8 kg·m2 1g·cm·s2=9.8×10-5kg·m2
切削机床的切削力(力矩)； 升降机在上升时要克服重力； 船舶减摇鳍在转动时要克服由于重心与转轴不一致导致的重力 力矩和由于浮力中心和轴线不一致而造成的浮力不平衡力矩； 雷达天线在运动时要克服风载阻力矩。
二、典型系统的综合负载分析和计算
实际伺服系统控制被控对象运动过程中，都要克服多种负载 的影响，因而需要根据各自的运动规律做具体分析和综合。
Fv = - b·v MΩ = - 2N·Ω Fv为阻尼力；b为阻尼系数；v为对象在流体中的运动速度； MΩ为阻尼力矩；2N 在分析船在水中运动或者类似舵、鳍等伸出船外的装置在水中 转动时，会用到阻尼力(力矩)和附加水质量(或转动惯量)。有时 在减速箱中为保持良好润滑而注入一些润滑油也会产生阻尼力 (力矩)
1 kg = 9.8 N
1 kg·m = 9.8 N·m 1 g·cm = 9.8×10-5 N·m
1 kg·m = 9.8 J 1 W·h = 3600 J
1 kg·m/s = 9.8 W 1 hP = 735.5 W
伺服系统典型负载分析和计算
明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学 特性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。
3.阻尼负载
当被控对象在流体中运动时，除了形成一定的附加质量惯量 (或附加质量转动惯量)以外，还会产生一个由于流体摩擦、兴波 等原因而造成的阻力(或阻力矩)，这个力(或力矩)与物体运动的 速度、速度的平方甚至更高次方成比例。在相对运动速度不高情 况下，可以认为阻尼力(或力矩)与运动速度(或角速度)成比例。
综合以上情况，可以用一个通式来表示负载力矩，即 F = - Fcsig(v) – bv - m [dv/dt] M = - Mcsig(Ω) - 2NΩ- J[dΩ/dt]
式中的b和2N根据运动存在的介质，可以是某个常数(在流体中)， 也可以是零(在空气中)。
4.其他工作阻力负载
除了上述三项由对象自身运动而产生的负载力(力矩)之外。有些 运动对象还会受到正常工作要克服的阻力(力矩)。例如:
• 伺服系统稳态设计特点
稳态设计运用基础知识面更宽，需要有一定的实践经验。
• 工程定量计算的计量单位
我国计量管理规定一律采用国际单位制(SI)。国内有些产品铭 牌数据仍沿用工程单位制。在计算时应统一换算成国际单位制。
名称
飞轮转矩 转动惯量
力 力矩 功(能) 功率
符号 nΩ GD2
J F M或T
W
P
1.摩擦负载
在任何机械传动系统中，每一对相对运动物体的接触表面之间 都存在着摩擦。普通的现象，情况却十分复杂。
在工程设计中，多采取实测的办法，或采用手册提供的数据做
从接触表面的相对运动形式看，有滑动摩擦与滚动摩擦。在条 件相同的情况下，滚动摩擦力比滑动摩擦力小。
以接触表面之间的润滑条件来看，有干摩擦、粘性摩擦(或称湿 摩擦)和介于两者之间的边界摩擦(俗称半干摩擦)。在条件相同情
Fc = f·N。 摩擦系数f与法向压力、接触表面特性、粗糙度、温度、滑动速 度、接触时间等均有关。
输出轴上承受的摩擦力矩是由系统整个机械传动各部分的摩擦 作用综合的结果。以旋转运动为例:
Mc
Mc
Mc
1
1
静摩擦力矩最大，随着输出角速度Ω的增加(0<｜Ω｜<Ω1)， 摩擦力矩减小，当Ω继续增加(｜Ω｜>｜Ω1｜)时，摩擦力矩又 略有增加或保持不变。摩擦负载对系统的工作品质影响很大。
当系统所带的被控对象作旋转运动时，被控对象形成的惯性负载 转矩为
ML = - JL[dΩ/dt] ML为惯性负载转矩；JL为被控对象绕其转轴的转动惯量；
Ω为其角速度。JL= m r 2 m为质点质量，r为绕轴半径。
具有简单几何形状的质量均匀分布的物体转动惯量表达式列入34 页表3.2中。图形较为复杂的对象可用简单形状组合而成。
对随动系统而言，摩擦负载影响系统的控制精度。当要求低速 跟踪时，由于摩擦负载在低速区有dMc/dΩ<0，系统将出现的低 速爬行现象。
2.
物体作变速运动时便有惯性负载产生。当执行元件带动被控对 象沿直线作变速运动时，被控对象存在有惯性力FL
FL = - m (dv/dt) m为被控对象质量；v为运动速度；负号表示惯性力FL的方
掌握了一般性研究方法后，需对负载作定量分析，根据对
一、系统典型负载分析
随动系统和调速系统一般来说都是由执行电动机(或液 压、气动马达)带动被控对象做机械运动。其控制特性与被 控对象相联系的动力学特性关系极大。
被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的稳 态和动态性能。
系统常见的负载类型有：摩擦负载、惯性负载、阻尼负 载、重力负载、弹性负载以及流体动力负载等，前两项几乎 任一系统均有。
伺服系统稳态设计
• 概述 • • • 伺服电机选择 • •
概述
• 伺服系统稳态设计的内容
对控制对象运动与动力学分析、负载分析、执行电动机及传 动装置的确定、测量元件的选择、放大装置的选择与设计计算。
• 伺服系统稳态设计目的
确定系统的基本不变部分的结构，稳态设计的结果确定了系 统的控制能力。
动态设计计算则是在此基础上使系统达到要求的动态性能。包 括满足动态误差、稳定性及快速性要求。
我们在建立系统动力学方程以及在选择执行元件功率时，需 要把对象所受到的负载换算到执行元件输出轴上。
1.负载的传递和转化
一般高速运动的执行元件带动相对低速运动的被控对象都需
用减速装置。三级齿轮减速器负载的传递与转化。
电机
M
Z11
Z22 Z31
i1
Baidu Nhomakorabea
i2
i3
L
负载
Z12 Z21 Z32
工程单位
r/min
kg·m2 g·cm2 kg·m·s2 g·cm·s2
kg
kg·m g·cm
kg·m W·h
kg·m/s hP
国际单位 rad/s N·m2 kg·m2 N N·m
J或N·m W或J/s
换算关系
1 r/min = π/30 rad/s
1 kg·m2 = 9.8 N·m2 1 g·cm2 = 9.8×10-7 N·m 1 kg·m·s2 = 9.8 kg·m2 1g·cm·s2=9.8×10-5kg·m2
切削机床的切削力(力矩)； 升降机在上升时要克服重力； 船舶减摇鳍在转动时要克服由于重心与转轴不一致导致的重力 力矩和由于浮力中心和轴线不一致而造成的浮力不平衡力矩； 雷达天线在运动时要克服风载阻力矩。
二、典型系统的综合负载分析和计算
实际伺服系统控制被控对象运动过程中，都要克服多种负载 的影响，因而需要根据各自的运动规律做具体分析和综合。
Fv = - b·v MΩ = - 2N·Ω Fv为阻尼力；b为阻尼系数；v为对象在流体中的运动速度； MΩ为阻尼力矩；2N 在分析船在水中运动或者类似舵、鳍等伸出船外的装置在水中 转动时，会用到阻尼力(力矩)和附加水质量(或转动惯量)。有时 在减速箱中为保持良好润滑而注入一些润滑油也会产生阻尼力 (力矩)
1 kg = 9.8 N
1 kg·m = 9.8 N·m 1 g·cm = 9.8×10-5 N·m
1 kg·m = 9.8 J 1 W·h = 3600 J
1 kg·m/s = 9.8 W 1 hP = 735.5 W
伺服系统典型负载分析和计算
明确了系统技术指标后，研究被控对象的运动学、动力学 特性，根据对象的具体特点和受载情况选择执行元件。