第6章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计.ppt

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1、1,机电一体化系统设计,第六章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计,6.1 机电一体化系统的稳态与动态设计 6.2 稳态设计考虑方法 6.3 动态设计考虑方法 6.4 可靠性、安全性设计,第6章 机电一体化系统 机电有机结合分析与设计,机电伺服系统,位置伺服控制,速度伺服控制,执行元件,被控对象(负载）,3,机电一体化系统设计,典型机电一体化系统工业机器人的组成与运动特征,工作空间 自由度 位姿 关节变量,连杆,移动关节,转动关节,稳态设计方法研究的主要内容或步骤：,位置,速度检测单元,机械 部件,位置,速度反馈,CNC,数控机床 伺服系统组成, 使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。

2、执行元件的参数选择。 功率(力/力矩)匹配以及过载能力的验算。 各主要元件的选择与控制电路的设计。 信号的有效传递。 各级增益的分配。 各级之间阻抗的匹配和所 采取的抗干扰的措施。 系统总体方案的确定,稳态设计方法学习的主要内容：,(1)负载分析。 (2)执行元件匹配选择。 (3)机械传动比选择与各级减速比确定原则。 (4)检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。 (5)机电系统数学模型的建立。 (6)分析研究系统的稳态特性。,单位阶跃响应系统 稳态特性,伺服系统设计的流程：,提出对系统的要求,制定系统设计方案,定量的分析与计算,完成设计方案,稳态设计计算,动态设计计算,输出

3、运动参数,执行元件参数的选择,功率的匹配、过载能力的验算,主要元部件的选择,控制电路的设计,信号的有效传递,各级增益的分配,各级阻抗的匹配,抗干扰的措施,设计校正补偿装置，满足动态技术指标的要求。,通过计算机仿真或辅助设计,被控对象 的特点,6.2 机电一体化系统的稳态设计方法,6.2.1 负载分析,1、典型负载：直线运动、回转运动、间歇运动,惯性负载,外力负载,弹性负载,摩擦负载,2、负载的等效换算,被控对象的运动,直线运动,旋转运动,被控对象,执行元件,直接连接,间接连接,额定转矩、加减速控制、制动,参数匹配,联系：,?,惯量 转矩 质量 力,例如：某系统由m个移动部件和n个转动部件组成。

4、 移动部件的参数:质量mi （Kg）;运动速度vi （m/s ） 、负载力Fi（N） 转动部件的参数:转动惯量Jj （Kg.m2）;转速或角速度nj-wj （m/s rad/s） 、负载转矩Tj（N.m）。 1、求等效转动惯量Jkeq 2、求等效负载转矩Tkeq,转化的原则： 转化前后系统的瞬时动能保持不变。,转化前系统的动能总合：,假设转化到执行元件的输出轴上，则转化后系统的动能总合：,又因为,则有,1、求等效转动惯量,2、求等效负载转矩,假设：系统运行时间为t，则系统在此时间内克服负载所做的功为：,执行元件所做的功为：,由,已知：移动部件（工作台、夹具、工件等）的总质量mA=400kg；沿

5、运动方向的负载FL=800N(包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯量Jm=410-5 kgm2，转速为nm；齿轮轴部件I(含齿轮）的转动惯量JI=510-4kgm2；齿轮轴部件II(含齿轮）的转动惯量JII=710-4kgm2；轴II的负载转矩TL=4Nm；齿轮z1与z2的齿数分别为20和40，模数为1mm。 求：等效到电机轴上的等效转动惯量 等效到电机轴上的等效转矩,参考课本P219,解1）求,2）求,6.2.2 执行元件的匹配选择(课本P220）,执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配、功率匹配、过热保护系数和过载保护系数验算四部分。,直流电机,步进电机及驱动,步进电机基本结构,(1)执

6、行元件的转矩匹配,考虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩：,注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。,测算执行元件输出轴上的等效转矩(摩擦负载和工作负载)和等效惯性转矩T惯的总和。,例如： 机床工作台某轴的伺服电动机输出轴上所受等效负载转矩 25Nm，等效转动惯量为Jmeq=3X10-2kg.m2，由工作台某轴的极限速度换算为电动机输出轴角速度为50rad/s,等加速和等减速时间t0.5s，机械传动系统的总传动效率0.85，求电机轴上的总的等效负载转矩？,为保证带负载时能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动转矩Tq必须满足,等效惯性负载转矩,考虑传动效率时等效

7、总负载转矩,现在假设选用110B003反应式步进电动机，最大静转矩Tjmax=7.84Nm。当采用三相六拍通电方式，（P97）,则其起动转矩为,(2)执行元件的功率匹配,电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。 主要依据电机的等效负载和最高转速确定。 常用下式进行预选。,再通过过热验算和过载验算，最终确定电机的功率。,(3)电机的过热验算,电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法(励磁磁通近似不变)计算电机的等效转矩(平均转矩)。,电机不产生过热的条件为： ，,(4)过载验算条件,6.2.3 减速比的匹配选择与各级减速比的分配,减速比的确定要考虑三个因素：,负载的性质,脉冲

8、当量,系统的综合要求,要求：在某种条件下，减速比达到最佳，又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系和最大转速的要求。,1、使加速度最大（复习）,2、使输出速度为最大,3、满足传动系统基本要求,4、输出轴转角误差最小,5、对加速度和速度同时有要求,按第一种方法确定减速比，然后按下式验算,负载的最大角速度,电机输出的角速度,6.2.4 检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、 电源的匹配与设计,要达到机电一体化系统设计的主要性能指标(功能指标)，系统稳态设计的重点在伺服系统的稳态设计，主要涉及两方面内容：,信号处理与转换、功率放大与驱动、系统电源匹配等。,信号检测、信号处理与误差传递、动态计算与调

9、整电路设计（正补偿设计、辅助电路设计）等。,最终使系统在输入信号作用下，其输出具有收敛特性。,系统稳态设计步骤：,主要包括功能部件的选择与设计（不含执行元件） 1)检测传感装置的选择 依据被检测对象的类型，考虑传感器的精度(分辨率)、不灵敏区、工作范围、输入/输出特性(线性)、信号的转换、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等，合理选择传感器。,光栅传感器的工作原理,磁栅位移传感器,光电编码传感器,测速发电机速度传感器,光电脉冲转速传感器,压电式加速度传感器,空气阻尼式加速度传感器,应变片测力传感器,2）信号转换接口电路的设计和选用 主要指A/D、D/A的选用 尽可能选用标准、通用、商业

10、集成元件作为信号转换电路的核心元件设计接口电路。重点考虑输入输出通道数，通道类型，通道阻抗与连接元件阻抗之间的匹配等。 3）伺服系统放大器（驱动电路）的设计与选用 驱动电路设计通常分为两部分：信号处理与功率放大（提高信号品质为主），功率放大（增大能量为主）。,26,机电一体化系统设计,具体要求： a)最后输出级的功率应与执行元件功率(电流、电压、容量、额定值)相匹配。 输出阻抗小、效率高、时间常数小。 b)为执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。 制动条件、限流保护条件等。 c)放大器应有足够的线性范围，保障执行元件的容量得以正常发挥。 d)输入级应与检测传感器相匹配。 输入阻抗大，可减轻检测

11、传感器的负荷。 e)放大器要有足够的放大倍数，工作特性稳定可靠、易于调整等。,4)伺服系统的能源(电源)支持,电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形式和要求不同的限制，电源供给统一是困难的。但是、在设计电源系统时，应尽可能地作到电源的输出类型要少，在电源参量输出具有足够稳定性(电压、频率)的同时，要采取保护措施，防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。 常用措施：滤波、隔离、屏蔽干扰信号；稳压、限压、限流、断电保护和短路保护。,6.2.5 机电一体化系统数学模型的类型,机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种多样的，但从控制系统工作原

12、理上讲，主要分为开环控制、半闭环控制、闭环控制三类数学模型。 下面结合典型实例进行学习。 (1)开环控制系统 开环控制比较简单，前面已学习。 传递函数数学模型为： (2)半闭环控制系统 如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统,滚珠丝杠传动半闭环控制系统框图,Ka前置放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反馈增益； Tm直流伺服电机时间常数；i1、i1减速比；Kr位置传感器增益； Vi(s)输入电压的拉式变换；i(s)丝杠输出转角的拉式变换。,1)无外界干扰时的传递函数数学模型,2)有外界干扰时的传递函数数学模型,附加扰动力矩(电压VD表示)的系统框图 附加扰动力矩等效电压后的系统框图,3)全

13、闭环控制系统,传递函数数学模型：,实例（课本P228） 由直流伺服电动机驱动的全闭环控制系统如图所示，直流伺服电机的转速n为1200r/min，功率P为1.5KW，转子的转动惯量Jm为2*10-4Kg.m2，滚珠丝杠的直径d为60mm，长度l为2.16m，基本导程l0为12mm，丝杠的转速ns为400r/min，齿轮减速比i为3，齿轮z1、z2的齿数为17、51，模数m为2，齿轮的宽度B为15mm，工作台移动部件的总重量W为2000N，最大进给速度为4.8m/min，导轨的摩擦系数为0.05.经测量，齿轮的齿侧间隙为0.12mm。 试计算由于轴向刚度和齿轮间隙引起的失动量。,丝杠两端采用止推轴

14、承支撑，轴向弹性模量E为2.1*1011Pa，止推轴承的刚度系数KB为1.07*109N/m螺母的刚度为2.14*109N/m。 所以丝杠的轴向刚度（Kc） 两端均有止推轴承支撑，其丝杠长度应取为 则 又单个轴承的刚度与 丝杠是串联，则其串联后的刚度为：,而轴承与二分之一丝杠是两组并联，所以 此刚度由于螺母串联，则其刚度为 工作台启动时的摩擦阻力F=2000*0.05=100N 则其压缩量（变形量x1）,则其失动量为2 x1=0.37（ um） 齿轮间隙引起的失动量为x2 总的失动量为,课后习题,1.伺服系统的设计流程是什么？ 2.机电一体化系统的设计包括稳态设计和动态设计。 3.伺服控制系统

15、中，其负载往往比较复杂，为了便于分析，常将它分解为几种典型负载，这些典型负载是指： ， ，弹性负载，摩擦负载。 4.如图所示三级齿轮传动链，I为输入轴，O为输出轴，各级传动比为i1、i2、i3，各齿轮的齿数分别为Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6。 1）设各级齿轮的齿侧间隙分别为1、2、3，求将所有齿侧间隙都折算到输出轴O上的总间隙。 2）设各齿轮轴的转动惯量分别为JI、J1、J2、JO，求将所有转动惯量都归算到输出轴O上的总转动惯量J。,6.3 机电一体化系统的动态设计考虑方法,系统动态设计方法： 在稳态设计所建立的数学模型(传递函数)基础上，选择系统的控制方式和校正(或误差补偿)形式，有效

16、地与稳态设计所建立的数学模型(传递函数)系统相融合，构成具有误差补偿作用的反馈调节系统，达到稳定工作和满足被控制对象的各项动态指标要求。 系统动态设计的目的： 在稳态设计的基础上，保证系统的动态稳定性、过渡过程的品质(响应特性、振荡特性等)、动态稳定精度，动态响应特性等指标参数。 动态设计的主要方法或手段： 为保证系统动态稳定各指标参数的误差(精度)，常用的设计方法有校正(或误差补偿)法、波德(Bode)图法、根轨迹图法等。,6.3.2 伺服系统的调节方法,(1)伺服系统动态稳定性分析与过渡过程 对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。 即：指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出发散没有稳定

17、值，系统输出振荡最终能趋于稳定值。,1)动态稳定过程的特点：,系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。 第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大(加速度大)，无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的调节。 第二种情况：系统振荡发散不稳定。 第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统刚性较小，但惯量较大，过渡阶段误差教小，利于系统性能参数的调节匹配。 鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定(硬件和软件保证)，利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差最小的控制系统，在实际应用的控制系统中最为常见。,2)动态系统过渡阶段的主

18、要性能指标,动态特性参量或指标：上升时间Ts；延滞时间Ty；调整时间Tt；最大超调量%。,(2)伺服系统动态稳定性校正方法,若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系统的主要性能指标(过渡阶段和稳定阶段)不能满足使用要求。采取的主要措施是：第一步，设计调节器(校正器)，调节系统稳态性能参数；第二步，设计反馈控制器，改善系统稳态性能参数。目的在于达到系统的使用要求稳态和动态指标。 尽管可用于系统调节和校正的理论(数学模型)方法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最为广泛和简单的是PID调节器。 下面针对PID调节器的应用特点学习调节器的设计和使用方法。,例：单轨悬挂小车输送线,主要参数：载重量5

19、00 10000kg；运行速度10/12.5/40m/min; 控制方式：设置变频调速功能，使载物车启动/停止更平稳，定位准确， 空载车回程时间短。 联锁/互锁功能： 当前某工位有载物车时，后一工位载物车不能前进； 当载物车未上升到位时，载物车不能运行； 如道岔未按要求合轨，载物车不能继续运行。 故障诊断/报警功能：当电机缺相/过载或载物车/道岔/未按要求运行到位 时即可报警。 联网功能：能方便地与其它控制系统实现联网进行各种信息的交换。,岔道,提升机,控制系统的品质,稳、准、快,启动快，但超调大 且有较长时间振荡,低速爬行，但无超调和振荡,快速且超调不大， 但稳态误差太大,快速且超调不大，

20、无稳态误差,定量指标： 1.稳态误差(准确性) 2.综合指标: 绝对误差积分,2019/2/13,45,PID控制原理,PID :Proportional-Integral-Derivative(比例积分微分),本质上是一种负反馈控制，特别适用于过程的动态性能良好而且控制性能要求不太高的情况。,PID算法的原理及数字实现,控制系统要求：稳、快、准 PID调节器的优点 ： 1. 技术成熟 2. 易被人们熟悉和掌握 3. 不需要建立数学模型 4. 控制效果好 PID调节的实质：根据系统输入的偏差，按照PID的函数关系进行运算，其结果用以控制输出。 PID调节的特点：PID的函数中各项的物理意义清晰

21、，调节灵活，便于程序化实现。,* 模拟调节器的数字化仿真方法,连续系统 PID调节器的控制规律为 （5-1） 式中 u(t)和e(t)分别为调节器的输出和输入信号，Kp、Ti和Td分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数。 为了用计算机实现PID控制规律，要将式（5-1）转换成离散化形式。,PProportion 比例 I Integral 积分 D Differentiation 微分,PID控制器的定义及其优点 PID全称比例-积分-微分控制器，是自动控制系统设计中 最经典应用最广泛的一种控制器(一种算法)。 2. 原理简单，使用中不需精确的系统模型； 3. 如果被控对象难以控制，可以使

22、用改进型PID控制。,PID控制原理 -PID控制器,5.2 PID算法的原理及数字实现,模拟PID调节原理 PID调节器是一种线性调节器，他将设定值r(t)与实际值c(t)的偏差： e(t) = r(t)-c(t) 按其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。,1)PID调节器及其传递函数(含调节电路),PID调节器无源阻容式调节器和有源阻容式调节器。 无源阻容式调节器具有结构简单，无须提供外界电源等特点，但存在衰减较大、不易与系统的其它环节相匹配，应用受到一定的限制。 有源阻容式调节器主要运算放大器与阻容电路组成。通过合理的配置，可达到不但能改善系统的稳定性能，也能改善系统动态性能的能力。

23、 有源阻容式调节器的电路构成,有源阻容式调节器的传递函数和特点：,a)比例( P )调节图a 传递函数：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特点：调节作用主要取决于增益Kp的大小 ，Kp值越大调节作用越强，但存在调节误差，且当Kp值太大时，可能引起系统不稳定。 b ) 积分( I )调节图b 传递函数：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特点：可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而较少单独使用。 c ) 比例积分图c 传递函数：Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：KP =R2/R1； Ti = R2C。 既克服了单纯比例( P )调节存在调节误差的

24、缺点，又避免了积分( I )调节响应慢的弱点，系统稳定性和动态性能得到了改善。,d ) 比例积分微分( PID )调节图d,传递函数：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。 特点：不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动态性能，相比之下，它比( PI )调节能使系统具有更好的稳定性能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声比较大或系统要求响应快时，不宜采用PID调节。 PID调节器使用调整方法： 在实际工程应用中，有源的PID调节器校

25、正与误差调整方法，通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，而是通过观察输出响应波形是否满足使用要求，先调整比例时间常数KP；再调整积分时间常数Ti；最后调整微分时间常数Td；反复调整直到所观察到的输出波形能满足使用要求的输出波形为止，便可确定PID调节器控制的系统参数,2019/2/13,55,PID调节器的基本结构,1. 比例调节器 2. 比例积分调节器 3. 比例微分调节器 4. 比例积分微分调节器,2019/2/13,56,1.模拟PID调节器,图l 模拟PID控制,PID控制器是一种线性控制器； 根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构。,数字PID控制算法,u(k),工业计算机,-

26、,r,e(k),y(k),PID算法,对象,数据通道,D/A,A/D,u(t),y(t),反馈环节,计算机控制的特点： 1.离散性：连续变量离散化； 2.灵活性：算法的灵活性； 3.实时性：采样周期 Ts。,数字PID控制位置型,数字PID控制增量型,2019/2/13,60,离散系统的数字PID控制仿真,仿真实例 设被控制对象为： 采样时间为1ms,采用Z变换进行离散化，经过Z变换后的离散化对象为：,2019/2/13,61,2019/2/13,62,参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢

27、，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1（扩充响应曲线法） 一看二调多分析，调节质量不会低,2019/2/13,64,PID工程整定法-经验法,(3)PID调节器对伺服系统的调节校正性能分析,对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在有效输入信号和外界干扰信号作用下，为改善系统的性能。 PID调节器的目的：是使系统输出误差（与目标参量相比）最小和在外界干扰作用下产生输出误差最小。,典型闭环系统传递函数的构成,在输入和干扰信号同时作用下，传递函数：,在输入信号作用下，系统的传递函数：,在干扰信号作

28、用下，系统的传递函数：,67,机电一体化系统设计,(2)依据机械振动系统的运动和动力学方程，从机械系统弹性变形出发简化系统，建立弹性变形时机械系统的运动和动力传递结构框图。 (3)由机械系统运动和动力传递结构框图，写出机械系统运动和动力传递的控制等效框图。 (4)建立机械系统的传递函数。 (5)应用根轨迹法等，对系统的传递函数进行因式分解，并分析系统的结构谐振频率分量，评价和判断系统的结构谐振频率分量是否对机械系统的控制频带产生影响，若系统存在自激振荡现象，应采取相应地措施避开自激振荡，从而使系统工作稳定可靠。,补充：PID参数整定,1. 采样周期TS符合工程准则。 如果TS太短会,2. Kp

29、 / Ki / Kd调试： 试凑法(先比例，后积分，再微分) 扩充临界比例度法 扩充响应曲线法,?,B.自平衡广义过程,MATLAB的Ziegler-Nichols算法PID控制器设计。,在求得L 和参数的情况下, 我们可通过表1中给出的Ziegler Nichols经验公式确定 P、PI 和PID控制器的参数。,2019/2/13,70,数字PID控制器参数的整定,1）采样周期的选择,（1）根据香农采样定理，系统采样频率的下限为fs=2fmax，此时系统可真实地恢复到原来的连续信号。 （2）从执行机构的特性要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度。采样周期必须大于这一时间。 （3）从控制系统

30、的随动和抗干扰的性能来看，要求采样周期短些。 （4）从微机的工作量和每个调节回路的计算来看，一般要求采样周期大些。 （5）从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的。,试凑法口诀,参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢，微分时间应加长； 理想曲线两个波，前高后低四比一； 一看二调多分析，调节质量不会低。,2019/2/13,72,PID控制器的物理意义讨论？,对于一般的自衡过程，当设

31、定值或扰动发生阶路变化时，为什么采用纯比例控制器会存在稳态余差？ 引入积分作用的目的是什么，为什么引入积分作用会降低闭环控制系统的稳定性？ 引入微分作用的目的是什么，为什么实际工业过程中应用并不多？,6.4 可靠性、安全性设计,6.4.1 可靠性设计 1.可靠性的基本概念,可靠性问题是机电一体化系统设计的一个重要组成部分。,所谓可靠性，是指产品(或系统)在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 如果产品不能完成规定功能，就称为失效；对于可修复的产品，也可称为故障。失效(或故障)是一种破坏产品(或系统)工作能力的事件，失效(或故障)越频繁,可取性就越低。,产品(或系统)完成规定的功能是相对

32、于规定条件和规定时间而言的。 规定条件是指使用时的应力条件(工作条件)、环境条件和存储时的存储条件等，规定条件不同，产品的可靠性也不同。,可靠性的概念包括产品(或系统)的无故障性和耐久性两方面的含义。 产品的无故障性:是指产品在某一时期内(或某一段工作时间内)，连续不断地保持其工作能力的性能。 产品的耐久性:是指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其工作能力的性能。 一般来说，如果不采取维修和预防措施消除故障、恢复其丧失了的工作能力，产品是不能长时期工作的。,完成规定功能就是指能够连续地保持产品(或系统)的工作能力，使各项技术指标符合规定值。,2.保证产品(或系统)可靠性的方法,有三种

33、方法,提高产品的设计 和制造质量,冗余技术,诊断技术,是最根本的方法 它的作用是消除故障或者降低故障率于发生之前。,保证产品可靠性的一种重要方法，它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使产品在一定时间内继续保持工作能力。,是一种暴露法，它可以把已经出现的或即将出现的故障及时暴露出来，以便迅速修复。,1)提高产品的设计和制造质量,裕度法；对于关键性的产品，可以加大设计的安全系数，以保证一定的可取性储备。,在设计过程中，要进行可靠性分析，估计系统和单元中各种引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低产品的故障率。这时可以采用可靠性预测的方法，对各种可取性指标进行估计。 制造阶段中的原

34、材料和制造工艺，都要保证完全达到各项设计指标。 可对产品进行可取性试验，以便确定实际产品的可靠性指标。,对于可靠性要求特别高的产品，除采用冗余技术和诊断技术外还可采用下述几种方法。,自动控制：在产品设计中，利用机电一体化技术的优势，使产品(或系统)具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大提高产品的可靠性。,2)采用冗余技术 冗余技术又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类。,工作冗余；又称工作储备或掩蔽储备，是两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。只有当所有的单元都失效时系统才

35、失效，如果还有任何一个单元末失效，系统就能可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。,后备冗余：又称非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测与转换装置，不断检测工作单元的工作状态，一旦发现失效就启动转换装置，用后备单元代替失效的工作单元。,3)采用诊断技术：诊断技术是用来取得有关产品中产生的失效(故障)类型和失效位置信息。它的任务有两个；一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复。二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障

36、。 诊断的过程是；首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号(输出参数)，再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即症兆；最后将症兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障位置。,测试；通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和位置，对诊断对象进行的试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。,症兆：症兆是有助于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接症兆和间接症兆两类。 直接症兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元部件的

37、输出参数时，取得的异常性诊断信号。 间接症兆是从那些与产品工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号。 采用间接症兆进行诊断 主要优点：可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价产品的工作能力。 缺点：间接症兆与产品输出信号之间往往存在某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接症兆的有效性。尽管如此，间接症兆在诊断技术中还是得到了广泛应用。,诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。 标准数据：根据产品或元部件输出参数的极限值来设定的。 症兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真试验来

38、建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表，有时称为故障字典。,3.干扰和抗干扰措施,1)干扰源。,根据干扰进入的渠道可分为两大类型：一是传导型，通过各种线路传入控制器，包括供电干扰、强电干扰和接地干扰等；二是辐射型，通过空间感应进入控制器，包括电磁干扰和静电干扰等。,供电干扰：电压波动、断电或瞬时断电,强电干扰：感性元件 产生过电压和电流冲击。,接地干扰：接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生,辐射干扰：磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源,2)抗干扰措施,供电系统的抗干扰措 （稳压、滤波、隔离）,增加电子交流稳压器,增加低通滤波器,加入隔离变压器,在可靠性要求很高的地方，可采用不间断

39、电源(具有备用直流电源)，以解决瞬时停电或瞬时电压降所造成的危害。,转换接口的隔离,对于近距离的，不需放大,滤波： 去掉高频,整形电路：改善脉冲的前沿,对于远距离的，需放大,接地系统的抗干扰措施,主要方法是切断接地环路,单点接地,并联接地,光电隔离,(4)软件的可靠性技术,1)利用软件来提高系统的可靠性,其措施有； 增加系统信息管理的软件，与硬件配合，对信息进行保护。包括防止信息被破坏，在出现故障时保护信息，在故降排除后恢复信息等。 利用软件冗余，防止信息的输入/输出过程及传送过程中出错。如对关键数据采用重复校验方式，对信息采用重复传送并进行校验等。 编制诊断程序，及时发现故降；找出故障的部位

40、，以便缩短修理时间。 用软件进行系统调度。这包括在发生故障时，进行现场保护、迅速将故障装置切换成备用装置；在过负荷或环境条件变化时，采取应急措施；在排除故障后，使系统迅速恢复正常并投入运行等。,方法： 1、明确软件的规格，使测试易于进行。 2、把测试手段作为软件设计开发的一部分。 3、程序结构本身组合成便于测试的的形式。,2)提高软件本身的可靠性措施,措施： 程序分段和层次结构。 提高可测试性设计。 对软件进行测试。,测试按照下述步骤进行： 单元测试。 局部或系统测试。 系统功能调试。 现场安装、综合验收。,应用软件可靠性除了取决于设计时具有固有的特性外，还取决于使用条件。必须根据现场条件，在

41、实际系统中，按设计、使用双方共同拟定的验收标准进行验收调试，直到满足用户要求达到验收标准为止。,5.3.2 安全性设计,(1)工业机器人产生事故的原因,A.淡化了安全观念,表现在： 对机器人较低的可靠性认识不足； 自动机械与人有密切联系，尽管人的不安全动作直接与事故有联系，但在设计和使用上还没充分认识到这一点； 机器人的手臂是在三维空间运动的，没有在整体上充分考虑安全保护措施。,(2)工业机器人的安全措施,1)设置安全栅。 2)安装警示灯。 3)安装监视器。 4)安装防越程装置。 5)安装紧急停止装置。 6)低速示教。,对紧急停止装置的要求是： 应能尽快地停止： 电路应是独立的，以确保高可靠性

42、； 除控制台以外，在作业位置上也要安装紧急停止按钮； 紧急停止后不能自动恢复工作。,B. 误动作； C.失控和示教上的错误。,机械设备的高度自动化和大型化，控制的软件化，从外观上不可能了解自动化机械的动作，操作者处理异常情况比较困难； 许多自动化机械与非自动化机械的混合使用，因而事故较多，难以制定对策，以确保安全； 异常情况的处理是由人来完成的，而自动化设备并末充分考虑人的存在，在排除故障过程中容易发生安全事故。,机电一体化机械设备的自动化 还存在如下问题：,课外作业：,(1)机电一体化系统伺服系统稳态设计的目的和作用是什么？ (2)机电一体化系统的伺服系统稳态设计应从哪两方面入手？ (3)机电一体化系统伺服系统动态设计的目的和作用是什么？ (4)比例调节、积分调节、比例积分调节、比例积分微分调节的优缺点有哪些？ (5)什么是机电一体化系统的可靠性？主要包括哪些内容。,