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第2章机电控制原理及应用


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解下列各式联立的方程组:
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(2-29) (2-30) (2-31) (2-32) (2-33)
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可得该传动系统的等效系统,如图2-9所示。
(2-34) (2-35) (2-36)
图2-9 带非刚性轴的齿轮传动的简化图
B——工作台直线运动速度阻尼系数;
L——丝杠导程。
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解 根据传动比转换关系,折合到主动轴的等效传动系统如 图2-11(b)所示。并且进一步将Ⅱ、Ⅱ轴的等效转动惯量 合并到输出轴,从而得到简化系统如图2-11(c)所示。
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根据图2-10,可列写出如下方程:
经拉氏变换后,可得简化系统的传递函数为:
(2-41)
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因此,该齿轮传动系统的主谐振频率近似为
(2-42)
(2-10) (2-11) (2-12)
在方程(2-11)和(2-12)中,假设了转动元件具有零转动惯量。
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根据旋转机械元件的定义方程(2-10)~(2-12), 利用绕旋转轴的转矩之和必须等于转动惯量与角 加速度乘积的原理,可以建立机械旋转系统的动 态模型。具体建模做法与质点平移系统完全类似, 只是将平移系统的质量m改为旋转系统的转动惯 量J,平移系统的线位移x、线速度及线加速度改 为旋转系统的角位移θ 、角速度及角加速度以及 平移系统的力f改为旋转系统的力矩M。
对于一个无功率消耗的传动系统,从动轴上的转 动惯量J、黏性阻尼系数B以及弹性系数K折合到主 动轴上,都必须乘以由主动轴到从动轴的传动比的 二次方n2,才能得到等效的转动惯量n2J、等效的 黏性阻尼系数n2B以及等效的弹性系数n2K。而从 动轴的转角θ 和作用在从动轴上的转矩M折合到主 动轴上,则必须分别除以和乘以传动比n。这样, 主动轴和等效的从动轴可以串接起来,作为单轴的 机械转动系统处理。
图2-2 单自由度质量-弹簧系统
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解 系统的微分方程可列写如下:
将式(2-5)代入(2-4),移项合并后,可得 或者表示为
(2-4) (2-5) (2-6)
(2-7)
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图2-6 由旋转到直线运动的控制
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负载质量与转动惯量的等价转换:
(a)丝杠螺母副
(b)小齿轮齿条传动 (c)同步齿形带传动
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(2-18) (2-19)
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2.2 定轴旋转系统
线性转动系统与线性移动系统是类似的,列写线 性移动方程的方法同样可适用于线性转动系统。线性 转动系统的三个元件如图2-3所示。
图2-3 机械转动元件 (a)转动惯量;(b)阻尼;(c)弹簧
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转动惯量 黏性阻尼器 扭转弹簧
图2-4 步进电动机—同步齿形带驱动装置
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解 本系统有两个转动自由度θ i和θ o,因此,必 须列两个转矩平衡方程。 输入轴
(2-13)
输出轴
(2-14)
取拉氏变换,可得
(2-15)
(2-16) 根据方程(2-15)和方程(2-16),可画出系统传递函数 方块图如图2-5(a)所示。
弹簧
(2-3)
方程(2-1)~(2-3)应用了图示箭头方向的力和位移。如 果其中任何一个方向相反,则方程中的那一项必须变号。
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在这些机械元件中,阻尼耗散能量但不能储存能量,而质量
和弹簧能储存能量但不消耗能量。当我们列写由这些机械元件 通过内部连结而形成系统的方程时,通常需要应用牛顿 定律,即作用于物体上的外力之和等于物体的质量与它 的加速度之乘积。
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拉氏变换后,可得 因此,系统的传递函数为
(2-8) (2-9)
式(2-9)表明,只有一个质点的单自由度平移系统是 一个二阶系统。实际上,系统中有一个具有独立位移的质 点应列写一个二阶微分方程,有n个质点应列写n个二阶微 分方程,因此,由n个质点组成的系统应是2n阶系统。
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(2-17)
方程(2-17)表明,采用同步齿形带传动,系统增加了 一个自由度,附加了传递函数
这是一个低通滤波器特性,对步进电动机的震动具有隔 离作用。
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2.3 机械传动装置
机械传动装置是许多伺服系统不可缺少的一个重要机
第2章 受控机械系统动态模型
本章讨论受控机械系统的动态模型。 受控机械可以有各种各样的结构形式。 如果抽象为力学模型,可以分别表示为
质点平移系统
定轴旋转系统
机械传动系统 定点旋转系统 多刚体系统
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2.1 质点平移系统
位移机械系统的基本元件是质量、阻尼及弹簧。这 些元件的符号如图2-1所示。
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2.4 定点旋转机械系统
在分析定点旋转机械系统时,所依据的动力学定理主要是欧 拉动力学方程。在动坐标系oxyz中,欧拉动力学方程可以表 示为
(2-46)
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下面,我们利用动量矩定理,集中研究三轴万 向框架系统的动态模型。图2-13(a)是三轴万向环 架几何结构示意图。
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传动系统向主动轴简化 解下列各式联立的方程组:
可得
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(2-21) (2-22) (2-23) (2-24) (2-25) (2-26)
(2-27)
图2-l 机械直线位移元件 (a) 质量;(b)阻尼;(c)弹簧
注意,图2-1只是机械元件的数学模型,它们不 一定是具体物理装置的精确表示。因此,在应用这些 定义时,必须是实际物理系统的合理抽象。
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质量 阻尼
(2-1) (2-2)
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Tianjin University of Tech控制系统应用中,往往最感兴趣的是关于传 动装置的主谐振频率。因此,将齿轮等效转动惯 量分别与主动轴和从动轴的飞轮惯量合并。从而, 图2-9的等效系统可以进一步简化为图2-10。
图2-10 齿轮传动系统的近似简化
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传动系统向从动轴简化 同理,可得
(2-28)
根据以上推算,可得结论如下:
由从动轴2向主动轴1折合,从动轴上的转动惯 量、阻尼系数都要乘以由轴1到轴2的传动比的二 次方,而转矩只乘以传动比的一次方。反之亦然。
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2.3.3 非刚性传动链
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将上列各式拉氏变换,整理后,可得: 由此可得系统传递函数如下:
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(2-37) (2-38) (2-39)
(2-40)
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综合以上讨论结果,可得结论如下:
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图2-5 例2-3驱动装置的传递函数方块图及其简化
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进一步,通过简化方块图2-5(a)为图2-5(b),再为图 2-5(c),或者联立求解方程(2-15)和方程(2-16),可得
(2-20)
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2.3.2 速比折合
讨论齿轮传动系统。参考图2-7的一对齿轮的传动系 统,主动轮1与从动轮2的转角分别为θ 1和θ 2,转动惯 量分别为J1和J2,黏性阻尼系数分别为B1和B2,主动 轴上的驱动力矩为Mi,从动轴上的负载力矩为Mo。
图2-7 齿轮传动及其简化
(a)原传动系统;(b)向主动轴简化;(c)向从动轴简化
在建立由质点-弹簧-阻尼器组成的质点平移系统的动态 数学模型时,一般利用牛顿第二定律列写该系统的动力 学微分方程。具体方法是:
首先,系统中的每一个质点必须列写一个微分方程;
其次,每一个微分方程的左边为该质点的惯性力(即质量与加 速度的乘积),右边等于与该质点相连结的弹簧力和阻尼力以及外作 用力之和;
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