机电有机结合的分析与设计

机电有机结合的分析与设计第1页，课件共115页，创作于2023年2月6.1概述机电一体化系统设计过程是机电有机结合即机电参数相互匹配的过程。

机电伺服系统是典型的机电一体化系统。工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。第2页，课件共115页，创作于2023年2月6.1概述机电伺服系统设计的一般方法制订出系统的控制方案该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元、部件的种类，各部分之间的联接方式，系统的控制方式，所需能源形式，校正补偿方法(以及信号转换的方式等)。定量的分析计算稳态设计计算动态设计计算。通过样机的试验与调试，最后确定系统的实际线路及其实际参数。

第3页，课件共115页，创作于2023年2月稳态设计稳态设计的目的通过稳态设计，系统的主回路各部分特性、参数已初步确定、便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计作好准备。稳态设计主要内容使系统的输出运动参数达到技术要求执行元件(如电机)的参数选择功率及过载能力的验算，各主要元、部件的选择与控制线路设计，信号的有效传递、各级增益的分配、各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。第4页，课件共115页，创作于2023年2月动态设计动态设计主要目的机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品质的要求，甚至是不稳定的。动态设计的主要内容选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，设计校正装置，将其有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。第5页，课件共115页，创作于2023年2月小结通过理论设计计算，完成的仅仅是一个设计方案，而且这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实践的基础。系统的实际线路及其实际参数，往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并不等于以上设计计算是多余的，经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这对工程实践是必需的，这有利于减少盲目性和加快样机的调试和线路参数的确定。第6页，课件共115页，创作于2023年2月6.2机电一体化稳态设计的考虑方法一、负载分析1．典型负载2.负载的等效换算

二、执行元件的匹配选择1．系统执行元件的转矩匹配2．系统执行元件的功率匹配(直流、交流伺服电机)三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配四、检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计五、系统数学模型的建立1.半闭环控制方式2.全闭环控制方式第7页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析1.典型负载被控对象的运动形式多种多样具体负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。典型负载有以下几种惯性负载外力负载弹性负载摩擦负载(滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。第8页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析2.负载的等效换算执行元件的额定转矩(或力)，加减速控制及制动方案的选择，应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配。要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或力矩等)等效换算到执行元件的输出轴上，即计算其输出轴承受的等效转动惯量和等效负载力矩(回转运动)或计算等效质量和等效力(直线运动)。

第9页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析机床工作台的伺服进给系统

第10页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析(1)求等效转动惯量[J]k

该系统运动部件的动能总和为设等效到执行元件输出轴上的总动能为由于E=EK，故第11页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析（2)求等效负载转距[T]K

设上述系统在时间t内克服负载所作的功的总和为

同理，执行元件所作的功为

由于W=WK，故第12页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析（3)计算举例已知：Mg＝400kg；

FL＝800N(含的摩擦阻力)；

Jm＝4×10-5kgm2，

JI＝5×10-4kgm2；

JII＝7×10-4kgm2，

TL＝4Nm；

Z1=20,Z2=40，m=1求：等效到电机轴上的等效转动惯量和等效转矩。

第13页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析解：①求[J]m根据等效转动惯量一般变换公式第14页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析解：①求[J]m根据等效转动惯量一般变换公式及运动变换关系有第15页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析解：①求[J]m第16页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析解：②求[T]m根据等效负载转矩一般变换公式有第17页，课件共115页，创作于2023年2月一、稳态设计——负载分析②求[T]m第18页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

伺服系统的有些元、部件已有系列化商品供选用。为降低机电一体化系统的成本、缩短设计与研制周期，应尽可能选用标准化商品。设计系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。被控对象由电机驱动时，电机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配。如果冗余量大、易使执行元件价格贵，机电一体化系统的成本升高，市场竞争下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。如果选用的执行元件的参数数值偏低，将达不到使用要求。所以，应选择与被控对象的需要相适应的执行元件。

第19页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

1．系统执行元件的转矩匹配

电机轴上的总负载力矩为

考虑到机械的总传动效率时，则

额定转矩T(Nm或Ncm)应大于(考虑机械损失)所需要的最大转矩

T’∑第20页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

1．系统执行元件的转矩匹配

第21页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

1．系统执行元件的转矩匹配

第22页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

2．系统执行元件的功率匹配(直流、交流伺服电机)

先进行预选预选电机的估算功率P可由下式确定

第23页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

2．系统执行元件的功率匹配(直流、交流伺服电机)

验算

(1)过热验算

当负载力矩为变量时，应用等效法求其等效转矩，在电机激磁磁通近似不变时式中t1，t2……－时间间隔，在此时间间隔内的负载力矩分别为T1、T2……。第24页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

则所选电机的不过热的条件为式中

TN—电机的额定转矩(N·m)；

PN—电机的额定功率(W)；

Pdx——由等效转矩Tdx换算的电机功率；

Pdx＝(Tdx·nN)／9.55(W)，式中nN为电机的额定转速(r／min)第25页，课件共115页，创作于2023年2月二、稳态设计——执行元件的匹配选择

(2)过载验算

即应使瞬时最大负载转矩与电机的额定转矩的比值不大于某一系数式中km为电机的过载系数，一般电机产品目录中给出。第26页，课件共115页，创作于2023年2月三、稳态设计——减速比的匹配选择与各级减速比的分配

(1)使加速度最大的选择方法。当输入信号变化快，加速度很大时，应使

(2)最大输出速度选择方法。当输入信号近似恒速变化，即加速度很小时，应使

式中

f1

—电机的粘性摩擦系数；f2—负载的粘性摩擦系数。

(3)满足基本传动送进系统的选择方法。即满足脉冲当量δ、步距角α和丝杠基本导程l0之间的匹配关系

加速转矩

由于负载特性和工作条件的不同，最佳传动比有各种各样的选择方法。在伺服电动机驱动负载的传动系统中常采用使负载加速度最大的方法。使等效负载转矩最小或负载加速度最大的总传动比，即为最佳总传动比。如图，额定转矩为Tm、转子转动惯量为Jm的直流伺服电动机通过减速比为i的齿轮减速器带动转动惯量为JL负载转矩为TLF的负载，其传动比如下TmTLF当最佳传动比为第27页，课件共115页，创作于2023年2月三、稳态设计——减速比的匹配选择与各级减速比的分配(4)减速器输出轴转角误差最小原则

(5)对速度和加速度均有一定要求的选择方法

当对系统的输出速度、加速度都有一定要求时，应选按(1)选择减速比i，然后验算是否满足

为负载的最大角速度；

为电机输出轴的角速度。

式中

第28页，课件共115页，创作于2023年2月总减速比确定后，需合理确定减速级数及分配各级速比，其分配原则参看第二章。三、稳态设计——减速比的匹配选择与各级减速比的分配第29页，课件共115页，创作于2023年2月四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计

伺服系统的稳态设计就是要从两头入手首先从系统应具有的输出能力及要求，选定执行元件和传动装置；再从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道。最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其它辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。第30页，课件共115页，创作于2023年2月四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计检测传感装置的匹配检测传感装置的精度(即分辨力)、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求；在系统的工作范围内，其输入／输出应具有固定的线性特性；信号的转换要迅速及时、信噪比大；装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小；性能要稳定可靠等。第31页，课件共115页，创作于2023年2月四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计信号转换接口电路的匹配选择尽量选用商品化的集成电路；要有足够的输入／输出通道；不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗符合要求。第32页，课件共115页，创作于2023年2月四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题：

功率输出级必须与所用执行元件匹配，输出级的输出阻抗要小，效率高、时间常数小。放大器应为执行元件(如电机)的运行状态提供适宜条件。放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥。输入级应能与检测传感装置相匹配，即它的输入阻抗要大，以减轻检测传感装置的负荷。放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。

第33页，课件共115页，创作于2023年2月四、稳态设计——检测传感装置、信号转换接口电路、放大装置及电源等的匹配选择与设计伺服系统的电源在一个系统中，所需电源一般很难统一，特别是放大器的电源常常为适应各放大级的不同需要而进行适应性设计。最关键的还是动力电源，它常常制约系统方案的形式。系统对电源的稳定度和对频率的稳定度都有一定要求。设计时要注意不要让干扰信号从电源引入。所使用电源应具有足够的保护措施和抗干扰措施。总之，系统设计牵涉的知识面较广，每一个环节均要给予充分注意。第34页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算1.半闭环控制方式

在稳态设计的基础上，利用所选元部件的相关参数，绘制系统框图，根据自动控制理论建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。第35页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算1.半闭环控制方式

第36页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算1.半闭环控制方式

第37页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算当系统受到附加外扰动力矩

(如摩擦力矩)时，第38页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算当系统受到附加外扰动力矩

(如摩擦力矩)时，第39页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算当系统受到附加外扰动力矩

(如摩擦力矩)时，第40页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算2．全闭环控制方式

第41页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算2．全闭环控制方式

第42页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算2．全闭环控制方式

第43页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算机械系统传递函数Gj(s)的建立方法如下

:第44页，课件共115页，创作于2023年2月五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算第45页，课件共115页，创作于2023年2月3.工作台进给系统的主谐振频率

在控制系统中往往感兴趣的是机械传动系统的主谐振频率五、稳态设计——系统数学模型的建立及主谐振频率的计算第46页，课件共115页，创作于2023年2月3.工作台进给系统的主谐振频率第47页，课件共115页，创作于2023年2月3.工作台进给系统的主谐振频率第48页，课件共115页，创作于2023年2月3.工作台进给系统的主谐振频率第49页，课件共115页，创作于2023年2月3.工作台进给系统的主谐振频率第50页，课件共115页，创作于2023年2月3.工作台进给系统的主谐振频率第51页，课件共115页，创作于2023年2月主谐振频率的计算实例已知：直流伺服电机：n＝1300(r／min)，P＝l.5(kW)，Jm＝2×10－4(kgm2)；齿轮箱：i＝3，Z1＝17，Z2＝51，模数m＝2，齿轮宽度B＝15(mm)；滚珠丝杠：d＝60(mm)，l＝2.16(m)，l0＝12(mm)，ns＝400(r／min)；工作台：W＝2000(N)，最大进给速度为4.8(m／min)，导轨摩擦系数0.05。求：该机械传动系统的主谐振频率第52页，课件共115页，创作于2023年2月主谐振频率的计算实例解：求主谐振频率

第53页，课件共115页，创作于2023年2月主谐振频率的计算实例第54页，课件共115页，创作于2023年2月主谐振频率的计算实例第55页，课件共115页，创作于2023年2月6.3机电一体化系统动态设计的考虑方法动态设计主要目的机电伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，但并不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足动态品质的要求，甚至是不稳定的。稳态设计的主要内容选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式，设计校正装置，将其有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。第56页，课件共115页，创作于2023年2月机电一体化系统动态设计的考虑方法校正形式也多种多样。设计者需要结合稳态设计所得到的系统的组成特点，从中选择一种或几种校正形式，这是进行定量计算分析的前提。具体的定量分析计算方法很多，每种方法都有其自身的优点和不足。而工程上常用对数频率法即借助波德(Bode)图和根轨迹进行图解设计的方法进行设计，这些方法作图简便、概念清晰、应用广泛。对数频率法即波德图法，主要适用于线性定常最小相位系统，系统以单位反馈构成闭环，若主反馈系统不为1，则需要等效成单位反馈的形式来处理。第57页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

研究机电伺服系统的动态特性的方法先根据系统组成建立系统的传递函数(即原始系统数学模型)，不易用理论方法求解的可用实验方法建立。进而可以根据系统传递函数分析系统的稳定性系统的过渡过程品质(响应的快速性和振荡)系统的稳态精度。第58页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；系统的输出发散，即没有稳态值，此时系统是不稳定的；系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值。第59页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

在时域内，系统过渡过程的品质指标一般用单位阶跃响应曲线中的参数表示，即

Ts—上升时间，Ty—延滞时间；Tt—调整时间；σ％—最大超调量。第60页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

当系统不稳定或虽然稳定，但过渡过程性能和稳态性能不能满足要求时，可先调整系统中的有关参数，仍不能满足使用要求时(常采用校正网络)就需进行校正。第61页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

第62页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

第63页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

校正的主要类型校正也可称为补偿。一个控制系统当仅靠调整系统本身参数而不能具有希望的性能时，就需要引入附加装置——校正装置，实际上是通过改变原系统的结构使系统的性能得到改善。串联校正并联校正第64页，课件共115页，创作于2023年2月(1)串联校正

校正装置串联在前向通道中称为串联校正。如图所示，串联校正装置一般都放在前向通道的前端，以减小功率消耗。第65页，课件共115页，创作于2023年2月反馈校正

反馈校正是从被校正环节或系统的输出提取信息，经处理后反馈给被校正环节的输入以改善系统性能，单位反馈控制就是一种最简单的反馈校正。G2(s)Gc(s)Xi(s)Xo(s)G1(s)+__反馈校正同样改变了系统结构，它可起到串联校正类似的效果。由于外部干扰、系统元件的参数变化等信息都可以通过输出反映出来，因此反馈校正还可有效抑制干扰和系统参数变化的影响。反馈校正的特点(2)并联校正第66页，课件共115页，创作于2023年2月顺馈校正

顺馈校正是一种开环补偿结构，不影响系统的动态特性。干扰可以是外部干扰，也可以是系统元件的参数变化，只要这些干扰信息可以得到，就可通过设计合适的顺馈校正装置，产生附加的控制量对其进行完全或近似的补偿。

顺馈校正也属于并联校正，它是通过对可测干扰的补偿，来消除干扰对系统的影响。G2(s)Xi(s)Xo(s)G1(s)_+Gc(s)(2)并联校正第67页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

校正装置的构成

电子电路机械、液压、气动元件数字算法校正装置应便于调整,且不应成为系统的负载.由有源电子元件构成的校正装置所吸收的控制功率极少,因此在连续(模拟)系统的校正中多被采用.由微机构成的校正装置,多用于复杂且有较高要求的系统的校正,校正功能由算法即程序来实现.说明:第68页，课件共115页，创作于2023年2月校正网络所使用的校正网络多种多样，其中最简单的校正装置是比例－积分－微分调节器，简称PID调节器，PID控制器的组成式中:(t)——偏差信号(指令信号与反馈信号之差)

Kp——比例系数

Ti——积分时间常数

Td

——微分时间常数PID控制器的设计就是确定合适的Kp、Ti

和Td

第69页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

1．PID调节器及其传递函数(1)比例调节(P)

调节作用的大小主要取决于增益(比例系数)Kp的大小。Kp越大，调节作用越强，但是存在调节误差。而且Kp太大会引起系统不稳定。第70页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

1．PID调节器及其传递函数(2)积分环节（I）系统中采用积分环节可以减少或消除误差，但由于积分调节器响应慢，很少单独使用。第71页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

1．PID调节器及其传递函数(3)比例－积分调节（PI）既克服了单纯比例环节有调节误差的缺点又避免了积分环节响应慢的弱点，既能改善系统的稳定性能又能改善其动态性能。

Kp＝R2／RlTi＝R2C

第72页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

1．PID调节器及其传递函数(4)比例—积分一微分调节(PID)

这种校正环节不但能改善系统的稳定性能也能改善其动态性能。但是，由于它含有微分作用，在要求响应快的系统或噪声比较大的系统不宜采用。PID调节器能使闭环系统更加稳定。其动态性能也比用PI调节器时更好。第73页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

有源校正，通常不是靠理论计算而是用工程整定的方法来确定其参数的。大致做法如下：在观察输出响应波形是否合乎理想要求的同时，按照先调Kp、后调Ti、再调Td的顺序，反复调整这三个参数，直至观察别输出响应波形比较合乎理想状态要求为止一般认为在机电闭环伺服系统的过渡过程曲线中，若前后二个相邻波峰值之比为4﹕1时，则响应波形较为理想。第74页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

2．调节作用分析第75页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

控制系统对输入和干扰信号的闭环传递函数分别为系统在输入和干扰信号同时作用下的输出象函数为第76页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

(1)应用比例(P)调节器的情况比例调节作用的大小，主要取决于比例系数K0，比例系数愈大，调节作用愈强，动态特性也愈好。但K0太大时，会引起系统不稳定。（2）应用积分(I)调节器的情况

积分作用能消除误差，这是它的主要优点。但由于积分调节器响应慢，所以很少单独使用。(3)应用比例—积分(PI)调节器的情况

既克服了单纯比例调节有稳态误差存在的缺点，又避免了积分调节器响应慢的缺点，即稳态和动态特性都得到了改善，所以应用比较广泛。第77页，课件共115页，创作于2023年2月系统动态设计--系统的调节方法

(4)应用比例—积分—微分(PID)器的情况采用PID调节器无论从稳态，还是动态的角度来说，调节品质均得到改善，从而使用PID调节器成为一种应用最为广泛的调节器。由于PID调节器含有微分作用，所以响应快或噪声大的系统最好不使用。第78页，课件共115页，创作于2023年2月6.4可靠性、安全性设计第79页，课件共115页，创作于2023年2月可靠性设计——基本概念

1．可靠性概念所谓可靠性，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”。“完成规定功能”就是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。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。“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。“规定时间”长短的不同，产品的可靠性也不同，一般来说，规定的时间越长，故障越多，可靠性也就越低。第80页，课件共115页，创作于2023年2月可靠性设计——方法保证产品具有必要的可靠性，是一个综合性问题，不能单纯依靠某一特定的方法。提高产品的设计和制造质量是最根本的方法，它的作用是消除故障于发生之前，或者降低故障率。由于故障是一种随机事件，因而是不可避免的。在这种情况下，冗余技术(掩蔽法)就成为保证产品可靠性的一种重要方法。诊断技术就是一种暴露法，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。第81页，课件共115页，创作于2023年2月可靠性设计——方法可靠性设计方法设计阶段制造阶段可靠性试验裕度法自动控制其他考虑工作冗余后备冗余提高产品的设计和制造质量冗余技术诊断技术第82页，课件共115页，创作于2023年2月提高产品的设计和制造质量在设计过程中，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。可以采用可靠性预测的方法，对各种可靠性指标进行估计。制造阶段中的原材料和制造工艺，都要保证完全达到各项设计指标。最后，可对产品进行可靠性试验，以便确定实际产品的可靠性指标。第83页，课件共115页，创作于2023年2月裕度法对于关键性产品，可以加大设计的安全系数，以保证一定的可靠性储备。设产品的某一输出参数为Ylim，如果Y达到Ylim时还没有达到失效时的参数值Ymax，则称为具有可靠性储备，用可靠性储备系数KR表示即第84页，课件共115页，创作于2023年2月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，这样可以大大提高产品的可靠性。第85页，课件共115页，创作于2023年2月其他考虑

在设计阶段就应考虑到在使用阶段如何保证产品可靠性的问题，应规定适当的环境条件、维护保养条件和操作规程。产品结构应具有良好的维修性，如易损件应便于更换、故障应便于诊断、容易修复等。第86页，课件共115页，创作于2023年2月冗余技术工作冗余：又称工作储备或掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。

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。通常，机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。在采用冗余技术时，还要考虑经济上的可行性和产品的体积和重量等因素，第87页，课件共115页，创作于2023年2月诊断技术从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，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。它的任务有二:一是出现故障时，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。诊断的过程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。

第88页，课件共115页，创作于2023年2月3．干扰和抗干扰措施(1)干扰源干扰信号传导型（线路传入）辐射型（空间感应）供电干扰强电干扰接地干扰电磁干扰静电干扰第89页，课件共115页，创作于2023年2月干扰渠道第90页，课件共115页，创作于2023年2月供电干扰控制器一般都配备有专用的直流稳压电源，即使如此，从交流供电网传来的干扰信号仍然可能影响电源电压的稳定性，并可能经过整流电源窜入控制器。这些干扰信号主要来源于附近大容量用电设备的负载变化和开、停时产生的电压波动。这些设备在启动时使电网电压瞬时降低，在停止时又产生过电压和冲击电流。雷电感应也会产生冲击电流。供电电网对控制器的另一种干扰是断电或瞬时断电，这将引起数据丢失或程序紊乱。第91页，课件共115页，创作于2023年2月强电干扰驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。这些干扰信号不仅影响驱动电路本身，还会通过电磁感应干扰其他信号线路。这种强电干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部I/O接口的状态，并通过I/O接口进入控制器。第92页，课件共115页，创作于2023年2月接地干扰接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生的。接地环路的两种典型情况：图(a)是由于接地点远而形成的环路，因为不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成图中所示的地电位差；图(b)是采用公用地线串联接地而形成的环路，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差。第93页，课件共115页，创作于2023年2月辐射干扰在控制系统附近存在磁场、电磁场、静电场或电磁波辐射源，就可能通过空间感应，直接干扰系统中的各设备(控制器、驱动接口、转换接口等)和导线，使其中的电平发生变化，或产生脉冲干扰信号。系统附近或系统中的感性负载是最常见的干扰源，它的开、停会引起电磁场的急剧变化，其接点的火花放电也会产生高频辐射。人体和处于浮动状态的设备都可能带有静电，甚至可能积累很高的电压。第94页，课件共115页，创作于2023年2月3．干扰和抗干扰措施(2)抗干扰措施供电系统的抗干扰措施接口电路的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施

第95页，课件共115页，创作于2023年2月供电系统的抗干扰措施增加电子交流稳压器：在直流稳压电源的交流进线侧增加电子交流稳压器，用来稳定220V单向交流进线电压，可以进一步提高电源电压的稳定性。增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流。加入隔离变压器，以阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。

第96页，课件共115页，创作于2023年2月接口电路的抗干扰措施采用RC电路或二极管和稳压二极管吸收在电感负载断开时产生的过电压，以消除强电干扰。采用光电隔离措施以防止驱动接口中的强电干扰及其它干扰信号进入控制器。

转换接口的隔离。第97页，课件共115页，创作于2023年2月接地系统的抗干扰措施单点接地

并联接地转换接口的隔离光电隔离

对于用长线传输的数字信号，可用光电耦合器来切断接地环路。第98页，课件共115页，创作于2023年2月

4.软件的可靠性技术单片机应用系统的抗干扰不可能完全依靠硬件解决，软件抗干扰设计也是防止和消除应用系统故障的重要途径。4.1利用软件来提高系统的可靠性

增加系统信息管理的软件。软件冗余。将对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环采样、处理控制输出的方式。这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗干扰作用。如软件去抖动。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，投入运行等。第99页，课件共115页，创作于2023年2月

设置当前输出状态寄存单元。当干扰侵入输出通道造成输出状态破坏时，系统能及时将寄存单元的输出状态信息传送到各输出接口的端口寄存器中，以维持正确的输出控制。设置自检程序。在单片机上电复位后或在程序中间特定部位及某些内存单元插入状态标志，在单片机运行中不断循环检测，以保证系统中信息存储、运输、运算的高可靠性。单片机应用系统需要自检的部件有EPROM、RAM、I/O口等。

4.软件的可靠性技术

第100页，课件共115页，创作于2023年2月4.2程序运行失常的软件对策

一旦单片机因干扰而使得程序计数器PC偏离了原定的值，程序便脱离正常运行轨道，出现操作数数值改变或将操作数当作操作码的“跑飞”现象。此时，可采用软件陷阱和“看门狗”技术使程序恢复到正常状态。(1)设置软件陷阱所谓软件陷阱，是指一些可以使混乱的程序恢复正常运行或使“跑飞“的程序恢复到初始状态的一系列指令。其主要形式下表。

4.软件的可靠性技术第101页，课件共115页，创作于2023年2月

软件陷阱的两种指令形式及适用范围形式软件陷阱形式对应入口形式适用范围1NOPNOPLJMP0000H0000H：LJMPMAIN；运行程序①双字节指令和3字节指令之后②0003H~0030H地址未使用的中断区③跳转指令及子程序调用和返回指令之后④程序段之间的未用区域⑤数据表格及散转表格的最后⑥每隔一些指令(一般为十几条指令)后2LJMP0202HLJMP0000H0000H：LJMPMAIN；运行主程序：0202H：LJMP0000H：注：形式一的机器码为0000020000（十六进制）形式二的机器码为020202020000（十六进制）第102页，课件共115页，创作于2023年2月（a）未使用的中断区当未使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，就能及时捕捉到错误的中断。在中断服务程序中要注意：返回指令用RETI，也可用LJMP。其中断服务程序形式为以下两种：形式一：形式二：NOPNOPPOPdirect1POPdirect2LJMP0000HNOPNOPPOPdirect1 ；将原先断点弹出POPdirect2PUSH00H ；断点地址改为0000HPUSH00HRETI

4.软件的可靠性技术第103页，课件共115页，创作于2023年2月（b）未使用的EPROM空间

单片机系统中使用的EPROM很少能够全部用完，这些非程序区可用0000020000或020202020000数据填满。需要注意的是，最后一条填入数据应为020000。当程序“跑飞”进入此区后，便会迅速自动入轨。（c）运行程序区

由于程序是采用模块化的设计方法，因此，程序也是以模块方式运行的。此时可以将陷阱指令组分散放置在用户程序各模块之间空余的单元里。一般每1K字节有几个陷阱就够了。在正常程序中不执行这些陷阱指令，保证用户程序正常运行；但当程序“跑飞”时，一旦落入这些陷阱区，马上就可将“跑飞”的程序拉到正确轨道。

4.软件的可靠性技术第104页，课件共115页，创作于2023年2月（d）中断服务程序区

设用户主程序运行区间为add1~add2，且定时器T0产生10ms定时中断；当程序“跑飞”落入add1~add2以外的区间，此时又发生了定时中断，则可在中断服务程序中判定中断断点地址addx是否在add1~add2之间，若不在则说明发生了程序“跑飞”，应使程序返回到复位入口地址0000H，使跑飞程序纳入正轨。

4.软件的可靠性技术第105页，课件共115页，创作于2023年2月（2）设置程序运行监视系统。

程序运行监视系统又称“看门狗”（WATCHDOG）。“看门狗”好比是主人（单片机）养的一条“狗”，在正常工作时，每隔—段固定时间就给“狗”吃点东西．“狗”吃过东西后就不会影响主人干活了。如果主人打瞌睡，到一定时间，“狗”饿了，发现主人还没有给它吃东西，就会叫醒主人。由此可以看出，“看门狗”就是一个监视跟踪定时器，应用“看门狗”技术可以使单片机从死循环中恢复到正常状态。“看门狗”可以用硬件电路实现，也可采用软件技术通过内部定时/计数器实现。目前，大多数单片机片内都集成有程序运行监视系统。

4.软件的可靠性技术第106页，课件共115页，创作于2023年2月在MAX706内部有一个定时器，它独立工作于单片机之外。若单片机正常工作，每隔一段时间就通过P1.1向“看门狗”输出一个脉冲，使“看门狗”电路复位，“看门狗”从0开始重新计数。但当单片机由于干扰等原因不能正常向“看门狗”电路输出复位脉冲时，如果“看门狗”的定时时间已到，MAX706的端就会输出一个脉冲给单片机，使单片机复位，使其从故障状态恢复正常。MAX706实现的硬件“看门狗”电路（a）硬件“看门狗”

MAX706是一款带有“看门狗”和电压监控功能的芯片，由其构成的硬件“看门狗”。

4.软件的可靠性技术第107页，课件共115页，创作于2023年2月（2）软件“看门狗”

软件“看门狗”技术的基本思路是：在主程序中对定时器T0中断服务程序进行监视；在定