机电有机结合分析与设计

第9章机电有机结合分析与设计9.1机电一体化系统元部件的特性分析9.2机电一体化系统的稳态与动态设计

9.3机电一体化系统的可靠性设计9.1机电一体化系统元部件的特性分析

机电一体化系统中的机械系统、传感检测系统、执行元件系统、电子信息处理控制系统等，由于各子系统的输入/输出之间不一定成比例关系，但总存在某种频率特性关系〔动态特性或传递函数〕，如线性或非线性特性。正确分析掌握这些频率特性，对有效地设计机电一体化系统或产品是非常重要的。本节重点掌握和了解机械系统、传感系统和执行元件系统等的根本特性，从机电一体化系统构成要素的角度出发掌握其分析方法。9.1.1系统动态特性分析根底系统在阶跃信号作用下(操作量阶跃变化时)的过渡过程，大致可分为图9-1(a)所示的稳定过程、图9-1(b)所示的不稳定过程(发散)、图9-1(c)所示的稳定过程(有振荡)三种情况，并可近似地用下面的传递函数表示。稳态误差是衡量系统最终控制精度的性能指标。稳定系统误差终值称为稳态误差。9.1.2机电一体化系统动态特性分析

9.1.2.1机械系统特性建模机械系统主功能：将一机械物理量变换成与目的相对应的另一机械物理量〔运动参量、力/力矩参量〕。机械系统的根本特性要求：在具有承担外载荷足够的强度和刚度〔结构刚度、接触刚度和局部刚度〕的前提下，质量和惯量要小，系统响应要快，带负载的能力要强。〔1〕一般线性机械系统的动态特性〔传递函数〕：X(s)/Fx(s)=1/[(Jm+JL/i2)s2]典型机械系统的动态特性〔传递函数〕：·齿轮减速：y=f(x)=(1/i)x·只有机构转动惯量：X(s)/Fx(s)=1/Jms2·只有负载转动惯量：X(s)/Fx(s)=1/(JL/i2)s2〔2〕非线性机械系统的动态特性〔传递函数〕：

机构静力学特性机构静力学所研究的主要问题：*机构输出端所受负载〔力或力矩〕向输入端的换算。——机电有机结合研究的主要问题。*机构内部的摩擦力〔或转矩〕对输入端的影响。——机电有机结合研究的主要问题。*求外载荷、内部作用力、重力/惯性加速度引起机构内部各元件的受力。——机构学强度、刚度、振动研究的主要问题。〔1〕负载力〔或转矩〕向输入端的转算在机构内部摩擦损失小时，应用虚功原理便可得到输出负载向输入端的换算。1〕单输入—单输出机械系统2〕多输入—多输出机械系统输入功的总和与输出功的总和：输入力与输出负载的关系：〔2〕机构内部摩擦力的影响机构内部由于摩擦阻力的存在，机构的输入与输出变换关系难于确定。但对于线性系统而言，变换关系的变化可认为仅与摩擦角相关，与输入转角无关。1〕机械线性变换机构主要有丝杠螺母传动机构和齿轮齿条传动机构。如丝杠螺母传动机构，在x向和y向的传动分力Fx,Fy：可推导出：Fy向Tx

转换的变换系数为：——该值有所变化2〕非线性变换机构

由于机械变换中固然存在摩擦阻力，一般情况下，非线性变换机构的变换关系具有不确定性，将会影响机电一体化系统的整体特性，因此，在机械变换机构设计时，应尽可能地减少机械传动的摩擦阻力。例如曲柄滑块机构其输入动力T与输出外载荷Fy的关系可写为：其中：

机构动力学特征机构动力学是研究机构要素的惯性、机构中各元部件的刚性所产生的振动问题。主要研究内容：〔1〕平面运动机构要素的动态力和动态转矩。——刚体动力学问题。〔2〕空间运动机构要素的动态力和动态转矩。——刚体动力学问题。〔3〕Lagrange公式与动态力或转矩向输入端的换算。——刚体动力学问题。〔4〕机构输出端的弹性与动态特性。——弹性动力学问题。由于动力学问题的研究较为复杂，在此不做讲解。

传感器的特性分析机电一体化中传感器输入量多机械物理量，最终输出应为与控制系统相匹配的电信号物理量。在此过程中要经过一定的参量变换，即需传递函数〔动态特性〕转换。传感器检测信号的一般变换过程：输入量与电信号输出量之间的变换关系〔传递函数〕Gs=GmGmeGe除此之外，有时还需整形滤波、模数转换的处理变换等信号转换过程。

传感器变换器的变换类型传感器变换器的变换过程，依据所选用传感器的类型和所转换物理量的处理过程及要求不同，通常分为以下几种形式。1〕机械物理量变换加速度、速度、位移等机械物理参量之间的变换。2〕电/磁变换机械—电/磁变换、电—磁变换。动电式、静电式、磁阻式、霍尔效应式等。3〕应变/电阻转换机械位移—阻抗转换。应变片、半导体应变片等。4〕光电变换光信号—电信号转换。光电二极管、光敏晶体管。动电式变换器〔传感器〕的特性

动电式变换器：将回转或平移机械量转换成电信号的一种变换器。动电式变换器的变换式为：或传递函数：压电式变换器〔传感器〕的特性是将压电元件在外力F作用下生产的位移x所形成的电荷Q转换成电信号的变换元件。变换关系〔特性〕：传递函数：式中：电容量：—感应系数。具有其他平滑特性变换器〔传感器〕

这类传感器变换器指在一定检测范围内输入与输出之间近似地成正比。传递函数：Gm=K。〔1〕差动变压器。〔2〕静电式变换器。〔3〕应变应力变化变换器。〔4〕光电编码器。

传感检测系统的特性将被检测量x变换成机械变量y的过程中，在力或位移的变化速度较快时，假设要满足一定的变换精度，变换器的频率使用范围将受到一定的限制，即防止变换器产生共振〔变换器固有频率wn应为使用最高频率的10倍以上〕。这一特性是传感检测系统的重要特性。〔1〕对于典型的质量、弹簧、阻尼系统〔检测对象为位移x〕

运动方程：固有频率：阻尼比：

传递函数：振幅频率特性曲线〔2〕对于典型的质量、弹簧、阻尼系统

〔检测对象为加速度〕

运动方程：振幅频率特性曲线传递函数：

电气执行元件的特性分析常用执行元件有电气式、液压式、气压式，输入信号尽管有所不同，但输出均为机械量〔位移、力等〕，由此所具有的工作特性也有所不同。下面简要介绍电气执行元件的工作特性。电气执行元件系统一般组成：驱动信号输入——驱动电路〔整形/滤波放大电路和功率放大电路〕——电/机变换器〔伺服电动机〕——机械量变换器〔减速器、丝杠螺母机构、连杆机构等〕。

电气式执行元件的工作特点分析由于执行元件系统各转换器之间存在信号或状态反响，其传递函数确定不是简单的乘积组合，它不仅与本身的静态特性相关，还与整个系统的动态特性相关，因而在分析确定执行元件系统的工作特性时，应将两者的特性有机结合才能得出合理的结论。具体方法应依据不同的执行元件系统综合分析而定。电气式执行元件控制图9.2机电一体化系统的稳态与动态设计

重点学习：机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的动态设计考虑方法在机电位置/速度控制系统，一般可直接或者间接经机械变换机构〔减速器、丝杠螺母机构〕来驱动被控制对象。主要任务：是围绕被控制对象的具体要求，采用合理的设计方法，寻求最终获取机械运动规律和运动性能指标参数。学习方法：结合典型的机电控制系统设计，掌握机电系统设计的根本方法和手段。9.2.1机电一体化系统的稳态设计考虑方法

机电有机结合的稳态设计考虑方法在机电伺服系统主要元件选择或设计、各局部之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的根底上，进行机电系统总体方案的稳定性设计——稳态设计，为机电系统的动态设计创造条件。重点研究：系统自身的稳态特性〔假设无外界干扰〕系统稳态设计的目的：

使控制被控对象能完成所需要的机械运动，即进行机械系统的运动学、动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能。稳态设计方法研究的主要内容或步骤：⑤信号的有效传递。⑥各级增益的分配。⑦各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。⑧系统总体方案确实定。位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC

数控机床伺服系统组成①使系统的输出运动参数到达所要求技术状态。②执行元件的参数选择。③功率〔力/力矩〕匹配以及过载能力的验算。④各主要元件的选择与控制电路的设计。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那么。〔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。单位阶跃响应系统的稳态特性9.2.1.1负载分析

〔1〕典型负载形式无论被控制对象的运动形式如何，负载形式及其特点千差万别，归纳起来具有一些共性负载——典型负载。包括：惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载。三维扫描仪或装置

目的：获取负载特征参量。方法：综合负载特性，进行有效组合，获取必要负载特征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。43615X2Y〔2〕惯量和负载的等效换算惯量和负载转换的作用：为使所选择执行元件〔功率、力/力矩、运动参量〕与被控对象的固有参数〔质量、转动惯量、运动参数〕等相匹配，将输出轴各局部的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便确定执行元件。1〕等效转动惯量的计算

无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动，应用总动能不变的原理，可进行等效转动惯量的计算。能量守恒：E

=

Ek2〕等效负载转矩的计算

无论外部或内部负载是力还是力矩，应用虚功原理，可进行等效负载转矩的计算。9.2.1.2执行元件的匹配选择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局部。直流电机步进电机及驱动步进电机根本结构〔1〕执行元件的转矩匹配考虑机械传动效率，那么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。(a)

例：当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Tmeq=2.5N

m，等效转动惯量为Jmeq=3×10-2kg

m2，由工作台某轴的最高速度换算为电动机输出轴角速度

m为50rad/s，等加速和等减速时间为

t=0.5s，机械传动系统的总效率为0.85，试选取与所需转矩相匹配的电动机型号。解：等效惯性负载转矩为根据式(a)

，可知假设选用110BF003反响式电动机，其最大静转矩Tjmax=7.84Nm，当采用三相六拍通电方式，查表可知，Tq/Tjmax=0.87,那么因为满足，故可选用110BF003反响式电动机〔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9.2.1.3机械传动减速比的匹配选择

与各级减速比的分配

减速比匹配的目的是可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。〔1〕减速比匹配选择的一般原那么要求在第4章中，提到了机械传动减速比的分配原那么，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动的减速比。本节提到的减速比匹配及分配，是以满足控制对象的运动特性、加速特性和动力特性为准那么。即依据负载特性、脉冲当量〔分辨率〕、特殊要求等综合分析选择确定，减速比确实定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定条件下综合指标参数到达最正确，也要满足脉冲当量〔分辨率〕与进给角之间的相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大等要求。〔2〕各级减速比的分配原那么与方法1〕按加速度最大原那么选择减速比当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按下式决定减速比i：2〕按输入速度恒定原那么选择减速比

在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，可按下式确定减速比

i：3〕满足脉冲当量、进给角、丝杠根本导程匹配关系选择减速比4〕减速器输出轴转角误差最小原那么选择减速比即最小原则：5〕按速度和加速度规定要求选择减速比在速度和加速度有要求时，除按加速度最大原那么选择减速比外，还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速比。注意：应用上述方法确定机械传动局部的减速比，不能单一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析，结合被控制对象的具体情况，在依据减速比的分配原那么〔4章〕，最终确定机械传动总减速比和各级减速比。9.2.1.4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

要到达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。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局部：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〕。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。9.2.1.5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。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——速度反响增益；Tm——直流伺服电机时间常数；i1、i2——减速比；Kr——位置传感器增益；Vi(s)——输入电压的拉式变换；Θi(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〕全闭环控制系统传递函数数学模型：小结

本小节掌握的主要内容是通过对系统负载和传动系统分析匹配，执行元件和传感元件等的合理选用与匹配设计，采用一定的总体设计方法和步骤，最终得到系统的传递函数——稳态设计的数学模型。9.2.2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〕根底上，选择系统的控制方式和校正〔或误差补偿〕形式，有效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响调节系统，到达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：在稳态设计的根底上，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。9.2.2.1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，过渡阶段误差较小，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σ%，如下图。〔2〕伺服系统动态稳定性校正方法假设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，设计反响控制器，改善系统稳态性能参数。目的在于到达系统的使用要求—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。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，可到达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。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/(Tis)=1/(R1Cs)

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/(Tis)]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缺点，又防止了积分(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)=－KP[1+1/(Tis)+Tds]其中：KP=(R1C1+R2C2)/(R1R2)；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响应图〔3〕PID调节器对伺服系统的调节校正性能分析对于如下图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：在干扰信号作用下，系统的传递函数：〔4〕PID调节器对闭环控制系统性能改善的实例分析如上图闭环控制系统，假设；；；；A=1；比例调节器的比例系数K0=1.5〔无调节时，K0=1〕。对闭环控制系统性能改善分析：1〕调节器为比例调节〔P〕输入信号与输出信号的传递函数：干扰信号与输出信号的传递函数：闭环响应的传递函数：有无比例调节器时的性能比较代入闭环控制系统各局部〔元件〕的性能参数有：〔无比例调节器时为：〕；〔无比例调节器时为：〕；〔无比例调节器时为：〕；那么有：〔无比例调节器前：〕;〔无比例调节器前：〕;系统总的响应为：性能改善：由系统响应推导和响应仿真比较结果得出，闭环响应仍为二阶响应，但时间常数比未参加调节器前的时间常数小，说明闭环系统响应快。无PID调节的系统响应有PID调节的系统响应

比例调节的特点：a)当干扰信号为阶跃信号〔幅值为D0〕时，拉氏变换D(s)=D0/s，依据拉氏变换终值定理，系统处于稳态(t→∞)时，扰动信号输出，即误差Cssd为：

说明系统在干扰信号的作用下，其输出全为误差，误差值大小由系数K2和幅值D0决定。

b)当输入信号也为阶跃信号〔幅值为R0〕时，其拉氏变换为R(s)=R0/s，依据拉氏变换的终值定理，系统处于稳态(t→∞)时，输入信号输出，即误差Cssr为：说明系统在输入信号作用下，其输出稳态值大小由系数K1和幅值R0决定。当K1=1时，即A=(1+K0KvKpKh)/(K0KvKp)，系统输出与目标值相等。2〕调节器为积分调节〔I〕其闭环响应输出信号为：通过计算可知，积分调节闭环系统对干扰信号为阶跃信号时的稳态响应为零，说明外界干扰信号不会影响系统的稳态输出。假设输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所具有的稳态输出为：当A=Kh时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号为Cssr=R0，说明系统稳定输出等于目标输出。积分调节器的特点

:积分调节器构成的闭环系统可完全消除误差，但是所需时间一般较长，系统响应慢。即调节器输出值与误差的存在有关，输出值随时间的推移逐渐增大，直到消除误差趋于稳态输出，到达稳态输出时的时间值与所存在误差值的大小有关，误差值越大，所需的时间越长；反之，那么小。3〕调节器为比例—积分调节〔PI〕闭环响应输出信号为：比例—积分调节〔PI〕的特点：比例—积分调节闭环系统对干扰信号为阶跃信号时的稳态响应为零，说明外界干扰信号不会影响系统的稳态输出。假设输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所具有的稳态输出为：当A=Kh时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号为Cssr=R0，说明系统稳定输出等于目标输出。最大的特点是在改善闭环控制系统瞬时响应的同时，即可降低单纯比例调节存在的稳态误差，有可提高积分调节的响应速度。因而得到广泛的应用。4〕调节器为比例—积分—微分调节〔PID〕调节环节中微分调节〔D〕的作用是调节系统动态过程过渡阶段响应特性的品质〔减小超调量〕。PID调节器的调节过程：·调整比例调节和微分调节提高系统的响应速度和动态过程过渡阶段的响应特性品质。·通过积分调节消除干扰信号产生的误差输出。·重复上述过程，直到控制系统动态性能指标和稳态性能指标到达要求为止。〔4〕速度反响校正〔测速发电机局部负反响〕在电机处于低速运转时，所带动的工作台往往会产生“爬行现象〞，假设系统功率放大增益线性相当差〔非线性因素的作用〕，这种现象相当明显。为了改善和提高系统的稳定性能，在控制系统中常采用电流负反响或速度负反响来提高系统低速稳定性。如下图二阶速度负反响控制系统。无负反响时传递函数有负反响时传递函数J—等效转动惯量；F—等效粘性摩擦系数；K—系统开环增益。系统有/无测速发电机负反响的系统仿真有测速发电机负反响后，系统阻尼增加，系统的超调量明显减小，系统的相对稳定性得到了较大的提高。9.2.3机械结构弹性变形对系统的影响简介

实际上，任何机械系统都是质量—弹性振动系统。存在固有频率，一旦系统振荡频率接近机械系统的固有频率，机械系统将发生共振，损坏零部件。为了避开共振对机械系统的影响，常采用的方法：〔1〕依据机械系统的结构、尺寸大小、材料和承受的外载荷等情况，应用结构力学、材料力学、振动力学、弹性力学等相关的理论知识，建立相应的数学模型，机械振动系统的运动和动力学方程。〔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