机电一体化复习资料DOC.docx
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机电一体化复习资料DOC
机电一体化复习资料
第一章
机械技术：
精度、体积、刚度、动态性能
机械技术是机电一体化技术的基础。
随着高新技术引进机械行业，机械技术面临着挑战和变革。
在机电一体化产品中，它不在是单一的完成系统间的连接，而是在系统结构、重量、体积、刚性和耐用方面对机电一体化系统有着重要的影响。
机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别
在于：
机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。
现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更好。
机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应。
传感检测技术：
精度、灵敏度、可靠性
传感检测技术的内容：
研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量。
研究对象：
传感器及其信号检测装置
作用：
感受器官、反馈环节。
要求：
能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。
机电一体化的智能化趋势包括以下几个方面：
诊断过程的智能化：
诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。
人机接口的智能化：
智能化的人机接口,可以大大简化操作过程,这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。
自动编程的智能化：
操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据,加工程序就可全部自动生成。
加工过程的智能化
第二章
滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法
滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。
滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。
通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。
支承件的结构设计
1．选取有利的截面形状
2．设置隔板和加强筋
3．选择合理的壁厚
4．选择合理的结构以提高联接处的局部刚度和接触刚度
5．提高阻尼比
6．用模拟刚度试验类比法设计支承
7．支承件的结构工艺性
第三章
把各种非电量信息转换为电信号，这就是传感器的功能，传感器又称为一次仪表。
对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理，这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。
对传感器的一般要求
各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。
但是有些一般要求，却基本上是共同的，这就是：
①可靠性；②静态精度；③动态性能；④量程；⑤抗干扰能力；⑥通用性；⑦轮廓尺寸；⑧成本；⑨能耗；⑩对被测对象的影响等。
传感器静态特性的主要技术指标有：
线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。
传感器的标定
l传感器标定是指利用较高等级的标准器具（或仪器、仪表）对传感器的特性进行刻度，或者说通过试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系。
同时，也确定出不同使用条件下的误差关系。
传感器的标定分静态标定和动态标定
传感器静态特性标定
静态标定目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、精度、迟滞性和重复性等。
传感器动态特性标定
动态特性标定的目的确定传感器的动态特性参数，如时间常数、上升时间或工作频率、通频带等。
机电一体化系统对检测传感器基本要求
Ø体积小、重量轻、对整机的适应性好；
Ø精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；
Ø安全可靠、寿命长；
Ø便于与计算机连接；
Ø不易受被测对象（如电阻、磁导率）的影响，也不影响外部环境；
Ø对环境条件适应能力强；
Ø现场处理简单、操作性能好；
Ø价格低廉。
传感器的发展方向
Ø开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。
开发新型传感器
v开发新材料
v新工艺的采用
v集成化、多功能化
v智能化
微机械加工技术：
近年来随着集成电路工艺发展起来的，它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术，目前已越来越多地用于传感器领域。
新型传感器主要三个方面：
①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器。
传感器的智能化
对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器，这种传感器具有与主机互相对话的功能，可以自行选择最佳方案，能将已获得的大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输等。
误差校正
Ø在控制系统的模拟量输入通道中，一般存在传感器温度漂移、放大器等器件的零点偏移
的现象，这些都会造成误差，从而影响测量数据的准确性，这些误差称为系统误差。
Ø特点：
在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。
因此，原则上讲，系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。
Ø方法：
一般采用软件程序进行处理，对系统误差进行自动校准。
零点偏移是造成系统误差的主要原因之一，因此零点的自动调整在实际应用中最多，常把这种用软件程序实现零点调整的方法称为数字调零。
Ø实现方法：
在测量输入通道中，计算机分时巡回采集校准电压与n路传感变送器送来的电压信号。
通过软件程序进行调零。
采用数字调零，可去掉放大电路、A/D转换电路本身的偏移及随时间与温度而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，降低硬件成本。
数字调零不能校正由传感器本身引入的误差。
为了克服这种缺点，可采用系统校准处理技术。
Ø实现方法：
系统校准原理与数字调零相似，只是把测量扩展到现场的传感器。
在需要校准时，人工接入标准信号VR进行测量，零点漂移的补偿仍由数字调零来完成.
与模拟滤波器相比，数字滤波主要优点:
1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，可靠性高、稳定性好。
2）一种滤波子程序可以被多个通道所共用，因而成本很低。
3）数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，灵活、方便、功能强。
4）数字滤波能对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。
克服了模拟滤波器的缺陷。
转换精度指标通常由以下分项误差有组成：
①偏移误差：
是指输出为零时，输入不为零的值，所以有
时又称零点误差。
偏移误差可以通过在A/D转换器的外部加接调
②满刻度误差：
又称增益误差，它是指A/D转换器满刻度时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差，满刻度误差一般是由参考电压、放大器放大倍数、电阻网络误差等引起。
满刻度误差可以通过外部电路来修正。
③非线性误差：
是指实际转移函数与理想直线的最大偏移。
非线性误差不包括量化误差，偏移误差和满刻度误差。
④微分非线性误差：
是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯
电压（1LSB）之间的差值。
为保证A/D转换器的单调性能，A/D转
换器的微分非线性误差一般不大于1LSB。
非线性误差和微分非
线性误差在使用中很难进行调整。
在测控系统中为什么要采用信号调制？
在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。
而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。
为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。
在测控系统中常用的调制方法有哪几种？
在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。
一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。
也可以用脉冲信号作载波信号。
可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。
什么是调制信号、载波信号、已调信号？
调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。
常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。
用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。
在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。
经过调制的载波信号叫已调信号。
第四章
ISA总线采用独立于CPU的总线时钟，因此CPU可采用比总线频率更高的时钟，有利于CPU性能的提高。
但ISA总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因此不支持多台主设备系统，且ISA上的所有数据的传送必须通过CPU或DMA接口来管理，因此使CPU花费了大量时间来控制与外部设备交换数据。
ISA总线时钟频率为8MHz，最大传输率为16MB/s。
ISA总线扩展槽的62根信号线分为五类：
地址线、数据线、控制线、状态线、辅助线和电源线。
所谓局部总线是指在系统外，为两个以上模块提供的高速传输信息通道。
VL-Bus是由CPU总线演化而来的，采用CPU的时钟，频率达33MHz、数据线为32位，配有局部控制器。
通过局部控制的判断，将高速I/O直接挂在CPU的总线上，实现CPU与高速外设之间的高速数据交换。
第五章
系统的过渡过程
系统的控制过程实际上是一个动态过程，即当系统的输入（包括干扰）量发生变化时，由于系统的能量只能作连续变化，从而使系统的输出呈现出从一个平衡状态向另一个新的平衡状态过渡的过程这一过程称为系统的过度过程。
一般情况下，系统的过
渡过程有以下几种基本形式：
l非周期衰减过程
l衰减振荡过程
l等幅振荡过程
l发散振荡过程
通常选择一些定型的典型的输入形式，主要包括单位阶跃输入、单位速度（斜坡）输入、单位加速度（抛物线）输入。
其中，由于阶跃信号（如下图所示）对被控变量影响最大，且容易实现，便于实验、分析和计算，因而常采用它作为系统的输入来研究控制系统。
系统的性能指标
控制系统在输入作用下所产生的输出称之为响应。
系统由初始状态随时间到最终状态的响应过程称为动态过程，也称为瞬态响应，它是系统短时间响应特性的度量；当时间趋于无穷大时系统的输出状态称为稳态过程，也称为稳态响应，它表征系统输出量最终复现输入量的程度。
任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成。
由此可见，控制系统在典型输入信号作用下的性能指标，通常由稳态性能和动态性能两部分组成。
对于单输入单输出系统来说，在时域中稳态响应的性能指标是稳态误差
动态性能上升时间:
tr
（b）峰值时间:
tp
（c）最大超调量:
Mp
（d）调整时间:
ts
（e）振荡次数:
N
控制系统的设计步骤
1、目的分析。
首先对系统的目的或任务进行定量分析，即将系统的目的、任务直接地或间接地变换成定量关系。
2、系统分析。
（1）建立系统框图。
将系统进行分解后，考虑到各个部分之间的输入、输出联系，即可利用框图方法来表达系统。
（2）建立系统数学模型。
3、系统最佳化。
4、系统仿真。
数学模型的概念
用数学的方法来描述系统输出量与输入量之间的关系，这种系统特性的数学描述就称为系统的数学模型。
建立数学模型的一般原则
一个合理的数学模型的建立，应该在模型的准确性和简化性之间进行折中。
既不能过分强调准确性而使系统过于复杂，也不能片面追求简化性而使分析结果与实际出入过大。
这是在建立系统数学模型的过程中要特别注意的问题。
数学模型的类型
非参量模型当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，就称为非参量模型。
参量模型（输入－输出模型）
当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模型。
参量模型按其讨论域可分为时域模型、复数域模型和频域模型。
时域模型包括微分方程、差分方程等，其特点是具有直观、准确的优点，不足之处是当系统的结构改变或某个参数变化时，就要重新列写并求解微分方程。
传递函数：
复数域模型包括系统传递函数和结构图，
传递函数具有以下性质：
（1）传递函数描述了系统本身的动态特性，它与输入量的大小及性质无关。
传递函数的分母是系统的特征多项式，代表系统的固有特性，分子代表输入量与系统之间的变换关系。
（2）传递函数不能描述系统的结构。
对于动态特性相似的不同的物理系统可以用同一类型的传递函数描述。
（3）传递函数的量纲决定于输入量和输出量的量纲。
（4）一般情况，传递函数分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次，对于最高阶次为n的系统，称为n阶系统。
（5）传递函数只适用于线性系统。
满足线性叠加原理是线性系统的主要性质。
将传递函数中S换成jw，即为频率特性。
A（w）是输入信号角频率w的函数，称为幅频特性，常用幅频特性曲线表示，它表示输出与输入的幅值之比j（w）也是角频率w的函数，称为相频特性，常用相频特性曲线表示，它表示输出相对于输入的相位移
数学模型的建立
机理建模
（1）根据系统和各元件的工作原理及其在控制系统中的作用，确定其输入量和输出量。
（2）根据元件工作时所遵循的物理或化学定律，列出其相应的原始方程式。
在条件许可时可适当简化，忽略一些次要因素。
这里所说的物理或化学定律，不外乎牛顿定律、能量守恒定律、物质守恒定律、基尔霍夫定律等。
（3）列出原始方程式的中间变量与其它因素的关系式。
（4）将上述关系式代入原始方程式，消去中间变量，得到描述输出量与输入量之间关系的微分方程便是系统或元件在时域的数学模型。
滞后时间τ
有的系统在受到输入作用后，被控变量却滞后一定的时间才发生变化，这种现象称为滞后现象。
根据滞后性质的不同，可分为传递滞后和容量滞后两类。
容量滞后容量滞后也叫过渡滞后。
不难看出，自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。
也就是说，系统受到干扰作用后，由于滞后的存在，被控变量不能立即反映出来，于是就不能及时产生控制作用，整个系统的控制质量就会受到影响。
所以，在设计和安装控制系统时，都应当
尽量把滞后时间减到最小。
二阶系统的特性参数
n
（1）.系统增益
（2）.系统固有频率（3）.系统阻尼、系统增益K：
K较小，系统比较稳定，但较小的K会导致快速响应变差和稳态误差增大。
n
（2）、系统阻尼比:
大可以提高系统稳定性及响应过程的平稳性，减小超调量，但同时响应速度降低。
n（3）、系统固有频率:
提高固有频率可以提高系统稳定性、精度和快速响应，提高抗干扰能力，但系统成本增加
方框图
强调几点：
1.传递函数框图中的环节是根据动力学方程来划分的，一个环节并不一定代表一个物理元件（物理环节或子系统），一个物理元件（物理环节或子系统）也不一定就是一个传递函数环节（也许几个物理元件的特性才组成一个传递函数环节，也许一个物理元件的特性分散
在几个传递函数环节中）。
2.注意区别表示系统结构的物理框图和分析系统的同传递函数框图。
一物理元件在不同系统中的作用不同时，其传递函数可以不同。
（例如，测速发电机：
当输入为角速度时，是比例环节
当输入为角位移时，是微分环节）
时域分析法是一种直接分析法，具有直观和准确
的优点，尤其适用于一、二阶系统性能的分析和计算。
对二阶以上的高阶系统则须采用频率分析法和
根轨迹法。
频率响应和频率特性
频率响应——线性定常系统对谐波输入的稳态响应称为频率响应。
频率特性——在正弦信号作用下，系统输入量的
频率由0变化到¥时，稳态输出量与输入量的振幅和相位差的变化规律。
时域性能指标
时域中评价系统的暂态性能，通常以系统对单位阶跃输入信号的暂态响应为依据，规
定如下指标：
l
（1）延迟时间td
（2）上升时间tr（3）峰值时间tp4）调节时间ts（5）最大超调量6）稳态误差ess
频域性能指标
（1）相位裕度γ
（2）幅值裕度K4）复现带宽0～ωm（5）谐振频率ωr（6）截至频率
为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制，为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制，为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制
传统的控制策略隐含着两个前提，一是要求对象的模型是精确的、不变换的，且是线性的；二是操作条件和运行环境是确定的、不变的。
随着工业应用领域的扩大，控制精度和性能要求的提高，必须考虑控制对象参数乃至结构的变化、非线性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的和不确定因素，才能得到满意的控制效果自适应控制是针对对象特性的变化、漂移和环境
干扰对系统的影响而提出来的。
它的基本思想是通过自适应控制是一种逐渐修正、渐近趋向期望性能的过程，适用于模型和干扰变化缓慢的情况。
对于模型参数变化快，环境干扰强的工业场合，以及比较复杂的生产过程，显得力不从心，难于应用。
其非线性表现为控制的不连续性。
控制系统的鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不变的程度（或对扰动不敏感的程度））。
鲁棒性是个统称，最基本的可分为稳定鲁棒性和品质鲁棒性，前者系统在某种扰动下保持稳定性的能力，后者指保持某项品质指标的能力。
目前，鲁棒控制主要有两类方法：
（1）代数方法研究对象是系统的状态矩阵或特征多项式，讨论多项式族或矩阵族的鲁棒控制。
其中又包括多项式代数法和状态空间法。
（2）频域方法从系统的传递函数矩阵出发。
H∞是其中较为成熟和应用较广的方法。
这类问题的实质是通过使系统由扰动至偏差的传递函数矩阵的H∞范数取极小，来设计出相应的控制规律。
现代鲁棒控制采用了频率方法与状态空间结合，即直接在状态空间上进行设计。
其设计过程简单，控制器阶次较低，结构特性明显。
预测模型是系统动态特性的预先描述，它根据系统的历史信息和未来输入，预测未来一个有限时段的输出值。
及时进行弥补，减小偏差，获得较高的综合控制质量。
预测控制的缺点是在建模中未充分利用过程的知识，其计算耗时、工作量大。
智能控制策略
其复杂性可归纳为：
（1）对象复杂不只是一种单一的运动，往往是几种物质的运动，甚至同时进行着物理、化学、生物的反应，内部机理不甚清楚；系统往往是非线性、多变量、强耦合和高维数的；对象的特性（包括结构、参数等）在变化，存在着许多不确定性因素，难以用常规的数学工具建模并进行研究；输入信息多样化、数据量庞大；信息方式不是单一的，往往是多媒体的（例如图形、文字、声音、数字等）。
（2）环境复杂系统处于动态变化的、难以预先知道的环境
中。
自动控制与人工智能的结合产生了智能控制。
控制策略的渗透和结合
从上述各种控制策略的分析可以看出，每种控制略都有其特长，但都在某方面存在某些问题。
因此，一种必然的发展趋势是各种控制策略互相渗透，取长补短，互济优势，结合成复合的控制策略。
这些复合控制策略克服了单独策略的不足，具有更优良的性能能更好地满足不同应用的不同要求，因而获得了更广泛的应用。
可以说，复合（混合）控制模式是控制策略的发展方向。
复合控制策略的类型很多，而且随着研究工作进展还在不断的增加和变化。
模糊PID复合控制模糊变结构控制自适应模糊控制模糊预测控制模糊神经网络控制专家PID控制专家模糊控制
控制策略的渗透和结合有下述特点：
（1）渗透面最广的是模糊控制，它形成的复合控制策略适用性强，应用也最广。
（2）专家控制形成的复合控制策略可以具有较复杂的形式和较高的性能，而且也有不少的应用。
（3）PID控制形成的复合控制策略吸收了其他策略性能上的优点，保持了自身应用上的优势，仍是一种工业上的主要控制方式。
（4）十分有前途的一种方法是在模糊控制和神经网络结合的基础上，再与其他智能或传统控制策略结合形成更高层次的性能更优良的控制策略。
模糊神经网络变结构控制（FNV）
可发挥三者之长，形成比模糊控制和变结构控制动静态品质更佳以及设计更简单，而且比模糊神经网络学习收敛速度更快
的控制策略。
l模糊神经自适应控制（FNA）
在自适应控制中引入模糊神经网络建模工具，改善神经网络自适应控制的鲁棒性和实时性，特别适用于具有不确定性的非线性系统跟踪控制，也可用于实际的伺服直流电机调速控制。
l模糊神经网络专家控制（FNE）
将专家系统灵活性和集成性用于模糊神经网络控制中。
在初始阶段作辅助控制，间接缓解对神经网络快速学习的要求，并可通过专家系统方法直接改进神经网络学习问题，得到理想实
用的工业控制器。
什么是自动控制?
自动控制系统由哪些部分组成?
自动控制是在没有人的情况下，利用外加的设备和装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数
自动地按预定的规律运行。
计算机控制系统的工作原理可归纳为以下四个步骤：
实时数据采集对被控参数在一定采样间隔进行测量变送并经A/D转换后进行处理。
（2）实时控制决策对被控变量的测量值进行分析、运算和处理，并按预定的控制规律进行运算。
（3）实时控制输出实时地输出运算后的控制信号，经D/A转换后驱动执行机构，完成控制任务。
上述过程不断重复，使被控变量稳定在设定值上。
（4）信息管理随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统中。
什么是实时控制?
工业控制机硬件：
硬件是指计算机本
身及外围设备
具体如下：
2．常规外部设备常规外部设备可分为输入设备、输出设备和存储设备。
1．主机（计算机）主机由CPU和存储器构成。
3．输入输出通道在计算机和生产过程之间设置信息的传
递和变换的连接通道。
4．外部设备（接口）过程通道与计算机控制系统的接
口，有并行、串行、管理接口。
5．运行操作台-人机接口操作台应该具备如下功能：
Ø要有屏幕或数字显示器，
Ø要有一组简单功能键进行控制操作；
Ø要有一组数字键进行数据操作；
Ø采用硬保护和软保护措施，
网络通信接口多个计算机控制系统之间需要相互传递信息或与更高层计算机通信时，每一个计算机控制系统就须设置网络通信接口。
7．实时时钟计算机控制系统的运行需要一个时钟，用于确定采样周期、控制周期及事件发生时间等。
8．工业自动化仪表被控对象与过程通道发生联系的设备。
有测量仪表、显示仪表、调节设备、执行机构等
什么是软件?
什么是程序？
什么是指令？
指令：
指示计算机执行某种操作的命令。
程序：
指令的集合
软件：
程序的集合
计算机控制系统与连续控制系统相比，具有如下特点：
●控制规律的实现灵活、方便。
●控制精度高。
●控制效率高。
●可以方便实现管控一体化。
●存在着采样延迟
计算机控制系统的分类
计算机监督控制系统\
数据采集系统
直接数字控制系统
现场总线控制系
网络控制系统散控制系统
工业过程计算机集成制造系
操作指导系统
计算机的输出部分与被控过程不直接发生联系，而是通过数据采集和处理，为操作人员提供反映生产工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，由操作人员根据这些信息进行相应的操作。
这种类型属于开环控制系统。
直接数字控制系统（DDC）DDC系统是计算机用于工业生产过程控制的一种最典型的系统，计算机可以代替模拟调节器，实现PID调节，且不需要更换硬件只用软件就可以实现较复杂的控制，如最优控制、模糊控制等
SCC控制的效果主要取决于数学模型，合适的控制算法和完善的应用程序
集散控制系统又称分布式控制系统。
它以微处理器为核心，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的
控制和优化。
DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。
集散控制比集中控制的优点：
1．控制分散、信息集中
2．系统模块化
3．数据通信能力较强
4．友好而丰富的人机接口
5．可靠性高
现场总线控制系统是新一代分布式控制系统结构。
它采用工作站—现场总线智能仪表的二层结构模式。
CIMS除了常见的过程直接控制、先进控制等还有成产管理、收集经济信息、计划调度和产品订货、销售
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