自动控制工程设计第六章.ppt

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第第22章章工程设计方法工程设计方法2.1控制系统的分析方法2.2MATLAB在控制系统分析中的应用2.3被控参数和控制参数的选取2.4测量变送单元和执行机构的选取2.5控制方案和控制规律的选取2.6系统校正方法2.7控制器参数整定方法2.8典型控制系统及其基本构成2.9自动控制系统设计的标准2.10自控系统的安全规则12.42.4测量变送单元和执行机构的选取测量变送单元和执行机构的选取21、电动执行机构、电动执行机构2、液压执行机构、液压执行机构3、气动执行机构、气动执行机构执行机构概述执行机构概述3电动线性执行机构电动线性执行机构4567液压系统液压系统8动画千斤顶动画千斤顶9液压系统液压系统带有压力控制阀的液压系统原理图带有压力控制阀的液压系统原理图液压齿轮泵（液压齿轮泵（HydraulicgearHydraulicgearpumppump）动画齿轮泵动画齿轮泵水力叶轮泵（水力叶轮泵（HydraulicvanepumpHydraulicvanepump）动画叶动画叶轮泵轮泵轴向柱塞泵（轴向柱塞泵（axialpistonpumpaxialpistonpump）动画动画1：

工作原理：

工作原理动画动画2：

单柱：

单柱塞泵原理塞泵原理动画动画3：

柱塞：

柱塞泵视频泵视频带有压力控制阀的液压系统原理图带有压力控制阀的液压系统原理图压力控制阀（压力控制阀（pressure-controlpressure-controlvalvevalve）带有压力控制阀的液压系统原理图带有压力控制阀的液压系统原理图方向控制阀（方向控制阀（directionalcontrolvalvedirectionalcontrolvalve）推动液压缸的活塞推动液压缸的活塞向左向左运动运动推动液压缸的活塞推动液压缸的活塞向右向右运动运动动画方向阀动画方向阀带有压力控制阀的液压系统原理图带有压力控制阀的液压系统原理图液压执行元件液压执行元件液压执行元件通常有：

液压缸、液压齿轮马达液压执行元件通常有：

液压缸、液压齿轮马达hydrauliccylinderAhydraulicgearmotor带有蓄能器的液压系统带有蓄能器的液压系统主要作用：

主要作用：

（11）低通过滤器作用，消除压力脉动）低通过滤器作用，消除压力脉动（22）储存能量，补偿流量的不足，应用在液）储存能量，补偿流量的不足，应用在液压缸需要的流量是间断的情况下。

压缸需要的流量是间断的情况下。

气压系统气压系统（pneumaticsystempneumaticsystem）与液压系统相比气压系统的特点：

与液压系统相比气压系统的特点：

11、气体是可压缩的，而液体不可压缩、气体是可压缩的，而液体不可压缩22、气压系统不需要将低压气体回流到压缩机端，、气压系统不需要将低压气体回流到压缩机端，可以直接排放到空气中。

可以直接排放到空气中。

33、空气粘度小，远距离输送能量损失少，清洁、空气粘度小，远距离输送能量损失少，清洁环保，反应速度比较快。

环保，反应速度比较快。

44、气动系统噪声大，超声速排气时，需要加装、气动系统噪声大，超声速排气时，需要加装消声器。

消声器。

往复式活塞压缩机往复式活塞压缩机reciprocatingreciprocatingpistoncompressorpistoncompressor流量控制阀流量控制阀流量控制阀是过程控制中常见的一种执行流量控制阀是过程控制中常见的一种执行机构，它可以调节流体的流量。

控制阀有一个机构，它可以调节流体的流量。

控制阀有一个内置的阀门操作机构，使其可以被控制器的信内置的阀门操作机构，使其可以被控制器的信号远距离控制，信号通常为电子的或者气动的。

号远距离控制，信号通常为电子的或者气动的。

螺线管螺线管驱动的驱动的开关型开关型控制阀控制阀电机驱动电机驱动可变流量可变流量型控制阀型控制阀气压驱气压驱动可变动可变流量控流量控制阀制阀在控制系统中执行机构多种多样在控制系统中执行机构多种多样比如在比如在过程工业过程工业中，最常用的各种控制阀，中，最常用的各种控制阀，用以改变管道中液体的流量或流速；用以改变管道中液体的流量或流速；在在飞行器控制或潜艇控制飞行器控制或潜艇控制中，执行机构是中，执行机构是方向舵或水平舵，它们通过改变对流体的阻方向舵或水平舵，它们通过改变对流体的阻力分布达到控制自身状态的目的；力分布达到控制自身状态的目的；在在机械加工和机械制造工业机械加工和机械制造工业中，用的最多中，用的最多的执行机构是液压装置；的执行机构是液压装置；在在仪器仪表工业中仪器仪表工业中，用的最多的执行机构，用的最多的执行机构是步进电机或直流电机。

是步进电机或直流电机。

2.4.2执行机构的选取执行机构的选取37机械传动、电气传动、液压传动和气压传动是目前工业中最常用的传动方式。

电气传动、液压传动和气压传动都必须与机械传动结合后才可能把动力传送给负载。

他们各有各的特点及运行条件，并不是任何场合几种传动方式都可以任意使用。

设计时应根据具体情况选用最合适的传动方式。

381.1.功率重量比要求大时宜采用液压传动功率重量比要求大时宜采用液压传动39由由于于液液压压系系统统的的工工作作压压力力可可以以较较高高（例例如如32MPa32MPa或或更更高高），故故相相应应的的传传输输功功率率与与执执行行机机构构（液液压压缸缸、液液压压马马达达）的的重重量量之之比比就就较较大大。

而而电电气气传传动动或或气气压压传传动动所所能能传传输输的的功功率率与与其其执执行行机机构构（电电动动机机、气气缸缸）的的重重量量之之比比就就较较小小，（例例如如液液压压马马达达的的重重量量仅仅为为同同功功率率电电动动机机的的10101212）。

因因此此在在功功率率重重量量比比要要求求较较大大的的场场合合应应选选用用液压传动。

液压传动。

402.2.轻载高精度位置控制宜尽量采用电气传动轻载高精度位置控制宜尽量采用电气传动在在负负载载不不大大而而要要求求控控制制精精度度高高的的场场合合，最最好好采采用用电电气气传传动动，因因为为电电气气传传动动的的控控制制精精度度较较高高，电电源源比比较较容容易易获获得得（只只要要用用电电线线就就可可以以）。

相相应应的的液液压压传传动动和和气气压压传传动动需需要要液液压压源源或或气气源源，液液压压源源和和气气源源的的建建立立比比电电源源复复杂杂得得多多，电电气气传传动动也也能能获获得得较较高高的的控控制制精精度度。

因因此此负负载载不不大大而而精度要求高时应首先选用电气传动。

精度要求高时应首先选用电气传动。

413.3.负载大响应要求快时不宜采用气压传动负载大响应要求快时不宜采用气压传动由由于于气气压压传传动动的的压压力力不不能能太太高高（一一般般常常用用气气压压不不大大于于1MPa）1MPa），所所以以其其驱驱动动的的负负载载力力也也不不能能太太大大。

另另外外由由于于气气体体有有压压缩缩性性，气气容容较较大大，因因此此其其响响应应较较慢慢，故故对对动动态态响响应应要要求求快快时时，气气压压传传动就不能满足要求。

动就不能满足要求。

424.4.要求低速、稳定性高时不宜采用气压传动要求低速、稳定性高时不宜采用气压传动气气压压传传动动由由于于压压力力不不高高，因因此此负负载载不不能能太太大大。

而而相相对对来来说说，摩摩擦擦力力在在总总负负载载中中所所占占的的比比例例就就比比液液压压或或电电气气传传动动的的比比例例大大。

而而且且低低速速时时摩摩擦擦力力的的变变化化也也较较大大（特特别别是是动动摩摩擦擦和和静静摩摩擦擦相相互互（或或反反复复）转转换换时时），故故在在低低速速时时，气气动动设设备备容容易易出出现现爬爬行行现现象象，又又由由于于气气体体有有压压缩缩性性，更更加加剧剧了了爬爬行行的的产产生生。

因因此此要要求求低低速速稳稳定定性性高高的的场场合合不不宜宜采采用用气气压压传动，宜用液压传动。

传动，宜用液压传动。

435.5.要要求求无无级级变变速速、调调速速范范围围大大时时宜宜采用液压传动采用液压传动液液压压系系统统只只要要调调节节流流量量就就能能达达到到变变速速的的目目的的。

一一般般用用调调速速阀阀便便可可达达到到无无级级变变速速，而而且调节范围也比较大且调节范围也比较大446.6.直线往复运动宜采用气压或液压传动直线往复运动宜采用气压或液压传动由由于于电电动动机机输输出出的的是是旋旋转转运运动动，如如要要求求负负载载作作直直线线往往复复运运动动，就就必必须须加加机机械械机机构构（如如齿齿轮轮齿齿条条机机构构），将将电电动动机机输输出出的的旋旋转转运运动动转转变变为为直直线线运运动动，而而液液压压缸缸或或气气缸缸一一般般都都是是作作直直线线往往复复运运动动的的，故故可可直直接接带带动动负负载载作直线往复运动，所以结构简单。

作直线往复运动，所以结构简单。

457.7.要求刚度大的系统不宜采用气压传动要求刚度大的系统不宜采用气压传动由由于于气气体体的的压压缩缩性性大大，因因此此气气压压系系统统的的刚刚度度比比液液压压系系统统小小，所所以以要要求求刚刚度度大大的的系系统统不不宜宜采采用用气气压压传传动动，而宜用液压传动。

而宜用液压传动。

8.8.要求效率高的场合不宜采用气压和液压传动要求效率高的场合不宜采用气压和液压传动由由于于液液压压系系统统及及气气压压系系统统的的流流量量调调节节大大多多用用节节流流式式，阻阻力力损损失失较较大大，因因此此效效率率较较低低，而而电电气气传动加齿轮传动系统的总效率常可达传动加齿轮传动系统的总效率常可达9090以上。

以上。

469.9.超超高高速速旋旋转转或或往往复复运运动动的的场场合合不不宜宜采采用电气和液压传动，应选用气压传动用电气和液压传动，应选用气压传动10.10.低低速速大大转转矩矩的的场场合合不不宜宜采采用用气气压压和和电电气传动，宜选用液压传动气传动，宜选用液压传动对对低低速速大大转转矩矩的的场场合合，气气压压传传动动不不易易获获得得大大的的转转矩矩，而而电电气气传传动动不不易易获获得得稳稳定定的的低低转转速速（需需要要另另加加减减速速器器）。

而而在在液液压压传传动动系系统统中中采采用用低低速速大大转转矩矩液液压压马马达达，就就能能实实现现低速大转矩的要求。

低速大转矩的要求。

4711.11.有有过过载载保保护护要要求求的的场场合合优优先先考考虑虑气压和液压传动气压和液压传动液液压压传传动动及及气气压压传传动动系系统统可可以以用用安安全全阀阀简简单单地地实实现现过过载载保保护护。

而而且且过过载载结结束束后后能能自自动动继继续续运运转转，不不需需重重新新启启动动。

而而电电气气传传动动或或机机械械传传动动则则过过载载保保护护装装置置比比较较复杂，而且过载结束后常须重新启动。

复杂，而且过载结束后常须重新启动。

4812.12.传传动动比比要要求求严严格格的的场场合合不不宜宜采采用用气气压和液压传动压和液压传动由由于于液液压压系系统统的的内内、外外泄泄漏漏量量随随工工作作压压力力及及温温度度而而变变化化，因因此此其其传传动动比比就就难难以以保保持持恒恒定定。

至至于于气气压压传传动动，则则由由于于空空气气的的压压缩缩性性大大，更更难难以以保保持持恒恒定定的的传传动动比比。

所所以以液液压压及及气气压压传传动不如机械传动那样能保持严格的传动比。

动不如机械传动那样能保持严格的传动比。

4913.13.远距离传输功率时不宜采用液压传动远距离传输功率时不宜采用液压传动由由于于液液压压传传动动的的功功率率传传输输是是用用管管道道来来实实现现的的。

因因此此远远距距离离传传输输时时管管道道长长度度将将很很长长。

安安装装布布置置不不方方便便而而且且成成本本增增加加。

另另外外管管路路长长其其功功率率损损失失也也大大。

所所以以远远距距离离传输功率时最好用电气传动。

传输功率时最好用电气传动。

5014.14.环境恶劣的场合不宜采用液压传动环境恶劣的场合不宜采用液压传动冬冬季季气气温温达达到到零零下下