4．机电系统动态性能的计算机仿真
4．1 概述
机电系统计算机仿真是目前对复杂机电系统进行分析的重要手段与方法。在进行机电系统分析综合与设计工作过程中，除了需要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究。系统性能指标与参数是否达到预期的要求？它的经济性能如何？这些都需要在系统设计中给出明确的结论。对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验，然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的，因此就必须对其进行模拟实验研究。当然在有些情况下可以构造一套物理模拟装置来进行实验，但这种方法十分费时而且费用又高，而在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对机电系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。所谓机电系统计算机仿真就是以机电系统的数学模型为基础，借助计算机对机电系统的动静态过程进行实验研究。这里讲的机电系统计算机仿真是指借助数字计算机实现对机电系统的仿真分析。这种实验研究的特点是：将实际系统的运动规律用数学表达式加以描述，它通常是一组常微分方程或差分方程，然后利用计算机来求解这一数学模型，以达到对系统进行分析研究的目的。
对机电系统进行计算机仿真的基本过程包括：首先建立系统的数学模型，因为数学模型是系统仿真的基本依据，所以数学模型极为重要。然后根据系统的数学模型建立相应的仿真模型，一般需要通过一定的算法或数值积分方法对原系统的数学模型进行离散化处理，从而建立起相应的仿真模型，这是进行机电系统仿真分析的关键步骤；最后根据系统的仿真模型编制相应的仿真程序，在计算机上进行仿真实验研究并对仿真结果加以分析。
机电系统计算机仿真的应用与发展已经过了近40年的历程，进入20世纪80
年代以来，随着微型计算机技术以及软件技术的飞速发展与广泛应用，使得机电系统计算机仿真获得了实质性的发展，并使其走进广大的机电系统生产、设计、研究的第一线。目前在该领域应用最为广泛的软件包就是美国Mathworks公司开发的MATLAB语言软件。虽然它最初并非是为机电系统仿真与设计开发的，但是它的强大的矩阵运算功能与图形处理及绘制能力，以及在MATLAB平台上开发出来的各种工具箱，和面向结构图的SIMULINK 系统分析环境，为机电系统计算机仿真提供了强有力的软件工具，从而为机电系统计算机仿真与辅助设计开辟新的方法与途径提供了充分的条件。
考虑到部分读者不具备MATLAB基础知识，因此，在本书的附录一中对MATLAB语言基础知识作了简单的介绍。
4．2面向微分方程的连续系统仿真与MATLAB实现
对于控制系统的最基本数学描述就是微分方程，因此有必要在介绍机电系统计算机仿真时对这种方法加以介绍。实际上在前面章节已经介绍了几种典型数值积分方法以及它们的MATLAB实现。数值积分的数学基础就是微分方程（状态方程），如果一个系统以微分方程的形式加以描述，就可以利用前面的知识对该系统进行仿真研究，有关这部分内容本章就不再加以讨论了。这里将介绍如何利用MATLAB中为用户所提供的常微分方程解函数ode和对微分方程进行求解计算，以及在面向微分方程的系统仿真研究中如何应用M函数。
4．2．1 基于ode函数的面向微分方程的系统仿真
1. 常微分方程解函数ode的基本格式
（l）ode函数的基本分类。在 MATLAB 5.x中 ode函数可以分为两类五种形式。一类是应用于非刚性微分方程求解，如ode45；另一类属于求解刚性微分方程的ode解函数，如ode23s.他们的具体形式如下：
1 ode45函数用于求解非刚性微分方程．它属于中阶龙格一库塔法；
2 ode23函数用于求解非刚性微分方程，它属于底阶龙格-库塔法；
3 ode113函数用于求解非刚性微分方程的变阶法；
4 ode15s函数用于求解刚性微分方程的变阶法；
5 ode23s函数用于求解刚性微分方程的低阶法。
（2）ode函数的基本格式。上还这五种 ode函数的格式基本上一样．这里主要以最常用的ode45函数为例加以介绍，其结果多数也可用于其他ode函数。
ode45的基本格式主要有以下几种。
① [t，y]=ode45('F'，tspan，y0)
其中：'F'是ode文件名字符串；
tspan= [T0 TFINAL］为一个向量，它指定了积分的启始时刻和结束时
刻；
y0为积分运算的初始条件。
该函数对微分方程系统
从T0到TFINAL时间段进行积分。函数
返回一个列向量。在解向量Y中的每一行与列向量T的返回时间相对应。为了在指定的时刻点T0，T1，…，TFINAL得到解，则使用tspan=[T0，T1，…，TFINAL]。
② [t , y]＝ode45（'F'， tspan， y0，options）
该函数的解如同前一格式，只是在这里用选项options中的参数来代替前一格式中的缺省值，options中的参数变量由函数odeset予以建立。最常使用的选
项参数是标量相对容差'RelTol'（缺省值为1e-3）与绝对容差向量'AbsTol'（缺省的全部向量元素均为1e-6）。
（3）odeset函数的基本格式。odeset函数用来建立或改变options选项结构，其基本格式为
options=odeset（'namel'，valuel，'name2'，value2，…）
通过该odeset函数建立积分器选项options的结构，在options中所命名的属性具有指定值，对于任何未指定的属性均为缺省值。
options＝odeset（oldopts，'namel'， valuel，…）
通过该odeset函数改变现存选项结构oldopts。
options=odeset（oldopt， newopts）
通过该odeset函数将现有选项结构oldopts与新选项结构newopts结合在一起，新选项中的属性将覆盖对应原有属性。
2．机电系统仿真的ode函数实现
由ode函数可知，当已知系统由微分方程
加以描述时，并建立以'F'作为ODE文件名，则可应用
[t，y]=ode45('F'，tspan，y0)
实现对系统的求解分析。这里所讲的ODE文件实际就是M函数文件，因此对于以高阶微分方程加以描述的系统，首先应将其写成一组一阶微分方程的形式，当然如果系统是以状态方程描述的，即可直接对其编写M函数文件。函数文件的特征就是文件第一行一定是以function开始，而且在函数文件中的变量均为局部变量，同时由函数文件构造的功能函数可以像MAT-LAB的其他函数一样进行调用。实
际上在ode函数[t，y]＝ode45（'F'，tspan，y0）中，对以'F'作为文件名的ODE 文件就是这类函数文件。下面通过实例说明对系统仿真过程中的具体应用。
例4-1 之已知一三阶系统，其状态方程表达式为
其中
，
输入为u= 100，试应用ode函数求解该系统。
解：由于该系统是以状态方程形式给出的，因此即可直接对其编写M函数文件。
function xd= rr（t，x）
u＝100；
xd=[-14*x(1)+9*x(2)+10*x(3)+2.8*u；12*x(1)-9*x(2)
+10*x(3)+4*u；24*x(1)-24*x(2)-18*x(3)+12*u]；
该函数文件对所研究系统的状态方程加以描述并形成rr.m文件以便在ode解函数中使用后即可利用ode解函数对系统进行求解分析。考虑状态的零初值条件，即
图4-1 系统状态曲线
clear
x0=[0；0；0]；
[t，x]=ode45('rr'，[0 3]，x0)；
plot(t，x)
对其同样可存一M文件，如li32.m文件，这样即可在命令窗口执行该文件。在运行过程中它会自动调用相关 rr函数文件，实现预定的工作，图 4-1给出了相应的运行结果。
根据ode函数用途可知，该函数应用于求解常微分方程，因此对于含有输出方程的系统状态空间表达式就不能直接利用ode函数求解系统输出响应。考虑到ode函数返回变量的向量格式，可以根据输出方程的具体要求，由状态变量的线性组合直接得到所要求的系统输出。利用ode函数可以方便地对以微分方程形式描述的系统进行仿真分析，然而ode解函数并非是万能的，在应用ode函数时对其进行干预一般是不方便的，因此在很多情况下，对以微分方程形式给出的系统，还必须采用前面所介绍的各种数值积分方法进行仿真分析。
4．2．2 基于 M函数的面向微分方程的系统仿真
M函数是MATLAB中所特有的一类函数，前面介绍ode函数时已经使用了M函数。这里将介绍采用M函数建立描述系统的数学模型并在此基础上编制相应的程序。根据需要调用该M文件，实现所要求的运算。下面通过实例加以说明。
例4-2已知系统状态方程为
应用数值积分方法（预估校正梯形法）实现对系统状态的仿真研究。
解：首先建立描述该系统数学模型的M函数文件，相应的程序如下。
function df=rrl（X，u）
A= ［-0.5572 -0.7814； 0.7814 0］；
B=[1；0]
U= 20；
df=A*X+B*u
将该函数文件存盘取作rrl．m文件。然后根据预估校正梯形公式编制相应的程序。
h=0.0l；t0=0；tf=15；
X=[0 0]'； X1=[0 0]；
T=(tf-t0)/h
for i=l：T
K1=rrl（X，1）；
X=
X+h*K1
K2=rrl（X，
1）；
X= X+h*（K1+K2）/2
X1=[X1；X']；
end
plot（X1）
在该程序段中两次调用了rr1.m函数文件，在第一次调用rrl.m后，对各状态的计算将产生新值，因此K2就是经过预估计算所得到的相关值,从而即可应用梯形法实现对系统状态的仿真分析。图4-2给出了系统状态响应仿真曲线。
计算机仿真技术的应用与发展趋势 摘要 在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。从发展的历程来看，仿真技术应用的领域空前的扩大，已从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）扩展到产品设计开发和销售领域。而与网络技术结合所带来的仿真的分布性、与图形和传感器技术相结合所带来的仿真的交互性、以及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业中应用的新趋势。按照仿真技术应用的对象不同，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。本文将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。本文最后说明了虚拟现实和拟实制造的概念，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。 绪论 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－
数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。 1. 制造技术的发展历程 制造业（包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型材制造等部类）是国民经济的支柱产业，其生产总值一般占各国国内生产总值的 20%~55% 。在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占 60% 左右。所以有的专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，各国政府都非常重视对制造业的研究。 为了改进以 T （开发周期）、 Q （产品质量）、 C （开发成本）、 S （售后服务）、 E （环境污染程度）为主要衡量指标的产品及产品开发过程，美国在 80 年代末提出了包括系统总体技术、管理技术、设计制造一体化技术、制造工艺与装备技术、支撑技术五大技术群在内的先进制造技术（ AMT ： Advanced Manufacturing
4．机电系统动态性能的计算机仿真 4．1 概述 机电系统计算机仿真是目前对复杂机电系统进行分析的重要手段与方法。在进行机电系统分析综合与设计工作过程中，除了需要进行理论分析外，还要对系统的特性进行实验研究。系统性能指标与参数是否达到预期的要求？它的经济性能如何？这些都需要在系统设计中给出明确的结论。对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验，然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的，因此就必须对其进行模拟实验研究。当然在有些情况下可以构造一套物理模拟装置来进行实验，但这种方法十分费时而且费用又高，而在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对机电系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。所谓机电系统计算机仿真就是以机电系统的数学模型为基础，借助计算机对机电系统的动静态过程进行实验研究。这里讲的机电系统计算机仿真是指借助数字计算机实现对机电系统的仿真分析。这种实验研究的特点是：将实际系统的运动规律用数学表达式加以描述，它通常是一组常微分方程或差分方程，然后利用计算机来求解这一数学模型，以达到对系统进行分析研究的目的。 对机电系统进行计算机仿真的基本过程包括：首先建立系统的数学模型，因为数学模型是系统仿真的基本依据，所以数学模型极为重要。然后根据系统的数学模型建立相应的仿真模型，一般需要通过一定的算法或数值积分方法对原系统的数学模型进行离散化处理，从而建立起相应的仿真模型，这是进行机电系统仿真分析的关键步骤；最后根据系统的仿真模型编制相应的仿真程序，在计算机上进行仿真实验研究并对仿真结果加以分析。 机电系统计算机仿真的应用与发展已经过了近40年的历程，进入20世纪80
第十三章一般机械传动系统设计 现代机器由原动机部分、传动部分、执行部分三个基本部分组成。原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。通常，一部机器只用一个原动机，复杂的机器也可能有几个动力源。它们都是把其它形式的能量转换为可以利用的机械能。现代机器中使用的原动机多是以各式各样的电动机和热力机为主。执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。传动部分由图13-1可知，是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需要的运动形式、运动及动力参数的中间传动装置。机器的传动部分多数使用机械传动系统。它是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分，其质量和成本在整台机器的质量和成本中占有很大的比例。机器的工作性能在很大程度上取决于传动装置的优劣。因此，本章仅对机械传动系统的设计作一个简单的介绍。 原动机→→→???→ 传动机构传动机构传动机构→执行机构 图13-1 单路传动 §13.1机械传动方案的设计 传动系统方案设计是在完成了执行系统的方案设计和原动机的选型后进行的。机械传动系统除了进行运动和动力传递外，还可实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动等。满足原动机和工作机性能要求的传动方案，是由不同的组合方式和布置顺序构成的。 13.1.1传动类型的选择 传动机构的类型很多，选择不同类型的传动机构，将会得到不同形式的传动系统方案。为了获得理想的传动方案，需要合理选择传动机构类型。常用传动机构及其性能见表13-l。 表13-1 常用传动机构及其性能 传动类型传动效率传动比圆周速度 1 /m s- ? 外廓 尺寸 相对 成本 性能特点 带传动0.94～0.96 (平带) 0.92～0.97 (V带) ≤5～7 5～25 (30) 大低 过载打滑，传动平稳，能缓冲吸振， 不能保证定传动比，远距离传动 0.95～0.98 (齿型带) ≤10 50(80) 中低 传动平稳，能保证固定传动比 链传动0.90～0.92 (开式) 0.96～0.97 (闭式) ≤5(8) 5～25 大中 平均传动比准确，可在高温下传 动，远距离传动，高速有冲击振动
系统动态特性分析。 （1）时域响应解析算法――部分分式展开法。 用拉氏变换法求系统的单位阶跃响应，可直接得出输出c(t)随时间t 变化的规律，对于高阶系统，输出的拉氏变换象函数为： s den num s s G s C 11)()(?=? = （21） 对函数c(s)进行部分分式展开，我们可以用num,[den,0]来表示c(s)的分子和分母。 例 15 给定系统的传递函数： 24 50351024 247)(23423+++++++=s s s s s s s s G 用以下命令对 s s G ) (进行部分分式展开。 >> num=[1,7,24,24] den=[1,10,35,50,24] [r,p,k]=residue(num,[den,0]) 输出结果为 r= p= k= -1.0000 -4.0000 [ ] 2.0000 -3.0000 -1.0000 -2.0000 -1.0000 -1.0000 1.0000 0 输出函数c(s)为： 01 11213241)(+++-+-+++-= s s s s s s C 拉氏变换得： 12)(234+--+-=----t t t t e e e e t c （2）单位阶跃响应的求法： 控制系统工具箱中给出了一个函数step()来直接求取线性系统的阶跃响应，如果已知传递函数为： den num s G = )( 则该函数可有以下几种调用格式： step(num,den) (22) step(num,den,t) (23) 或 step(G) (24) step(G,t) (25) 该函数将绘制出系统在单位阶跃输入条件下的动态响应图，同时给出稳态值。对于式23和25，t 为图像显示的时间长度，是用户指定的时间向量。式22和24的显示时间由系统根据输出曲线的形状自行设定。
机械传动系统方案设计 一、传动系统的功能 传动系统是连接原动机和执行系统的中间装置。其根本任务是将原动机的运动和动力按执行系统的需要进行转换并传递给执行系统。传动系统的具体功能通常包括以下几个方面： （1）减速或增速； （2）变速； （3）增大转矩； （4）改变运动形式； （5）分配运动和动力； （6）实现某些操纵和控制功能。 二、机械传动的分类和特点 1、机械传动的分类 1) 按传动的工作原理分类 2) 按传动比的可变性分类 机械传动 动 啮合传动 摩擦传动 有中间挠性件 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 齿轮系传动 定轴轮系传动 周转轮系传动 链传动 同步带传动 普通带传动 绳传动 摩擦轮传动
2、机械传动的特点 (1) 啮合传动的主要特点 优点：工作可靠、寿命长，传动比准确、传递功率大，效率高（蜗杆传动除外），速度范围广。 缺点：对加工制造安装的精度要求较高。 (2) 摩擦传动的主要特点 优点：工作平稳、噪声低、结构简单、造价低，具有过载保护能力。 缺点：外廓尺寸较大、传动比不准确、传动效率较低、元件寿命较短。 三、机械传动系统的组成及常用部件 1、传动系统的组成 减速或变速装置 起停换向装置 制动装置 安全保护装置 2、常用机械传动部件 1）减速器 减速器是用于减速传动的独立部件，它由刚性箱体、齿轮和蜗杆等传动副及若干附件组成，常用的减速器如图1所示。 2）有级变速装置 ① 交换齿轮变速装置 ② 离合器变速装置 机械传动 定传动比传动 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 链传动 带传动 有级变速传动 变传动比传动 无级变速传动 摩擦轮无级变速传动 带式无级变速传动 链式无级变速传动
摘要：经过半个多世纪的发展，仿真技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性学科。本文对建模与仿真技术发展趋势作了比较全面的分析。仿真建模方法更加丰富，更加需要仿真建模具有互操作性和可重用性，仿真建模与可信度评估成为仿真建模发展的重要支柱；仿真体系结构逐渐形成标准，仿真系统层次化、网络化已成为现实，仿真网格将是下一个重要发展方向；仿真应用领域更加丰富，向复杂系统领域发展，并将更将贴近人们的生活。 经过半个多世纪的发展，仿真技术已经成为人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性学科。仿真技术的领域不在局限于某些尖端学科技术研究领域，而成为一项被众多学科领域广泛采用的通用型技术。半个世纪以来，仿真救赎一方面始终是建模技术、计算技术和其他信息技术最先的应用者，另一方面是对计算技术和网络技术等的发展不断提出新的挑战。 在我国建模与仿真方法是随着应用需求的发展不断的进步，近十年来仿真技术发展是沿着以应用需求牵引建模与仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与仿真技术突破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、将建模与仿真系统又服务于应用良性循环的道路向前发展。 仿真技术研究人员一方面不断地扩展仿真应用领域，另一方面，其他领域研究的丰富成果与不断促使仿真技术人员从新的角度、新的高度、新的广度认识建模与仿真。在近半个世纪的积累和近十年的快速发展的基础上，建模与仿真技术已经成为以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、实验与运行的一门综合性技术。 仿真建模的发展 仿真是基于建模的活动，模型建立、实现、验证、应用是仿真过程不变的主题。随着时代的发展，仿真模型包含的内容大大扩展，建模方法日益多样，模型交互性和重要性变的越来越重要，模型的校核与验证的成功为仿真中必要步骤。 -----------------------------------系统仿真学报杨明张冰王子才哈尔滨工业大学，哈尔滨150001 基本概念 系统：按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。模型：从特定应用角度，表达对象系统特征与特性的形式。仿真：用物理模型或数学模型代替实际系统进行实验和研究。 对象系统：仿真、分析与研究的对象。仿真系统：实施仿真的系统。 仿真分类：
《电力电子系统的计算机仿真》题目：方波逆变电路的计算机仿真
电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。 我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。 【关键字】电力电子，MATLAB，仿真。
第一章电力电子与MATLAB软件的介绍 一、电力电子概况 二、MATLAB软件介绍 第二章电力电子器件介绍 一、电力二极管特性介绍 二、晶闸管特性介绍 三、IGBT特性介绍 第三章主电路工作原理 一、单相桥式逆变电路 二、三相桥式逆变电路 三、PWM控制基本原理 第四章仿真模型的建立 一、单极性SPWM触发脉冲波形的产生 二、双极性SPWM触发脉冲波形的产生 三、单极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路 四、双极性SPWM方式下的单相桥式逆变电路第五章仿真结果分析 第六章心得体会 第七章参考文献
为系统的仿真提供了极大便利。在Simulink平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行仿真。在Simulink平台上仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。现在的MATLAB都同时捆绑了Simulink，Simulink的版本也在不断地升级，从1993年的MATLAB4.0／Simulink1.0版到2001年的MATLAB6.1／Simulink4.1版2002年即推出了MATLAB6.5／Simulink5.0版。MATLAB已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算和仿真平台。 Simulink原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人Simulink中，形成了模块库。Simulink的模块库实际上就是用MATLAB基本语句编写的子程序集。现在Simulink模块库有三级树状的子目录，在一级目录下就包含了Simulink最早开发的数学计算工具箱、控制系统工具箱的内容，之后开发的信号处理工具箱(DSP Blocks)、通信系统工具箱(Comm)等也并行列入模块库的一级子目录，逐级打开模块库浏览器(Simulink Library Browser)的目录，就可以看到这些模块。 Simulink创建模型、仿真的过程方法介绍如下： 1、Simulink建模 一个典型的Simulink模型由信号源模块、被模拟的系统模块和输出显示 模块三个类型模块构成。其基本特点有：
常用机械传动系统的主要类型和特点 2H310000 机电工程技术 2H311000 机电工程专业技术 2H311010 机械传动与技术测量 ――2H311011 掌握传动系统的组成 一、常用机械传动系统的主要类型和特点 机械传动的作用：传递运动和力； 常用机械传动系统的类型：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、轮系；带传动、链传动； （一）齿轮传动 1、齿轮传动的分类 （1）分类依据：按主动轴和从动轴在空间的相对位置形成的平面和空间分类 两平行轴之间的传动――平面齿轮传动（直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动；齿轮齿条传动） 用于两相交轴或交错轴之间的传动――空间齿轮传动（圆锥齿轮传动、螺旋齿轮传动（交错轴）） 用于空间两垂直轴的运动传递――蜗轮蜗杆传动 （2）传动的基本要求： 瞬间角速度之比必须保持不变。 （3）渐开线齿轮的基本尺寸： 齿顶圆、齿根圆、分度圆、模数、齿数、压力角等 2、渐开线齿轮的主要特点： 传动比准确、稳定、高效率； 工作可靠性高，寿命长； 制造精度高，成本高； 不适于远距离传动。
3、应用于工程中的减速器、变速箱等 （二）蜗轮蜗杆传动 1、用于空间垂直轴的运动传递――蜗轮蜗杆传动 2、正确传动的啮合条件――蜗杆的轴向与蜗轮端面参数的相应关系蜗杆轴向模数和轴向压力角分别等于蜗轮端面模数和端面压力角。 3、蜗轮蜗杆传动的主要特点： 传动比大，结构紧凑； 轴向力大、易发热、效率低； 一般只能单项传动。 （三）带传动 1、带传动――适于两轴平行且转向相同的场合。 带传动组成：主动轮、从动轮、张紧轮和环形皮带构成 2、带传动特点： 挠性好，可缓和冲击，吸振； 结构简单、成本低廉； 传动外尺寸较大，带寿命短，效率低； 过载打滑，起保护作用； 传动比不保证。 切记：皮带打滑产生一正一负的作用： 即过载打滑，起保护作用； 打滑使皮带传动的传动比不保证。 （四）链传动 1、链传动――适于两轴平行且转向相同的场合。 链传动组成：主动链轮、从动链轮、环形链构成
动态系统建模仿真实验报告 实验二，实验四
实验二直流电动机-负载建模及仿真实验 1实验内容 在运动控制系统中电机带动负载转动，电机-负载成为系统的被控对象。本实验项目要求根据电机工作原理及动力学方程，建立模型并仿真。 2实验目的 掌握直流电动机-负载的模型的建立方法； 3实验器材 （1）硬件：PC机。 （2）工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。 4实验原理 在很多应用场合中，直流电动机的输出轴直接与负载轴相连，转动部件固定在负载轴上，即为常见的电机直接驱动负载形式。如果不考虑传动轴在转动过程中的弹性形变，即把传动轴的刚度看作无穷大，就可以在系统设计过程中，将执行电机和负载视为一个整体对象，这样被控对象的模型就可以用如图2.1所示的 框图来表示。其中 U表示控制电压；a U，a L，a R分别表示电机的电枢电压，电 r 枢电感和电枢电阻； J为电机的转动惯量，L J为负载的转动惯量，包括由电机 m 驱动的转动体、轴承内圈、转动轴、轴套、速度测量元件、角度测量元件以及被测试件折合到电机轴上的转动惯量等； D、L D分别表示电机和负载的粘性阻尼 m 系数； k为电机的电磁力矩系数；e k为电机的反电势系数；mθ为电机-负载的转 m 角， θ 为电机-负载的角速度。 m 在这一实验中，认为电机与负载的转角是相同的，并考虑了电机及负载转动中产生的粘滞阻尼力矩，所以其电压方程、力矩方程变为如下形式
?????+=+--=+=-s s J J D D M s I k s k s E s s I T s I Ra s E s Ua m l m L m l m m e l )()()()()()())()(()()(θθ (2.1) 由方程组（2.1）可以得到相应的结构框图如图1所示。 图1直流电动机-负载数学模型结构框图 5实验要求： （1）建立从a u 到m θ 的传递函数模型，求其频率特性，并与项目1中的电机频率特性进行对比。 （2）分别取（Dm+D L ）1=0.1（Dm+D L ）和（Dm+D L ）2=0.01（Dm+D L ），编制MATLAB 或simulink 程序，比较阻尼系数不同时电机-负载模型的频率特性。 （3）分别取J L1=0.1J L 和J L ２=10J L ，编制MATLAB 或simulink 程序，比较电机-负载模型的频率特性。 实验所需具体参数如下表。
机电控制技术综述 机电控制是在以大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术高速发展并逐步向传统机械工业渗透的过程中形成的新概念。机电可能告知实现了机械技术与微电子，信息，软件等技术的有机结合，及大地扩展了机械系统的发展空间。 1.机电控制系统的发展历史 大体上可以分为三个阶段： a 20世纪60年代以前为第一阶段，第一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子结束的结合。那时，胭脂盒开发总体上看来处于自发状态。由于但是电子技术的发展尚未达到一定的水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。 b 20世纪70-80年代为第二阶段，可称为机电控制技术蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术，控制技术，通信技术的发展，为机电控制技术的发展奠定了技术基础。大规模，超规模集成电路和微型计算机的出现，为机电控制技术的发展提供了充分的物质基础。大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电控制技术和产品得到极大的发展；各国均开始对机电控制技术和产品给予很大的关注和支持。 C 20世纪90年代为后期，开始了机电控制技术向智能化方向买进的新阶段，机电控制技术进入深入发展时期。一方面，光学，通信技术等进入机电控制技术，微细加工技术也加入机电控制技术中崭露头脚，出现了光机电控制技术和为机电控制技术等分支；另一方面，对机电控制系统的建模设计，分析和集成设计，机电控制技术的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，人工智能技术，神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电控制技术开辟了发展的广阔天地。 随着相关技术的发展，机电控制技术将向着智能化，网络化一体化方向发展。典型的系统如数控加工中心，数控机床，工业机器人。物料自动传输与识别系统等，以及以这些系统为基础二主城的更大更复杂的系统如柔性制造系统（FMS），计算机集成制造系统（CIMS）等现代制造系统。 纵观国内外机电控制技术的发展现况和高新技术的发展方向，机电控制技术吵着这几个方向发展：绿色化智能化网络化微型化模块化。 2.机电控制系统的基本要素 常见的机电控制系统应包括机械本体、传动装置、检测传感部分、执行装置、驱动部分、控制和信息处理单元及接口等基本要索。 2.1机械本体 机械本体是机电控制系统所有功能元素的机械支持部分，包括机身、框架和机械连接等。 2.2传动装置 传动装置的主要功能是传递转矩和转速，因此,除要求具有较高的定位精度外，还应具有良好的动态响应特性。常用的传动装置包括齿轮传动装置、带传动装置、链传动装置、挠性传动装置、间歓传动装置和轴系传动装置等。
实验报告2 报告名称：典型系统动态性能和稳定性分析 一、实验目的 1、学习和掌握动态性能指标的测试方法。 2、研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。 二、实验内容 1、观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。 2、观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。 三、实验过程及分析 1、典型二阶系统 结构图以及电路连接图如下所示： 对电路连接图分析可以得到相关参数的表达式： ；；； 根据所连接的电路图的元件参数可以得到其闭环传递函数为 ；其中； 的阻值，能够调节闭环传递函数中的阻尼系数，调节系统性能。 因此，调整R x 当时，为过阻尼系统，系统对阶跃响应不超调，响应速度慢，因此有如下的实验曲线。 当时，为临界阻尼系统，系统对阶跃响应恰好不超调，在不发生超调
的情况下有最快的响应速度，因此有如下的实验曲线。对比上下两张图片，可以发现系统最后的稳态误差都比较明显，应该与实验仪器的精密度有关。同时我们还观察了这个系统对斜坡输入的响应，其特点是输出曲线转折处之后有轻微的上凸的部分，最后输出十分接近输入。 当时，为欠阻尼系统，系统对阶跃超调，响应速度很快，因此有如下的实验曲线。 2、典型三阶系统 结构图以及电路连接图如下所示： 根据所连接的电路图可以知道其开环传递函数为： 其中，R 的单位为kΩ。系统特征方程为，根据 x 劳斯判据可以知道：系统稳定的条件为0
计算机仿真试验报告 自动化1201 ** 3120502007 [实验目的] (1)．掌握采样控制系统数字仿真的特点。 (2)．了解数字控制器对系统动态性能的影响。 (3)．学会编制双重循环法的仿真程序。 (1). 复习采样控制系统的仿真原理及特点。 (2)．根据理论分析，初步估计系统在给定条件下可能出现的动态过程。
(1).按实验目的、要求和已知条件，建立系统的Simulink模型，并且编制双重循环法的仿真程序。 1) Simulink模型建立: 根据题目给出的条件，数字控制系统的结构图如下图所示： 其中的其中数字控制器为： 根据上面结构图，所建立 2) 编制双重循环法的仿真程序 根据数字控制系统的结构图与条件(1)式，我们可以得到得到被控对象的状态空间模型：
[]112212()()0010()() ()110()()01()x t x t u t x t x t x t y t x t ?????????=+?????????-? ????????? ?? ?=??? ??? (2) 按连续系统离散相似算法将（2）式离散化。为了保证精度，其离散化时的步长h （虚 拟采样周期）应比数字控制器的实际采样周期T (=1s)小得多。为简化起见，取h=T/N=T/100=0.01T=0.01s 。 利用MATLAB 控制系统工具箱提供的将连续系统转换成离散系统的函数c2d ，把连续状态空间模型(2)变换为离散状态空间模型。 离散程序如下（程序1）： clear; h=0.01; A=[0 0;1 -1]; B=[10;0]; [G,H]=c2d(A,B,h) 运行后的结果为： 即： 1 0(())0.010.99T ??==???? G Φ （3） 0.1(())0.0005T ?? ==? ? ?? H Γ （4） 故连续系统被控对象（2）的等价离散化状态方程为： []112212(1)()100.1()(1)()0.010.990.0005()()01()x k x k u k x k x k x k y k x k ?+???????? =+????????? +???? ?????? ?? ?=??? ??? （5）
第一次形成作业答案 使用的教材：见学校说明。 作业必须手写（做答案）不能用计算机打印 名词解释 1机电一体化：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。 2机械传动：是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置,是一种扭矩和转速的变换器,其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配,并可通过机构变换实现对输出的速度调节。 3总线：为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。 4故障覆盖率：即被检测的故障数与所有检测的故障数之比的百分数表示，又称为故障被测度。 5压电效应：某些电介质，当沿着一定的方向对它施加力而使它产生变形时，内部就会产生极化现象，同时在它的两个表面上将产生符号相反的电荷。当外力去 掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。 6三相六拍工作方式：每转换六次为一循环，各拍交替出现单双相通电的模式,定子绕组通电次序为A-AB-B-BC-C-CA-A。 7位置随动系统：位置输出量以一定的精度复现输入量变化的自动控制系统，称为位置随动系统，也称为伺服系统。 8“浴盆”曲线：实质上是一条瞬变故障曲线，它描述了机电一体化系统瞬时故障随时间变化的关系。 9 FMS系统：即柔性制造系统，是以数控机床为基础发展起来的一种高效率、多品种、小批量生产系统。一般来说，一个典型的 FMS 主要由四个子系统组成。它们是：自动加工系统、刀具系统物流系统以及控制与管理系统。 10 D/A转换器：即数字－模拟信号转换器，其功能是将计算机输出的数字信号转换为模拟的电压信号。 填空题 1机电一体化系统的基本组成要素有（1），（2），（3），（4），（5）。（结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素）
液压成形按成形方式可分为管道液压成形和板材液压成形，按有无模具分可分为有模液压成形和无模液压成形。而板材液压成形是金属塑性成形的一种新工艺，它采用液体代替传统的刚性凹模或凸模，使坯料在液体的高压作用下贴合凸模或凹模表面成形。板材液压成形能克服传统刚性凸、凹模成形工艺的不足，具有制模简单、成本低、成形极限高、成形质量好等特点，可在一道工序内成形具有复杂形状的零件，是实现汽车轻量化的重要途径之一。 最早出现的板材液压成形工艺是橡皮膜液压成形，后又发展为充液拉延工艺（又称对向液压拉延）。欧、美、日本等国家较早地开展了工艺试验研究及设备的开发工作，随后虽有一些工业应用的实例，但应用范围仍不广。二十世纪70年代中期以后，日本学者对这项工艺进行了较为细致的试验研究，提出了一些抑制破裂等成形缺陷的措施，使充液拉延工艺在日本进入了实用阶段，广泛用于反光罩、航空部件及汽车覆盖件的生产。充液拉延工艺在不断发展中形成了多种新工艺。目前日本、德国、美国等对该技术做了大量研究，已广泛应用于航空、航天、汽车、化工、机械、民用等领域。 板材液压成形技术与普通成形技术相比主要具有以下特点及优点： 1) 仅仅需要一套模具中的一半(凹模或凸模)，流体介质取代凹模或凸模来传递载荷以实现板材成形，这样不仅降低了模具成本，而且缩短了生产准备周期。 2) 提高产品质量，显著提高产品性能:质量轻、刚度好、尺寸精度高、承载能力强、残余应力低、表面质量优良。 3) 可以成形复杂薄壳零件，减少中间工序，尤其适合一道工序内成形具有复杂形状的零件，甚至制造传统加工方法无法成形的零件，材料利用率高。 4) 通过液压控制系统对流体介质的控制，易于实现零件性能对成形工艺的要求，材料合理分配。 5) 模具具有通用性，不同材质、不同厚度的坯料可用一副模具成形。 目前，为了适应生产需求，提高生产效率，欧、美、日等国家都开发出了专用的液压成形设备。日本于90年代初期在丰田汽车厂建成以40 MIA大型充液拉延设备为中心的冲压自动生产线。瑞典还开发了配备在液压机上的充液拉延装置，该装置具有独立的液压系统，可实现高压液体的灌注、升压、保压、卸压等要求，液体压力可进行调节，调节范围为20 MPa一120 MPa。 目前在国内没有厂家能够提供板材液压成形的专用设备，此项技术在国内仍是空白。开展板材液压成形装备关键技术的研究，对增强我国装备技术实力，提高我国的装备制造水平，具有重要的现实意义。 在板材液压成形装备技术中，技术关键包括： 1) 装备的总体配置技术：包括机身结构选择（单柱、双柱、四柱结构、框架、钢丝缠绕结构）、液压系统配置和计算机控制系统的配置等。 2) 液压增压系统：包括增压系统的动态特性、密封、超高压技术等。 3) 工艺过程的计算机控制：包括材料性能参数、摩擦系数的在线辩识，压边力与成形液压力的优化控制等。 在液压成型过程中，液压系统的压力设定、控制和密封对于板料成形的影响较大，而且各参数之间有很多组合，加上液压系统在成形瞬间对模具的冲击，振动等对板料的成形也有很大的影响，因此对一种零件的板料成形，其各参数的确定都比较困难。目前为得到一种具体零件的液压成形过程中液压系统各参数的设定都采用反复试验的办法，既繁琐又不经济。采用malab/simulik软件包分析一些主要的参数对板料成形性能的影响，可以在模拟之中得到液压系统各参数变化对成形工艺的影响，并获得所需参数。 板材成形数值模拟研究始于60年代对液压元件和系统利用计算机进行仿真的研究和应用已有三十年的历史。随着流体力学，现代控制理论，算法理论，可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的有力工具。 由于过去对动态特性的分析缺乏较成熟的方法，所以设计液压系统主要根据所要求的自动工作循环及
一曲柄滑块机构运动学仿真 1、设计任务描述 通过分析求解曲柄滑块机构动力学方程，编写matlab程序并建立Simulink 模型，由已知的连杆长度和曲柄输入角速度或角加速度求解滑块位移与时间的关系，滑块速度和时间的关系，连杆转角和时间的关系以及滑块位移和滑块速度与加速度之间的关系，从而实现运动学仿真目的。 2、系统结构简图与矢量模型 下图所示是只有一个自由度的曲柄滑块机构，连杆与长度已知。 图2-1 曲柄滑块机构简图 设每一连杆（包括固定杆件）均由一位移矢量表示，下图给出了该机构各个杆件之间的矢量关系 图2-2 曲柄滑块机构的矢量环
3．匀角速度输入时系统仿真 3.1 系统动力学方程 系统为匀角速度输入的时候，其输入为输出为；。 (1) 曲柄滑块机构闭环位移矢量方程为: (2)曲柄滑块机构的位置方程 (3)曲柄滑块机构的运动学方程 通过对位置方程进行求导，可得 由于系统的输出是与，为了便于建立A*x=B形式的矩阵，使x=[], 将运动学方程两边进行整理，得到 将上述方程的v1与w3提取出来，即可建立运动学方程的矩阵形式 3.2 M函数编写与Simulink仿真模型建立 3.2.1 滑块速度与时间的变化情况以及滑块位移与时间的变化情况 仿真的基本思路：已知输入w2与，由运动学方程求出w3和v1，再通过积分，即可求出与r1。 （1）编写Matlab函数求解运动学方程 将该机构的运动学方程的矩阵形式用M函数compv（u）来表示。 设r2=15mm，r3=55mm，r1（0）=70mm，。 其中各个零时刻的初始值可以在Simulink模型的积分器初始值里设置
M函数如下： function[x]=compv(u) %u(1)=w2 %u(2)=sita2 %u(3)=sita3 r2=15; r3=55; a=[r3*sin(u(3)) 1;-r3*cos(u(3)) 0]; b=[-r2*u(1)*sin(u(2));r2*u(1)*cos(u(2))]; x=inv(a)*b; （2）建立Simulink模型 M函数创建完毕后，根据之前的运动学方程建立Simulink模型，如下图： 图3-1 Simulink模型 同时不要忘记设置r1初始值70，如下图： 图3-2 r1初始值设置
3-1 题图3-1所示的阻容网络中，i ()[1()1(30)](V)u t t t =--。当t =4s 时，输出o () u t 值为多 少？当t 为30s 时，输出u o (t )又约为多少？ 解：661(s)111 1(s)1110410141o i U sC U RCs s R sC -====+???+++ (4)0.632(V)o u ≈，(30)1(V) o u ≈ 3-2 某系统传递函数为2 1 ()56 s s s s +Φ= ++，试求其单位脉冲响应函数。 解： 2(s)112 (s)5623o i X s X s s s s +-==+++++ 其单位脉冲响应函数为 23(t)(e 2e )1() t t x t δ--=-+? 3-3 某网络如图3-3所示，当t ≤0-时，开关与触点1接触；当t ≥0+时，开关与触点2接触。 试求输出响应表达式，并画出输出响应曲线。 1V 题图3-1 题图3-3 解： 1(s)1 1(s)2121 ()o i R U RCs s sC U RCs s R R sC + +===++++ 01(t)1(2)1()(V)i i i u u u t =+=+-? 1111212 (s)(s)121212 o i s s U U s s s s s ++-= ==-+++ 则
2 1(t)(e 2)1()(V) t o u t - =-? 12 01(t)1(e 2)1()(V) o o o u u u t -=+=+-? 其输出响应曲线如图3-3所示 图3-3 题图3-4 3-4 题图3-4所示系统中，若忽略小的时间常数，可认为 1d 0.5()d y B s x -=?。其中，ΔB 为阀芯位移，单位为cm ，令a =b （ΔB 在堵死油路时为零）。 (1) 试画出系统函数方块图，并求 (s) (s) Y X 。 (2) 当i ()[0.51()0.51(4)1(40)]cm x t t t s t s =?+?---时，试求t =0s,4s,8s,40s,400s 时的y (t )值，()B ?∞为多少？ (3) 试画出x (t )和y (t )的波形。 解：（1）依题意可画出如图3-4所示的系统函数方块图， 图3-4-1 则
实验一 MATLAB 基本操作 一、实验目的: ①通过上机实验操作,使学生熟悉 MA TLAB 实验环境,练习 MA TLAB 命令、m 文件,进行矩阵运算、图形绘制、数据处理。 ②通过上机操作, 使得学生掌握 Matlab 变量的定义和特殊变量的含义,理解矩阵运算和数组运算的定义和规则。 ③通过上机操作,使得学生掌握数据和函数的可视化,以及二维曲线、三维曲线、三维曲面的各种绘图指令。 二、实验原理与说明 Matlab 是 Matrix 和 Laboratory 两词的缩写,是美国 Mathworks 公司推出的用于科学计算和图形处理的可编程软件,经历了基于 DOS 版和 Windows 版两个发展阶段。 三、实验设备与仪器: PC 电脑, Matlab7.0仿真软件 四、实验内容、方法与步骤: 数组运算与矩阵运算 数组“除、乘方、转置”运算符前的“ . ”决不能省略,否则将按矩阵运算规则进行运算; 执行数组与数组之间的运算时, 参与运算的数组必须同维,运算所得的结果也与参与运算的数组同维。 A=[ 1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]; B=[-1 -2 -3; -4 -5 -6; -7 -8 -9];
X=A.*B Y=A*B plot 用于二维曲线绘图,若格式为 plot (X , Y , ’ s ’ ,其中 X 为列向量, Y 是与 X 等行的矩阵时,以 X 为横坐标,按 Y 的列数绘制多条曲线; 若 X 为矩阵, Y 是向量时,以 Y 为纵坐标按 X 的列数(或行数绘 制多条曲线。 参考程序如下: t=(0:pi/100:pi' y1=sin(t*[-1 1]; y2=sin(t.*sin(9*t; plot(t,y1, 'r:', t, y2, 'b-.' axis([0 pi, -1, 1] title('Drawn byDong-yuan GE' 程序运行界面如下:
第4单元学时数：学时教案目的与要求： 理解运动链的可动性及运动确定性的条件； 能正确计算平面机构的自由度。 教案重点与难点： 重点：平面机构自由度的计算 难点：自由度计算时应注意的特殊结构 教案手段与方式： 课堂讲授， 教案内容： 第一章机械传动系统的运动分析 第三节平面机构的自由度 一、平面机构自由度的计算 二、机构具有确定运动的条件 三、计算平面机构的自由度时应注意的特殊结构 第四节机械传动系统的运动分析实例 第一章机械传动系统的运动分析 第三节平面机构的自由度 一、平面机构自由度的计算 1．平面机构自由度 机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。 构件的自由度
两构件用运动副联接后，彼此的相对运动受到某些约束。 低副引入两个约束！（图形见课件） 高副引入一个约束！（图形见课件） 2．机构自由度计算的一般公式 F ＝3n －2P L －P H n —活动构件数；P L —低副数；P H —高副数 例1：计算曲柄滑块机构的自由度（动画见课件） 解：活动构件数n=3 低副数PL=4 高副数PH=0 F ＝3n － 2PL － PH ＝3×3 － 2×4 ＝1 例2：计算五杆铰链机构的自由度 解：活动构件数n ＝4 低副数PL ＝5 F ＝3n － 2PL － PH ＝3×4 － 2×5 ＝2 例3：计算图示凸轮机构的自由度（动画见课件） 解：活动构件数n ＝2 低副数PL ＝2 高副数PH ＝1 F ＝3n － 2PL － PH ＝3×2 － 2×2 －1 ×1 ＝1 F = 3×2 – 2×3= 0 (桁架)F = 3×3 – 2×5 = -1(超静定桁架) 1．机构自由度数2 1．复合铰链 S 3 1 2 3 1 2 3 4 θ1 1 2 3
机械传动系统设计 第一节概述 一台机器是由原动机、传动系统、工作机构和操纵控制四个部分组成，在这里只讲传动系统设计。它是将电动机的运动和动力传递给工作机构的中间传动装置，用来实现减速（或增速）、变速、转换运动形式等。 机械传动系统设计的一般程序是： 1．机构选型：根据机器的功能要求，工作机构对动力、传动比或速度变化的要求，以及原动机的工作特性，选择机械传动系统所需的机构类型。 2．拟定传动系统总体布置方案：根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动机构的特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，以完成原动机到工作机构之间的传动系统的总体布置方案。 3．选择电动机，确定传动系统的总传动比。 4．总传动比分配：根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配到各级传动机构。 5．传动系统的运动和动力参数计算：机械传动系统的运动和动力参数主要指各级传动比、各轴的转速、转矩、功率等。 6．确定机械传动系统的主要参数和几何尺寸：通过各级传动机构的承载能力计算，确定主要参数。在此基础上，进行传动零件及传动系统主要几何尺寸计算，最后绘制出传动系统运动简图及总装配图。
第二节机械传动系统方案设计 机械传动系统的方案设计是机械设计工作中的一个重要组成部分，是最具创造性的设计环节。正确合理地设计机械传动系统，对提高机械的性能和质量、降低机械的制造成本和使用费用等都是至关重要的。 任何机械其传动系统设计方案都不是唯一的，在相同设计条件下，可以有不同的传动系统方案，最后确定的应是其中最佳方案。 传动系统方案设计首先应满足工作机的工作要求（如功率及转速），另外结构简单紧凑、加工方便、成本低、传动效率高、使用维护方便等特点。见图表2－1和2－2 减速器类型和传动系统方案。 在做课程设计时，如果设计任务书已给定传动方案，表中传动方案设计就不必做了，只要按设计任务书要求选电动机，计算有关参数。 第三节选择电动机 1．选择电动机的类型和结构 电动机的类型很多，常用的Y系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机。由于三相异步电动机具有结构简单、工作可靠、价格便宜、效率高、使用方便等特点，所以现代机器中应用最广泛。 2．选择电动机的容量（功率） 电动机的功率选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。 功率小于工作要求则不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期超载运行而过早损坏；功率选得过大，电动机价格过高，传动能力又不能