机械结构因素对反馈控制系统的影响

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第404页（1488字）

机械结构对控制系统的性能有直接关系。为了便于分析，往往把机械参数理想化，如把传动系统的刚度看作无穷大；忽略齿轮传动间隙，将齿轮传动视为传递系数为传动比的比例环节；忽略机械传动中的摩擦等。在某些情况下，这样的分析结果会与实际情况有很大差别。因此，了解机械结构因素对控制系统的影响十分必要，

5．1．1 传动间隙对控制系统性能的影响

在控制系统中，往往通过齿轮系进行运动传递。理想的齿轮传动的输入转角和输出转角之间是线性关系。实际上，相互啮合齿轮之间总是存在间隙的。间隙对控制系统性能的影响比较复杂。一般来说，间隙的存在会使系统输出在相位上滞后，从而使系统的稳定裕量减少，动态性能变坏，甚至可能引起系统自激振荡。

提高齿轮加工精度，采用双片齿轮传动或在系统中引入适当的相角超前网络等，都是减小间隙对系统性能影响的有效措施。

控制系统中的减速齿轮，以选用直齿轮最为简单可靠；斜齿轮常用于高速传动；锥齿轮因有轴向力而很难保证小的齿侧间隙，一般不宜采用；蜗轮副因效率和刚度均较低，也不宜采用。近年来，谐波传动装置已获实际应用，这种传动装置可获得的速比大，而且传动效率高。

5．1．2 摩擦对控制系统的影响

摩擦特性如图1．9－12所示，在控制系统中，摩擦不仅会造成系统的稳态误差，而且还会影响系统低速运动的平稳性。为提高系统的精度和低速平稳性，减少摩擦和摩擦力的变动，通常采用的方法是改善润滑条件，采用滚动接触等。在要求高的场合，可采用静压轴承、静压导轨等技术，使摩擦系数减小到f=(1．0～4．0)×10^－4。

5．1．3 转动惯量对控制系统的影响

减小转动惯量(对平移运动则为控制对象的质量)，对提高系统的相对稳定性、响应快速性、低速平稳性以及提高系统的加速度，或在保证负载加速度的情况下减小电动机的输出功率等，都是有利的。减小转动惯量通常采取以下措施：

①选择转矩—惯量比大的伺服电机。转矩一惯量比表征了伺服系统快速性的极限系数，应尽可能增大。因此，设计伺服系统时应尽量选用低惯量的直流控制电机。

②设计传动装置、机械结构时，应在保证结构强度、刚度以及不失稳的前题下，减轻各部件的质量、减小外径以及减小回转部分的重心与回转轴之间的距离等来减小转动惯量。此外，提高传动比是减小负载轴折算到电机轴转动惯量的有效措施。

5．1．4 弹性变形对控制系统的影响

在控制系统中，主要的变形出现在机械传动装置中。

弹性变形影响控制系统的控制精度、快速性及稳定性。因此对于上述指标要求较高的控制系统来说，机械传动装置中的弹性变形应设法减小。

减小弹性变形的根本措施，是增加传动系统的刚度，而且主要是加大传动系统最后几根轴的刚度。因为末级轴的刚度对等效刚度的影响最大^［7］。