1、绪绪 论论v运动控制概念运动控制概念v伺服系统设计课程特点伺服系统设计课程特点v伺服控制技术的发展伺服控制技术的发展 v伺服系统的组成伺服系统的组成v伺服系统技术指标伺服系统技术指标 v伺服系统设计内容与步骤伺服系统设计内容与步骤 运动控制概念v运动控制起源于早期的伺服驱动技术,随着电力电子技术、微电子技术及计算机技术的迅猛发展,原有的电气传动控制的概念已经不能充分反映现代自动化系统的控制体系。v因此 1988 年前后,国际上开始出现“运动控制”(MOTION CONTROL)这一名称。v运动控制是指在复杂条件下,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,实现机械运动精确的位置控制、速度
2、控制、加速度控制、转矩或力的控制,它是控制电机技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉应用技术。 运动控制概念v运动控制系统可分为强电(功率变换)和弱电(信号处理与控制)两部分,前者依赖于电力电子器件,后者决定于控制器件。 v运动控制的控制器件经历分立电子元件、集成电路等发展阶段,直至微型计算机的出现,使控制器件发生了飞跃由硬件电路发展到软件控制,运动控制系统也随之进入微机控制全数字的新阶段。 运动控制概念v 一个运动控制系统主要的性能指标一般为:动态响应的快速性、稳态跟踪的高精度以及行为的鲁棒性。v这些指标是一个统一的整体,是实现一个运动控制系统的关键技术所在。
3、v目前高性能的运动控制技术在数控加工等应用领域上所面临的主要问题:v一是在存在扰动、非线性、模型和参数不确定性的情况下如何设计高性能的控制器;v二是如何实现动态响应的快速性和状态监控。其运动控制性能的获得和问题的解决不仅意味着执行机构和仪器等方面的先进技术,更重要的是新型控制策略的应用。 数控系统及其伺服驱动技术 v 机床领域的运动控制技术称为数控即数字控制,指数字信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法,如果采用计算机来实现部分或全部数控功能,则称为计算机数控。 v数控系统一般由计算机数控装置(CNC 装置)、伺服驱动装置、位置检测装置、可编程控制器(PLC)、辅助控制装置及输入/输出与
4、通信接口等部分构成。数控系统及其伺服驱动技术v 数控装置(CNC):是数控系统的核心,它的主要功能是将输入的数控加工程序 经过输入、缓存、译码、寄存、运算、存储等转变成控制指令实现直接或通过可编 程逻辑控制器(PLC)对伺服驱动系统的控制。 v 输入/输出装置:是数控系统和操作人员进行信息交流所必须具备的交互设备, 最基本的输入/输出装置是键盘、显示器等,系统可通过键盘输入程序、编辑修改 程序和发送操作命令;显示器为操作人员提供必要的信息,根据系统所处的状态和操作命令的不同,显示的信息可以是在编辑的程序,或是机床的加工信息。数控系统及其伺服驱动技术v检测装置:即反馈元件,是半闭、闭环系统设有的
5、反馈装置。由测量元件和显示环节组成,显示位移量的标值。检测精度和稳定性对于系统的控制精度有着决定的影响。 v 可编程控制器(PLC):用来进行逻辑运算、顺序控制、算术运算等,并将操作指令输出,顺序控制的受控对象随设备的类型、结构、辅助装置的不同而有很大差别,CNC 和 PLC 配合协调完成对设备的控制。 数控系统及其伺服驱动技术v 伺服系统是数控机床非常重要的一部分,是与设备本体联系的关键环节,它接收 CNC 发来的速度和位移信号,控制电动机的运动速度、方向,使设备加工定位和运动轨迹精确无误。 v 伺服系统一般由位置控制、速度控制组成,通常将位置控制部分与数控装置做在一起。伺服驱动装置按其结构
6、特点有开环、半闭环、闭环之分。数控机床的功能强弱取决于 NC 装置,而其性能好坏、取决于伺服驱动系统。伴随着数控系统的发展,数控系统的伺服驱动技术也得到了相应的发展,从电液脉冲马达、功率步进电机发展到高性能交、直流伺服电动机驱动系统。特别是高性能交流电动机伺服系统代表了当前伺服驱动系统的发展方向。 数控系统对伺服驱动控制装置的要求 v作为数控机床进给驱动用的伺服系统,要实现高速度、高精度、快速响应、精确跟踪、稳定可靠、高效率高质量加工,应满足以下要求：v (1)应具有足够宽的调速范围,通常要求达到1:10000 以上,才能满足低速加工和高速返回的要求,即要能使机械运动跟踪控制指令,能使机械快速
7、移动到所规定的距离,能在规定的位置上使机械保持停止状态,能使机械的移动方向自由地正反改变。 数控系统对伺服驱动控制装置的要求 v (2)应具有足够的转动力矩,以满足机床快速移动和重切削的要求。 v (3)应具备快速的动态响应特性,以使系统具有良好的动态跟随性能,尽快消除负载扰动对电动机速度的影响。 v(4)与 CNC 系统的接口应当简便。整个伺服驱动系统应可以方便的接收来自上一级的指令,同时将自身运行状况传送到上一级控制器。 数控系统对伺服驱动控制装置的要求 v (5)伺服电动机的转子惯量要小,以提高系统的加减速特性。电动机的尺寸和重量应尽可能小,便于安装。 v (6) 在启动过程中应该保持平
8、滑运行,电动机的转矩脉动尽可能要小,以免运动过程中产生过大的噪声,在停止过程中不应产生爬行现象和高频振动。 v (7) 电机本身也应安全可靠,在使用过程中便于维护。 数控机床伺服系统的研究现状和发展方向 v 数控机床由伺服系统所支持,伺服系统的跟踪性能通常用两个指标来衡量:跟踪误差和轮廓误差。跟踪误差是指理想位置与实际位置之差,而轮廓误差是指理想轨迹 与实际轨迹之差。在机械加工中,工件的尺寸精度是由轮廓误差所决定的。因此,伺服控制器的性能和加工质量、效率密切相关。从机床控制系统的角度看 ,机床控制是一个动态系统,控制系统中不确定因素的产生主要是由于： 数控机床伺服系统的研究现状和发展方向 v1
9、)系统的输入包含有随机扰动,如机床振动、工件材料硬度不均等;v2) 系统数学模型的参数甚至结构具有不确定性。传统的数控系统对机床的控制主要采用经典控制论方法,大部分是 PID控制,PID 控制器以其结构简单,使用方便和运行可靠等优点在运动控制中也经常被采用。不过在解决系统中存在着非线性因素不易定量描述的控制问题时,PID 控制器显得力不从心。由于 PID 控制器的结构本身以及算法设计依赖对象的局限性,使得精度的改善导致动态性能的减弱,而动态性能的改善,又使执行机构庞大且能耗增加。 数控机床伺服系统的研究现状和发展方向 v再者,同一控制器不仅用来改善输入输出的动态性能,而且还用来消除负载扰动,要
10、想得到使系统具有满意的动静态性能指标的 PID 参数整定算法是相当困难的。v 随着电力电子技术,微机及数字信号处理技术和现代控制理论的应用,为伺服技术的发展提供了广阔的前景。近年来智能控制的多种策略,均被引入伺服系统中。 数控机床伺服系统的研究现状和发展方向 v 高性能智能化交流伺服系统的研究是智能数控系统技术发展的前沿。v将人工神经网络、专家系统、模糊逻辑及遗传算法等人工智能系统与现代交流伺服控制理论方法相结合,研究适合高性能智能化交流伺服系统的控制方法：v分层递阶智能控制、定性与定量控制的协调方法、模糊神经网络学习算法、智能容错鲁棒控制器设计及智能控制的稳定性分析方法。v使交流伺服系统的性
11、能达到快响应、高精度、鲁棒性及高可靠性智能化的目标,并能在高精度数控系统中得到应用。 运动控制系统v 运动控制是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动控制系统。v运动控制起源于早期的伺服控制。v简单地说,运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。 运动控制系统v 运动控制技术主要是伴随着数控(CNC)技术、机器人技术(Robotics)和工厂自动化技术的发展而发展的。v现代化的运动控制系统具有以下特点:v结构模块化、标准化;v构建系统快速性和柔
12、性化;v开发、维修、升级简单;低成本。v当前的运动控制技术发展方向：基于 PC、柔性化、开放性。 运动控制系统种类v按被控物理量分:v以转速为被控量的系统叫调速系统;v以角位移或直线位移为被控量的系统以前叫做位置随动系统,现称伺服系统。 v按驱动电机的类型分:v用直流电机带动生产机械的为直流传动系统;用交流电机带动生产机械的为交流传动系统。 运动控制系统种类v按控制器的类型分:v以模拟电路构成的控制器叫模拟控制系统;v以数字电路构成的控制器叫数字控制系统;v按控制原理可以分为常规控制方法、先进控制方法;v按控制系统中闭环的多少,可分单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统 。 运动控制系统种类
13、v按控制的特点和应用领域的不同,可分为 v1)点位运动控制:这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求,与运动的中间过程即运动轨迹无关。v2)连续轨迹运动控制:又称为轮廓控制,主要应用在传统的数控系统、切割系统的运动轮廓控制。v3) 同步运动控制:是指对多个轴之间的运动进行协调控制,可以是对多个轴在运动全程中进行同步控制,也可指对运动过程中的局部进行同步控制。 运动系统共同的特点v 所有这些运动系统共同的特点就是: v (1) 被控量的过渡过程较短,一般为秒级甚至毫秒级。 v (2) 传动功率范围宽。 v (3) 调速范围大,宽调速系统的调速范围可达到 1:10000。 v(4) 具有良好的动态性
14、能。 v(5) 电动机空载损耗小,效率高,具有较强的过载能力。 运动控制系统的基本结构v 运动控制在国民经济各部门中起着重要的作用,运动控制器不但在传统的机械数控行业有着广泛的应用,而且在新兴的电子制造和信息产品的制造业中起着不可替代的作用。v自 20 世纪 80 年代以来,运动控制领域正在发生日新月异的变换,各种先进控制策略和先进技术已经被广泛应用到各个工程实际中。 v 一个典型的运动控制系统主要由被控机械设备、电被控机械设备、电动机、控制器、功率驱动装置、和控制软件构成动机、控制器、功率驱动装置、和控制软件构成。v控制器按照给定和实际运行反馈值之差,调节控制量;v驱动装置按控制量调节电机转
15、矩;电动机按供电大小拖动机械运转。v整个系统的运动指令由运动控制器给出,因此运动控制器是整个运动控制系统的核心。 运动控制系统的发展过程及应用v 运动控制系统就执行元件电动机而言,交直流两大分支一直并存于各个工业领域,伴随着工业技术的发展,特别是随着电力电子和微电子技术的发展,电机及控制技术不断完善。19 世纪 80 年代以前,直流电机拖动是唯一的电气传动方式。v19 世纪末,交流电机的发明使用,使交流电气传动在工业中得到了逐步广泛的应用。随着生产技术的发展,对起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求。v这时又开始使用直流调速系统;但由于直流调速本身存在
16、的弱点,人们开始了新一轮交流调速系统的研究。 运动控制系统的发展过程及应用v近几十年来随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展,为交流调速产品的开发创造了有利的条件,使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能,并实现了产品的系列化,目前交流调速系统已逐步占据了主导地位。v在中小功率范围内,高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用永磁同步电动机。 。 运动控制系统的发展过程及应用v从控制策略方面分析,以往的电气传动控制系统主要用经典控制理论作指导,它以单输入单输出的线性时不变系统作为主要研究对象,用传递函数作为基本数学描述,以频域法和根轨迹作为分
17、析和综合系统的方法。v六十年代初,现代控制理论开始 形成,它的研究对象要比经典控制理论广泛得多,适用于非线性、时变、断续和多变 量系统,它的研究方法本质上是时域的,即状态空间法,它的分析和综合目标是揭示系统的内在规律,实现系统的最优化。v控制策略的设计目标是: 运动控制系统的发展过程及应用v控制策略的设计目标是:v1)减少扰动和参数变化的影响。v2)获得期望的稳态精度和输入输出的动态特性。v3)通过对负载力矩以及对跟踪偏差的控制来达到上述目的。 运动控制系统的发展过程及应用v目前在运动控制系统中常用的现代控制理论主要有:最优控制、自适应控制、滑模变结构控制、模糊控制、专家系统、神经元控制等。
18、v在运动控制系统中,应用十分广泛的是位置控制系统(位置伺服系统),它是以足够的控制精度(定位精度)、位置跟踪精度和足够快的跟踪速度作为主要控制目标。v典型的位置伺服系统中有电流环、速度环、位置环,其中分别对应电流控制器、速度控制器、位置控制器,这些控制器能够实现系统的稳态精度、动态特性等控制目标。 位置伺服系统 v 伺服系统是以物体的位置、方位、姿态等作为被控伺服系统是以物体的位置、方位、姿态等作为被控量量,使之能跟踪目标值任意变化的控制系统。使之能跟踪目标值任意变化的控制系统。v位置伺服系统位置伺服系统又称随动系统又称随动系统,是运动控制中最典型的是运动控制中最典型的一种。系统输出量一般是负
19、载的空间位移一种。系统输出量一般是负载的空间位移,当给定位当给定位置指令变化时置指令变化时,输出量也应能准确无误地跟踪给定量输出量也应能准确无误地跟踪给定量的变化并能复现给定量。的变化并能复现给定量。v作为闭环自动控制系统的伺服系统作为闭环自动控制系统的伺服系统,它在对生产过程它在对生产过程和运动对象的控制中和运动对象的控制中,以及在定位、瞄准、跟踪、信以及在定位、瞄准、跟踪、信号传递和接收等装置中都占有重要的地位。号传递和接收等装置中都占有重要的地位。 位置伺服系统 v位置伺服系统与普通电动机调速系统有着紧位置伺服系统与普通电动机调速系统有着紧密联系但又有明显不同。密联系但又有明显不同。v对
20、调速系统的要求是有足够的调速范围、稳对调速系统的要求是有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启、制动性能。速精度和快且平稳的启、制动性能。v系统工作时系统工作时,都是以一定的速度精度都是以一定的速度精度,稳定在调稳定在调速范围内某一固定的转速上运行的。速范围内某一固定的转速上运行的。v系统的主要控制目标系统的主要控制目标,是使转速尽量不受负载是使转速尽量不受负载变化、电源电压波动及环境温度变化等干扰变化、电源电压波动及环境温度变化等干扰因素的影响。因素的影响。 位置伺服系统 v而位置伺服系统，一般是以足够的而位置伺服系统，一般是以足够的位置控制精度位置控制精度(定定位精度位精度)、位置跟踪精度
21、位置跟踪精度(位置跟踪误差位置跟踪误差)和足够快的和足够快的跟踪速度作为它的主要控制目标。跟踪速度作为它的主要控制目标。v系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变系统运行时要求能以一定的精度随时跟踪指令的变化，系统中伺服电动机的运行速度是动态变化。化，系统中伺服电动机的运行速度是动态变化。v伺服系统在伺服系统在跟踪性能跟踪性能方面的要求比普通调速系统高。方面的要求比普通调速系统高。v位置伺服系统是在调速系统的基础上外加一个位置位置伺服系统是在调速系统的基础上外加一个位置环构成，环构成，位置环位置环是位置伺服系统的主要结构特征。是位置伺服系统的主要结构特征。 数控机床数控机床位置伺服系统 v
22、伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。工出用户所要求的复杂形状的工件。 v伺服系统伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体。一体。v随着数字脉宽调整技术、特种电机材料技术、微电子随着数字脉宽
23、调整技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流伺服的发展历程。进而到交流伺服的发展历程。 位置控制系统的组成 v 数控机床的位置伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两大组成部分。它的机械执行机构常包括工作台(或刀架)、滚珠丝杠、导轨、减速齿轮等；v电气自动控制部分则包括交流或直流伺服电动机、驱动功率放大器、反馈检测传感器和控制调节器等。v根据应用场合和对控制性能要求的不同，位置伺服系统具有多种不同的结构形式。v按照系统的构造特点，在数控系统上采用的主要是以下三种基本结构类型：开环伺服位置控制、全闭环位置
24、伺服控制、半闭环位置伺服控制。 位置控制系统的组成 v 开环控制方式由于不需要反馈装置,具有结构简单、易于控制及成本低的优点，在早期简易型数控机床的进给伺服系统中用的较多。但是由于没有反馈装置,使系统自调整能力差、控制精度低。v因此限制了其在中、高档伺服系统中的应用。步进开环伺服系统v用于中、低档数控机床及普通机床改造。用于中、低档数控机床及普通机床改造。 位置控制系统的组成 v 全闭环控制方式，其位置检测器直接安装在机床工作台上，可以获取工作台实际位置的精确信息，从而通过反馈环实现高精度的位置控制，因此,从理论上讲，这种方式是一种较为理想的控制方式。v但在实际系统中，将位置检测器直接安装在机
25、床工作台上时，由于机床本身被包含在反馈环内，使得电气部分和执行机械不再相对独立，而传动的间隙、摩擦特性的非线性等因素都将影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行现象。闭环伺服系统v闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。控机床上。 位置控制系统的组成 v 半闭环方式的位置检测器不像全闭环方式那样直接装在机床工作台上，而是与电机同轴相连，并通过该检测器直接测出电机轴的旋转角位移，进而导出当前执行机械的实际位置,使得执行机械部分与电气部分相对独立。v这样增强了系统的通用性，减少在反馈环中的非线性因素，系统控制器参数设计及整定易于实现。v这种
26、方式是当前使用最多的一种方式。半闭环伺服系统v适用于精度要求适中的中小型数控机床。适用于精度要求适中的中小型数控机床。伺服系统伺服系统开环、闭环和半闭环开环、闭环和半闭环 交流伺服控制模式v 交流伺服控制有模拟式、数模混合式和全数字式之分。v模拟交流伺服系统 控制信号连续，工作速度快，系统的频率宽。系统具有快速动态响应性能和宽调速范围。v模拟伺服系统是由模拟电子器件构成的系统，难以实现复杂的控制方法。v由于电子器件特性的分散性，使系统的调整困难，模拟器件的工作状态极易受温度影响而产生漂移，破坏已调整好的运行状态。v系统缺乏丰富的自诊断和显示功能，在整机联调时不能方便地判断系统中的问题。 交流伺
27、服控制模式v 数模混合式交流伺服系统中,一般采用工控机、单片机和DSP（Digital Singnal Processor ）来完成位置和速度控制。v由于受CPU运算速度的限制，伺服系统中响应最快的电流环控制仍由模拟电路完成。v 从交流伺服系统控制技术的发展过程来看，混合式交流伺服系统技术比较成熟，在许多领域得到了极为广泛的应用，仍是目前伺服装置产品的主流。交流伺服控制模式v 数字式伺服系统的所有控制调节全部由软件完成，最后直接输出逻辑电平型的脉宽调制控制信号驱动功率晶体管放大器对伺服电机进行电压控制，完成位置伺服控制任务。v调节器的全部软件化使控制理论中的许多控制思想和手段，包括经典的和现代
28、的，都可以方便地被引入进行研究及应用。v还可完成参数的自动优化和故障自动诊断等，使系统控制性能得到提高。 位置伺服控制系统性能指标要求 v 位置伺服系统的主要控制目标是迅速跟踪指令值的任意变化，在性能上有两方面的要求：v一方面要有稳定平滑的瞬态响应；v另一方面稳态位置跟踪误差和动态位置跟踪误差要小，以获得高精度的位置控制性能。 位置伺服控制系统性能指标要求 v数控机床伺服系统主要有以下几个性能指标: v 1、稳态位置跟踪误差与位置环增益 v 位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控设备的加工精度,因此位置精度是一个极为重要的指标。稳态位置跟踪误差是指当系统对输入信号的瞬态响应过程结束以
29、后,在稳定运行时伺服系统执行机械实际位置与指令目标值之间的误差。 位置伺服控制系统性能指标要求 v位置环增益与伺服电机以及机械负载有密切联系。v通常伺服系统的位置环增益越高，位置跟踪误差愈小，但在输入进给速度突变时，其输出变化剧烈，机械负载要承受较大的冲击。v当伺服系统位置环增益相对较小时,调整起来比较方便,因为位置环增益小，伺服系统容易稳定。v同时，低位置环增益的伺服系统频带较窄，对噪音（外部干扰信号）不敏感。v但位置环增益低的伺服系统位置跟踪误差较大，进行轮廓加工时，会在轨迹上形成加工误差。（画路径拐角图）位置伺服控制系统性能指标要求v 2、定位精度和速度控制范围v定位精度是评价位置伺服系
30、统位置控制准确度的性能指标，系统最终定位点与指令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。 v伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围。v“死区”指的是由于存在静摩擦力，系统在小信号输入时，电机克服不了摩擦力而不能转动。v此外，由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动。 v 对于一个位置伺服系统，最低限度应当能对其指令输入的最小设定单位一个脉冲作出相应的响应。要达到这一目标，除了必须使用分辨率足够高的位置检测器件外，系统的速度伺服还应当具有足够宽的速度控制范围。 位置伺服控制系统性能指标要求v 3、最大快移速度 v 最大快移速度即为系统速度伺服所能提供的最高转速。它
31、是决定系统定位精度和定位快速性的一个重要因数。位置伺服控制系统性能指标要求v 4、位置伺服系统内环的几种常用性能指标 v (1)瞬时最大电流：它代表了伺服电动机所允许承受的最大冲击负荷和系统的最大加减速力矩(正比于最大速度上升斜率)。 v (2)电机利用系数：当伺服电动机采用电力半导体器件以调制斩波方式供电驱动时, 电枢电流中的交变分量使它的有效值大于平均值。为保证电动机运行时温升不超过规 定值,需减小电动机的输出力矩。电机利用系数表示电动机减小输出力矩使用的程度。 v 此外，系统的抗干扰能力，低速时能否输出大的转矩,是否具有比较小的转动惯量等也是伺服系统常用的性能指标。 伺服系统设计课程特点
32、伺服系统设计课程特点v综合性、专业性，知识面宽，内容多而杂综合性、专业性，知识面宽，内容多而杂v注重实践注重实践 v反馈的特点与作用反馈的特点与作用v两类基本反馈控制系统的比较两类基本反馈控制系统的比较v什么是伺服系统什么是伺服系统（Servo System） 随动系统随动系统 调节系统调节系统 是控制系统中的一类系统是控制系统中的一类系统 它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环）精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环） 例：雷达系统、机器人机械臂、声纳平台例：雷达系统、机器人机械臂
33、、声纳平台v控制系统形式控制系统形式 开环和闭环开环和闭环控制器被控对象控制器放大被控对象v反馈的特点与作用反馈的特点与作用特点：特点： 1、连续的检测偏差量；、连续的检测偏差量； 2、回路增益可以较高，使误差很小，、回路增益可以较高，使误差很小，输出接近希望值；输出接近希望值； 3、对环境有适应性，抗干扰性强；、对环境有适应性，抗干扰性强； 4、闭开环系统复杂，成本高。、闭开环系统复杂，成本高。作用作用：（增益、稳定、灵敏度、抗干扰）：（增益、稳定、灵敏度、抗干扰）参考参考:书书P52-73 G(s)H(s)R_C( )( )( )1( )( )( )C sG sR sG s H ss1、反
34、馈对增益的影响、反馈对增益的影响H(s)=0时，即为开环，增益为时，即为开环，增益为G(s)H(s)0时，即为闭环，增益为时，即为闭环，增益为1+G(j)H(j)11时，增益减小时，增益减小1+G(j)H(j)11时，增益增大时，增益增大G(j)H(j)在不同频段都可能出现上面的情况在不同频段都可能出现上面的情况( )1( )( )G sG s H s( )( )( )1( )( )( )C sG sR sG s H ss2、反馈对稳定性的影响、反馈对稳定性的影响当当1+G(j)H(j)=0或特征根分布在右半平面时，或特征根分布在右半平面时，（ j），系统不稳定。，系统不稳定。通过控制，可使不
35、稳定系统达到稳定，选择通过控制，可使不稳定系统达到稳定，选择F(s)( )1( )( )( )( )( )G sG s H sG s F ssG(s)H(s)F(s)RC_例：例：倒立摆系统倒立摆系统 （参考（参考P75-79，牛顿定律），牛顿定律）已知：已知：杆的质量为杆的质量为m，车的质量为，车的质量为M，车为一个自由度，左右运动；杆有，车为一个自由度，左右运动；杆有两个自由度，左右运动，绕铰链转动。两个自由度，左右运动，绕铰链转动。f为垂向力，为垂向力，F为水平力。为水平力。杆旋转运动：杆旋转运动：杆垂直直线运动：杆垂直直线运动：杆水平直线运动：杆水平直线运动：车水平直线运动：车水平直线
36、运动：22()sincosdIfmg LFLdt22( cos )dLmmgfdt22(sin)dYLmFd t22dYmuFd tMyuLfAB0mmgF当车静止时，当车静止时，u = 0，系统处于不稳定平衡；，系统处于不稳定平衡；加入控制力加入控制力u后，取后，取 很小角运动，有很小角运动，有设状态变量设状态变量:得到状态方程：得到状态方程：A的特征根的特征根del(sI-A)=0，有正根，系统不稳定，有正根，系统不稳定可通过配置系统极点，使系统稳定。可通过配置系统极点，使系统稳定。sincos11234,xxxy xy2124140100000000010000abxuAB uab 3、
37、反馈对系统参数灵敏度的影响、反馈对系统参数灵敏度的影响 工作中，控制系统的元件总是随时间环境变化工作中，控制系统的元件总是随时间环境变化的。希望这种变化越小越好。的。希望这种变化越小越好。 灵敏度的定义：灵敏度的定义：G(s)参数可变，参数可变，(s)(s)对对G(s)的的变化的灵敏度为变化的灵敏度为可以用增大可以用增大G(s) H(s)的办法，使的办法，使 任意小。任意小。开环时，使按开环时，使按1：1相应相应G(s)的变化的。的变化的。 /( )( )1/( )( )1( )( )GsG sSG G sGsG s H s GS4、反馈对外部噪声或扰动的影响、反馈对外部噪声或扰动的影响 它的
38、作用可以削弱外部噪声或扰动它的作用可以削弱外部噪声或扰动N(s)的影响的影响H=O时，也即开环时，有时，也即开环时，有E(s)=R(s)，则，则 C(s)=G1G2R(s)+G2N(s)= G1G2E(s)+G2N(s)定义：输出信噪比定义：输出信噪比增大信噪比的途径增大信噪比的途径:增加增加G1，或增加，或增加E(s)/N(s)G1G2HR(s)E(s)N(s)C(s)_1 2 ( )( )12 ( )( )GG E sE sGG N sN s信号引起的输出噪声引起的输出闭环时，闭环时，在某些情况下，闭环提供了改善信噪比的可能性在某些情况下，闭环提供了改善信噪比的可能性当当G1增大到增大到G
39、1 时，调整时，调整R到到R,使开环、闭环输出使开环、闭环输出C(s)相等相等C(s)N=O = G1G2 R/(1+ G1G2H)=G1G2RC(s)R=O = G2 N/(1+ G1G2H) 希望它小希望它小信噪比信噪比 = C(s)N=O/ C(s)R=O = G1(1+ G1G2H)R/N增加了增加了(1+ G1G2H)项，使提高信噪比有了可能。项，使提高信噪比有了可能。5、反馈对系统带宽、阻抗、过渡过程及频率特性都、反馈对系统带宽、阻抗、过渡过程及频率特性都有影响有影响G 1 G 2 R1 + G 1 G 2 H=1G 2 N1 + G 1 G 2 HRGN信 噪 比v两类基本反馈控
40、制系统的比较两类基本反馈控制系统的比较 控制系统种类很多，分法也各不相同。控制系统种类很多，分法也各不相同。 按控制形式分：按控制形式分：定常控制系统定常控制系统 时变控制系统时变控制系统线性控制系统线性控制系统 非线性控制系统非线性控制系统连续控制系统连续控制系统 离散控制系统离散控制系统模拟控制系统模拟控制系统 数字控制系统数字控制系统 按控制目标分：按控制目标分：伺服控制系统（随动系统）伺服控制系统（随动系统） 调节控制系统调节控制系统伺服控制系统（随动系统）伺服控制系统（随动系统） 调节控制系统调节控制系统跟踪输入变化，克服负载与噪声干扰跟踪输入变化，克服负载与噪声干扰使对象保持某一状
41、态使对象保持某一状态两类系统共同点：两类系统共同点：一般都是反馈控制系统一般都是反馈控制系统两类系统不同点：两类系统不同点：四个方面四个方面1、输入信号、输入信号 时变、跟踪时变、跟踪 、未知、复杂、未知、复杂 常值阶跃、已知、简单常值阶跃、已知、简单2、误差特点、误差特点 跟踪误差来源于输入信号的随机变化跟踪误差来源于输入信号的随机变化 广义干扰引起广义干扰引起3、过渡过程质量、精度、过渡过程质量、精度 过渡过程质量高、精度、快速性好过渡过程质量高、精度、快速性好精度高，过程一般精度高，过程一般4、负载特点、负载特点 负载惯性与摩擦负载惯性与摩擦广义干扰广义干扰 你中有我，我中有你你中有我，
42、我中有你伺服控制技术的发展伺服控制技术的发展v1944年，世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学年，世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室研制成功。院辐射实验室研制成功。 火炮自动跟踪目标伺服系统火炮自动跟踪目标伺服系统 v第二次世界大战期间，对系统提出了大功率、高精第二次世界大战期间，对系统提出了大功率、高精度、快速响应等一系列高性能要求，液压伺服技术度、快速响应等一系列高性能要求，液压伺服技术迅速发展起来。它表现出无以伦比的快速性、低速迅速发展起来。它表现出无以伦比的快速性、低速平稳性等一系列优点。到平稳性等一系列优点。到50年代末期和年代末期和60年代初期，年代初期，有关电液伺服
43、技术的基本理论日趋完善，从而使电有关电液伺服技术的基本理论日趋完善，从而使电液伺服系统的应用达到了前所未有的高度。液伺服系统的应用达到了前所未有的高度。v50年代中期，机电伺服系统在一些重要元器件性能年代中期，机电伺服系统在一些重要元器件性能上有新的突破，组成了静止式可控整流装置，带来上有新的突破，组成了静止式可控整流装置，带来了控制领域的一场技术革命。了控制领域的一场技术革命。v70年代以来，电力电了技术突飞猛进，推出了新一年代以来，电力电了技术突飞猛进，推出了新一代代“全控式全控式”电力电子器件。电力电子器件。v新材料与电机技术的发展，以脉宽调制结合，大大新材料与电机技术的发展，以脉宽调制
44、结合，大大改善了伺服系统的性能。对传统液压系统形成强有改善了伺服系统的性能。对传统液压系统形成强有力的挑战，并以极快的速度发展。力的挑战，并以极快的速度发展。 稀土磁材料、力矩电机、大惯量宽调速电动机稀土磁材料、力矩电机、大惯量宽调速电动机 v控制理论快速发展控制理论快速发展 传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论；根传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论；根轨迹；现代控制理论轨迹；现代控制理论 v计算机、大规模集成电路的发展，各元器件趋于计算机、大规模集成电路的发展，各元器件趋于数字化、集成化，使现代伺服系统朝着高精度、数字化、集成化，使现代伺服系统朝着高精度、低噪声的方向发展。低噪声的
45、方向发展。v展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝服系统朝“智能化智能化”方向发展，赋予人工智能特方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。伺服系统的组成伺服系统的组成例：仿型铣床随动系统例：仿型铣床随动系统 r(t)为模杆的位移，为模杆的位移，c(t)是铣刀杆的位移。希望铣刀的运动是铣刀杆的位移。希望铣刀的运动c(t)完全复现模杆完全复现模杆的运动的运动r(t)。使得加工出来的零件尺寸和模型一样。使得加工出来的零件尺寸和模型一样。模型零件减速器电动机信号放大功率放大r(
46、t)c(t)R1R2Ee(t)电位计调节器放大器功率放大执行电机减速器对象r(t)_c(t)v组成伺服系统按职能可分为以下六个部分组成伺服系统按职能可分为以下六个部分1.测量元件测量元件 其职能是检测被控制的物理量，在随其职能是检测被控制的物理量，在随动系统中被测量是角度或位移，而在速度控制系统动系统中被测量是角度或位移，而在速度控制系统中被测量是转速或角速度。中被测量是转速或角速度。2.给定元件给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输出量的系统输出量 3.比较元件比较元件 其职能是把测量元件检测的被控量实其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件
47、给出的参考量进行比较，求出它们际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。之间的偏差。 4.放大元件放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件控制被控对象。行放大，用来推动执行元件控制被控对象。电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。成的电压放大级和功率放大级加以放大。5.执行元件执行元件 其职能是直接推动被控对象。其职能是直接推动被控对象。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压
48、马达等。6.校正元件校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误差。善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误差。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。杂的则用电子计算机。伺服系统技术指标伺服系统技术指标 每个科研项目，都必须有每个科研项目，都必须有“设计任务书设计任务书”或或“技技术规术规格书格书”，按要求完成设计与实现，按要求完成设计与实现
49、给出两类典型系统的技术基本要求给出两类典型系统的技术基本要求v调速系统的技术基本要求调速系统的技术基本要求v伺服系统的技术基本要求伺服系统的技术基本要求v调速系统的技术基本要求调速系统的技术基本要求1、调速范围、调速范围 D=nmax/nmin 2、连续性和平滑性要求、连续性和平滑性要求 在在D的范围内，有级还是无级，可逆还是不可逆的范围内，有级还是无级，可逆还是不可逆3、对动态性能、对动态性能 阶跃信号作用下，时域指标：阶跃信号作用下，时域指标：%、ts、N 正弦信号作用下，闭环频域指标：正弦信号作用下，闭环频域指标：Mr、b 正弦信号作用下，开环频域指标：正弦信号作用下，开环频域指标： c
50、、4、静差率、静差率或转速降或转速降n(或或，v) n=n-nR (或或=-R) = n/ n n 理想空载转速，理想空载转速，nR 满载转速满载转速5、负载扰动作用下系统的响应、负载扰动作用下系统的响应 负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要要技术指标之一技术指标之一 衡量抗扰能力一般取大转速降衡量抗扰能力一般取大转速降(升升)nmax与响应时与响应时间间tsf来度量来度量6、元件参数变化的敏感性要求、元件参数变化的敏感性要求 指控制系统本身各项元件参数的变化所引起的误差。指控制系统本身各项元件参数的变化所引起的误差。通通常如不提出要求，则应包
