認識伺服系統(tǒng)(定義,結構組成,分類,發(fā)展)（課堂PPT）

1、1項目一：伺服系統(tǒng)的認知Teaching Process教學過程2（大腦）（大腦）（手）（手）（籃球籃球）輸出量輸出量籃球籃球 落點落點位位 置置預設籃球預設籃球位置位置投擲力投擲力籃球落點位置與哪些因素有關？籃球落點位置與哪些因素有關？（眼睛眼睛）-投籃過程圖解投籃過程圖解輸入量輸入量籃球落點位置籃球落點位置預設籃球位置預設籃球位置人體人體控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)Teaching Process教學過程3當你一走近感應玻璃門，它就會自動向左右打開；當你一走近感應玻璃門，它就會自動向左右打開；你一走遠，它又自動關上。這是靠（你一走遠，它又自動關上。這是靠（ ）感應到人）感應到人來的。來的。A.A.震動

2、震動 B. B. 人的移動人的移動 C. C. 紫外線紫外線 D. D. 紅外線紅外線DTeaching Process教學過程4（控制電路）（控制電路）（電動機）（電動機）（自動門）（自動門）輸入量輸入量（人熱輻射（人熱輻射發(fā)出的信號）發(fā)出的信號）輸出量輸出量門的狀態(tài)門的狀態(tài)（開或閉）（開或閉）這就是日常生活中的一個簡單的這就是日常生活中的一個簡單的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)。 門的狀態(tài)門的狀態(tài)（開或閉）（開或閉）人熱輻射：紅外線人熱輻射：紅外線Teaching Process教學過程5電飯煲空調電冰箱蔬菜大棚電風扇臺燈、感應燈身邊的控制身邊的控制你還能舉出你身邊其他有關控制的例子嗎？教學分析Teac

3、hing Analysis6自動控制技術，是自動控制技術，是2020世紀發(fā)展最快、影響最大的世紀發(fā)展最快、影響最大的技術之一，也是技術之一，也是2121世紀最重要的高技術之一。今天，世紀最重要的高技術之一。今天，技術、生產、軍事、管理、生活等各個領域，都離不技術、生產、軍事、管理、生活等各個領域，都離不開自動控制技術。開自動控制技術。教學分析Teaching Analysis7生產過程的自動控制生產過程的自動控制發(fā)展為例發(fā)展為例教學分析Teaching Analysis8教學分析Teaching Analysis9教學分析Teaching Analysis10教學分析Teaching Anal

4、ysis11教學分析Teaching Analysis12教學分析Teaching Analysis13教學分析Teaching Analysis14教學分析Teaching Analysis15 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)(automatic control systems)是在是在無人無人直接參與下可使生產過程或其他過直接參與下可使生產過程或其他過程程按期望按期望規(guī)律或規(guī)律或預定程序預定程序進行的控制系統(tǒng)。進行的控制系統(tǒng)。簡稱簡稱自控系統(tǒng)自控系統(tǒng)。教學分析Teaching Analysis16伺服運動控制系統(tǒng)，在自動控制系統(tǒng)中，把伺服運動控制系統(tǒng)，在自動控制系統(tǒng)中，把輸出量輸出量能以一定準確

5、度跟隨能以一定準確度跟隨輸入量輸入量的的變化而變化變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)。伺服運動控制系統(tǒng)（伺服運動控制系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)）也叫）也叫隨動系統(tǒng)隨動系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)Teaching Process教學過程17位置位置狀態(tài)狀態(tài)輸出量輸出量. 伺服系統(tǒng)使物體的位置、狀態(tài)等輸出被控量能夠伺服系統(tǒng)使物體的位置、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入指令的要求而做出跟隨輸入指令的要求而做出快速快速、平滑平滑、精確精確地響應地響應的的自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)。 從控制原理層面從控制原理層面Teaching Process教學過程18位移位移速

6、度速度輸出量輸出量加速度加速度 伺服系統(tǒng)專指被控制量伺服系統(tǒng)專指被控制量( (輸出量輸出量) )是機械是機械位移位移或或速度速度、加速度加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移( (轉角轉角) )準確地跟隨輸入的位移準確地跟隨輸入的位移( (轉角轉角) )。 從行業(yè)角度：如機電從行業(yè)角度：如機電19 伺服的任務就是要求執(zhí)行機構能夠伺服的任務就是要求執(zhí)行機構能夠快速快速、平滑平滑、精確精確地執(zhí)行上位控制裝置的指令要求。地執(zhí)行上位控制裝置的指令要求。 從控制任務層面：從控制任務層面：20伺服系統(tǒng)的基本概念伺服系統(tǒng)的基本概念總之：總之： 伺服系統(tǒng)是指經由

7、閉環(huán)控制方式達到一個機械系伺服系統(tǒng)是指經由閉環(huán)控制方式達到一個機械系統(tǒng)的位置、速度或加速度的控制；統(tǒng)的位置、速度或加速度的控制； 伺服的任務就是要求執(zhí)行機構能夠伺服的任務就是要求執(zhí)行機構能夠快速快速、平滑平滑、精確精確地執(zhí)行上位控制裝置的指令要求，從而獲得精確地執(zhí)行上位控制裝置的指令要求，從而獲得精確的位置、速度及動力輸出的隨動系統(tǒng)或的位置、速度及動力輸出的隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)自動跟蹤系統(tǒng)。21二、伺服系統(tǒng)的應用二、伺服系統(tǒng)的應用早期早期：伺服系統(tǒng)主要用于國防軍工，如火炮的控：伺服系統(tǒng)主要用于國防軍工，如火炮的控制，制， 船艦、飛機的自動駕駛，導彈發(fā)射等；船艦、飛機的自動駕駛，導彈發(fā)射等；后

8、來后來：逐漸推廣到國民經濟的許多部門如：自動：逐漸推廣到國民經濟的許多部門如：自動機床、無線跟蹤控制等；機床、無線跟蹤控制等；目前目前：在機床工具、包裝、紡織印刷、電子設備：在機床工具、包裝、紡織印刷、電子設備等行業(yè)的應用相對較多，尤以在機床行業(yè)上的應用最等行業(yè)的應用相對較多，尤以在機床行業(yè)上的應用最為廣泛。為廣泛。22三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展 伺服系統(tǒng)的發(fā)展經歷了從： 液壓 氣動 電氣化的過程； 由伺服電機、反饋裝置和控制器組成的電氣伺服系統(tǒng)已經走過了近50個年頭。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅動的電機類型分為直流（DC）和交流（AC）伺服系統(tǒng)。23 2020世紀世紀5050年代年代，無刷

9、電機和直流電機實現(xiàn)了產品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛的應用。 20 20世紀世紀7070年代年代是直流伺服電機應用最廣泛的時代。但直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度；難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅動技術發(fā)展的瓶頸瓶頸。24 從2020世紀世紀7070年代后期年代后期到8080年代初期，年代初期， 隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術與電機永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高； 交流伺服技術交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導產品。 交流伺服電機克服了

10、直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性體現(xiàn)出了交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。25為什么伺服系統(tǒng)會比一般自控系統(tǒng)的的精度高，響應快，控制更靈活呢？伺服系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)，那反饋又是什么？Teaching Process教學過程26伺服控制系伺服控制系統(tǒng)的結構統(tǒng)的結構Go onTeaching Process教學過程27（控制電路）（控制電路）（電動機）（電動機）（自動門）（自動門）輸入量輸入量（人熱輻射（人熱輻射發(fā)出的信號）發(fā)出的信號）輸出量輸出量門的狀態(tài)門的狀態(tài)（開或閉）（開或閉）感應自動門控制系統(tǒng)原理圖感應自動門控制系統(tǒng)原理圖被控對象被控對象

11、執(zhí)行器執(zhí)行器控制器控制器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象Teaching Process教學過程28（定時器）（定時器）（進水閥門）（進水閥門）（游泳池）（游泳池）輸入量輸入量輸出量輸出量游泳池水位游泳池水位設定注水時間設定注水時間游泳池定時注水系統(tǒng)原理圖游泳池定時注水系統(tǒng)原理圖被控對象被控對象執(zhí)行器執(zhí)行器控制器控制器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)Teaching Process教學過程29：是對接收到的信號進行變：是對接收到的信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。要求動作?？刂破骺刂破鲌?zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)

12、：按控制信號的要求，將輸入的各種：按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動被控形式的能量轉化成機械能，驅動被控對象工作。對象工作。：執(zhí)行動作：執(zhí)行動作的最后單元。的最后單元。計算機或計算機或PID控制電路控制電路：電機：電機機械手臂、機床運動軸等機械手臂、機床運動軸等Teaching Process教學過程30（大腦）（大腦）（手）（手）（籃球籃球）輸入量輸入量輸出量輸出量籃球落籃球落 點位置點位置預設預設籃籃球位置球位置（眼睛眼睛）-，+投籃過程圖解投籃過程圖解控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象檢測裝置檢測裝置檢測裝置檢測裝置：能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要

13、的量：能夠對輸出進行測量并轉換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括綱的裝置，一般包括傳感器傳感器（光電編碼器，旋轉變壓器）和（光電編碼器，旋轉變壓器）和轉轉換電路換電路。Teaching Process教學過程31輸入量輸入量輸出量輸出量大腦大腦控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象檢測裝置檢測裝置比較器比較器：將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得：將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)。通常由專門的輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)。通常由專門的電路電路或或計算機計算機來來實現(xiàn)。實現(xiàn)。比較器比較器控制電路控制電路加熱加熱/制冷制冷元件元件花房花

14、房花房溫度花房溫度溫度傳感器溫度傳感器設定的設定的溫度溫度溫室控溫圖解溫室控溫圖解Teaching Process教學過程32檢測裝置檢測裝置被控對象被控對象比較器比較器控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的結構組成33伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類 按按被控量參數(shù)特性被控量參數(shù)特性分類：可分為位移、速度、力矩等分類：可分為位移、速度、力矩等各種伺服系統(tǒng)；各種伺服系統(tǒng)； 按按驅動元驅動元件類型件類型 氣動伺服系統(tǒng)氣動伺服系統(tǒng) 電氣伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng) 液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng) 步進電機控制步進電機控制 直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)34二、伺服系統(tǒng)的分類二、伺服系統(tǒng)

15、的分類 按控制原理控制原理開環(huán)開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)Teaching Process教學過程35輸入量輸入量輸出量輸出量控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象檢測裝置檢測裝置比較器比較器-，+（檢測）反饋單元（檢測）反饋單元（檢測）反饋裝置（檢測）反饋裝置輸出量輸出量控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對象被控對象輸入量輸入量36l開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)發(fā)出系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖指令脈沖經過驅動電路變換與放大，傳給經過驅動電路變換與放大，傳給步進電機步進電機。步進電機每接收一個指令脈沖，就旋轉一個。步進電機每接收一個指令脈沖，就旋轉一個角度，再通過齒輪副（絲杠螺母副）帶動

16、機床角度，再通過齒輪副（絲杠螺母副）帶動機床工作臺移工作臺移動動。371. 1. 無檢測反饋裝置；無檢測反饋裝置；2. 2. 加工精度低加工精度低、結構簡單、成本較低；、結構簡單、成本較低；3. 3. 適用于對精度和速度要求不高的經濟型、中小型適用于對精度和速度要求不高的經濟型、中小型數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)。l 開環(huán)伺服系統(tǒng)特點開環(huán)伺服系統(tǒng)特點38工作臺工作臺直接測量直接測量移動移動部件的實際位部件的實際位移。移。裝在裝在移動部件移動部件上上裝在裝在電機電機或或絲絲杠的端頭杠的端頭檢測檢測角位移角位移，間接間接獲得工作臺的位移獲得工作臺的位移閉環(huán)閉環(huán)半閉環(huán)半閉環(huán)39l閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng) 將位置

17、將位置檢測裝置檢測裝置裝在裝在移動部件移動部件上，上，直接測量直接測量移動移動部件的實際位移來進行位置反饋的進給系統(tǒng)稱為部件的實際位移來進行位置反饋的進給系統(tǒng)稱為閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)。40l閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點1 1、由于它將由于它將機械傳動機構部分如機械傳動機構部分如絲杠、螺母副等慣性絲杠、螺母副等慣性環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內，所以系統(tǒng)在環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內，所以系統(tǒng)在設計設計、調試調試時比較時比較麻麻煩煩；2 2、位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和、位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定不穩(wěn)定。4

18、11. 1. 精度高，取決于檢測裝置的精度，與傳動鏈的誤精度高，取決于檢測裝置的精度，與傳動鏈的誤差無關差無關；2. 2. 系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難；3. 3. 適用于大型或比較精密的數(shù)控設備適用于大型或比較精密的數(shù)控設備。l 閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點閉環(huán)伺服系統(tǒng)特點42l 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有位置檢測裝置，且裝在有位置檢測裝置，且裝在電機電機或或絲杠的端頭絲杠的端頭，檢測，檢測角位移，角位移，間接間接獲得工作臺的位移。獲得工作臺的位移。431 1、絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除消除；2 2、半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，、半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能。