電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第九章

電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第九章第一頁，共四十頁，2022年，8月28日伺服（Servo）意味著“伺候”和“服從”。狹義伺服系統(tǒng)又稱位置隨動系統(tǒng)，其被控制量（輸出量）是負(fù)載機械空間位置的線位移或角位移，當(dāng)位置給定量（輸入量）作任意變化時，系統(tǒng)的主要任務(wù)是使輸出量快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化。廣義的伺服系統(tǒng)是精確地跟蹤或復(fù)現(xiàn)某個給定過程的控制系統(tǒng)，也可稱作隨動系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)的定義:第二頁，共四十頁，2022年，8月28日

伺服系統(tǒng)的定義:數(shù)控機床伺服系統(tǒng)第三頁，共四十頁，2022年，8月28日內(nèi)容提要伺服系統(tǒng)的特征及組成伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型伺服系統(tǒng)的設(shè)計第四頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定，對伺服系統(tǒng)具有如下的基本要求：

1)穩(wěn)定性好伺服系統(tǒng)在給定輸入和外界干擾下，能在短暫的過渡過程后，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者恢復(fù)到原先的平衡狀態(tài)。

2)精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨給定值的精確程度，如精密加工的數(shù)控機床，要求很高的定位精度。

3)動態(tài)響應(yīng)快動態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動態(tài)性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)對給定的跟隨速度足夠快、超調(diào)小，甚至要求無超調(diào).4)抗擾動能力強在各種擾動作用時，系統(tǒng)輸出動態(tài)變化小，恢復(fù)時間快，振蕩次數(shù)少，甚至要求無振蕩。

一.伺服系統(tǒng)的基本要求及特征-基本要求第五頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成1)必須具備高精度的傳感器，能準(zhǔn)確地給出輸出量的電信號。2)功率放大器以及控制系統(tǒng)都必須是可逆的。3)足夠大的調(diào)速范圍及足夠強的低速帶載性能。4)快速的響應(yīng)能力和較強的抗干擾能力。

一.伺服系統(tǒng)的基本要求及特征-特征第六頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成伺服系統(tǒng)由伺服電動機、功率驅(qū)動器、控制器和傳感器四大部分組成。除了位置傳感器外，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。

二.伺服系統(tǒng)的組成-基本要素第七頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成圖9-1位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖A）開環(huán)系統(tǒng)b）半閉環(huán)系統(tǒng)c）全閉環(huán)系統(tǒng)

二.伺服系統(tǒng)的組成-基本結(jié)構(gòu)第八頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成

二.伺服系統(tǒng)的組成-伺服電機第九頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成

二.伺服系統(tǒng)的組成-編碼器

二進(jìn)制碼盤循環(huán)碼盤二進(jìn)制碼盤:同心園環(huán)為碼道,道數(shù)與二進(jìn)制位數(shù)相同,內(nèi)層為高位,最外層為低位.由內(nèi)層到外層按二進(jìn)制編碼.光電元件產(chǎn)生電脈沖信號?！按执笳`差”：兩位以上數(shù)字同時改變。0111→1000循環(huán)碼:相鄰碼道之間只有一個碼變化.

第十頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成

三.伺服系統(tǒng)的性能指示-檢測誤差位置傳感器誤差量級電位器自整角機旋轉(zhuǎn)變壓器圓盤式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器光電和磁性編碼器度(0)≤10[角]分(‘)[角]秒(‘’)微米(um)3600/N表9-2位置傳感器的誤差范圍第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成伺服系統(tǒng)實際位置與目標(biāo)值之間的誤差，稱作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差可分為三類：位置誤差、速度誤差和加速度誤差。伺服系統(tǒng)在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中性能指標(biāo)稱為動態(tài)性能指標(biāo)，如超調(diào)量、跟隨速度及時間、調(diào)節(jié)時間、振蕩次數(shù)、抗擾動能力等。

三.伺服系統(tǒng)的性能指示-系統(tǒng)誤差第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成

三.伺服系統(tǒng)的性能指示-系統(tǒng)誤差圖9-3線性位置伺服系統(tǒng)一般動態(tài)結(jié)構(gòu)圖第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成圖9-4位置伺服系統(tǒng)的典型輸入信號a）位置階躍輸入b）速度輸入c）加速度輸入

三.伺服系統(tǒng)的性能指示-系統(tǒng)誤差第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.1伺服系統(tǒng)的特征及組成伺服系統(tǒng)在三種單位輸入信號的作用下給定穩(wěn)態(tài)誤差

三.伺服系統(tǒng)的性能指示-系統(tǒng)誤差第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為直流伺服電動機，中、小功率的伺服系統(tǒng)采用直流永磁伺服電動機，當(dāng)功率較大時，也可采用電勵磁的直流伺服電動機。直流無刷電動機與直流電動機有相同的控制特性，也可歸入直流伺服系統(tǒng)。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型直流伺服電動機的狀態(tài)方程機械傳動機構(gòu)的狀態(tài)方程

一.直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型

一.直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動裝置的近似等效傳遞函數(shù)狀態(tài)方程

第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型控制對象的數(shù)學(xué)模型（狀態(tài)方程）

一.直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.2伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型

一.直流伺服系統(tǒng)控制對象的數(shù)學(xué)模型圖9-5直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)圖第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計校正裝置串聯(lián)配置在前向通道的校正方式稱為串聯(lián)校正，一般把串聯(lián)校正單元稱作調(diào)節(jié)器，所以又稱為調(diào)節(jié)器校正。若校正裝置與前向通道并行，則稱為并聯(lián)校正；信號流向與前向通道相同時，稱作前饋校正；信號流向與前向通道相反時，則稱作反饋校正。常用的調(diào)節(jié)器有比例－微分（PD）調(diào)節(jié)器、比例－積分（PI）調(diào)節(jié)器以及比例－積分－微分（PID）調(diào)節(jié)器，設(shè)計中可根據(jù)實際伺服系統(tǒng)的特征進(jìn)行選擇。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計在系統(tǒng)的前向通道上串聯(lián)PD調(diào)節(jié)器校正裝置，可以使相位超前，以抵消慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)使相位滯后而產(chǎn)生的不良后果。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

一.調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計如果系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能滿足要求，并有一定的穩(wěn)定裕量，而穩(wěn)態(tài)誤差較大，則可以用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正。PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

一.調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計將PD串聯(lián)校正和PI串聯(lián)校正聯(lián)合使用，構(gòu)成PID調(diào)節(jié)器。如果合理設(shè)計則可以綜合改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性。PID串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)為

一.調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

二.單環(huán)位置伺服系統(tǒng)對于直流伺服電動機可以采用單位置環(huán)控制方式，直接設(shè)計位置調(diào)節(jié)器APR。為了避免在過渡過程中電流沖擊過大，應(yīng)采用電流截止反饋保護(hù)，或者選擇允許過載倍數(shù)比較高的伺服電動機。圖9-7單環(huán)位置伺服系統(tǒng)APR—位置調(diào)節(jié)器UPE—驅(qū)動裝置SM—直流伺服電動機BQ—位置傳感器第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

二.單環(huán)位置伺服系統(tǒng)從第二章我們知道直流電動機的數(shù)學(xué)模型為：圖9-8直流伺服系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)圖第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

二.單環(huán)位置伺服系統(tǒng)忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直流伺服系統(tǒng)控制對象傳遞函數(shù)為機電時間常數(shù)

采用PD調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)

二.單環(huán)位置伺服系統(tǒng)一般來講：

第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

二.單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-9單位置環(huán)控制直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖用系統(tǒng)的開環(huán)零點消去慣性時間常數(shù)最大的開環(huán)極點，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)過程。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

二.單環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程式

用Routh穩(wěn)定判據(jù)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，須使：第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

二.單環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-10單位置環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)對數(shù)幅頻特性第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

三.雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)在電流閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計位置調(diào)節(jié)器，構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)，位置調(diào)節(jié)器的輸出限幅是電流的最大值。圖9-11雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，帶有電流閉環(huán)控制對象的傳遞函數(shù)為APR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)

三.雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)圖9-12雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)

三.雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為特征方程式特征方程式未出現(xiàn)s的二次項，由Routh穩(wěn)定判據(jù)可知，系統(tǒng)不穩(wěn)定。第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計將APR改用PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)伺服系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

三.雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)特征方程式第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計

三.雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)由Routh穩(wěn)定判據(jù)求得系統(tǒng)穩(wěn)定的條件

圖9-13采用PID控制的雙環(huán)控制伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)對數(shù)幅頻特性第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計若APR仍采用PI調(diào)節(jié)器，可在位置反饋的基礎(chǔ)上，再加上微分負(fù)反饋，即轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。圖9-14帶有微分負(fù)反饋的伺服系統(tǒng)

三.雙環(huán)位置伺服系統(tǒng)第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日§9.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計圖9-15帶有微分負(fù)反饋的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖