《自動(dòng)化控制原理與系統(tǒng)》第九章 位置隨動(dòng)系統(tǒng)

自動(dòng)化控制原理與系統(tǒng)1自動(dòng)控制的基本概念系統(tǒng)框圖第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成及其基本特征9.2位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理9.3位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制特點(diǎn)與實(shí)例分析9.4位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計(jì)9.1第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.1.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)的組成位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成及其基本特征

位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制被控對象的輸出自動(dòng)、連續(xù)、精確地跟蹤輸入信號的變化，實(shí)現(xiàn)所要求的機(jī)械位移。位置隨動(dòng)系統(tǒng)通常是閉環(huán)控制系統(tǒng)，其組成一般可以用圖9－1所示伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖來描述，主要包括檢測裝置、信號轉(zhuǎn)換電路、放大裝置、補(bǔ)償裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源裝置和被控對象等部分。圖9－1伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)9.1第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.1.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)的組成位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成及其基本特征如圖9－2所示是一個(gè)電位器式的小功率位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的原理圖。圖9－2電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖位置傳感器電壓比較放大器電力電子變換器伺服電機(jī)9.1第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.1.1位置隨動(dòng)系統(tǒng)的組成位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成及其基本特征通過分析上面的例子，可以總結(jié)出位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要特征如下：位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是使輸出位移快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定位移。1必須有具備一定精度的位置傳感器，能準(zhǔn)確地給出反映位移誤差的電信號。2電壓和功率放大器以及拖動(dòng)系統(tǒng)都必須是可逆的。3控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)快速響應(yīng)的要求。4

總體來看，穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是位置隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)都必須具備的，但在動(dòng)態(tài)性能中，調(diào)速系統(tǒng)多強(qiáng)調(diào)抗擾性，而位置隨動(dòng)系統(tǒng)則更強(qiáng)調(diào)快速跟隨性能。9.1第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.1.2位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的分類位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成及其基本特征1．按組成元件分類分為純電氣系統(tǒng)、電液系統(tǒng)和電氣/氣動(dòng)系統(tǒng)。2．按系統(tǒng)信號特點(diǎn)分類分為連續(xù)隨動(dòng)伺服系統(tǒng)、數(shù)字隨動(dòng)伺服系統(tǒng)和脈沖/相位隨動(dòng)伺服系統(tǒng)。3．按系統(tǒng)部件輸入輸出特性分類分成線性伺服系統(tǒng)和非線性伺服系統(tǒng)。4．按執(zhí)行元件功率大小分類分為小功率隨動(dòng)系統(tǒng)，中功率隨動(dòng)系統(tǒng)和大功率隨動(dòng)系統(tǒng)。9.1第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.1.3隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制方式位置隨動(dòng)系統(tǒng)組成及其基本特征

誤差控制的系統(tǒng)由前向通道和負(fù)反饋通道構(gòu)成，如圖9－3（a）所示。復(fù)合控制系統(tǒng)將輸入信號的微分和系統(tǒng)誤差綜合形成控制信號，如圖9－3(b)所示。圖9－3（c）所示系統(tǒng)稱為模型跟蹤控制系統(tǒng)。圖9－3位置伺服系統(tǒng)的控制方式（a）誤差控制（b）復(fù)合控制（c）模型跟蹤控制9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.1位置檢測元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理

由于檢測元件的精度直接影響系統(tǒng)的精度，因此一般希望檢測元件精度高、線性度好、靈敏度高。若對小功率系統(tǒng)，還要求檢測元件的慣量和磨擦力矩要小。目前常用的角位移檢測元件有伺服電位器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器和光電碼盤等。常用的長度（線位移）檢測元件有伺服電位器、差動(dòng)變壓器和感應(yīng)同步器等。9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.1隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理1．伺服電位器（RP）如圖9－4所示為伺服電位器示意圖，其中RPs為給定電位器，RPd為檢測電位器。圖9－4伺服電位器示意圖

伺服電位器較一般電位器精度高，線性度好，磨擦轉(zhuǎn)矩也小。其特點(diǎn)是線路簡單，慣性小，消耗功率小，所需電源也簡單。9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.1隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理2．自整角機(jī)（CT）如圖9－5所示為接觸式自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)圖和示意圖。圖9－5接觸式自整角機(jī)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)示意圖9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.1隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理3．光電編碼盤

光電編碼盤（簡稱光電碼盤）也是目前常用的角位移檢測元件。如圖9－7（a）所示為16個(gè)等分、四個(gè)碼道的4位二進(jìn)制編碼盤。應(yīng)用編碼盤進(jìn)行角位移檢測的示意圖如圖9－7（b）所示。圖9－7光電碼盤及角位移檢測量示意圖（a）二進(jìn)制編碼盤；（b）應(yīng)用光電碼盤測量角位移示意圖9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.1隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理4．差動(dòng)變壓器

差動(dòng)變壓器是電磁感應(yīng)式位移傳感器。它由一個(gè)可以移動(dòng)的鐵芯和繞在它外面的一個(gè)一次繞組、兩個(gè)二次繞組組成。如圖9－8所示。圖9－8差動(dòng)變壓器（a）差動(dòng)變壓器及相敏整流電路（b）差動(dòng)變壓器輸出特性9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.2執(zhí)行元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理1．直流伺服電動(dòng)機(jī)

直流伺服電動(dòng)機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的一種執(zhí)行元件，它的作用是將控制電壓信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度輸出，通過改變控制電壓的極性和大小能變更伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速對時(shí)間的積累便是角位移。

直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一臺他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)，但它與普通直流電動(dòng)機(jī)相比，有更特殊的控制性能要求：①寬廣的調(diào)速范圍；②線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性；③無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即要求控制電壓為零時(shí)，電動(dòng)機(jī)能自行停轉(zhuǎn)；④快速響應(yīng)，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能迅速響應(yīng)控制電壓的改變。交流伺服電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。但它的機(jī)械特性與調(diào)節(jié)特性線性度差，效率低，體積大，所以常用于小功率伺服系統(tǒng)中。9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.2執(zhí)行元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理2．交流伺服電動(dòng)機(jī)

交流伺服電動(dòng)機(jī)也是自動(dòng)控制系統(tǒng)中一種常用的執(zhí)行元件。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)兩相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。常用的一種控制方式是在勵(lì)磁回路串接電容C，如圖9－9所示。圖9－9交流伺服電動(dòng)機(jī)的電路圖9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.2執(zhí)行元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理3．高性能伺服電動(dòng)機(jī)

一般的交、直流伺服電動(dòng)機(jī)，在低速性能和動(dòng)態(tài)指標(biāo)上，往往不能滿足高精度和快速隨動(dòng)系統(tǒng)的要求。因此，在后來人們又研制出了小慣量無槽直流電動(dòng)機(jī)（它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速性能好）和寬高速力矩電動(dòng)機(jī)（它的特點(diǎn)是低速轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行平穩(wěn)）等高性能伺服電動(dòng)機(jī)。9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.3相敏整流與濾波電路位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理

如圖9－11所示為另一種由Ⅰ、Ⅱ兩組二極管橋式整流電路組成的相敏整流電路。圖9－11相敏整流與濾波電路9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.3相敏整流與濾波電路位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理

相敏整流電路的輸出電壓U0為兩組整流橋輸出的疊加。由圖9－12可見，兩組輸出電壓極性相反，所以U0＝U′1-U′2。當(dāng)角差△θ>0時(shí)，Us與Uⅰ同相，如圖9－12（a）所示。同理，當(dāng)△θ<時(shí)，則Us與U1反相，如圖9－12（b）所示。圖9－12相敏整流電路的輸入電壓與輸出電壓波形9.2第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.2.4放大電路位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理1．電壓放大電路2．功率放大電路

電壓放大通常采用由運(yùn)算放大器組成的放大電路。有時(shí)電壓放大環(huán)節(jié)與串聯(lián)校正環(huán)節(jié)合在一起，采用由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器。

供電給電動(dòng)機(jī)的電路通常就是功率放大電路，由于隨動(dòng)系統(tǒng)需要消除可能出現(xiàn)的正、負(fù)兩種位移偏差，需要電動(dòng)機(jī)能正、反兩個(gè)方向可逆運(yùn)行，因此供電電路通常是可逆供電電路。目前采用較多的是由晶閘管組成的可逆供電電路或由大功率晶體管（GTR）組成的PWM供電電路。9.3第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.3.1系統(tǒng)組成原理圖位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制特點(diǎn)與實(shí)例分析如圖9－13所示是一個(gè)小功率晶閘管交流調(diào)壓位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)。圖9－13晶閘管交流調(diào)壓位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)9.3第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.3.2系統(tǒng)組成框圖位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制特點(diǎn)與實(shí)例分析位置隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖如圖9－14所示。圖9－14位置隨動(dòng)系統(tǒng)方框圖9.3第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.3.3系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)過程位置隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制特點(diǎn)與實(shí)例分析在穩(wěn)定時(shí)，θi＝θ0，△U＝0，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。位置隨動(dòng)系統(tǒng)輸出的角位移θ0將隨給定的θⅰ變化而變化。θi↑→Uθ↓→△U＝K（θi－θ0）>0→Uk1>0→VT正導(dǎo)通→電機(jī)正轉(zhuǎn)→θ0↑調(diào)節(jié)過程如下：9.4第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.4.1系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差包括輸入穩(wěn)態(tài)誤差essr(跟隨穩(wěn)態(tài)誤差)和擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差essd兩部分組成，與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)有關(guān)，而且還與作用量的大小、作用點(diǎn)有關(guān)。

隨動(dòng)系統(tǒng)的輸入量不斷變化，典型輸入信號有階躍信號、等速信號、等加速信號，隨動(dòng)系統(tǒng)的主要穩(wěn)態(tài)誤差是跟隨穩(wěn)態(tài)誤差其中，λ為前向通道積分環(huán)節(jié)個(gè)數(shù)，K為開環(huán)增益。

分析可知，積分個(gè)數(shù)λ多，放大倍數(shù)K大，穩(wěn)態(tài)性能好，但同時(shí)K增大將導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。，9.4第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.4.2系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計(jì)

對于一個(gè)系統(tǒng)，除了要滿足穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能外，還要求有較好的動(dòng)態(tài)性能。對于隨動(dòng)系統(tǒng)，一般希望超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間短，振蕩次數(shù)小。例：如圖9－16所示為具有負(fù)反饋的隨動(dòng)系統(tǒng)框圖。其中，求單位階躍作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。，，圖9－16位置負(fù)反饋隨動(dòng)系統(tǒng)9.4第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)9.4.2系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能分析位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計(jì)

解：系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)該系統(tǒng)為典型的階系統(tǒng)，其中，，

由公式及，可求得系統(tǒng)的超調(diào)量，，由此可知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不佳，有待改進(jìn)。由公式可知，與均和系統(tǒng)的阻尼比成反比，因此應(yīng)該設(shè)法增大系統(tǒng)的阻尼比，從而降低和。本章小結(jié)第九章位置隨動(dòng)系統(tǒng)1.在自動(dòng)控制中，為了解決許多要求具有一定精度的位置控制問題，必須引人位置伺服系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的特點(diǎn)是:輸入量是隨時(shí)間變化的函數(shù)，要求系統(tǒng)的輸出量能以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化。在位置伺服隨動(dòng)系統(tǒng)中，擾動(dòng)的影響是次要的，重點(diǎn)是研究輸出量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。2.位置隨動(dòng)系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是可以用功率很小的輸入信號操縱功率很大的工作機(jī)械(只要選用大功率的功放裝置和電動(dòng)機(jī)即可)，此外還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。3.隨動(dòng)伺服系統(tǒng)的組成主要包括檢測元件、電壓和功率放大、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分。常用的線位移檢測元件有電位器和差動(dòng)變壓器，常用的角位移檢測元件有伺服電位器、自整角