第六章闭环伺服系统

第六章 闭环伺服系统
第一节 闭环伺服系统组成方案
• 伺服系统，也称为随动系统，是一种能够及时跟 踪输入给定信号并产生动作，从而获得精确的位 置、速度等输出的自动控制系统。伺服系统是自 动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或 位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给 定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态 能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变 化规律。
第二节 伺服系统的数学模型
传递函数：输出量的Laplace变换与输入量的 Laplace变换之比。 一般性的伺服系统可分为三个控制环路： 1. 电流环 a. 电流环以直流电动机的电枢电流为反馈量； b. 电流环的主要作用是通过调节功率放大器输出电压， 使得电动机的转矩跟踪希望的设定值 ； c. 电流环可以看作是一个惯性环节，若忽略其时间常 数，可看作是比例环节。
特点：位置环采用PI控制器，系统从I型提高到II型，系统对 参考输入做到了二阶无静差，对负载转矩做到了一阶无静差。
• 2. 复合控制器
复合控制器就是在反馈控制器的基础上附加一 个前馈控制器。
第五节 数字控制器设计与实时控制算法
• 一、数字PID控制算法
按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器。其 参数整定方便，结构改变灵活（P, PI, PD, PID等），工 业中广泛应用。 P的作用是增加开环增益，降低系统稳态误差；I的作 用是使系统增加一阶纯积分，从而提高系统一个无静差度； D的作用是给系统提供阻尼，增加稳定性。
• 二、采样周期选择
准则1：若考虑对系统响应速度的影响，采样周期应 小于或等于系统的最小时间常数。 准则2：若考虑系统的抑制干扰能力，采样速率应为 闭环系统通频带的10倍以上。 准则3：实时算法程序所花费的时间总和最好小于采 样周期的1/10。
• 三、量化误差
任何微形计算机都是有限字长的，从而会形成 量化误差； 舍入误差由四舍五入量化器产生，截断误差由 截断低位数量化器产生； 量化误差的直接影响是在数字系统中引入量化 噪声。
第一节 闭环伺服系统组成方案
• 闭环伺服系统的组成方案
根据在系统中传递的信号形式不同，伺服系统分为 三类： 1. 模拟式伺服系统 a. 以模拟电压为位置指令 b. 以给定位移为位置指令 1. 参数脉冲系统 2. 采样—数据系统（计算机闭环控制系统）
第二节 伺服系统的数学模型
为了从理论上对系统进行分析及设计，至关重 要的是获得系统的数学模型，一般为描述输入和 输出关系的微分方程或传递函数。 步骤：①分析系统工作原理，确定输入量、输出 量和中间物理量； ②根据物理规律求出各物理变量间的微分方程或 传递函数； ③求出系统输入量与输出量之间的微分方程或传 递函数。
K P KV K t KR Ra
第三节 性能分析
• 二、动态性能 典型的二阶系统： 2 n ( s) 2 2 s 2 n s n
Xi (s) 2 n s(s +2n ) Xo (s)
以阶跃响应为例，其输出信号为：
1 c( s ) 2 2 s 2n s n s
第一节 闭环伺服系统组成方案
• 闭环伺服系统介绍
a. 闭环伺服系统是反馈控制系统，是控制器、受 控对象、反馈装置、以及比较器等部分组成。 b. 与开环伺服系统相比，闭环伺服系统具有精度 高、动态性能好、对环境变化灵敏度低，搞干扰 能力强等优点。 c. 全闭环与半闭环：间接测量的系统称为半闭环 系统；直接测量的系统称为全闭环系统。
第二节 伺服系统的数学模型
2. 速度环 a. 速度环以电机轴的转速为反馈量； b. 速度环Байду номын сангаас传递函数是一个惯性环节。 3. 位置环 位置反馈采用模拟式或数字式测量元件。
第三节 性能分析
伺服系统的性能指标包括静态和动态两个方面： 一、 静态性能
1.静态误差
静态误差又称稳态误差，若系统是稳定的，利用拉 氏变换终值定理，可以表示为：
ess lim s e ( s )
s 0
第三节 性能分析
a. 输入参考指令为单位阶跃
ess 0
b. 输入参考指令为单位斜坡
essv
1 K p KV
Kf
第三节 性能分析
• 2 伺服刚度 伺服系统的刚度定义为输出轴的单位位置 误差所能承受的负载转矩。根据定义，伺服 刚度为：
2 n
ξ为阻尼比，>0
第三节 性能分析
动态性能主要包括： 1. 系统自然频率 2. 阻尼比 3. 调整时间 4. 超调量
三、性能改进措施
• PI控制器 PI调节器框图如图所示：
Xi(s) E(s)
+
-
1 K p (1 ) Ti s
M(s)
G (s)
Xo(s)
M ( s) 1 Gc ( s) K p 1 E ( s) Ti s