位置随动系统..
位置随动系统的分析与设计
位置随动系统的分析与设计1.系统需求分析-实时追踪目标位置：系统需要能够实时获取目标的位置信息，可以通过各种传感器如GPS、惯性测量单元等进行实现。
-实时控制移动对象：系统需要能够根据目标位置进行实时控制移动对象，例如调整机器人的航向、调整无人驾驶汽车的速度等。
-高精度定位：系统需要能够实现高精度的目标定位，以保证位置随动控制的准确性。
-快速响应：系统需要能够快速响应目标位置的变化，并及时调整移动对象的控制策略，以保持目标与移动对象之间的距离恒定。
-可靠性与鲁棒性：系统需要具备高可靠性和鲁棒性，能够应对传感器误差、环境变化等因素的影响。
2.系统设计-目标追踪模块：该模块用于实时获取目标的位置信息。
可以采用多种传感器，如GPS、激光测距仪等。
目标追踪模块需要具备高精度定位和高响应速度的特点，以确保位置信息的准确性和实时性。
-控制算法模块：该模块根据目标位置信息计算出移动对象的控制策略。
控制算法可以根据实际需求选择不同的模型，例如PID控制、模糊控制、最优控制等。
控制算法需要具备良好的控制性能和鲁棒性，以保证位置随动控制的稳定性和可靠性。
-控制器模块：该模块负责将控制策略转化为实际的控制指令，并对移动对象进行实时控制。
控制器可以采用硬件控制器或软件控制器的方式实现，也可以使用现有的控制器模块或定制开发控制器模块。
-反馈系统：该系统用于实时获取移动对象的状态信息，如位置、速度、加速度等。
反馈系统可以采用传感器进行实现，例如编码器、惯性测量单元等。
反馈系统可以为控制算法提供实时的状态反馈信息，以便对控制指令进行调整和优化。
3.系统实现位置随动系统的实现需要进行系统建模、算法设计和软硬件集成等工作。
在系统建模过程中，可以使用系统分析和系统设计方法，如UML建模、数据流图、状态转换图等，对系统进行建模和分析。
在算法设计过程中，可以根据系统需求和设计目标选择合适的算法，并进行仿真验证和优化调整。
在软硬件集成过程中，可以使用现有的软硬件平台，如嵌入式系统、机器人操作系统等，将设计好的算法和控制器模块集成到实际的系统中，并进行测试和调试。
自动控制原理课程设计——位置随动系统
自动控制原理课程设计——位置随动系统
在工业自动化领域，位置随动系统扮演着重要的角色。
它能够使驱动装置根据指令精确地移动到指定位置，并保持稳定。
位置随动系统的核心是自动控制系统，该系统通过反馈机制实时监测和调整驱动装置的位置。
在位置随动系统中，通常采用步进电机或伺服电机作为驱动装置。
这些电机能够根据控制系统的指令精确地转动一定的角度，从而实现位置的精确控制。
为了确保系统的稳定性，通常会采用闭环控制，即通过位置传感器实时监测电机的位置，并将位置信息反馈给控制系统。
在自动控制原理课程设计中，学生需要了解并掌握位置随动系统的基本原理、组成和实现方法。
学生需要自行设计并实现一个简单的位置随动系统，通过实验验证系统的性能和稳定性。
在设计过程中，学生需要考虑系统的硬件组成、控制算法的选择和实现、传感器选择和校准、系统调试和优化等方面的问题。
学生需要通过理论分析和实验验证相结合的方法，不断优化和完善系统设计。
通过这个课程设计，学生可以深入了解自动控制原理在实际应用中的重要性，提高自己的动手能力和解决问题的能力。
同时，这个课程设计也可以为学生未来的学习和工作打下坚实的基础。
位置随动系统
图9-1 典型的位置随动系统的组成
位置随动系统的特点
位置随动系统与调速系统比较，有下面一些特点：
输入量是在不断变化着的(而不是恒量)，它主要 是要求输出量能按一定精度跟随输入量的变化。 而调速系统则主要是要求系统能抑制负载扰动对
供电电路应是可逆电路，使伺服电动机可以正、 反两个方向转动，以消正或负的位置偏差。而调
交流伺服电动机的基本结构、工作 原理和工作特性
位置随动系统的组成
位置随动系统有开环控制系统，如由单片 机控制、步进电动机驱动的位置随动系统， 以前开环控制精度较低，如今已有精度相 当高(10000step/r以上)的步进随动系统。
在跟随精度要求较高、而且驱动力矩又较 大的场合，多采用闭环控制系统，它们多 采用直流(或交流)伺服电动机驱动。典型的 位置随动系统的组成如图9-1所示。
电动机惯量小，电动机灵敏，空载始动电
很强的刚性，不易产生振动。
直流伺服电动机的结构特点
由于上述的要求，因此直流伺服电动机与 普通直流电动机相比，其电枢形状较细较 长(惯量小)，磁极与电枢间的气隙较小，加 工精度与机械配合要求高，铁心材料好。
直流伺服电动机按照其励磁方式的不同， 又可分为电磁式(即他励式)(型号为SZ)，(见 图9-7a)和永磁式(即其磁极为永久磁钢)(型 号为SY)(见图9－b)。
位置随动系统的主环为位置环，调速系统的主环
位置随动系统的技术指标，主要是对单位斜坡输 入信号的跟随精度(稳态的和动态的)，其他还有 最大跟踪速度、最大跟踪加速度等。
9.2 位置随动系统的主要部件
位置随动系统的主要部件一般都有： 线位移检测元件（同步感应器） 角位移检测元件 直流伺服电机或交流伺服电机
位置随动系统
图2-1 电位器式位置随动系统原理图
(1) 位置检测器 由电位器RP1和RP2组 成，其中RP1转轴与手轮相连。
图2-1 电位器式位置随动系统原理图
〔3) 可逆功率放大器 输出驱 动电动机的电压。
图2-1 电位器式位置随动系统原理图
模拟式角位移随动系统的各种参量都是连续变化的 模拟量，其位置检测器可用电位器，自整角机，旋转变 压器，感应同步器等。一般是在调速系统的基础上外加 一个位置环组成。
采用数学式检测装置来组成数字式随动系统。在这 类系统中，一般仍可采用模拟的电流环和速度环以保证 系统的快速响应，但位置环是数字式的。
图2-2典型的模拟式位置随动电编码器可直接将角位移信号转换成数字信 号，它是一种直接编码装置。
二进制编码盘
循环编码盘
绝对式光电编码盘
① 二进制码盘
在二进制码盘中，码道从外到里按二进制刻制， 外层为最低位，里层为最高依，上图a所示，轴位 置与数码的对照表见表5.2.1。
① 二进制码盘
二进制码在转动时，可能出现两位以上的数 字同时改变，导致“粗大误差”的产生。例如， 当数码由0111(即十进制7)变到1000(即十进制8)时， 内于光电管排列不齐或特性不一致，有可能产生 高位偏移，本来是1000的数，读成了0000，误差 达到8，这就是“粗大误差’：
模拟式检测装置的精度由于受到制造上的限制不可能 做得很高，因而影响到整个模拟式位置随动系统的精度。 如果需要进一步提高生产机械的控制精度，就必须使用数 字式检测装置来组成数字式位置随动系统。在数字式位置 随动系统中，一般情况下仍采用模拟式电流环和速度环， 以保证系统的响应速度，但位置环是数字式的。
数控机床伺服进给x轴
一．前言数控机床的进给伺服系统是以数控机床的各坐标为控制对象，以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称位置随动系统、进给伺服机构或进给伺服单元。
这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
在数控机床中，进给伺服系统是数控装置和机床本体的联系环节，它接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大后，由电动机经机械传动机构驱动机床的工作台或溜板沿某一坐标轴运动，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。
作为数控机床的执行机构，进给伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了步进、直流、交流的发展历程。
在一定意义上，进给伺服系统的静、动态性能，决定了数控机床的精度、稳定性、可靠性和加工效率。
因此，研究与开发高性能的进给伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。
二．滚珠丝杠螺母副的设计1. 确定滚珠丝杠副的导程P ℎ=V max i ∗n max =12∗1031200=10 取P ℎ=102. 确定当量转速和当量载荷1） 各种切削方式下丝杠转速n i =Vi P ℎ V i :进给速度m min ⁄ n min =V min P ℎ=370010=370 r min ⁄ n max =V max P ℎ=1200010=1200 r min ⁄ n m =n max +n min 2=370+12002=785 r min ⁄ 2） 各种切削方式下，丝杠轴向载荷F =G =mg =88∗10=880 NF max =P +F =4700+880=5580NF min =F =880NF m =2F max +F min 3=5580∗2+8803=4013.3 N3） 当量载荷F m =4013.3 N4） 当量转速n m =785 r/min3. 预期额定动载荷1） 按预期工作时间估算C am =√60n m ∗L ℎ3∗F m Fw 100f a f c L ℎ=15000mm,f w =1.3,f a =f c =1C am =√60∗785∗150003∗4013.3∗1.3100∗1∗1=46.46kN 2） 拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载F max 计算C am =f e F max 查表得f e =4.5带入 C am =4.5∗5580=25.11kN取以上情况最大值 C am =46.46kN4. 确定允许的最小螺纹底径1） 估算丝杠的最大轴向变形量① δm ≤(13~14)重复定位精度② δm ≤（14~15）定位精度已知：重复定位精度6μm ，定位精度12μmδm1=2δm2=3δm 取最小值22） 估算滚珠丝杠副的最小螺纹底径d 2m丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式d 2m =10√10f 0L πδm E =0.039√F 0L δmL =μ0w 1=0.2∗880=176Nd 2m =0.039√F 0L δm =7.9mm 5. 确定滚珠丝杠副的规格代号1）选用循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片 2）由计算出P ℎ,C am ,d 2m 在样本中选取相应规格的滚珠丝杠副FFZP6310-5 P ℎ=10C a1=62400>39576=C amd 2=57.3>7.9=d 2m6. 确定滚珠丝杠副预紧力F p =13F max ,其中F max =5580NF p =13∗5580=1860 N 7. 行程补偿值与拉伸力1）行程补偿值L u=行程+(8~14)Pℎ=370+10∗8=450 mmF t=11.8∆tL u∗10−3=11.8∗2∗450∗10−3=10.62μm2）预拉伸力F t=1.95∆td22=1.95∗2∗57.32=12804N三．轴承的选择F Bmax=F t+F max=12804+5580=18384N1.轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力珠轴承。
位置随动系统
5.1.2 位置随动系统的分类
1）按输出功率分：小功率、超小功率、中功率、大 功率和超大功率位置随动系统。
2）按位移性质分：转角式和直线式； 3）按采用的电动机不同分：直流式和交流式； 4）按照控制器的类型分：模拟式随动系统和数字式
随动系统。
5.2 位置随动系统组成及工作原理
电位器式位置随动系统原理图
光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非
轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减
速齿轮，然后与滚珠丝杠相连。
5.4 位置随动系统稳态误差分析
（1）检测误差 由检测元件引起，大小取决于检测元件本身的精度。
（2）系统误差 包括稳态给定误差和扰动作用下的稳态误差。由系统自身
的结构形式、系统特征参数和给定输入信号的形式决定。 a: 位置调节器选用比例控制（Ⅰ型系统 ） b: 位置调节器选用PI或PID控制（Ⅱ型系统 ）
旋转光电编码器 旋转 两路正交信号和定位信号
直线光电编码器 旋转 两位正交信号和定位信号
绝对位置编码器 旋转 多位并行信号
旋转变压器
旋转 模拟幅值或相位信号，坚固
5.3.1 光电编码盘
光电编码盘可直接将角位移信号转换 成数字信号，它是一种直接编码装置。 和旋转变压器一样，按照编码原理划 分，有增量式和编对式两种光电编码 盘。
光电式脉冲编码器结构示意图
一、绝对式编码器
绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把 被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均 有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积 误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动 角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种， 以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。
位置随动系统
位置随动系统位置随动系统的被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
顾名思义，位置随动系统是一个带位置反馈的自动控制系统，但这只是狭义的随动系统。
广义的随动系统输出量不一定是位置，也可以是其它物理量。
随动系统的另一个名称：“伺服系统”也体现了这个共性，伺服（Servo）一词意味着“伺候”和“服从”，具有意译和音译的双重意义。
位置随动系统的组成(1) 位置传感器(2) 电压比较放大器（A）(3) 电力电子变换器（UPE）(4) 伺服电机（SM）(5) 减速器与负载以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。
位置随动系统的特征及其与调速系统的比较位置随动系统的主要特征如下：(1) 位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移；(2) 必须有具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号；(3) 电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的；(4) 控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求。
位置随动系统和调速系统一样，都是反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，两者的控制原理是相同的。
它们的主要区别在于，调速系统的给定量一经设定，即保持恒值，系统的主要作用是保证稳定和抵抗扰动；而位置随动系统的给定量是随机变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，系统在保证稳定的基础上，更突出需要快速响应。
总起来看，稳态精度和动态稳定性是两种系统都必须具备的，但在动态性能中，调速系统多强调抗扰性，而位置随动系统则更强调快速跟随性能。
位置传感器精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的位置是位置随动系统工作良好的基本保证。
位置传感器将具体的直线或转角位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或算法，形成与控制器输入量相匹配的位置误差信号。
8 位置随动系统解析
指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计报告设计题目：位置随动系统单位（二级学院）：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间：重庆邮电大学自动化学院制目录一、设计题目 (2)二．报告正文 (3)摘要 (3)2．1 问题一的分析与求解 (4)2．2 问题二的分析与求解 (5)2．3 问题三的分析与求解 (10)2．4 问题四的分析与求解 (14)三、设计总结 (18)四、参考文献 (19)五、附录 (20)附录一 (20)附录二 (20)一、 设计题目自动控制原理课程设计任务书1某位置随动系统原理如下图所示。
输入量为转角r θ，输出量为转角c θ，p R 为圆盘式滑动电位器，SM 为伺服电动机，TG 为测速发电机。
要求：（１）查阅相关资料，分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。
（２）分析系统每个环节的输入输出关系，代入相关参数求取系统传递函数。
（３）分析系统时域性能和频域性能。
（４）运用根轨迹法或频率法校正系统，使之满足给定性能指标要求。
（已知条件和性能要求待定）二、设计报告正文摘要随动系统是指系统的输出以一定的精度和速度跟踪输入的自动控制系统，并且输入量是随机的，不可预知的，主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，导弹制导、火炮瞄准等。
控制技术的发展，使随动系统得到了广泛的应用。
位置随动系统是反馈控制系统，是闭环控制，其位置指令是经常变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性和准确性成了位置随动系统的主要特征。
本次课程设计研究的是一类位置随动系统的滞后校正，首先通过分析原理求出传递函数，并利用主导极点进行降阶，得出一个二阶系统传递函数，并通过MATLAB分析时域和频域的各个性能，得出相角裕度太小和超调量太大，然后设计PD控制装置，改善系统的阻尼比，来使系统的各个性能达到要求。
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自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
L 相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
Ubs
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
系统的数学模型 （4）执行电动机
3. 光电编码器：
光电编码器=光源+光栅码盘+光敏元件
4.3 采用自整角机的位置随动系统
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
① 按输出功率：超小小中大超大；
② 按位置性质：转角、位移； ③ 按伺服电压：直流、交流；
④ 按控制系统组成方式：模拟、数字。
4.2 位置随动系统中的位置检测装置
1. 电位器：价格便宜、使用方便、有滑动触点、 容易磨损、可靠性差；
2. 基于电磁感应原理的位置传感器：自整角机、
旋转变压器、感应同步器。可靠性好、精度高；
-
n
负载
减速器
图4.1 电位器式位置随动系统结构图
4.1.3 位置随动系统的特征
① 输出位置快速准确跟踪给定位置；
② 必须具备一定精度的位置传感器；
③ 电压、功率放大器、拖动系统必须可逆；
④ 控制系统满足精度和性能的要求。
位置随动系统——强调跟随能力 调速系统——强调抗干扰能力
4.1.4 位置随动系统的分类
系统的数学模型 （1）自整角机
U bs ( s) U bsm sin m Wbs ( s) m ( s) m
一般，当 m 10 时，sin m m
sm m ( s)
自整角机 BS Uf
当采用直流伺服电动机时，传递函数是 一个二阶环节
1/ Ce n( s ) WMD ( s) U d ( s) TmTl s 2 Tm s +1
4.3 采用自整角机的位置随动系统
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
系统的数学模型 （2）相敏整流（放大）器 把幅值为 Ubs 的交流电压转换为一个直 流电压，同时增加滤波电路限制电压脉动。
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
系统的数学模型 （5）减速器
减速器的输入量为电机转速 n ，输出量 为机械转角θm(o)，若时间 t 以s为单位，则
n 360 6 m dt ndt i 60 i
i：减速器速比
Kg 6 经Laplace变换 Wg ( s) n is s
差。
数和给定输入信号的形式决定。
1. 检测误差
位置检测装置都有一定的精度等级 ①系统的精度不可能高于各检测元件的精度； ②检测误差通常是稳态误差的主要部分； ③反馈控制对反馈检测装置的误差无能为力。
高精度的位置随动系统首先应选择高精度的
检测元件。
各种检测元件的误差范围
检测元件 电位器 自整角机 误差范围 几度(o) ≤1度(o)
宇航设备的自动驾驶；
计算机磁盘驱动器的磁头定位控制；
电动阀门、挡板的开关；
电动行程机构的移动。
4.1.2 位置随动系统的组成及原理
位置检测器 电压比较放大器
R0
+
功率放大器
执行机构
L
+
R1 R1
R2
-
Us U* U θ* m
R0
- +
+
+
- +
θm
A1
A2
Uct
可逆 功率 放大器
Id Ud
SM M
WURP (s) U ph (s) U bs (s) Kph Tph s 1
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
L 相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
Ubs
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
系统的数学模型 （3）可逆功率放大器 晶闸管或脉宽调制放大器都可以由滞后 环节近似成惯性环节。
m
系统的数学模型
Δθm Ubs n Uph Ud Uct 1/Ce Kph KAP WAPR(s) TmTl s+Tms+1 Tphs+1 TAPs+1 相敏 整流 位置 调节器 功率 放大 直流 电机 Kg θm(s) s 减速 装置
θ*m(s)
+
-
Kbs
θm(s) 自整 角机
图4.16 自整角机位置随动系统的动态结构图
4.1.4 位置随动系统的分类
概述
位置随动系统又称伺服 (Servo) 系统， 主要解决对象的位置控制问题，根本任务就 是实现执行机构对位置指令的准确跟踪。因 此，位置随动系统必定是一个具有位置反馈 的闭环控制系统。
位置随动系统是狭义的随动系统。
4.1.1 位置随动系统的应用
火炮方位的自动跟踪；
旋转 变压器
几角分(’)
感应同步器 旋转式 几角秒(”) 直线式 几微米(μm)
2. 原理误差
4.3.2 位置随动系统的稳态分析
关键：误差分析。
例如：高射炮的瞄准精度≤2密位
跟踪卫星的雷达天线随动精度≤ 1′
射电望远镜天线随动精度≤ 1″
注：1密位=0.06°， 1°=60′=3600″
误差的分类
检测误差：由检测元件引起，取决于元件
本身的精度。
误差
原理误差：由随动系统自身结构、特征参 扰动误差：由各种扰动信号引起的系统误
运动控制系统
第 4 章
位置随动系统
内容提要
位置随动系统的构成原理 位置检测方法 位置随动系统的分析和设计
引 言 在生产、生活中，控制电动机的 旋转角位移或直线位移与控制电动机
的转速具有同样重要的意义。
4.1 位置随动系统概述
4.1.1 位置随动系统的应用
4.1.2 位置随动系统的主要组成部件及 其工作原理 4.1.3 位置随动系统的特征