跟踪伺服系统工程设计

跟踪伺服系统工程设计导论,（一）,1.跟踪伺服系统主要战技指标,1.1 跟踪范围方位：0360；俯仰：-5+185；1.2 跟踪方式半自动跟踪;数引随动跟踪;电视自动跟踪;,1.3 跟踪角速度保精度跟踪角速度:0.01/S20/S;最大跟踪角速度:60/S;1.4 跟踪角加速度保精度跟踪角加速度:0/S27/S2;最大跟踪角加速度:60/S2;1.5 跟踪精度在保精度角速度,角加速度范围内,数引随动跟踪或电视自动跟踪的跟踪误差:系统误差最大值3,随机误差均方根值20。,1.6 动态性能在线性范围内,在阶跃信号输入情况下,过渡过程时间1 S;超调量20;振荡次数1次。1.7 跟踪方式切换三种跟踪方式之间可实现自动切换,切换时平滑无抖动,不丢失目标。,2.线性定常最小相位系统设计,频域法适合于线性定常最小相位系统的设计。2.1 低频段特性决定系统的稳态精度在工程中，对于具有一阶无差度系统（型系统）的精度往往以“系统输出轴按最大角速度max和最大角加速度amax作等效正弦跟踪时的允许误差不大于esin ”来度量。,等效正弦运动的角频率i为： i= amax/ max等效正弦运动的振幅Am为： Am= 2max/ amax则等效正弦运动i为： i= AmSin it此时对系统的要求为：Kv= max/ esin Ka= amax/ esin,2.2 中频区特性决定系统的动态品质伺服系统的动态品质通常用零初始条件下的阶跃响应来衡量。具体指标为：调整时间（过渡过程时间）ts；超调量；振荡次数N；阶跃响应的快速性和频率响应的带宽；超调量与振荡指标M之间有着密切的关系。,1. 二阶系统振荡指标M与系统阶跃响应超调量有以下关系： =e-（M-M2-1）1002. 对于高阶系统，当振荡指标在1.2M1.7范围时，M与有以下近似关系：=0.16+0.4(M-1) 1003. 系统开环对数幅频特性中频段的形状与M对应关系为：,开环对数幅频特性与零分贝相交部分渐进线的斜率为-20dB/dec，而该线段沿纵坐标和横坐标的跨度分别为：LM=20lgM/（M-1）LL=20lgM/（M+1）h=（M+1）/（M-1）,LM,LL,c,1,2,3,h,T1,T2,T3,a,4. 当系统振荡指标处在1.1M1.8范围内时,其调整时间ts与它的开环幅频特性截止频率c有以下近似关系: ts=k/ c其中:k=2+1.5(M-1)+2.5(M-1)25. 当系统振荡指标处在1.2M2范围内时,振荡指标M与相位裕度之间有以下近似关系:=arcSIN(1/M),总之,为了获得准最佳过渡过程,中频段的对数幅频特性应满足下列条件:(1)与频率轴在不低于c处相交;(2)在对数幅频特性值满足不等式LLL() LM时的斜率应为-20dB/dec,并有相位裕度,而LL、 LM、均按给定超调量=f(M)的关系来确定。,2.3 高频段特性 一般以最简单的形式，并借助于斜率-40dB/dec的渐进线，位置由时间常数T3=（1/ c）M/（M+1） 来确定。另外，应确保高频段小时间常数之和不超过下列数值：TiT3 （i=4，5，m）,2.4 约束条件系统带宽不能超出各种约束条件, c应在下述范围内取值: cmins, R, K, N其中: s测量元件的截止频率; R机械谐振频率; K伺服电机的极限频率; N输入噪声的频率.,2.5 典型伺服系统的工程设计(频域法)根据约束条件确定所能达到的c值;根据时域指标确定振荡指标M;根据下式确定中频段参量: T2（1/ c）M/（M-1）=(1/ a) M/（M-1） T3（1/ c）M/（M+1） c=a2T2,4. 根据精度要求校核指标,选择系统无差度阶次,决定控制结构。 对于低频段而言，若为典型一阶无差度系统（特性量-20，-40，-20，-40形状），低频段时间常数T1决定低频增益KvKv=a2T1=KaT1选择T1的大小，使得系统增益（速度品质因数）满足要求。5. 修改设计。,2.6 带宽与品质因数对于型结构位置回路,若取 c=4 2; 3=4 c则: a=2 2=1/2 c对于一阶无差度系统,开环特性的截止频率cp与闭环带宽Bp有如下近似关系: Bp=2 cp其中: Bp=2fBP 为位置回路闭环带宽;则有: Ka=a2=(Bp/4)2=(2fBP/4)2=2.5 fBP2上式表明了一阶无差度系统的加速度品质因数 Ka与闭环带宽fBP之间的关系。可见，加速度品质因数 Ka受伺服带宽的限制。,3. 一个例子,跟踪能力：保精度跟踪角速度:20/S;保精度跟踪角加速度:7/S2;跟踪误差:系统误差最大值3。 动态特性：超调量 20;过渡过程时间ts 0.5 S。根据超调量 20由 =0.16+0.4(M-1) 100有：M=1.1,LM=20lgM/（M-1）=20lg1.1/(1.1-1)=20lg11=20.83 dBLL=20lgM/（M+1）=20lg1.1/(1.1+1)=20lg0.5238=-5.6 dBh=（M+1）/（M-1）=(1.1+1)/(1.1-1)=21另:k=2+1.5(M-1)+2.5(M-1)2=2+0.15+0.025=2.175,由 ts=k/ c ,要求ts 0.5 S,得: c =2.1753.14/0.5=13.659(1/s)可选取c =15 (1/s)相角裕度: =arcSIN(1/M)=81.8相应地: T3=（1/ c）M/（M+1）=0.349 (s) T2=（1/ c）M/（M-1）=0.733 (s),则: Ka= a2= c/ T2=15/0.733=20(1/s2)取T1=7 s,则: Kv=a2T1=KaT1=207=140(1/s)而系统要求的 Kv=2060/3=400 (1/s); Ka=760/3=140 (1/s2);不能满足系统要求的精度指标。,4.对比表,M k ts T3 T2 Ka T1 Kv1.1 20 81.8 2.175 0.455 0.035 0.733 20 7 1401.2 23 75 2.4 0.502 0.036 0.4 37.5 4 1501.3 28 69 2.675 0.56 0.038 0.29 52 3 1561.4 32 64 3 0.628 0.039 0.23 64 3 1921.5 37 60 3.375 0707 0.04 0.2 75 3 225,跟踪伺服系统工程设计导论,（二）,速度回路设计,1.速度回路的作用1)克服负载扰动,抑制干扰或对干扰进行滤波;克服摩擦造成的死区,克服饱和等非线性;2)保证速度控制刚度,保证系统的调速范围;3)使内回路带宽相对宽,快速性好(响应快); 控制对象在没有速度回路时,可描述为1/S(T1S+1),其中T1数量级在秒级;在有速度回路闭环时,内回路(速度回路即为控制对象,其可描述为1/S(T2S+1),其中T2数量级在十毫秒左右, T2比T1小得多。,2.控制对象直流(力矩)电机及其负载的传递函数为:W(S)=1/KE/(TMS+1)(TES+1)其中, TM机械时间常数,数值大约在几毫秒直至几秒;TM(ms)= 2/60106JGRa(Kgm2)()/KEKT(V/krpm)(Nm/A)Te电气时间常数,通常在1毫秒至几十毫秒;Te(ms)=La(mH)/Ra()2.1 负载机械时间常数的工程测试方法 假设被测对象的传递函数为: W(S)=1/(TMS+1),假设被测对象的传递函数为：W(S)=1/(TMS+1)2.1.1 阶跃响应法 TM=63.2t;2.1.2 频率响应法 TM=1/ M;,3.直流(力矩)电机的选择3.1 最大速度的考虑3.2 最大加速度的考虑3.3 调速范围、低速的实现,3.4 对直流伺服电机的要求1.尽可能高的响应频率,亦即尽可能减小转子的转动惯量,增大转矩惯量比;2.良好的低速平稳性;3.尽可能宽的调速范围;4.机械特性的硬度T/n的数值尽可能大;5.换向器和电刷间的接触火花尽可能小,以减小伺服噪声;6.过载能力强。,4.反馈元件的选择4.1 最低速度的实现4.2 位置精度的要求,4.3 伺服系统对直流测速机的要求1.线性度好。输出电压和转速的特性曲线呈线性;2.灵敏度高。输出特性的斜率要大;3.温度变化对输出特性的影响要小;4.输出电压的纹波要小;5.输出特性的对称性要一致。4.4 伺服系统对数字测速元件的基本要求1.高分辨率。分辨率表征测量装置对转速变化的敏感度;2.高精度。精度表示偏离实际值的百分比;3.短的检测时间。,5.速度回路的设计,5.1 在设计外环时把内环作为一个整体环节对待 内环“等效惯性”的近似处理依外环频带与内环频带之间的相互关系而定。一般说来，内环与外环的中频段相距越远，内环越能简化近似。 在工程设计时，当内环带宽是外环带宽5倍以上时，则内环可等效成为一阶惯性环节。当内环带宽远远大于外环带宽时，有时也可将内环等效成为比例环节。,5.2 速度回路与位置回路带宽关系一般位置回路大都采用型结构,设: cv速度回路开环截止频率; cp位置回路开环截止频率; fBV速度回路闭环带宽; R=2fR系统机械谐振频率; 则选取速度环cv=(24) cp选取机械谐振频率R=(46) cp选取fBV1/2 fR 即可使内环等效特性满足外环设计要求。,5.3 对速度回路的要求1.满足系统所要求的速度