伺服系统设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上目录 专心-专注-专业1、前言1.1设计目的1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力； 2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力； 3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。1.2设计内容1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图；2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。2、伺服系统的基本组成原理及电路设计2.1伺服系统基本原理及系统框图 伺服系统三环的PID控制原理:以转台伺服系统为例,其控制结构如图2

2、-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号, 为输出角位置信号.图2-1 转台伺服系统框图伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路.转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示.图2-2 伺服系统位置环框图图2-3 伺服系统速度环框图图2-4 伺服系统电流框图图中符号含义如下：r为位置指令；为转台转角；为PWM功率放大倍数；为速度环放大倍数；为速度环反馈系数；为电流反馈系数；L

3、为电枢电感；R为电枢电阻；为电机力矩系数；为电机反电动势系数；J为等效到转轴上的转动惯量；b为粘性阻尼系数，其中J=+，b=+，和分别为电机和负载的转动惯量，和分别为电机和负载的粘性阻尼系数；为扰动力矩，包括摩擦力矩和耦合力矩。 假设在速度环中的外加干扰为粘性摩擦模型： 2-1控制器采用PID控制+前馈控制的形式，加入前馈摩擦补偿控制表示为：式中，和为粘性摩擦模型等效到位置环的估计系数，该系数可以根据经验确定，或根据计算得出。被控对象为一个具有三环结构的伺服系统，伺服系统系数和控制参数在程序中给出描述，系统采样时间为1ms。取M=2，此时输入指令为正弦叠加信号：，其中A=0.5，F=0.5.考

4、虑到，L和的值很小，前馈补偿系数和等效到摩擦力矩端得系数可近似写为： 2-2式中，为经验系数，摩擦模型估计系数和为： 2-3 2-4系统总的控制输出为： 2-5 式中，为PID控制的输出，其三项系数为=15，=0.1，=1.5.程序如chap01控制系统的simulink程序：chap01，如图2-5和图2-6所示。图2-5 三环控制的simulink仿真程序 图2-6 电机模型的simulink仿真程序（1）带摩擦无前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟踪如图3-1和图3-2所示，由于静摩擦的作用，在低速跟踪存在“平顶”现象，速度跟踪存在“死区”现象。（2）带摩擦有前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟

5、踪如图3-3和图3-4所示，采用PID控制加前馈控制可很大程度地克服摩擦的影响，基本消除了位置跟踪的“平顶”和速度跟踪的：死区，实现了较高的位置跟踪和速度跟踪精度。2.2 伺服系统的模拟PD+数字前馈控制伺服系统的模拟PD+数字前馈控制原理针对三环伺服系统，设电流环为开环，忽略电机反电动系数，将电阻R等效到速度环放大系数Kd上。简化后的三环伺服系统结构框图如图2-7所示，其中u为控制输入。图2-7 简化后的三环伺服系统结构框图采用PD加前馈控制方式，设计的控制规律如下： 2-6式中，。 2-7即将控制律带入上式，得： 2-8取：，得到系统的误差状态方程如下： 2-9由于J>0， 则根据代

6、数稳定性判据，针对二阶系统而言，当系统闭环特征方程式的系数都大于零时，系统稳定，系统的跟踪误差e(t)收敛于零。被控对象为一个具有三环结构的伺服系统。伺服系统参数和控制参数在程序中给出描述，系统输入信号的采样时间为1ms，输入指令为正弦叠加信号：，其中A=1.0，F=1.0.u（t）为控制器的输出，伺服系统参数为：，b=0.50, , , .则，。程序如chap02如图2-8.曲线图3-5，曲线图3-6，曲线图3-7.图2-82.3 伺服系统的程序 根据是否加入摩擦干扰和前馈不偿分别进行仿真。初始化程序：chap01%Three Loop of Flight Simulator Servo S

7、ystem with Direct Current Motorclear all;close all;%(1)Current loopL=0.001; %L<<1 Inductance of motor armatureR=1; %Resistence of motor armatureki=0.001; %Current feedback coefficient%(2)Velocity loopkd=6; %Velocity loop amplifier coefficientkv=2; %Velocity loop feedback coefficientJ=2; %Equiv

8、alent moment of inertia of frame and motorb=1; %Viscosity damp coefficient of frame and motorkm=1.0; %Motor moment coefficientCe=0.001; %Voltage feedback coefficient%Friction model: Coulomb&Viscous FrictionFc=100.0;bc=30.0; %Practical friction%(3)Position loop: PID controllerku=11; %Voltage ampl

9、ifier coefficient of PWMkpp=150;kii=0.1;kdd=1.5;%Friction Model compensation%Equavalent gain from feedforward to practical frictionGain=ku*kd*1/R*km*1.0; Fc1=Fc/Gain;bc1=bc/Gain; %Feedforward compensation%Input signal initializeF=0.50;A=0.50;ts=0.001; %Sampling timeM=2;if M=1 %Sine Signalk=5000;time

10、=0:ts:k*ts' %Simulation timerin=A*sin(2*pi*F*time);drin=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*time);elseif M=2 %Random SignalT=4999;time=zeros(T,1);rin=zeros(T,1);drin=zeros(T,1); rin(1)=0;drin(1)=0;for k=1:1:Ttime(k+1)=k*ts; %Random signal rin(k+1)=A*sin(2*pi*F*k*ts)+0.5*A*sin(2*pi*0.5*F*k*ts)+. 0.25*A*sin(2*pi*

11、0.25*F*k*ts); drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k)/ts;endEnd初始化程序：chap02%Flight Simulator Servo Systemclear all;close all;J=2;b=0.5;kv=2;kp=15;kd=6;f1=(b+kd*kv);f2=J;F=1;A=1;t=0:0.001:10' %Simulation timer=A*sin(2*pi*F*t);dr=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*t);ddr=-4*pi*pi*F*F*A*sin(2*pi*F*t);3、仿真波形图图3-1 正弦叠加信号跟踪图3-2正

12、弦叠加信号跟踪图3-3 正弦叠加信号跟踪图3-4 正弦叠加信号跟踪图3-5 位置波形图3-6 给定与相应波形结论此伺服系统在三环结构作用之下，由MATLAB的仿真结果可以看出，在正弦给定信号的作用下，系统在调节时间小于等于1S的范围内，能够做到无静差跟踪。这样实现了伺服系统快速的跟踪给定的设计要求。心得与体会 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识，也培养了我如何把握一件事情，如何去做一件事情，又如何较好地完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，与同学相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，学会了做人与处世。 课程设计是我们

13、专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的一个过程。“千里之行始于足下”，通过这次设计，我深深体会这句千古名言的真正含义。我用两周的时间认真的进行课程设计，学会脚踏实地地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次电机拖动自动控制系统课程设计，本人学到了伺服系统三环的PID控制原理。伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构，电机输出轴直接与负载转动轴相连，为使系统具有较好的速度和加速度性能，引入测速机信号作为系统的速度反馈，直接构成模拟式速度回路。由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路。在这次设计过程中，体现自己能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用，突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄