伺服系统设计

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1、 前言 1\o"CurrentDocument"1.1设计目的 1\o"CurrentDocument"1.2设计内容 1\o"CurrentDocument"2、 伺服系统的基本组成原理及电路设计 2\o"CurrentDocument"2.1伺服系统基本原理及系统框图 2\o"CurrentDocument"2.2伺服系统的模拟PD+数字前馈控制 4\o"CurrentDocument"2.3伺服系统的程序 6\o"CurrentDocument"3、 仿真波形图 9\o"CurrentDocument"结论 12\o"CurrentDocument"心得与体会 13\o"CurrentDocument"参考文献 141、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2-1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T图2-3伺服系统速度环框图

T,T,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；0为转台转角；％为PWM功率放大倍数；Kd为速度环放大倍数；%为速度环反馈系数；％为电流反馈系数；L为电枢电感;R为电枢电阻；K”为电机力矩系数；Ce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=Jm+JL，b=bm+bL，Jm和JL分别为电机和负载的转动惯量，气和bL分别为电机和负载的粘性阻尼系数；T为扰动力矩，包括摩擦力矩和耦合力矩。 f假设在速度环中的外加干扰为粘性摩擦模型：F(t)=F*sg0i什)律0‘ 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:u(t)=F*sgn(0)+b*0•式中，七和bcl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：r(t)=Asin(2先Ft)+0.5Asin(0.5先Ft)，其中A=0.5，F=0.5.t考虑到，』和匕的值很小，前馈补偿系数七和b3效到摩擦力矩端得系数可近似写为：Gain=Kx气x%xKxK 22式中，K为经验系数，摩擦模型估计系数七和bcl式中，K为经验系数，摩擦模型估计系数七和bcl为：FAcicGainbcl-cGain系统总的控制输出为：u(t)=u(t)+u(t)式中，up(t)为PID控制的输出，其三项系数为kpp=15chap012-32-42-5k=0.1，k=1.5.程序如控制系统的simulink程序：chap01，如图2-5和图2-6所示。Hold3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:u=k[k(r-0)-k0•]+fvu=k[k(r-0)-k0•]+fv1r1r2-6式中，ki=kJ^p，k=kk，2dv1 0 =—

Js2+bsue=r-0。2-7即J0.•+b0•=u将控制律带入上式，得:f+f-J0••-(k+b)0,+ke=0• •• 2 11r2r2-8取：f=k+b，f=J得到系统的误差状态方程如下:J0••+(k+b)e+ke=02 12-9由于J>0，k+b>0，k>02 1则根据代数稳定性判据，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：r(t)=Asin(2为尸t)，其中A=1.0，F=1.0.u(t)为控制器的输出，伺服系统参数为：J=2.0kg•m2，b=0.50,k=2.0,k=15,k=6.则f=k+b，f=J。程序如chap02v p d 1 2 2如图2-8.曲线图3-5，曲线图3-6，曲线图3-7.2.3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%ThreeLoopofFlightSimulatorServoSystemwithDirectCurrentMotorclearall;closeall;%(1)CurrentloopL=0.001; %L<<1InductanceofmotorarmatureR=1;%Resistenceofmotorarmatureki=0.001;%Currentfeedbackcoefficient%(2)Velocityloopkd=6; %Velocityloopamplifiercoefficientkv=2; %VelocityloopfeedbackcoefficientJ=2;%Equivalentmomentofinertiaofframeandmotorb=1; %Viscositydampcoefficientofframeandmotorkm=1.0;%MotormomentcoefficientCe=0.001;%Voltagefeedbackcoefficient%Frictionmodel:Coulomb&ViscousFrictionFc=100.0;bc=30.0;%Practicalfriction%(3)Positionloop:PIDcontrollerku=11;%VoltageamplifiercoefficientofPWMkpp=150;kii=0.1;kdd=1.5;%FrictionModelcompensation%EquavalentgainfromfeedforwardtopracticalfrictionGain=ku*kd*1/R*km*1.0;Fc1=Fc/Gain;bc1=bc/Gain;%Feedforwardcompensation%InputsignalinitializeF=0.50;A=0.50;ts=0.001;%SamplingtimeM=2;ifM==1%SineSignalk=5000;time=[0:ts:k*ts]';%Simulationtimerin=A*sin(2*pi*F*time);drin=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*time);elseifM==2 %RandomSignalT=4999;time=zeros(T,1);rin=zeros(T,1);drin=zeros(T,1);rin(1)=0;drin(1)=0;fork=1:1:Ttime(k+1)=k*ts;%Randomsignalrin(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*0.25*F*k*ts);drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))/ts;endEnd初始化程序：chap02%FlightSimulatorServoSystemclearall;closeall;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]';%Simulationtimer=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正弦叠加信号跟踪10.80.60.40.20-0.24).4-Q6-0.8-1图3-510.80.60.40.20-0.24).4-Q6-0.8-1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