第五章-伺服系统课件

参考书目高钟毓.机电控制工程.清华大学出版社1§5.1相关的基本概念伺服系统:是自动控制系统中的一类系统，它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环）例：雷达跟踪系统、机器人机械臂、猎雷声纳平台。测量、反馈元件被控对象比较元件调节元件执行元件输出指令输入基本结构：2§5.1相关的基本概念分类：按执行元件：电气、液压、气动等伺服系统；按控制方式：闭环、半闭环等伺服系统；按控制信号：模拟式、数字式伺服系统。要求：稳定性：取决于系统的结构和元件参数：惯性、阻尼、刚度、增益；与外界作用的性质或形式无关；精度：（动态误差、稳态误差）取决于系统的结构；传感器的灵敏度、精度、非线性；放大器的零漂和死区误差；机械装置的传动误差、反向间隙；快速响应性：可靠性，抗干扰能力强。3§5.2伺服系统性能分析§5.2.1静态性能§5.2.2瞬态性能§5.2.3刚度特性（抗干扰）4§5.2伺服系统性能分析§5.2.1静态性能静态误差：当伺服系统稳定时，令t→∞时，系统误差极限定义为静态误差。以直流伺服系统为例，其数学模型如下图所示：位置环

5§5.2伺服系统性能分析§5.2.1静态性能位置环

6§5.2伺服系统性能分析§5.2.1静态性能则静态误差可利用拉氏变换终值定理表示为：7§5.2伺服系统性能分析§5.2.1静态性能8§5.2伺服系统性能分析§5.2.2瞬态性能单位阶跃响应指标:

9§5.2伺服系统性能分析§5.2.2瞬态性能结论：10§5.2伺服系统性能分析§5.2.3刚度特性（抗干扰）刚度的概念：系统输出单位误差角所能抵抗的负载转矩。静刚度：负载转矩为常量，误差角为稳态值时的刚度。11§5.2伺服系统性能分析§5.2.3刚度特性（抗干扰）12§5.2伺服系统性能分析§5.2.3刚度特性（抗干扰）结论：13§5.2伺服系统性能分析动态刚度：动态负载作用下的系统刚度。§5.2.3刚度特性（抗干扰）14§5.2伺服系统性能分析§5.2.3刚度特性（抗干扰）15§5.2伺服系统性能分析§5.2.3刚度特性（抗干扰）结论：16§5.3伺服系统性能改进现有伺服系统的不足：（位置控制器采用P控制器）存在速度跟踪误差；只有有限静刚度。性能改进措施：积分校正：P控制器=>PI控制器；复合控制：增加前馈控制。17§5.3伺服系统性能改进§5.3.1积分校正Gc(S)=伺服系统开环传递函数：静态特性：系统由原来Ⅰ型变为Ⅱ型，对位置、速度指令无静差，加速度误差系数为：18§5.3伺服系统性能改进§5.3.1积分校正动态特性P控制器和PI控制器的特性如右图：低频段不同，中频段、高频段重合。结论：积分校正只改变伺服系统的静态特性，显著改善静态精度和静态刚度，而不会改变系统的动态特性和动态抗干扰特性。刚度特性系统对数刚度－频率曲线如右图：采用PI控制器比采用P控制器的低频段刚度得到了很大提高。在零频率时，刚度达到无限大。19§5.3伺服系统性能改进§5.3.2复合控制器复合控制器：在反馈控制的基础上，增加一前馈控制器。目的：使系统响应以零稳态误差跟踪输入信号。（PID控制器难以实现）系统误差：第一项：输入引起的系统误差；第二项：负载转矩引起的系统误差。第一项为零的条件：（前馈F(S)对第二项没有作用）前馈传递函数闭环系统稳定的根具有负实部；F（S）的极点，即Gp（S）的零点，具有负实部。20§5.3伺服系统性能改进§5.3.2复合控制器前馈控制器的实现传递函数：控制信号：需要应用参考输入及其导数：常应用于计算机控制的伺服系统中。21思想：将复合控制器原理推广应用到负载转矩补偿。负载转矩产生的输出输出为零的条件系统稳定补偿器传递函数负载转矩不能测量时 需间接识别（a,c）§5.3伺服系统性能改进§5.3.3负载转矩前馈补偿器22§5.4伺服系统机械谐振的控制§5.4.1概念问题提出上述伺服系统中，未考虑受控机械系统的弹性变形。当弹性振动的模态频率比系统频带高得多时，方可将机械系统作为刚体系统处理。此时的伺服系统受控对象为二阶模型起主导作用，采用PID控制器足够有效。当机械传动装置的谐振频率接近系统的截止频率时，不能视为刚体，受控对象传递函数将附加一对共轭复根。此时的伺服系统中机械谐振可能被激发，必须采取适当控制措施。23§5.4伺服系统机械谐振的控制24数学模型§5.4伺服系统机械谐振的控制251.采用双T网络串联校正消除或补偿机械谐振影响的措施§5.4伺服系统机械谐振的控制26选择PID校正结论：依靠零极点对消除去弹性模态的一对共轭复根。§5.4伺服系统机械谐振的控制272.尽可能提高机械传动装置的刚度如增大轴的直径，有时可采用空心轴，减小传动轴的长度，从而增大弹性模量KL

。只要wn>(8~10)wc，可使机械谐振峰不在系统特性的中频段内，达到机械谐振不影响系统动态品质的目的。3.增加机械阻尼加大粘性摩擦系数b，从而有效地增大ζ，只要ζ≥0.5，不出现过大的谐振峰，再辅以其他补偿措施，便能使系统获得满意的动态品质。4.采用串联补偿机械谐振在系统特性中表现为振荡环节的性质，可串一个具有向下凹陷特性的二阶微分环节，只要它的凹陷处的频率等于机械谐振频率，达到互相抵消的目的。§5.4伺服系统机械谐振的控制285.采用两套机械传动装置一套用于作动力传动，另一套用于作数据传动，构成系统的主反馈。这是实践中常采用的一种措施。§5.4伺服系统机械谐振