伺服系统设计

课程性质：专业主干课学时/学分：54/3.5授课时间：第七学期授课专业：自动化先修课程：自动控制原理、电机与拖动、微机原理、电路基础、模拟与数字电路、液压传动与控制、自动控制元件课程目的与任务：本课程是一门基础与工程实践密切相结合的专业课程。其特点是所涉及的知识面宽、实践性强。通过本课程的学习，使学生了解和掌握一般反馈控制系统的设计方法、步骤，了解和掌握控制系统的调试、试验研究知识，使学生获得分析、解决实际控制系统设计问题的能力。控制系统设计（ControlSystemDesign）1、控制系统设计课程的特点内容特点：

2研究一般反馈系统的设计方法、步骤，具有通用性；研究控制系统的调试、试验研究知识，获得分析、解决实际控制系统设计问题的能力，具有实践性。

1、控制系统设计课程的特点与自动控制原理的区别：

3以应用为导向，伺服系统的工程分析、设计研究方法强调实用，解决实际工程问题。

2、前言什么是自动控制？

自动控制是相对与人工控制而言，指在无人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态自动地按照预定的规律运行。自动控制是围绕着工业生产的需要而逐步形成和发展起来的，它可以将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来，并大大提高控制效率。目前自动控制技术已广泛应用于人类社会的各个方面。控制系统是指由控制主题、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。它可以按照所期望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量；同时为了使被控对象达到预定的理想状态而实施的，其将使控制对象趋于某种需要的稳定状态。

控制应用领域工业方面：在冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。军事方面：各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统、导航系统、遥控系统及其各类仿真器。其他方面：在办公室自动化、图书管理、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。

3、自动控制技术的发展与典型控制系统实例自动控制技术的发展反馈控制系统典型实例火力控制1940年前，火力控制的火炮由指挥仪计算飞机的参数，然后三人控制：方位角，高低角(俯仰角)，引信。所以称为人工伺服(humanservo)

59式100毫米高炮配用59-01型指挥仪和瞄5型雷达，主要用于对付12千米以内的水陆空目标。火炮有自动、手动瞄准方式。

1940年后，Sperry公司利用记录的飞行目标信息直接控制火炮的方位角，俯仰角和火炮的发射。上图我国第一艘深潜打捞救生器下图无缆水下机器人水下机器人稳定平台系统左图可遥控的自动驾驶仪的波音777飞机

右图硬盘驱动系统硬盘伺服系统里边高速旋转的时候，定位的精度是一个微米，在高速旋转的气流下，这实际上是扰动很大的，要求高精度。

其它多自由度平台

1)可以作为航空飞行模拟器，能够在地面条件下复现模拟控制飞行的各种状态。

2)可以作为机器人的模拟运动机构，能够完成普通机器人不易完成或不能完成的某些运动。

3)在娱乐界可以作为体感模拟娱乐机，诸如UFO，航空航海旅行模拟器等。

4)用作飞机、船舶、潜艇、航天器等运动载体中相关仪器设备的试验。多自由度转台可以展现各类运载器的摇摆、回转和平移等运动。仿真平台六自由度摇摆转台减摇水舱二自由度摇摆台下左图：三轴多功能模拟转台。主要用于惯导系统的位置、速率与摇摆等试验。下右图：三轴多功能转台。具有位置、速率、摇摆、伺服等功能，惯性系统及惯性元器件测试。上图：双轴艇体摇摆台，主要用于艇体摇摆仿真实验。

下图：双轴伺服转台，该转台具有位置、速率、自动阶跃翻滚等功能，主要用于高精度测试各种二自由度陀螺漂移。上图：三轴飞行仿真转台。主要用于惯测系统的标定、检测与实验，具设有位置、速率、摇摆、仿真等功能。下图：三轴跟踪转台，与成像制导信息处理器配接，由信息处理输出为目标方位、俯仰误差信号，驱动转台跟踪指定目标。可以作测滚运动，模拟导弹在空中飞行的姿态变化。

经典控制理论萌芽阶段指南车：利用差速齿轮传动，根据车轮的转动，由车上木人指示方向(木人始终指向南方)

发展阶段麦克斯维尔引入微分方程开始对系统进行研究，利用微分方程解决了瓦特蒸汽机速度控制系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，并提出稳定性代数判据，开辟了控制系统的数学方法研究。时域稳定性判据：劳斯(英国)和胡尔维茨(德国)运用高阶微分方程进行系统分析，提出了运用代数方程系数判别系统稳定的准则，奠定了经典控制理论时域分析法的基础。频域相应分析法：1932年，耐奎斯特提出了频域相应分析法，并建立以频率特性为基础的稳定性判据，随后bode和Nichols进一步发展，形成了频域分析法。其与伊万斯的根轨迹法共同形成经典控制理论。4、自动控制理论的发展经典控制理论发展的标志:1947年维纳提出控制论，并推广反馈概念；

1948年伊万斯创立的根轨迹分析法。

1954年，钱学森出版的《工程控制论》经典控制理论发展的需求：二战期间，自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达天线等复杂的军用系统对快速跟踪、精确控制的追求，促进了反馈控制方法在这些系统中的大量应用，促进了经典控制理论的发展，同时也促进了非线性系统、采样系统和随机系统的研究。2.现代控制理论60年代发展起来，并开始应用于飞行器控制系统，例如“阿波罗”。现代控制理论以状态变量概念为基础，利用现代数学方法和计算机分析、综合复杂的控制系统，适用于多输入、多输出、时变系统或非线性系统。其解决了系统的能控性、能观性、稳定性和多输入多输出复杂系统的控制问题。现代控制理论的核心：多变量线性系统理论、最优控制、最优估计与系统辨识；最优控制在发动机的燃料、转速控制、轨迹修正、航迹控制和自动着落控制等方面取得明显成果；最优估计解决了随机干扰和随机控制问题。以1892年李亚普洛夫稳定性理论、1964年贝尔曼的最优控制理论、1959年卡尔曼提出的卡尔曼滤波器，1961年庞特里亚金的极大值原理的出现，共同形成了完善的基于状态空间分析的现代控制理论。70年代，K.J.Astrom等提出自适应控制理论，系统辨识、离散时间系统出现，使现代控制理论内容大大丰富。80年代，提出控制的鲁棒性——现代后控制理论90年代，控制理论发展呈现多元化格局3.智能控制理论专家室控制、模糊控制、遗传算法、神经网络、免疫算法等。

1、适合于运载器的控制系统，包括飞机、舰船、导弹、运载火箭和人造卫星；这些控制系统提供了在大的环境情况下和系统不确定的情况下稳定的跟踪。2、制造业中的控制系统，从汽车到集成电路；计算机控制的机器提供高质量、高成品率要求的部件和产品精确的定位和装配.3、工业过程控制系统，尤其在碳氢化合物和化学加工工业方面；这些系统通过监控数以千计传感器信号，并对数以百计的阀门、加热器、泵及其它的传动装置做出相应的调节，以保持高的产品质量。4、通信系统的控制，包括电话系统、移动电话、及互联网；控制系统调节在发射机与中继器中的信号功率电平，管理（操纵）网络邮件路由设备的信息包缓冲器，并且提供适合的噪声消除，对传输线特性的变化作出反应。

5、成就及影响

6、自动控制技术未来发展方向从研究手段、方法和途径的角度看1、对符号和连续动力学两者兼具的系统控制下一代系统将把逻辑操作与连续量结合起来。当今的理论对这样的系统，特别是我们大型系统测量没被处理调谐得很好。2、高级协调和自治反馈正在越来越多地设计到企业的决策系统中，这包括提供一系列管理与后勤、领空管理与空中交通管制，以及军事指挥与控制系统。鲁棒控制系统的分析、设计过程必须扩展到这些更高水平的决策系统。

3、分布式的、异步的、网络环境中的控制遍布于多个计算元的控制，通过基于信息包的通讯相互连接，为保证稳定性，效能及鲁棒性将要求新的形式。4、控制运算法的自动综合，带有综合证实与验证未来的工程系统将需要迅速地设计、重新设计，以及执行控制软件的能力。研究人员需要研发更强有力的设计工具使整个控制设计过程从模型到回路硬件仿真，包括系统级软件的验证与确认，全部自动化。5、不可靠的部件建造非常可靠的系统，即使当个别的部件失效时，大多数大工程系统必须继续工作。这需要设计允许系统重新自动配置自己，以便使它的性能逐渐地而不是突然地降低。

未来发展的5个主要领域1、航空、航天、航海与运输

航空、航天、航海与运输包含一个非常重要的应用领域集合，其中，控制是一项关键的启动技术。这些应用领域代表现代世界的全部科技能力的一个重要部分。它们也是它的经济力量的主要的部分，而且它们非常有助于它的人民的幸福。控制在这些应用领域中的历史角色。

2、机器人技术和智能机械

机器人技术和智能机械是指包括带有类似人类行为的机械的发展的应用集合。然而早期的机器人包括有轮的和有腿的机器可能进行机器人竞赛和行星探测，无人飞行器的监视和搏斗，及给医生提供新能力的医学装置。未来的应用将包括增强自治权和增加同人类和同社会的相互作用。控制是在所有这些应用里的一个中心要素并且在将要发展的下一代智能机器的发展中更加重要。

3、生物学和医学

在多种水平的组织中，从分子的到细胞的到生物的直到一个人，生物学变得更易于接近工程中常用的方法：数学建模、系统理论、计算及综合的抽象方法。相反地，随着生物科学发展步伐的加速，预示着在人造系统里重要的实际应用的新设计原理。在生物学和工程界面的协同增效，提供了在这两个领域中迎接挑战的前所未有的机会。控制的原理是生物学工程大多数关键问题的重点，并且将在这个领域的未来中扮演一个启动角色。

4、材料及加工

材料、加工制造业的运转过程需要先进的信息和制造过程控制技术持续引入。工业必须保持低成本、可靠、最好的用户服务下交付产品的全球能力。这些新技术领域包括例如电子，化学，生物材料薄膜加工领域中的纳米技术，以及为提供一系列管理和企业资源分配设计的集成微系统。在这些领域中对新发展的盈利是巨额的，而且在从半导体、医药制品及大量材料产业的将来发展中，控制的使用是关键的。5、信息与网络

通信网络的迅速发展为控制提供巨大的机会和挑战。可把它们粗略地分为两个主要领域：网络的控制和控制网络。

网络是迄今最大的反馈控制系统。网络的控制是一个大的范围，包括拥塞控制，邮件路由，数据存储和动力管理。这些控制问题的几个特征使他们非常富于挑战性。

另一个是控制问题的分散本质：局部与全局。由时变延迟使稳定性问题复杂化。状态可能经常地不可预见地变化。

297、主要内容第一章绪论一般控制系统的组成、系统性能分析、系统分类及设计的一般方法步骤等。307、主要内容第二章系统的性能指标及系统的误差分析和分配控制系统的性能指标、控制系统的误差分析及其误差分配重点：元件误差及误差分配问题317、主要内容第三章系统元件的设计计算与选型系统负载扰动模型、负载的分析计算；测量元件的类型、选择；执行元件的选择、放大元件的设计选择。重点：系统关键部件的选型。327、主要内容第四章系统的建模分析工程建模方法，包括机理建模、试验建模等常用方法重点：系统工程建模的一般方法。337、主要内容第五章系统的综合校正系统各类性能指标的相互转换、系统频域综合设计、复合控制、极点配置法等方法及其数字化控制技术在系统中的应用重点：频域校正方法的工程应用347、主要内容第六章系统调试