伺服控制系統(tǒng)特點(diǎn)與回顧伺服控制技術(shù)的發(fā)展

伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟

綜合性、專業(yè)性，知識面寬，內(nèi)容多而雜

數(shù)學(xué)、電子線路、電機(jī)學(xué)、機(jī)械基礎(chǔ)、控制理論、力學(xué)、計(jì)算機(jī)、液壓與氣動(dòng)、電力電子學(xué)都要涉及

具有穿線的作用注重實(shí)踐

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、調(diào)試、試驗(yàn)和自控原理的比較特點(diǎn)與回顧伺服控制技術(shù)的發(fā)展1944年，世界上第一個(gè)伺服系統(tǒng)由美國麻省理工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室研制成功?；鹋谧詣?dòng)跟蹤目標(biāo)伺服系統(tǒng)

第二次世界大戰(zhàn)期間，對系統(tǒng)提出了大功率、高精度、快速響應(yīng)等一系列高性能要求，液壓伺服技術(shù)迅速發(fā)展起來。它表現(xiàn)出無以倫比的快速性、低速平穩(wěn)性等一系列優(yōu)點(diǎn)。到50年代末期和60年代初期，有關(guān)電液伺服技術(shù)的基本理論日趨完善，從而使電液伺服系統(tǒng)的應(yīng)用達(dá)到了前所未有的高度。電力點(diǎn)擊器件的發(fā)展50年代中期，機(jī)電伺服系統(tǒng)在一些重要元器件性能上有新的突破，組成了靜止式可控整流裝置，帶來了控制領(lǐng)域的一場技術(shù)革命。70年代以來，電力電了技術(shù)突飛猛進(jìn)，推出了新一代“全控式”電力電子器件。新材料與電機(jī)技術(shù)的發(fā)展

大大改善了伺服系統(tǒng)的性能。對傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)形成強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)，并以極快的速度發(fā)展。

稀土磁材料、力矩電機(jī)、無槽電機(jī)、大慣量寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)

控制理論快速發(fā)展

傳遞函數(shù)、拉普拉斯變換和奈奎斯特穩(wěn)定理論；根軌跡；現(xiàn)代控制理論計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路的發(fā)展各元器件趨于數(shù)字化、集成化，使現(xiàn)代伺服系統(tǒng)朝著高精度、低噪聲的方向發(fā)展。智能化技術(shù)的發(fā)展展望未來，新器件、新理論、新技術(shù)必將驅(qū)使伺服系統(tǒng)朝“智能化”方向發(fā)展，賦予人工智能特性的伺服系統(tǒng)以及智能控制器必將獲得廣泛應(yīng)用。反饋對系統(tǒng)性能的影響什么是伺服系統(tǒng)（ServoSystem）

隨動(dòng)系統(tǒng)—調(diào)節(jié)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中的一類系統(tǒng)它用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角或位移，使其自動(dòng)、連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化。（一般具有負(fù)反饋閉環(huán)）例：雷達(dá)系統(tǒng)、機(jī)器人機(jī)械臂、獵雷聲納平臺(tái)控制系統(tǒng)形式開環(huán)和閉環(huán)舉例：

舵機(jī)控制系統(tǒng)

θr

主指令信號；θy舵角信號e=θr-θy偏差信號

e=0時(shí)，達(dá)到一致。

舵角連續(xù)跟蹤θr

必須自動(dòng)克服水流的干擾。反饋的特點(diǎn)與作用特點(diǎn)：

1、連續(xù)的檢測偏差量；

2、回路增益可以較高，使誤差很小，輸出接近希望值；

3、對環(huán)境有適應(yīng)性，抗干擾性強(qiáng)；

4、閉環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。反饋對系統(tǒng)的影響

1、反饋對增益的影響H(s)=0時(shí)，即為開環(huán)，增益為G(s)H(s)≠0時(shí)，即為閉環(huán)，增益為│1+G(jω)H(jω)│>1時(shí)，增益減小│1+G(jω)H(jω)│<1時(shí)，增益增大G(jω)H(jω)在不同頻段都可能出現(xiàn)上面的情況2、反饋對穩(wěn)定性的影響當(dāng)1+G(jω)H(jω)=0或特征根分布在右半平面時(shí)，Φ（jω）→∞，系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過控制，可使不穩(wěn)定系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，選擇F(s)例：倒立擺系統(tǒng)已知：桿的質(zhì)量為m，車的質(zhì)量為M，車為一個(gè)自由度，左右運(yùn)動(dòng)；桿有兩個(gè)自由度，左右運(yùn)動(dòng)，繞鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。f為垂向力，F(xiàn)為水平力。桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：桿垂直直線運(yùn)動(dòng)：桿水平直線運(yùn)動(dòng)：車水平直線運(yùn)動(dòng)：當(dāng)車靜止時(shí)，u=0，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定平衡；加入控制力u后，取很小角運(yùn)動(dòng)，有設(shè)狀態(tài)變量:得到狀態(tài)方程：A的特征根del(sI-A)=0，有正根，系統(tǒng)不穩(wěn)定可通過配置系統(tǒng)極點(diǎn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定。3、反饋對系統(tǒng)參數(shù)靈敏度的影響

工作中，控制系統(tǒng)的元件總是隨時(shí)間環(huán)境變化的。希望這種變化越小越好。

靈敏度的定義：G(s)參數(shù)可變，Φ(s)對G(s)的變化的靈敏度為可以用增大G(s)H(s)的辦法，使任意小。開環(huán)時(shí)，使按1：1相應(yīng)G(s)的變化的。注：在閉環(huán)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，各部件參數(shù)變化系統(tǒng)系統(tǒng)性能的影響與該部件在系統(tǒng)中的位置有關(guān)。

4、反饋對外部噪聲或擾動(dòng)的影響

它的作用可以削弱外部噪聲或擾動(dòng)N(s)的影響H=O時(shí)，也即開環(huán)時(shí)，有E(s)=R(s)，則

C(s)=G1G2R(s)+G2N(s)=G1G2E(s)+G2N(s)定義：輸出信噪比增大信噪比的途徑:增加G1，或增加E(s)/N(s)閉環(huán)時(shí)，對比來看，閉環(huán)反饋并沒有改變系統(tǒng)的信噪比，但是其卻實(shí)際上提供了改善系統(tǒng)對外部噪聲和干擾的可能性。當(dāng)G1增大到G’1時(shí)，調(diào)整R到R’,使開環(huán)、閉環(huán)輸出C(s)相等C(s)│N=O=G’1G2R’/(1+G’1G2H)=G1G2RC(s)│R=O=G2N/(1+G’1G2H)

希望它小信噪比=C(s)│N=O/C(s)│R=O=G1(1+G’1G2H)R/N增加了(1+G’1G2H)項(xiàng)，使提高信噪比有了可能。5、反饋對系統(tǒng)帶寬、阻抗、過渡過程及頻率特性都有影響兩類基本反饋控制系統(tǒng)的比較

控制系統(tǒng)種類很多，分法也各不相同。按控制形式分：定常控制系統(tǒng)——時(shí)變控制系統(tǒng)線性控制系統(tǒng)——非線性控制系統(tǒng)連續(xù)控制系統(tǒng)——離散控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)——數(shù)字控制系統(tǒng)按控制目標(biāo)分：伺服控制系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)）——調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)）

——調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)跟蹤輸入變化，克服負(fù)載與噪聲干擾——使對象保持某一狀態(tài)兩類系統(tǒng)共同點(diǎn)：一般都是反饋控制系統(tǒng)兩類系統(tǒng)不同點(diǎn)：四個(gè)方面1、輸入信號

時(shí)變、跟蹤、未知、復(fù)雜

——常值階躍、已知、簡單2、誤差特點(diǎn)

跟蹤誤差來源于輸入信號的隨機(jī)變化

——廣義干擾引起3、過渡過程質(zhì)量、精度過渡過程質(zhì)量高、精度、快速性好——精度高，過程一般4、負(fù)載特點(diǎn)

負(fù)載慣性與摩擦——廣義干擾你中有我，我中有你伺服系統(tǒng)的組成例：仿型銑床隨動(dòng)系統(tǒng)

r(t)為模桿的位移，c(t)是銑刀桿的位移。希望銑刀的運(yùn)動(dòng)c(t)完全復(fù)現(xiàn)模桿的運(yùn)動(dòng)r(t)。使得加工出來的零件尺寸和模型一樣。

組成伺服系統(tǒng)按職能可分為以下六個(gè)部分1.測量元件其職能是檢測被控制的物理量，在隨動(dòng)系統(tǒng)中被測量是角度或位移，而在速度控制系統(tǒng)中被測量是轉(zhuǎn)速或角速度。2.給定元件其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸出量3.比較元件其職能是把測量元件檢測的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參考量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差。4.放大元件其職能是將比較元件給出的偏差信號進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件控制被控對象。電壓偏差信號，可用電子管、晶體管、集成電路、晶閘管等組成的電壓放大級和功率放大級加以放大。

5.執(zhí)行元件其職能是直接推動(dòng)被控對象。用來作為執(zhí)行元件的有閥、電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)等。

6.校正元件也叫補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，減小或消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。最簡單的校正元件是由電阻、電容組成的無源或有源網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的則用電子計(jì)算機(jī)。反饋系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

每個(gè)科研項(xiàng)目，都必須有“設(shè)計(jì)任務(wù)書”或“技術(shù)規(guī)格書”，按要求完成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)給出兩類典型系統(tǒng)的技術(shù)基本要求調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)基本要求伺服系統(tǒng)的技術(shù)基本要求調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)基本要求1、調(diào)速范圍

D=nmax/nmin

2、連續(xù)性和平滑性要求

在D的范圍內(nèi)，有級還是無級，可逆還是不可逆3、對動(dòng)態(tài)性能

階躍信號作用下，時(shí)域指標(biāo)：σ%、ts、N

正弦信號作用下，閉環(huán)頻域指標(biāo)：Mr、ωb

正弦信號作用下，開環(huán)頻域指標(biāo)：ωc、γ4、靜差率δ或轉(zhuǎn)速降Δn(或ΔΩ，Δv)

Δn=n０-nR(或ΔΩ=Ω０-ΩR)

δ=Δn/n０

n０理想空載轉(zhuǎn)速，nR滿載轉(zhuǎn)速5、負(fù)載擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)

負(fù)載擾動(dòng)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的影響是調(diào)速系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一衡量抗擾能力一般取大轉(zhuǎn)速降(升)Δnmax與響應(yīng)時(shí)間tsf來度量6、元件參數(shù)變化的敏感性要求

指控制系統(tǒng)本身各項(xiàng)元件參數(shù)的變化所引起的誤差。通常如不提出要求，則應(yīng)包含在系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性要求之內(nèi)7、系統(tǒng)工作制

有長期連續(xù)運(yùn)行、間歇循環(huán)運(yùn)行和短時(shí)間運(yùn)行之分，可靠性、壽命要求8、環(huán)境要求溫度、濕度、三防(防水、防腐、防輻射)、抗振動(dòng)、抗沖擊9、外形要求體積、重量、結(jié)構(gòu)外形、安裝特點(diǎn)10、其他要求成本、元件通用性、標(biāo)準(zhǔn)化程度、能源利用率、維護(hù)使用、電源伺服系統(tǒng)的技術(shù)基本要求1、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差e０(簡稱系統(tǒng)靜差)

通常指系統(tǒng)輸入指令為常值時(shí)，輸入與輸出之間的誤差。位置控制系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)成無靜差系統(tǒng)。理論上系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為無靜差系統(tǒng)。實(shí)際上，系統(tǒng)的測量元件(亦稱敏感元件)分辨率有限，系統(tǒng)輸出端承受干摩擦造成死區(qū)，均可造成系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差的分類穩(wěn)態(tài)誤差按照產(chǎn)生的原因分為原理性誤差和實(shí)際性誤差兩類。

原理性誤差為了跟蹤輸出量的期望值和由于外擾動(dòng)作用的存在，控制系統(tǒng)在原理上必然存在的一類穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)原理性穩(wěn)態(tài)誤差為零時(shí)，控制系統(tǒng)稱為無靜差系統(tǒng)，否則稱為有靜差系統(tǒng)。原理性穩(wěn)態(tài)誤差能否消除，取決于系統(tǒng)的組成中是否包含積分環(huán)節(jié)（見控制系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)）。實(shí)際性誤差系統(tǒng)的組成部件中的不完善因素（如摩擦、間隙、不靈敏區(qū)等）所造成的穩(wěn)態(tài)誤差。這種誤差是不可能完全消除的，只能通過選用高精度的部件，提高系統(tǒng)的增益值等途徑減小。2、速度誤差ev、正弦跟蹤誤差esin、最大跟蹤誤差em

當(dāng)位置控制系統(tǒng)處于等速跟蹤狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出軸與輸入軸之間瞬時(shí)位置誤差(角度或角位移)，稱為速度誤差ev。當(dāng)系統(tǒng)作正弦擺動(dòng)跟蹤時(shí)，輸出軸與輸入軸之間瞬時(shí)誤差的振幅值稱為正弦跟蹤誤差esin。輸出軸在一定速度、加速度范圍內(nèi)追隨輸入軸，同一時(shí)刻兩軸的最大差值。3.最大跟蹤角速度Ωmax、最低跟蹤角速度Ωmin

最大跟蹤角速度是指系統(tǒng)跟蹤誤差不超過允許值時(shí)所達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的最大輸出角速度。最低跟蹤角速度是指系統(tǒng)控制對象作勻速跟蹤時(shí)所能達(dá)到最低平穩(wěn)角速度。4、最大跟蹤角加速度εmax，(線加速度amax)

系統(tǒng)跟蹤誤差不超過允許值時(shí)，系統(tǒng)輸出軸所能達(dá)到的最大角加速度。5、最大角速度Ωlmax、最大角加速度εlmax

在不考慮精度的情況下，系統(tǒng)能達(dá)到的極限角速度和極限角加速度6、速度品質(zhì)系數(shù)Kv和加速度品質(zhì)系數(shù)Kα

速度品質(zhì)系數(shù)是指輸入斜坡信號時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出角度Ω０(或線速度v0)與速度誤差ev的比值：

Kv=Ω０/ev

加速度品質(zhì)系數(shù)Ka是以拋物線函數(shù)信號(等加速度信號)輸入時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)角加速度ε0(或線加速度a0)與其對應(yīng)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)加速度誤差ea的比值：

Kα=ε０/eα7、振蕩指標(biāo)Mr和頻帶寬度ωb

隨動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)幅頻特性A(ω)的最大值A(chǔ)(ωr)與A(0)(由于隨動(dòng)系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)，故A(0)=1)的比值，稱之為振蕩指標(biāo)Mr。當(dāng)閉環(huán)幅頻特性A(ωb)=0.707時(shí)，所對應(yīng)的角頻率ωb，稱之為系統(tǒng)的帶寬。

8、系統(tǒng)對階躍信號輸入的響應(yīng)特性

當(dāng)系統(tǒng)處于靜止協(xié)調(diào)狀態(tài)(零初始狀態(tài))下，輸入階躍信號時(shí)，系統(tǒng)的最大允許超調(diào)量σ%、過渡過程時(shí)間ts和振蕩次數(shù)N均應(yīng)有具