1、第 六章 控制系統(tǒng)模型,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計,6.3運(yùn)動控制系統(tǒng)模型,拉普拉斯變換,拉普拉斯算子,性能測量,指令響應(yīng),調(diào)節(jié)時間是用從階躍的前沿到反饋為指令值的5%（有時是2%）時刻之間的時間來量度的。,帶寬是增益下降到-3dB，或者下降到原增益的70%所對應(yīng)的頻率。 調(diào)節(jié)時間與帶寬的關(guān)系：,增益用來測量輸入與輸出的幅值之間的差異； 相位描述輸入與輸出之間的時間移動。,超調(diào)量表征響應(yīng)的峰值對指令信號改變量的比值，可接受范圍為0%30%。,凸峰描述的是系統(tǒng)增益在開始減小前增大了的現(xiàn)象，允許范圍為04dB。,階躍響應(yīng),頻率響應(yīng),穩(wěn)定性,穩(wěn)定系統(tǒng),臨界穩(wěn)定系統(tǒng),不穩(wěn)定需要兩個條件：符號反向及整個控制回路

2、總增益為1。,穩(wěn)定裕度 相位裕度（PM,Phase Margin）:PM由處于增益穿越頻率時的相位來定義（在該處增益為0dB），PM是實際相位與-180之差。 增益裕度（GM，Gain Margin）:GM定義為相位穿越頻率處的增(該頻率處系統(tǒng)相位為-180 o)，GM實際增益與0dB之差。 經(jīng)驗表明，增益裕度應(yīng)為1025dB，而相位裕度應(yīng)為35 o 80o。,PI控制律,比例項提供穩(wěn)定性與高頻響應(yīng),積分項確保平均誤差趨向于0；,功率變換器模型是一個低通濾波器，通常為二極點低通濾波器； 被控對象一般為積分器G/s=G/(j2 f)=-jG/(2 f)，j的增益為1（0dB),相位為90，由于有

3、-j 項，故G/s的相位恒為-90； 反饋環(huán)節(jié)也被作為一個低通濾波器模型，通常用雙極點濾波器。,PI控制系統(tǒng),數(shù)字控制器延遲的影響 1、采樣-保持延遲用于存儲數(shù)據(jù),速度估計延遲由位置估計速度產(chǎn)生的,計算延遲，由于執(zhí)行控制律需要時間,Z域,Z的定義為 也就是延遲運(yùn)算。 從最嚴(yán)格意義上來說，s域用于連續(xù)系統(tǒng)，z域用于采樣系統(tǒng)。,PID控制器,P控制,比例控制器是最基本的控制器，其控制律很簡單：控制量偏差，運(yùn)行簡單，易于調(diào)試。 P控制律的主要缺點是它存在穩(wěn)態(tài)誤差，在存在固定擾動時形成固定偏差。,比例系統(tǒng)的閉環(huán)Bode圖(186Hz帶寬，0dB凸峰),比例系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖(65oPM，12.1dB

4、 GM),I控制,P控制器存在穩(wěn)態(tài)誤差的這一主要缺點，可通過在控制律中增加一個積分增益來校正。積分增益提供穩(wěn)態(tài)和低頻抗偏差能力。 I增益越大，穩(wěn)態(tài)抗偏差能力越強(qiáng)，但超調(diào)量也會越大。,PI控制器的閉環(huán)Bode圖(206Hz帶寬，1.3dB凸峰),PI控制器的開環(huán)Bode圖(56oPM，11.7dB GM),D控制,D增益借助于微分的90超前相位提前了控制回路的相位。使用D增益通常能提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力。 微分增益缺點：在高頻時微分有高的增益值，出現(xiàn)明顯的高頻振蕩。微分增益的另一個問題是微分對噪聲很敏感。,PD控制器的閉環(huán)Bode圖(353Hz帶寬，0dB凸峰),PD控制器的開環(huán)Bode圖(63oP

5、M，8.8dB GM),比例增益設(shè)置了控制器性能的邊界， 積分增益改善了系統(tǒng)在低頻區(qū)的性能， 微分增益可以大大改善系統(tǒng)在高頻區(qū)的性能。,PID控制器的閉環(huán)Bode圖(359Hz帶寬，1.0dB凸峰),PID控制器的開環(huán)Bode圖(55oPM，8.5dB GM),PID控制,前饋,前饋是利用有關(guān)對象的知識來改善指令信號的響應(yīng)。 在前饋路徑中，指令信號在控制律之前經(jīng)過處理，采用前饋時指令響應(yīng)不再依賴于控制回路帶寬。,基于對象的前饋,指令響應(yīng)Bode圖表明前饋增大了系統(tǒng)帶寬,濾波器,濾波器廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)，用來消除噪聲、減小混疊、衰減諧振?？刂葡到y(tǒng)中最常見的濾波器是低通濾波器，它們用來消除來自于不

6、同噪聲源的噪聲：電氣互連（干擾）、分辨率限制、電磁干擾(EMI)以及反饋裝置中的固有噪聲。 低通濾波器的主要缺點是它會給控制系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性是通過引起增益穿越頻率處的相位滯后引入的。,控制系統(tǒng)中常見的7種濾波器,低通濾波器,低通濾波器能衰減所有高于特定頻率的信號。,二極點低通濾波器的Bode圖,陷波濾波器的Bode圖,單運(yùn)動軸控制,多軸運(yùn)動中的每個運(yùn)動軸都需要執(zhí)行許多控制功能。 第一，輪廓發(fā)生器必須能產(chǎn)生位置輪廓指令信號的時間序列，即位置指令信號序列與時間的關(guān)系代表位置輪廓。 第二，執(zhí)行位置閉環(huán)控制，通常在位置環(huán)中的速度環(huán)也執(zhí)行閉環(huán)控制。位置/速度環(huán)的輸出是轉(zhuǎn)矩指令信號。 此外，必須執(zhí)行電流閉環(huán)控制。功率級向電動機(jī)提供功率并回授電流反饋。,單運(yùn)動軸的功能,加速度反饋 加速度反饋可以用來提高運(yùn)動控制系統(tǒng)的抗