电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第九章

伺服系统电力拖动自动控制系统第3篇伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”。狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。伺服系统的定义:伺服系统的定义:数控机床伺服系统内容提要伺服系统的特征及组成伺服系统控制对象的数学模型伺服系统的设计§9.1伺服系统的特征及组成伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求：1)稳定性好伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。2)精度高伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，要求很高的定位精度。3)动态响应快动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调.4)抗扰动能力强在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。一.伺服系统的基本要求及特征-基本要求§9.1伺服系统的特征及组成1)必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。2)功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。3)足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。4)快速的响应能力和较强的抗干扰能力。一.伺服系统的基本要求及特征-特征§9.1伺服系统的特征及组成伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。二.伺服系统的组成-基本要素§9.1伺服系统的特征及组成图9-1位置伺服系统结构示意图A）开环系统b）半闭环系统c）全闭环系统二.伺服系统的组成-基本结构§9.1伺服系统的特征及组成二.伺服系统的组成-伺服电机§9.1伺服系统的特征及组成二.伺服系统的组成-编码器二进制码盘循环码盘二进制码盘:同心园环为码道,道数与二进制位数相同,内层为高位,最外层为低位.由内层到外层按二进制编码.光电元件产生电脉冲信号。“粗大误差”：两位以上数字同时改变。0111→1000循环码:相邻码道之间只有一个码变化.§9.1伺服系统的特征及组成三.伺服系统的性能指示-检测误差位置传感器误差量级电位器自整角机旋转变压器圆盘式感应同步器直线式感应同步器光电和磁性编码器度(0)≤10[角]分(‘)[角]秒(‘’)微米(um)3600/N表9-2位置传感器的误差范围§9.1伺服系统的特征及组成伺服系统实际位置与目标值之间的误差，称作系统的稳态跟踪误差。由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为三类：位置误差、速度误差和加速度误差。伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动态性能指标，如超调量、跟随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。三.伺服系统的性能指示-系统误差§9.1伺服系统的特征及组成三.伺服系统的性能指示-系统误差图9-3线性位置伺服系统一般动态结构图§9.1伺服系统的特征及组成图9-4位置伺服系统的典型输入信号a）位置阶跃输入b）速度输入c）加速度输入三.伺服系统的性能指示-系统误差§9.1伺服系统的特征及组成伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差三.伺服系统的性能指示-系统误差§9.2伺服系统控制对象的数学模型直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电动机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电动机。直流无刷电动机与直流电动机有相同的控制特性，也可归入直流伺服系统。§9.2伺服系统控制对象的数学模型01111dddLeULELILRdtdITJTJdtdmddtj直流伺服电动机的状态方程机械传动机构的状态方程一.直流伺服系统控制对象的数学模型§9.2伺服系统控制对象的数学模型一.直流伺服系统控制对象的数学模型驱动装置的近似等效传递函数状态方程1ssKTscssdsduTKUTdtdU001§9.2伺服系统控制对象的数学模型控制对象的数学模型（状态方程）0001111mTdLdeddldsdcssddtjCdITdtJJdICIUdtTLLdUKUudtTT一.直流伺服系统控制对象的数学模型§9.2伺服系统控制对象的数学模型一.直流伺服系统控制对象的数学模型图9-5直流伺服系统控制对象结构图§9.3伺服系统的设计校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称作调节器，所以又称为调节器校正。若校正装置与前向通道并行，则称为并联校正；信号流向与前向通道相同时，称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正。常用的调节器有比例－微分（PD）调节器、比例－积分（PI）调节器以及比例－积分－微分（PID）调节器，设计中可根据实际伺服系统的特征进行选择。§9.3伺服系统的设计在系统的前向通道上串联PD调节器校正装置，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。PD调节器的传递函数为()(1)PDpdWsKs一.调节器及其传递函数§9.3伺服系统的设计如果系统的稳态性能满足要求，并有一定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用PI调节器进行校正。PI调节器的传递函数为1()()iPIpisWsKs一.调节器及其传递函数§9.3伺服系统的设计将PD串联校正和PI串联校正联合使用，构成PID调节器。如果合理设计则可以综合改善伺服系统的动态和静态特性。PID串联校正装置的传递函数为(1)(1)()idPIDpissWsKs一.调节器及其传递函数§9.3伺服系统的设计二.单环位置伺服系统对于直流伺服电动机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调节器APR。为了避免在过渡过程中电流冲击过大，应采用电流截止反馈保护，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电动机。图9-7单环位置伺服系统APR—位置调节器UPE—驱动装置SM—直流伺服电动机BQ—位置传感器§9.3伺服系统的设计IdLC1/Ud0en＋－(s)Tl+1Tms2Tms+(s)Tl+1()R(s)二.单环位置伺服系统从第二章我们知道直流电动机的数学模型为：图9-8直流伺服系统控制对象结构图§9.3伺服系统的设计二.单环位置伺服系统忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象传递函数为机电时间常数2/()()(1)(1)seobjsmlmKjCWssTsTTsTseTmCCJRT采用PD调节器，其传递函数为()()(1)APRPDpdWsWsKs§9.3伺服系统的设计伺服系统开环传递函数系统开环放大系数2(1)()(1)(1)dopsmlmKsWssTsTTsTspseKKKjC二.单环位置伺服系统4mlTT2121(1)(1)mlmTTsTsTsTssTTT21一般来讲：§9.3伺服系统的设计二.单环位置伺服系统图9-9单位置环控制直流伺服系统结构图用系统的开环零点消去惯性时间常数最大的开环极点，以加快系统的响应过程。系统的开环传递函数2()(1)(1)opsKWssTsTs§9.3伺服系统的设计二.单环位置伺服系统伺服系统的闭环传递函数闭环传递函数的特征方程式3222()()clssKWsTTsTTssK0)(2232KssTTsTTss用Routh稳定判据，为保证系统稳定，须使：22TTTTKss§9.3伺服系统的设计二.单环位置伺服系统图9-10单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性§9.3伺服系统的设计三.双环位置伺服系统在电流闭环控制的基础上，设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器的输出限幅是电流的最大值。图9-11双环位置伺服系统§9.3伺服系统的设计忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为APR选用PI调节器，其传递函数2/()()(1)TobjiCjJWssTs1()()()iAPRPIpisWsWsKs三.双环位置伺服系统图9-12双环位置伺服系统结构图§9.3伺服系统的设计系统的开环传递函数为系统的开环放大系数23(1)(1)/()()(1)(1)piiTopiiiKsKsCjJWsssTssTspTiKCKjJ三.双环位置伺服系统伺服系统的闭环传递函数为特征方程式特征方程式未出现s的二次项，由Routh稳定判据可知，系统不稳定。43(1)()icliiKsWsTssKsK430iITssKsK§9.3伺服系统的设计将APR改用PID调节器，其传递函数伺服系统的开环传递函数(1)(1)()()idAPRPIDpissWsWsKs23(1)1)(1)1)/()()(1)(1)pididTopiiiKssKssCjJWsssTssTs（（三.双环位置伺服系统闭环传递函数系统特征方程式432(1)(1)()()idcliididKssWsTssKsKsK432()0iididTssKsKsK§9.3伺服系统的设计三.双环位置伺服系统由Routh稳定判据求得系统稳定的条件()()(())1idiidididiidTKT图9-13采用PID控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性§9.3伺服系统的设计若APR仍采用PI调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。图9-14带有微分负反馈的伺服系统三.双环位置伺服系统§9.3伺服系统的设计图9-15带有微分负反馈的伺服系统结构图三.双环位置伺服系统§9.3伺服系统的设计图9-17直流转速环结构图四.三环位置伺服系统图9-20位置闭环控制结构图§9.3伺服系统的设计位置环控制对象的传递函数开环传递函数*32()(1)/()()()mNnobjnNnNsKsjWsssTssKsK32(1)/()()()NnopAPRnNnNKsjWsWssTssKsK四.三环位置伺服系统APR选用P调节器就可实现稳态无静差，则系统的开环传递函数开环放大系数3232(1)/()()(1)()pNnopnNnNnnNnNKKsjWssTssKsKKssTssKsKpNKKKj§9.3伺服系统的设计伺服系统的闭环传递函数特征方程式KsKKsKssTsKsWnNnNnnL)()1()(2340)(234KsKKsKssTnNnNn四.三环位置伺服系统用Routh稳定判据，可求得系统的稳定条件0)()12()(2222nnNnNnNnnnnnnnNTKKKTKKTTTKK§9.3伺服系统的设计从给定信号直接引出开环的前馈控制，和闭环的反馈控制一起，构成复合控制系统图9-21复合控制位置伺服系统的结构原理图五.复合控制的伺服系统§9.3伺服系统的设计五.复合控制的伺服系统前馈控制器的传递函数选为得到)(1)(2sWsG1)()(*ssmm理想的复合控制随动系统的输出量能够完全复现给定输入量，其稳态和动态的给定误差都为零。系统对给定输入实现了“完全不变性”。需要引入输入信号的各阶导数作为前馈控制信号，但同时会引入高频干扰信号，严重时将破坏系统的稳定性，这时不得不再加上滤波环节。