哈工大控制系统设计第13讲-2012

哈尔滨工业大学控制与仿真中心第5章伺服系统的设计——Part1授课教师：马杰CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心Contents伺服系统的数学模型A1I型系统A217March2020A3II型系统A4伺服系统的校正CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20204.1伺服系统的数学模型4.1.1伺服系统的定义及特点4.1.2伺服系统的数学模型CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的定义4.1.1伺服系统的定义及特点伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的发展4.1.1伺服系统的定义及特点1934年第一次提出伺服机构(Servomechanism)的概念1944年第一个伺服系统诞生第二次世界大战期间提出了大功率、高精度、快速响应的一系列高性能要求70年代以来电力电子技术新型电机控制技术PWM促进了电气伺服系统的发展目前的伺服系统发展以数字化、集成化、智能化为发展特征五六十年代电液伺服发展日趋完善1934年第一次提出伺服机构(Servomechanism)的概念1944年第一个伺服系统诞生第二次世界大战期间提出了大功率、高精度、快速响应的一系列高性能要求五六十年代电液伺服发展日趋完善70年代以来电力电子技术新型电机控制技术PWM促进了电气伺服系统的发展目前的伺服系统发展以数字化、集成化、智能化为发展特征全控型电力电子器件组成的PWM技术在伺服功率驱动中得到广泛应用；微处理机特别是DSP在伺服系统中的普遍应用，使得现代控制理论逐渐工程实用化；各种伺服控制元件向着集成化、数字化、功能化、模块化、智能化以及用计算机控制的方向发展；伺服系统的可靠性设计及其自诊断技术伴随着系统功能、性能以及复杂化程度的升级引起人们的普遍重视。反映这一时期的现代伺服控制技术及其系统的特征可以概括为：CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的广泛应用4.1.1伺服系统的定义及特点航天工业日常生活微电子行业军事工业运输行业通信工程如：电梯的升降控制等如：雷达天线的自动跟踪目标控制等如：车、船、飞机的自动驾驶等如：鱼雷、导弹的制导系统，火炮的瞄准传动系统如：光盘激光针头的运动控制、计算机的磁盘驱动控制等如：人造卫星的姿态控制等…CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的基本组成4.1.1伺服系统的定义及特点信号输入信号转换电路输出放大装置执行机构被控对象检测装置电源装置补偿装置CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的特点4.1.1伺服系统的定义及特点精度高：如光盘的定位精度到微米级(在很大程度上取决于检测装置的分辨率和精度)。速度快：过渡过程很短，秒级甚至更小。控制对象均在做机械运动。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的设计步骤4.1.1伺服系统的定义及特点一、系统方案的制订与稳态设计•系统设计师应该熟悉市场上供应的元器件和材料了解新产品资料了解国内加工工艺和检验技术水平追踪新元器件、新工艺和新技术的发展密切关注电力电子学领域的发展动态CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的设计步骤4.1.1伺服系统的定义及特点•经过调查研究，在充分掌握上述信息的基础上，结合设计技术要求，制订出系统的结构方案。选定系统各主要元部件的形式确定各部件的接口方式、系统控制方式确定系统的主干线路、辅助线路及电源型式CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的设计步骤4.1.1伺服系统的定义及特点进行稳态计算执行元件的计算和选择功率放大器的选择和计算敏感元件的确定中间控制电路的确定传动装置设计CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的设计步骤4.1.1伺服系统的定义及特点检验各部件之间输入、输出的功率匹配以及精度解决信号的有效传递、综合叠加、信号形成与变换，以及级间耦合匹配等问题。要为引入校正补偿装置留有余地，尽量照顾到改善动态性能及综合校正的方便CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的设计步骤4.1.1伺服系统的定义及特点二、建立系统的数学模型•即推导系统开环或闭环传递函数或建立系统的状态方程•它是进行系统动态设计计算的基础•推导过程中，需作适当的简化和近似线性化处理•必要时需对有关元部件的特性进行实验测试，以获得必要的数据CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的设计步骤4.1.1伺服系统的定义及特点三、系统动态分析综合•研究系统的动态品质•决定校正装置的形式和参数以及提高动态品质的措施四、模拟试验CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的设计步骤4.1.1伺服系统的定义及特点调研理论设计调试稳态设计推导传递函数动态设计CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的数学模型4.1.2伺服系统的数学模型amaaadiueiRLdtTaTKiJfmeeK1TamTeamsKRKUssJsKKRsTs直流电机框图CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统的数学模型4.1.2伺服系统的数学模型2TsKUsJs带电流反馈的直流电机框图CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020伺服系统数学模型的特点4.1.2伺服系统的数学模型电压源控制下电机的传递函数有一个积分环节，电流源控制下的电机的传递函数中有两个积分环节。这就是伺服系统的特点——伺服系统的数学模型一定有积分环节。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心Contents伺服系统的数学模型A1I型系统A217March2020A3II型系统A4伺服系统的校正CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20204.2I型系统4.2.1基本I型系统4.2.2改进I型系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020基本I型系统4.2.1基本I型系统1vKGssTs基本I型系统是指只有一个转折频率的系统。其开环频率特性为ωG(ω)1/TKvvKKTCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020基本I型系统4.2.1基本I型系统1vKGssTs基本I型系统是指只有一个转折频率的系统。其开环频率特性为ωG(ω)1/TKvvKKTCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020基本I型系统4.2.1基本I型系统闭环频率特性ωG(ω)1/TKvvKKT2/1/vvGsKTsGsssTKTK0.512单位阶跃输入下输出的峰值1.051.151.3阻尼比0.7070.50.35相位裕度66°52°39°闭环谐振峰值Mp11.151.5CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020基本I型系统4.2.1基本I型系统基本I型系统开环：ωG(ω)1/TKv1vKKT1vKGssTs等效噪声带宽：2BNvK一阶系统开环：11GsTs等效噪声带宽：12BNT12BNT纯积分被控对象应映入惯性环节使之成为基本I型系统。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1：仪表随动系统4.2.1基本I型系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例1：仪表随动系统4.2.1基本I型系统vKKT120vKT1vKKT0.05Ts12vKKK12220vKKKKCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心加矩电流加矩电流内环轴外环轴17March2020例2：陀螺力反馈测漂回路的设计4.2.1基本I型系统CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2：陀螺力反馈测漂回路的设计4.2.1基本I型系统单自由度陀螺的力矩反馈法测漂记录装置放大器加矩电流力矩器信号器IAOASACompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020例2：陀螺力反馈测漂回路的设计4.2.1基本I型系统力反馈测漂回路1vetrKiTvKKKHiTrHKetK11GsTs1vKKTCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020基本I型系统小结4.2.1基本I型系统ωG(ω)1/TKvvKKT基本I型系统只考虑参数K，带宽与参数K的大小无关，由于基本I型系统的增益较低，往往不能满足跟踪精度要求。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020改进I型系统4.2.2改进I型系统ω20lgA(ω)ωc-20dB/dec-40dB/dec-20dB/decω0ω1哈尔滨工业大学控制与仿真中心