位置随动系统

1、位置随动系统第 4 章内容提要内容提要n位置随动系统的构成原理位置随动系统的构成原理n位置检测方法位置检测方法n位置随动系统的分析和设计位置随动系统的分析和设计q 引引 言言 在生产、生活中，控制电动机的在生产、生活中，控制电动机的旋转角位移旋转角位移或或直线位移直线位移与控制电动机与控制电动机的转速具有同样重要的意义。的转速具有同样重要的意义。4.1 位置随动系统概述位置随动系统概述4.1.1 4.1.1 位置随动系统的应用位置随动系统的应用4.1.2 4.1.2 位置随动系统的主要组成部件及位置随动系统的主要组成部件及 其工作原理其工作原理4.1.3 4.1.3 位置随动系统的特征位置随动

2、系统的特征4.1.4 4.1.4 位置随动系统的分类位置随动系统的分类n 概述概述 位置随动系统又称伺服位置随动系统又称伺服(Servo)(Servo)系统，系统，主要解决对象的位置控制问题，根本任务就主要解决对象的位置控制问题，根本任务就是实现执行机构对位置指令的准确跟踪。因是实现执行机构对位置指令的准确跟踪。因此，此，位置随动系统必定是一个具有位置反馈位置随动系统必定是一个具有位置反馈的闭环控制系统的闭环控制系统。 位置随动系统是狭义的随动系统。位置随动系统是狭义的随动系统。火炮方位的自动跟踪；火炮方位的自动跟踪；宇航设备的自动驾驶；宇航设备的自动驾驶；计算机磁盘驱动器的磁头定位控制；计算

3、机磁盘驱动器的磁头定位控制；电动阀门、挡板的开关；电动阀门、挡板的开关；电动行程机构的移动。电动行程机构的移动。4.1.1 位置随动系统的应用位置随动系统的应用4.1.2 位置随动系统的组成及原理位置随动系统的组成及原理图4.1 电位器式位置随动系统结构图+-M+-nR1R1LIdR2Ud+-R0mA1SM+-可逆可逆功率功率放大器放大器R0A2U*Us负载负载*mUctU减速器减速器位置检测器电压比较放大器功率放大器执行机构 输出位置快速准确跟踪给定位置；输出位置快速准确跟踪给定位置； 必须具备一定精度的位置传感器；必须具备一定精度的位置传感器； 电压、功率放大器、拖动系统必须可逆；电压、功

4、率放大器、拖动系统必须可逆； 控制系统满足精度和性能的要求。控制系统满足精度和性能的要求。 位置随动系统位置随动系统强调跟随能力强调跟随能力 调速系统调速系统强调抗干扰能力强调抗干扰能力4.1.3 位置随动系统的特征位置随动系统的特征 按输出功率：超小按输出功率：超小小小中中大大超大超大； 按位置性质：转角、位移；按位置性质：转角、位移； 按伺服电压：直流、交流；按伺服电压：直流、交流； 按控制系统组成方式：模拟、数字。按控制系统组成方式：模拟、数字。4.1.4 位置随动系统的分类位置随动系统的分类4.2 位置随动系统中的位置检测装置位置随动系统中的位置检测装置1. 1. 电位器电位器：价格便

5、宜、使用方便、有滑动触点、：价格便宜、使用方便、有滑动触点、容易磨损、可靠性差；容易磨损、可靠性差；2. 2. 基于电磁感应原理的位置传感器基于电磁感应原理的位置传感器：自整角机、：自整角机、旋转变压器、感应同步器。可靠性好、精度高；旋转变压器、感应同步器。可靠性好、精度高；3. 3. 光电编码器光电编码器： 光电编码器光电编码器= =光源光源+ +光栅码盘光栅码盘+ +光敏元件光敏元件4.3 采用自整角机的位置随动系统采用自整角机的位置随动系统MnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正装置装置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角机自整角机BSTBSR负载负载

6、减速器减速器m*m图4.12 自整角机位置随动系统结构图整流并反映整流并反映信号极性信号极性n 系统的数学模型系统的数学模型（1 1）自整角机）自整角机bsbsmmbsmm( )sin( )( )UsUWss一般，当 时，m10mmsin bsbsbsbsmm( )( )( )UsWsKUsMnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正装置装置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角机自整角机BSTBSR负载负载减速器减速器m*m图4.12 自整角机位置随动系统结构图整流并反映整流并反映信号极性信号极性n 系统的数学模型系统的数学模型（2 2）相敏整流（放大）器）相敏

7、整流（放大）器phphURPbsph( )( )( )1UsKWsUsT s 把幅值为把幅值为Ubs的交流电压转换为一个直的交流电压转换为一个直流电压，同时增加滤波电路限制电压脉动。流电压，同时增加滤波电路限制电压脉动。MnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正装置装置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角机自整角机BSTBSR负载负载减速器减速器m*m图4.12 自整角机位置随动系统结构图n 系统的数学模型系统的数学模型（3 3）可逆功率放大器）可逆功率放大器 晶闸管或脉宽调制放大器都可以由滞后晶闸管或脉宽调制放大器都可以由滞后环节近似成惯性环节。环节近似成惯

8、性环节。1)()()(APAPphdAPTKsUsUsWMnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正装置装置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角机自整角机BSTBSR负载负载减速器减速器m*m图4.12 自整角机位置随动系统结构图n 系统的数学模型系统的数学模型（4 4）执行电动机）执行电动机eMD2dmm1/( )( )( )+1lCn sWsUsT TsT s 当采用直流伺服电动机时，传递函数是当采用直流伺服电动机时，传递函数是一个二阶环节一个二阶环节4.3 采用自整角机的位置随动系统采用自整角机的位置随动系统MnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校

9、正校正装置装置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角机自整角机BSTBSR负载负载减速器减速器m*m图4.12 自整角机位置随动系统结构图整流并反映整流并反映信号极性信号极性n 系统的数学模型系统的数学模型（5 5）减速器）减速器gmg6( )KW sniss 减速器的输入量为电机转速减速器的输入量为电机转速n，输出量，输出量为机械转角为机械转角m(o)，若时间，若时间 t 以以s为单位，则为单位，则m3606dd60ntn tii经经Laplace变换变换i：减速器速比：减速器速比n 系统的数学模型系统的数学模型图图4.16 自整角机位置随动系统的动态结构图自整角机位置随

10、动系统的动态结构图 *m(s)UctUdm(s)+-KbsWAPR(s)KAP TAPs+1TmTl s+Tms+1s1/CeKgnm(s)Kph Tphs+1UphUbsm自整自整角机角机相敏相敏整流整流功率功率放大放大直流直流电机电机减速减速装置装置位置位置调节器调节器关键：关键：误差分析。误差分析。4.3.2 位置随动系统的稳态分析位置随动系统的稳态分析例如：高射炮的瞄准精度例如：高射炮的瞄准精度22密位密位 跟踪卫星的雷达天线随动精度跟踪卫星的雷达天线随动精度 1 1 射电望远镜天线随动精度射电望远镜天线随动精度 1 1误差误差检测误差：检测误差：由检测元件引起，取决于元件由检测元件引

11、起，取决于元件 本身的精度。本身的精度。原理误差：原理误差：由随动系统自身结构、特征参由随动系统自身结构、特征参 数和给定输入信号的形式决定。数和给定输入信号的形式决定。扰动误差：扰动误差：由各种扰动信号引起的系统误由各种扰动信号引起的系统误 差。差。n 误差的分类误差的分类1. 检测误差检测误差 位置检测装置都有一定的精度等级位置检测装置都有一定的精度等级系统的精度不可能高于各检测元件的精度；系统的精度不可能高于各检测元件的精度；检测误差通常是稳态误差的主要部分；检测误差通常是稳态误差的主要部分；反馈控制对反馈检测装置的误差无能为力。反馈控制对反馈检测装置的误差无能为力。 高精度的位置随动系

12、统首先应选择高精度的高精度的位置随动系统首先应选择高精度的检测元件。检测元件。n 各种检测元件的误差范围各种检测元件的误差范围检测元件检测元件 电位器 自整角机旋转变压器感应同步器旋转式直线式误差范围 几度(o)1度(o)几角分()几角秒(”)几微米(m)2. 原理误差原理误差*m(s)UctUdm(s)+-KbsWAPR(s)KAP TAPs+1TmTl s+Tms+1s1/CeKgnm(s)Kph Tphs+1UphUbsmbsphAPgeAPR2phAPmm(/)( )( )(1)(1)(+1)lK KKKC WsW ss T sTsT T sT s（1 1）位置随动系统的典型结构）位置

13、随动系统的典型结构通过选择通过选择 可以使系统成为可以使系统成为I I型或型或II II型系统：型系统：( )( )( )KN sW ssD sAPR( )Ws2( )( )( )KN sW ss D s或或2. 原理误差原理误差*m(s)（2 2）位置随动系统的典型输入信号）位置随动系统的典型输入信号t0*m(s)t0*m(s)t0阶跃输入阶跃输入速度输入速度输入加速度输入加速度输入*m*m( ) ss*m2( )Ass*m3( )Bss2. 原理误差原理误差（3 3）稳态误差）稳态误差输入信号输入信号单位阶跃输入单位阶跃输入 单位斜坡输入单位斜坡输入单位加速度输入单位加速度输入I型系统型系

14、统稳态误差稳态误差01 / K II型系统型系统稳态误差稳态误差00 1 / K*m( )1( )tt*m( ) tt*2m1( )2tt3. 扰动误差扰动误差*m(s)+-m(s)相敏相敏整流整流功率功率放大放大直流直流电机电机减速减速装置装置位置位置调节器调节器第一类：负载扰动第一类：负载扰动第二类：参数变化第二类：参数变化第三类：噪声干扰第三类：噪声干扰可由反馈回路克服可由反馈回路克服电源变化电源变化零漂零漂电网波动电网波动负载扰动负载扰动干摩擦干摩擦噪声噪声3. 扰动误差扰动误差*m(s)+-m(s)W2(s)W1(s)F(s)Es(s)*122mm1212( )( )( )( )(

15、)( )1( )( )1( )( )WsWsWsssF sWsWsWsWs-+*smm( )( )( )Esss且令且令12( )( )( )W sWsWs整理后，得到整理后，得到*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s扰动误差扰动误差n 误差分析误差分析针对针对 I 型系统型系统*m(s)+-m(s)W2(s)W1(s)F(s)Es(s)-+当系统为当系统为 I I 型系统时，可以认为：型系统时，可以认为：1111( )( )( )K NsWsDs2222( )( )( )K NsWssDsn 误差分析误差分析针对针对 I 型系统型系统如果给定输入和扰动

16、输入均为如果给定输入和扰动输入均为阶跃输入阶跃输入，则可以推出，则可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s01FK如果给定输入和扰动输入均为如果给定输入和扰动输入均为速度输入速度输入，则可以推出，则可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s*m12KKn 误差分析误差分析针对针对 II 型系统型系统*m(s)+-m(s)W2(s)W1(s)F(s)Es(s)-+当系统为当系统为 II II 型系统时，可以认为：型系统时，可以认为：1111( )( )( )K NsWssDs2222( )( )( )K N

17、sWssDsn 误差分析误差分析针对针对 II 型系统型系统如果给定输入和扰动输入均为如果给定输入和扰动输入均为阶跃输入阶跃输入，则可以推出，则可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s0如果给定输入和扰动输入均为如果给定输入和扰动输入均为速度输入速度输入，则可以推出，则可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s01FK0n 误差分析误差分析结论结论 就稳态精度而言，将位置随动系统就稳态精度而言，将位置随动系统设计为设计为 II II 型系统比较理想。型系统比较理想。n 误差分析误差分析举例举例稳态精度稳态

18、精度 动态稳定动态稳定 快速跟踪快速跟踪4.3.3 位置随动系统的动态校正位置随动系统的动态校正位置随动系统的设计要求：位置随动系统的设计要求：三者缺一不可！三者缺一不可！1. 位置、转速、电流三环控制系统位置、转速、电流三环控制系统m(s)UPE-+MnLIdUdSMUct(s)ACRU*i(s)ASR*m(s)+-Ui(s)U*n(s)U* (s)APR+BQDSP-位置调节器位置调节器数字转速数字转速信号形成信号形成光电位置光电位置传感器传感器 ACR ACR ASR ASR APR APR设计过程：从内环到外环，逐个设计各环调节器设计过程：从内环到外环，逐个设计各环调节器优点：优点：1

19、. 位置、转速、电流三环控制系统位置、转速、电流三环控制系统 保证各环稳定保证各环稳定整个系统稳定；整个系统稳定； 各环分工明确，易于调整。各环分工明确，易于调整。缺点：外环控制作用响应慢。缺点：外环控制作用响应慢。1. 位置、转速、电流三环控制系统位置、转速、电流三环控制系统 在随动控制系统的设计中，把内环等效为在随动控制系统的设计中，把内环等效为一个环节的前提是外环截止频率一个环节的前提是外环截止频率内环。内环。 电流环电流环ci=(100150)HZ； 转速环转速环cn=(2030)HZ，不超过不超过50HZ； 位置环位置环c=10HZ左右左右。2. 位置随动系统的位置随动系统的串联校正

20、串联校正 串联校正串联校正就是调节器校正，即通过在系就是调节器校正，即通过在系统的前向通道中串联适当的调节器，满足系统的前向通道中串联适当的调节器，满足系统的各项性能指标要求。统的各项性能指标要求。+-*m(s)m(s)Wobj(s)WAPR(s)2. 位置随动系统的位置随动系统的串联校正串联校正+-*m(s)m(s)Wobj(s)WAPR(s)objobj2phAPmm( )(1)(1)(+1)lKWss T sTsT T sT s已知：已知：由于由于TLTm，因此上式可以简化为，因此上式可以简化为objobjm( )(1)(1)KWss T sT s式中：式中：phAPlTTTT2. 位置

21、随动系统的位置随动系统的串联校正串联校正取位置调节器为取位置调节器为PIDPID形式：形式：通过选取调节器参数，可将系统校正成典型通过选取调节器参数，可将系统校正成典型 II II 型型系统，设计过程可参考前面的工程设计方法进行。系统，设计过程可参考前面的工程设计方法进行。12APRPID03(1)(1)( )( )(1)ssWsWss T s具体设计过程参考具体设计过程参考P P335335 例例4.24.23. 位置随动系统的位置随动系统的并联校正并联校正 串联校正串联校正能提高系统的响应速度且结构能提高系统的响应速度且结构简单。但是串联校正不能很好地抑制摩擦、简单。但是串联校正不能很好地

22、抑制摩擦、间隙等非线性因素，而且系统中的各种扰动间隙等非线性因素，而且系统中的各种扰动只能通过位置环进行消除。因此，只能通过位置环进行消除。因此，单位置环单位置环结构的随动系统比较适合于负载较轻，扰动结构的随动系统比较适合于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的情况不大，非线性因素不太突出的情况。3. 位置随动系统的位置随动系统的并联校正并联校正并联校正的基本思想：并联校正的基本思想： 在被调量负反馈之内，再加上被调量的在被调量负反馈之内，再加上被调量的微分反馈。这样当被调量还没有变化但已有微分反馈。这样当被调量还没有变化但已有变化趋势的时候，其微分就已经起着负反馈变化趋势的时候，其微分就已

23、经起着负反馈作用了，因而有助于抑制振荡，减小超调。作用了，因而有助于抑制振荡，减小超调。3. 位置随动系统的位置随动系统的并联校正并联校正+-KAP TAPs+1(Tms+1)(Tl s+1)s1/CeKgm(s)K1 Tphs+1+- Tons+1*m(s)自整角机自整角机相敏放大相敏放大功率放大功率放大直流电机直流电机减速装置减速装置转速反馈转速反馈图4.28 位置随动系统的转速负反馈并联校正 位置的微分是转速，因此，采用转速负反馈位置的微分是转速，因此，采用转速负反馈可以很方便地组成位置随动系统的并联校正。可以很方便地组成位置随动系统的并联校正。n(s)4. 位置随动系统的位置随动系统的复合控制复合控制 为了提高系统的响应速度，同时又不影为了提高系统的响应速度，同时又不影响系统的稳定性，引入一种有效的控制手段：响系统的稳定性，引入一种有效的控制手段：前馈控制。前馈控制。前馈控制前馈控制+反馈控制反馈控