特点与回顾讲解学习

1、特点与回顾v什么是伺服系统什么是伺服系统（Servo System） 随动系统随动系统 调节系统调节系统 是控制系统中的一类系统是控制系统中的一类系统 它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环）精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环） 例：雷达系统、机器人机械臂、猎雷声纳平台例：雷达系统、机器人机械臂、猎雷声纳平台v控制系统形式控制系统形式 开环和闭环开环和闭环控制器被控对象控制器放大被控对象 舵机控制系统舵机控制系统r 主指令信号；主指令信号；y 舵角信号舵角信号 e =r -y 偏

2、差信号偏差信号e = 0 时，达到一致。时，达到一致。舵角连续跟踪舵角连续跟踪r 必须自动克服水流的干扰。必须自动克服水流的干扰。控制器放大电动机齿轮舵轮指令yryv反馈的特点与作用反馈的特点与作用特点：特点： 1、连续的检测偏差量；、连续的检测偏差量； 2、回路增益可以较高，使误差很小，、回路增益可以较高，使误差很小，输出接近希望值；输出接近希望值； 3、对环境有适应性，抗干扰性强；、对环境有适应性，抗干扰性强； 4、闭开环系统复杂，成本高。、闭开环系统复杂，成本高。作用作用：（增益、稳定、灵敏度、抗干扰）：（增益、稳定、灵敏度、抗干扰） G(s)H(s)R_C( )( )( )1( )(

3、)( )C sG sR sG s H ss1、反馈对增益的影响、反馈对增益的影响H(s)=0时，即为开环，增益为时，即为开环，增益为G(s)H(s)0时，即为闭环，增益为时，即为闭环，增益为1+G(j)H(j)11时，增益减小时，增益减小1+G(j)H(j)11时，增益增大时，增益增大G(j)H(j)在不同频段都可能出现上面的情况在不同频段都可能出现上面的情况( )1( )( )G sG s H s( )( )( )1( )( )( )C sG sR sG s H ss2、反馈对稳定性的影响、反馈对稳定性的影响当当1+G(j)H(j)=0或特征根分布在右半平面时，或特征根分布在右半平面时，（

4、j），系统不稳定。，系统不稳定。通过控制，可使不稳定系统达到稳定，选择通过控制，可使不稳定系统达到稳定，选择F(s)( )1( )( )( )( )( )G sG s H sG s F ssG(s)H(s)F(s)RC_例：例：倒立摆系统倒立摆系统已知：已知：杆的质量为杆的质量为m，车的质量为，车的质量为M，车为一个自由度，左右运动；杆有，车为一个自由度，左右运动；杆有两个自由度，左右运动，绕铰链转动。两个自由度，左右运动，绕铰链转动。f为垂向力，为垂向力，F为水平力。为水平力。杆旋转运动：杆旋转运动：杆垂直直线运动：杆垂直直线运动：杆水平直线运动：杆水平直线运动：车水平直线运动：车水平直线运

5、动：22()sincosdIfmg LFLdt22( cos )dLmmgfdt22(sin)dYLmFd t22dYmuFd tMyuLfAB0mmgF当车静止时，当车静止时，u = 0，系统处于不稳定平衡；，系统处于不稳定平衡；加入控制力加入控制力u后，取后，取 很小角运动，有很小角运动，有设状态变量设状态变量:得到状态方程：得到状态方程：A的特征根的特征根del(sI-A)=0，有正根，系统不稳定，有正根，系统不稳定可通过配置系统极点，使系统稳定。可通过配置系统极点，使系统稳定。sincos11234,xxxy xy2124140100000000010000abxuAB uab 3、反

6、馈对系统参数灵敏度的影响、反馈对系统参数灵敏度的影响 工作中，控制系统的元件总是随时间环境变化工作中，控制系统的元件总是随时间环境变化的。希望这种变化越小越好。的。希望这种变化越小越好。 灵敏度的定义：灵敏度的定义：G(s)参数可变，参数可变，(s)(s)对对G(s)的的变化的灵敏度为变化的灵敏度为可以用增大可以用增大G(s) H(s)的办法，使的办法，使 任意小。任意小。开环时，使按开环时，使按1：1相应相应G(s)的变化的。的变化的。 /( )( )1/( )( )1( )( )GsG sSG G sGsG s H s GS4、反馈对外部噪声或扰动的影响、反馈对外部噪声或扰动的影响 它的作

7、用可以削弱外部噪声或扰动它的作用可以削弱外部噪声或扰动N(s)的影响的影响H=O时，也即开环时，有时，也即开环时，有E(s)=R(s)，则，则 C(s)=G1G2R(s)+G2N(s)= G1G2E(s)+G2N(s)定义：输出信噪比定义：输出信噪比增大信噪比的途径增大信噪比的途径:增加增加G1，或增加，或增加E(s)/N(s)G1G2HR(s)E(s)N(s)C(s)_1 2 ( )( )12 ( )( )GG E sE sGG N sN s信号引起的输出噪声引起的输出闭环时，闭环时，在某些情况下，闭环提供了改善信噪比的可能性在某些情况下，闭环提供了改善信噪比的可能性当当G1增大到增大到G1

8、 时，调整时，调整R到到R,使开环、闭环输出使开环、闭环输出C(s)相等相等C(s)N=O = G1G2 R/(1+ G1G2H)=G1G2RC(s)R=O = G2 N/(1+ G1G2H) 希望它小希望它小信噪比信噪比 = C(s)N=O/ C(s)R=O = G1(1+ G1G2H)R/N增加了增加了(1+ G1G2H)项，使提高信噪比有了可能。项，使提高信噪比有了可能。5、反馈对系统带宽、阻抗、过渡过程及频率特性都、反馈对系统带宽、阻抗、过渡过程及频率特性都有影响有影响G 1 G 2 R1 + G 1 G 2 H=1G 2 N1 + G 1 G 2 HRGN信 噪 比v两类基本反馈控制

9、系统的比较两类基本反馈控制系统的比较 控制系统种类很多，分法也各不相同。控制系统种类很多，分法也各不相同。 按控制形式分：按控制形式分：定常控制系统定常控制系统 时变控制系统时变控制系统线性控制系统线性控制系统 非线性控制系统非线性控制系统连续控制系统连续控制系统 离散控制系统离散控制系统模拟控制系统模拟控制系统 数字控制系统数字控制系统 按控制目标分：按控制目标分：伺服控制系统（随动系统）伺服控制系统（随动系统） 调节控制系统调节控制系统伺服控制系统（随动系统）伺服控制系统（随动系统） 调节控制系统调节控制系统跟踪输入变化，克服负载与噪声干扰跟踪输入变化，克服负载与噪声干扰使对象保持某一状态

10、使对象保持某一状态两类系统共同点：两类系统共同点：一般都是反馈控制系统一般都是反馈控制系统两类系统不同点：两类系统不同点：四个方面四个方面1、输入信号、输入信号 时变、跟踪时变、跟踪 、未知、复杂、未知、复杂 常值阶跃、已知、简单常值阶跃、已知、简单2、误差特点、误差特点 跟踪误差来源于输入信号的随机变化跟踪误差来源于输入信号的随机变化 广义干扰引起广义干扰引起3、过渡过程质量、精度、过渡过程质量、精度 过渡过程质量高、精度、快速性好过渡过程质量高、精度、快速性好精度高，过程一般精度高，过程一般4、负载特点、负载特点 负载惯性与摩擦负载惯性与摩擦广义干扰广义干扰 你中有我，我中有你你中有我，我

11、中有你伺服控制技术的发展伺服控制技术的发展v1944年，世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学年，世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室研制成功。院辐射实验室研制成功。 火炮自动跟踪目标伺服系统火炮自动跟踪目标伺服系统 v第二次世界大战期间，对系统提出了大功率、高精第二次世界大战期间，对系统提出了大功率、高精度、快速响应等一系列高性能要求，液压伺服技术度、快速响应等一系列高性能要求，液压伺服技术迅速发展起来。它表现出无以伦比的快速性、低速迅速发展起来。它表现出无以伦比的快速性、低速平稳性等一系列优点。到平稳性等一系列优点。到50年代末期和年代末期和60年代初期，年代初期，有关电液伺服技

12、术的基本理论日趋完善，从而使电有关电液伺服技术的基本理论日趋完善，从而使电液伺服系统的应用达到了前所未有的高度。液伺服系统的应用达到了前所未有的高度。v50年代中期，机电伺服系统在一些重要元器件性能年代中期，机电伺服系统在一些重要元器件性能上有新的突破，组成了静止式可控整流装置，带来上有新的突破，组成了静止式可控整流装置，带来了控制领域的一场技术革命。了控制领域的一场技术革命。v70年代以来，电力电了技术突飞猛进，推出了新一年代以来，电力电了技术突飞猛进，推出了新一代代“全控式全控式”电力电子器件。电力电子器件。v新材料与电机技术的发展，以脉宽调制结合，大大新材料与电机技术的发展，以脉宽调制结

13、合，大大改善了伺服系统的性能。对传统液压系统形成强有改善了伺服系统的性能。对传统液压系统形成强有力的挑战，并以极快的速度发展。力的挑战，并以极快的速度发展。 稀土磁材料、力矩电机、无槽电机、大惯量宽调速稀土磁材料、力矩电机、无槽电机、大惯量宽调速电动机电动机 v控制理论快速发展控制理论快速发展 传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论；根传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论；根轨迹；现代控制理论轨迹；现代控制理论 v计算机、大规模集成电路的发展，各元器件趋于计算机、大规模集成电路的发展，各元器件趋于数字化、集成化，使现代伺服系统朝着高精度、数字化、集成化，使现代伺服系统朝着高精度、低噪声的

14、方向发展。低噪声的方向发展。v展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝服系统朝“智能化智能化”方向发展，赋予人工智能特方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。伺服系统的组成伺服系统的组成例：仿型铣床随动系统例：仿型铣床随动系统 r(t)为模杆的位移，为模杆的位移，c(t)是铣刀杆的位移。希望铣刀的运动是铣刀杆的位移。希望铣刀的运动c(t)完全复现模杆完全复现模杆的运动的运动r(t)。使得加工出来的零件尺寸和模型一样。使得加工出来的零件尺寸和模型一样。模型零件减速器电动机信

15、号放大功率放大r(t)c(t)R1R2Ee(t)电位计调节器放大器功率放大执行电机减速器对象r(t)_c(t)v组成伺服系统按职能可分为以下六个部分组成伺服系统按职能可分为以下六个部分1.测量元件测量元件 其职能是检测被控制的物理量，在随其职能是检测被控制的物理量，在随动系统中被测量是角度或位移，而在速度控制系统动系统中被测量是角度或位移，而在速度控制系统中被测量是转速或角速度。中被测量是转速或角速度。2.给定元件给定元件 其职能是给出与期望的被控量相对应其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输出量的系统输出量 3.比较元件比较元件 其职能是把测量元件检测的被控量实其职能是把测量元件检测的被控

16、量实际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。之间的偏差。 4.放大元件放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件控制被控对象。行放大，用来推动执行元件控制被控对象。电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。成的电压放大级和功率放大级加以放大。5.执行元件执行元件 其职能是直接推动被控对象。其职能是直接推动被控对象。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。用来作为执行元件的

17、有阀、电动机、液压马达等。6.校正元件校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误差。善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误差。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。杂的则用电子计算机。伺服系统技术指标伺服系统技术指标 每个科研项目，都必须有每个科研项目，都必须有“设计任务书设计任务书”或或“技技术规术规格书格书”，按要求完成设计与实现，按要

18、求完成设计与实现 给出两类典型系统的技术基本要求给出两类典型系统的技术基本要求v调速系统的技术基本要求调速系统的技术基本要求v伺服系统的技术基本要求伺服系统的技术基本要求v调速系统的技术基本要求调速系统的技术基本要求1、调速范围、调速范围 D=nmax/nmin 2、连续性和平滑性要求、连续性和平滑性要求 在在D的范围内，有级还是无级，可逆还是不可逆的范围内，有级还是无级，可逆还是不可逆3、对动态性能、对动态性能 阶跃信号作用下，时域指标：阶跃信号作用下，时域指标：%、ts、N 正弦信号作用下，闭环频域指标：正弦信号作用下，闭环频域指标：Mr、b 正弦信号作用下，开环频域指标：正弦信号作用下，

19、开环频域指标： c、4、静差率、静差率或转速降或转速降n(或或，v) n=n-nR (或或=-R) = n/ n n 理想空载转速，理想空载转速，nR 满载转速满载转速5、负载扰动作用下系统的响应、负载扰动作用下系统的响应 负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要要技术指标之一技术指标之一 衡量抗扰能力一般取大转速降衡量抗扰能力一般取大转速降(升升)nmax与响应时与响应时间间tsf来度量来度量6、元件参数变化的敏感性要求、元件参数变化的敏感性要求 指控制系统本身各项元件参数的变化所引起的误差。指控制系统本身各项元件参数的变化所引起的误差。通通常如

20、不提出要求，则应包含在系统精度和稳定性要求之内常如不提出要求，则应包含在系统精度和稳定性要求之内7、系统工作制、系统工作制 有长期连续运行、间歇循环运行和短时间运行之分，有长期连续运行、间歇循环运行和短时间运行之分，可可靠性、寿命要求靠性、寿命要求8、环境要求、环境要求 温度、湿度、三防温度、湿度、三防(防水、防腐、防辐射防水、防腐、防辐射)、抗振动、抗振动、抗冲击抗冲击9、外形要求、外形要求 体积、重量、结构外形、安装特点体积、重量、结构外形、安装特点10、其他要求、其他要求 成本、元件通用性、标准化程度、能源利用率、维护成本、元件通用性、标准化程度、能源利用率、维护使用、电源使用、电源v伺

21、服系统的技术基本要求伺服系统的技术基本要求1、系统静态误差系统静态误差e(简称系统静差简称系统静差) 通常指系统输入指令为常值时，输入与输出之间的误差。通常指系统输入指令为常值时，输入与输出之间的误差。 位置控制系统一般设计成无静差系统。位置控制系统一般设计成无静差系统。 理论上系统静止协调时没有位置误差。实际上，系统的测理论上系统静止协调时没有位置误差。实际上，系统的测量元件量元件(亦称敏感元件亦称敏感元件) 分辨率有限，系统输出端承受干摩擦分辨率有限，系统输出端承受干摩擦造成死区，均可造成系统静误差。造成死区，均可造成系统静误差。 2、速度误差速度误差ev、正弦跟踪误差、正弦跟踪误差esi

22、n、最大跟踪误差、最大跟踪误差em 当位置控制系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与输入当位置控制系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与输入轴之间瞬时位置误差轴之间瞬时位置误差(角度或角位移角度或角位移)，称为速度误差，称为速度误差ev。 当系统作正弦摆动跟踪时，输出轴与输入轴之间瞬时误差当系统作正弦摆动跟踪时，输出轴与输入轴之间瞬时误差的振幅值称为正弦跟踪误差的振幅值称为正弦跟踪误差esin。 输出轴在一定速度、加速度范围内追随输入轴，同一时刻输出轴在一定速度、加速度范围内追随输入轴，同一时刻两轴的最大差值。两轴的最大差值。3、最大跟踪角速度最大跟踪角速度max、最低跟踪角速度、最低跟踪角速度m

23、in 最大跟踪角速度是指系统跟踪误差不超过允许值时最大跟踪角速度是指系统跟踪误差不超过允许值时所达到稳定运行的最大输出角速度。所达到稳定运行的最大输出角速度。 最低跟踪角速度是指系统控制对象作匀速跟踪时所最低跟踪角速度是指系统控制对象作匀速跟踪时所能达到最低平稳角速度。能达到最低平稳角速度。4、最大跟踪角加速度最大跟踪角加速度max，(线加速度线加速度amax) 系统跟踪误差不超过允许值时，系统输出轴所能达系统跟踪误差不超过允许值时，系统输出轴所能达到的最大角加速度。到的最大角加速度。5、最大角速度最大角速度lmax、最大角加速度、最大角加速度lmax 在不考虑精度的情况下，系统能达到的极限角

24、速度和极限在不考虑精度的情况下，系统能达到的极限角速度和极限角加速度角加速度6、速度品质系数速度品质系数Kv和加速度品质系数和加速度品质系数K 速度品质系数是指输入斜坡信号时，系统稳态输出角度速度品质系数是指输入斜坡信号时，系统稳态输出角度(或线速度或线速度v0)与速度误差与速度误差ev的比值：的比值： Kv=/ev 加速度品质系数加速度品质系数Ka是以抛物线函数信号是以抛物线函数信号(等加速度信号等加速度信号)输输入时，系统稳态角加速度入时，系统稳态角加速度0(或线加速度或线加速度a0)与其对应的系统与其对应的系统稳态误差稳态误差ea的比值：的比值： K=/e7、振荡指标振荡指标Mr和频带宽

25、度和频带宽度b 随动系统闭环幅频特性随动系统闭环幅频特性A()的最大值的最大值A(r)与与A(0)(由由于随动系统为无静差系统，故于随动系统为无静差系统，故A(0)=1)的比值，称之为振的比值，称之为振荡指标荡指标Mr。 当闭环幅频特性当闭环幅频特性A(b)=0.707时，所对应的角频率时，所对应的角频率b，称之为系统的带宽。称之为系统的带宽。 8、系统对阶跃信号输入的响应特性系统对阶跃信号输入的响应特性 当系统处于静止协调状态当系统处于静止协调状态(零初始状态零初始状态)下，输入阶跃信下，输入阶跃信号时，系统的最大允许超调量号时，系统的最大允许超调量%、过渡过程时间、过渡过程时间ts和振荡和振荡次数次数N均应有具体限制。均应有具体限制。9、开环频率特性指标、开环频率特性指标 剪切频率剪切频率c、 相角裕度相角裕度、 幅值裕度幅值裕度 Kg10、等速跟踪状态下，负载扰动引起的系统等速跟踪状态下，负载扰动引起的系统响应特性响应特性 系统作等速跟踪时，负载扰动系统作等速跟踪时，负载