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1、第7章 伺服系统第1页，本讲稿共97页概述概述n伺伺服服（Servo）意意味味着着“伺伺候候”和和“服服从从”，广广义义的的伺伺服服系系统统是是指指精精确确地地跟跟踪踪或或复复现现某某个个过过程程的的反反馈馈控控制制系系统统，也也可可称称作作随随动动系系统统。而而狹狹义义伺伺服服系系统统的的被被控控制制量量（输输出出量量）是是负负载载机机械械空空间间位位置置的的线线位位移移或或角角位位移移，当当位位置置给给定定量量（输输入入量量）作作任任意意变变化化时时，系系统统的的主主要要任任务务是是使使输输出出量量快快速速而而准准确确地地复复现现给给定定量量的的变变化，又称作位置随动系统。化，又称作位置随
2、动系统。第2页，本讲稿共97页概述概述n伺伺服服系系统统和和调调速速系系统统一一样样，都都是是反反馈馈控控制制系系统统，即即通通过过对对输输出出量量和和给给定定量量的的比比较较，组组成成闭闭环环控控制制，两两者者的的控控制制原原理理是是相同的。相同的。n它它们们的的主主要要区区别别在在于于，调调速速系系统统的的主主要要作作用用是是保保证证稳稳定定和和抵抵抗抗扰扰动动；而而伺伺服服系系统统要要求求输输出出量量准准确确跟跟随随给给定定量量的的变变化化，更突出快速响应能力。更突出快速响应能力。第3页，本讲稿共97页概述概述n总总起起来来看看，稳稳态态精精度度和和动动态态稳稳定定性性是是两两种种系系统
3、统都都必必须须具具备备的的，但但在在动动态态性性能能中中，调调速速系系统统多多强强调调抗抗扰扰性性，而而伺伺服服系系统统则则更强调快速跟随性能。更强调快速跟随性能。第4页，本讲稿共97页内容提要内容提要n7.1 伺服系统的特征及组成伺服系统的特征及组成n7.2 伺服系统的的跟随性能伺服系统的的跟随性能n7.3 伺服系统控制对象的数学模型伺服系统控制对象的数学模型n7.4 伺服系统的设计伺服系统的设计第5页，本讲稿共97页7.1伺服系统的特征及组成伺服系统的特征及组成n伺服系统的功能是使输出快速而准确地复伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，伺服系统的给定量是随机变化的，现给定，伺服系统的
4、给定量是随机变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，系统要求输出量准确跟随给定量的变化，系统在保证稳定的基础上，更突出快速响应能在保证稳定的基础上，更突出快速响应能力。力。第6页，本讲稿共97页7.1.1伺服系统的基本要求及特伺服系统的基本要求及特征征n伺服系统的基本要求：伺服系统的基本要求：1.稳定性好稳定性好2.精度高精度高3.动态响应快动态响应快4.抗扰动能力强抗扰动能力强第7页，本讲稿共97页伺服系统的基本要求及特征伺服系统的基本要求及特征n伺服系统的基本特征：伺服系统的基本特征：1.必须具备高精度的传感器，能准确地给出必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号；输出量的电信号
5、；2.功率放大器以及控制系统都必须是可逆的；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足够大的调速范围及足够强的低速带载性能；能；4.快速的响应能力和较强的抗干扰能力。快速的响应能力和较强的抗干扰能力。第8页，本讲稿共97页7.1.2伺服系统的组成伺服系统的组成图图7-1 位置伺服系统结构示意图位置伺服系统结构示意图第9页，本讲稿共97页伺服系统的组成伺服系统的组成n1.伺服电机与功率驱动器伺服电机与功率驱动器 伺服电机是伺服系统的执行机构。伺服电机是伺服系统的执行机构。功率驱动器主要起功率放大的作用，功率驱动器主要起功率放大的作用，根据不同的伺服电机，控制
6、伺服电机根据不同的伺服电机，控制伺服电机的转矩和转速，满足伺服系统的实际的转矩和转速，满足伺服系统的实际需求，达到预期的性能指标。需求，达到预期的性能指标。第10页，本讲稿共97页伺服系统的组成伺服系统的组成n2.伺服系统控制器伺服系统控制器 控制器是伺服系统的关键所在，伺服系控制器是伺服系统的关键所在，伺服系统的控制规律体现在控制器上，控制器应统的控制规律体现在控制器上，控制器应根据位置偏差信号，经过必要的控制算法，根据位置偏差信号，经过必要的控制算法，产生功率驱动器的控制信号。产生功率驱动器的控制信号。第11页，本讲稿共97页7.1.3位置传感器位置传感器n精确而可靠地发出位置给定信号并检
7、测被精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的实际位置是位置伺服系统工作良控对象的实际位置是位置伺服系统工作良好的基本保证。好的基本保证。n然后根据偏差信号实施控制，最终消除偏然后根据偏差信号实施控制，最终消除偏差。差。第12页，本讲稿共97页位置传感器位置传感器n1.电位器电位器n2.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n3.光电编码器光电编码器n4磁性编码器磁性编码器第13页，本讲稿共97页绝对值式编码器绝对值式编码器 图图7-2 绝对值式编码器的码盘绝对值式编码器的码盘a)二进制码盘二进制码盘 b)循环码盘循环码盘第14页，本讲稿共97页7.2伺服系统的跟随性能伺服
8、系统的跟随性能n1.检测误差检测误差 检测误差包括给定位置传感器和反馈位检测误差包括给定位置传感器和反馈位置传感器的误差。取决于传感器的原理和置传感器的误差。取决于传感器的原理和制造精度，是传感器本身所固有的，控制制造精度，是传感器本身所固有的，控制系统无法克服。系统无法克服。第15页，本讲稿共97页伺服系统的跟随性能伺服系统的跟随性能n2 系统误差系统误差 系统误差包括由系统本身的结构和参数系统误差包括由系统本身的结构和参数造成的稳态给定误差和在扰动作用下的稳造成的稳态给定误差和在扰动作用下的稳态扰动误差，与系统的结构、参数、以及态扰动误差，与系统的结构、参数、以及给定和扰动输入量的类型、大
9、小与作用点给定和扰动输入量的类型、大小与作用点有关。有关。第16页，本讲稿共97页线性位置伺服系统一般动态结构线性位置伺服系统一般动态结构图图n 和和 是是给定输入和给定输入和系统输出，系统输出，F代表扰动代表扰动输入。输入。图图7-3 线性位置伺服系统一般线性位置伺服系统一般动态结构图动态结构图第17页，本讲稿共97页线性位置伺服系统一般动态结构线性位置伺服系统一般动态结构图图n系统的开环传递函数系统的开环传递函数n系统误差系统误差（7-1）第18页，本讲稿共97页系统输出系统输出n在给定在给定 和扰动输入和扰动输入F的共同作用下，系的共同作用下，系统输出统输出（7-2）第19页，本讲稿共9
10、7页系统误差系统误差n系统误差系统误差（7-4）系统误差由给定误差和扰动误差两部分组成，系统误差由给定误差和扰动误差两部分组成，它们分别取决于给定输入和扰动输入信号，也它们分别取决于给定输入和扰动输入信号，也和系统本身的结构与参数有关。和系统本身的结构与参数有关。第20页，本讲稿共97页系统误差分析系统误差分析n根据拉氏变换的终值定理可以求出给定误根据拉氏变换的终值定理可以求出给定误差和扰动误差的稳态值。差和扰动误差的稳态值。第21页，本讲稿共97页系统误差分析系统误差分析n将传递函数的分母和分子都写成积分环节将传递函数的分母和分子都写成积分环节与多项式的乘积，则线性传递函数可分别与多项式的乘
11、积，则线性传递函数可分别写成写成第22页，本讲稿共97页系统误差分析系统误差分析n当趋近于当趋近于0时，各多项式均趋近于时，各多项式均趋近于1，则给，则给定误差定误差（7-5）第23页，本讲稿共97页系统误差分析系统误差分析n扰动误差扰动误差（7-6）第24页，本讲稿共97页系统误差分析系统误差分析n给定误差与系统的开环增益和前向给定误差与系统的开环增益和前向通道中所有积分环节的总数有关；通道中所有积分环节的总数有关；n扰动误差则只与扰动作用点以前部分扰动误差则只与扰动作用点以前部分的增益和积分环节个数有关。的增益和积分环节个数有关。第25页，本讲稿共97页位置伺服系统的典型给定输入信位置伺服
12、系统的典型给定输入信号号 图图7-4 位置伺服系统的典型输入信号位置伺服系统的典型输入信号a）位置阶跃输入）位置阶跃输入 b）速度输入）速度输入 c）加速度输入）加速度输入t*mqt*mqt*mqabc000第26页，本讲稿共97页位置伺服系统的典型给定输入信位置伺服系统的典型给定输入信号号n1.位置输入（即位置阶跃输入）位置输入（即位置阶跃输入）n3.加速度输入（又称抛物线输入）加速度输入（又称抛物线输入）n2.速度输入速度输入(又称斜坡输入又称斜坡输入)第27页，本讲稿共97页位置输入误差位置输入误差n单位位置输入信号单位位置输入信号 代入式（代入式（7-5），得），得 第28页，本讲稿共
13、97页位置输入误差位置输入误差n对于对于型系统，型系统，对于对于型系统，型系统，第29页，本讲稿共97页速度输入误差速度输入误差n单位速度输入信号单位速度输入信号 误差误差第30页，本讲稿共97页速度输入误差速度输入误差 n对于对于型系统，型系统，对于对于型系统，型系统，第31页，本讲稿共97页加速度输入误差加速度输入误差n单位加速度输入信号单位加速度输入信号 误差误差第32页，本讲稿共97页加速度输入误差加速度输入误差 n对于对于型系统，型系统，对于对于型系统，型系统，第33页，本讲稿共97页 稳态误差稳态误差 单位位置阶单位位置阶跃输入跃输入单位速度单位速度输入输入单位加速单位加速度输入度
14、输入型系型系统统0 01/1/K K型系型系统统0 00 01/1/K K第34页，本讲稿共97页7.3伺服系统控制对象的数学模伺服系统控制对象的数学模型型 n根据伺服电机的种类，伺服系统可分为直根据伺服电机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类，以下分析两种伺服系统流和交流两大类，以下分析两种伺服系统控制对象的数学模型，伺服系统控制对象控制对象的数学模型，伺服系统控制对象包括伺服电机、驱动装置和机械传动机构。包括伺服电机、驱动装置和机械传动机构。第35页，本讲稿共97页7.3.1直流伺服系统控制对象的直流伺服系统控制对象的数学模型数学模型 n直流伺服系统的执行元件为直流伺服电直流伺服系统的执
15、行元件为直流伺服电机，中、小功率的伺服系统采用直流永机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电机，当功率较大时，也可采用磁伺服电机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电机，直流无刷电机电励磁的直流伺服电机，直流无刷电机与直流电机有相同的控制特性，也可归与直流电机有相同的控制特性，也可归入直流伺服系统。入直流伺服系统。第36页，本讲稿共97页直流伺服电机的数学模型直流伺服电机的数学模型 n直流伺服电机的数学模型与调速电机无直流伺服电机的数学模型与调速电机无本质的区别，假定气隙磁通恒定，则直本质的区别，假定气隙磁通恒定，则直流伺服电机的状态方程为流伺服电机的状态方程为（7-7）第37页，本讲稿
16、共97页直流伺服电机的数学模型直流伺服电机的数学模型 n感应电动势感应电动势n电磁转矩电磁转矩n机械传动机构的状态方程为机械传动机构的状态方程为（7-8）第38页，本讲稿共97页驱动装置的传递函数驱动装置的传递函数 n驱动装置的近似等效传递函数为驱动装置的近似等效传递函数为（7-9）写成状写成状态态方程方程第39页，本讲稿共97页控制对象的数学模型控制对象的数学模型（7-10）n控制对象的数学模型 第40页，本讲稿共97页直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图图图7-5直流伺服系统控制对象结构图直流伺服系统控制对象结构图第41页，本讲稿共97页电流闭环控制电流闭环控制n电枢电流受
17、到感应电势或转速的影响，电枢电流受到感应电势或转速的影响，采用电流闭环控制可有效抑制感应电势采用电流闭环控制可有效抑制感应电势或转速的扰动，改善系统的动态响应，或转速的扰动，改善系统的动态响应，限制最大的起、制动电流，关于电流闭限制最大的起、制动电流，关于电流闭环控制的作用及和电流环的设计与直流环控制的作用及和电流环的设计与直流调速系统相同。调速系统相同。第42页，本讲稿共97页带有电流闭环控制的对象数学模带有电流闭环控制的对象数学模型型n采用电流闭环后，电流环的等效传递函数采用电流闭环后，电流环的等效传递函数为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象为惯性环节，故带有电流闭环控制的对象数学模型为数
18、学模型为（7-11）第43页，本讲稿共97页带有电流闭环控制的对象结构图带有电流闭环控制的对象结构图图图7-6 带有电流闭环控制的对象结构图带有电流闭环控制的对象结构图第44页，本讲稿共97页7.3.2交流伺服系统控制对象的交流伺服系统控制对象的数学模型数学模型n用交流伺服电机作为伺服系统的执行电用交流伺服电机作为伺服系统的执行电机，称作交流伺服系统。常用的交流伺机，称作交流伺服系统。常用的交流伺服电机有三相异步电动机、永磁式同步服电机有三相异步电动机、永磁式同步电动机和磁阻式步进电动机等。电动机和磁阻式步进电动机等。n无论是异步电动机，还是同步电动机，无论是异步电动机，还是同步电动机，经过矢
19、量变换、磁链定向和电流闭环控经过矢量变换、磁链定向和电流闭环控制均可等效为电流控制的直流电动机，制均可等效为电流控制的直流电动机，现以三相异步伺服电机为例分析之。现以三相异步伺服电机为例分析之。第45页，本讲稿共97页异步电动机按转子磁链定向的数异步电动机按转子磁链定向的数学模型学模型第46页，本讲稿共97页交流伺服系统控制对象的数学模交流伺服系统控制对象的数学模型型n当当转转子子磁磁链链等等于于常常数数，并并设设电电机机极极对对数数 ，则则采采用用电电流流闭闭环环控控制制后后，并并考考虑虑转转角角与与转速的关系，对象的数学模型为转速的关系，对象的数学模型为（7-12）其中，其中，第47页，本
20、讲稿共97页伺服系统控制对象的统一模型伺服系统控制对象的统一模型n以上分析表明，采用电流闭环控制后，交以上分析表明，采用电流闭环控制后，交流伺服系统与直流伺服系统具有相同的控流伺服系统与直流伺服系统具有相同的控制对象，式（制对象，式（7-11）或式（）或式（7-12）可以）可以称作，在电流闭环控制下，交、直流伺服称作，在电流闭环控制下，交、直流伺服系统控制对象的统一模型。系统控制对象的统一模型。n因此，可用相同的方法设计交流或直流伺因此，可用相同的方法设计交流或直流伺服系统。服系统。第48页，本讲稿共97页7.4 伺服系统的设计伺服系统的设计n伺服系统的结构因系统的具体要求而异，伺服系统的结构
21、因系统的具体要求而异，现介绍几种常用的系统设计方法。现介绍几种常用的系统设计方法。单环位置伺服系统单环位置伺服系统 双环伺服系统的设计双环伺服系统的设计 三环伺服系统的设计三环伺服系统的设计 复合控制的伺服系统复合控制的伺服系统第49页，本讲稿共97页7.4.1单环位置伺服系统单环位置伺服系统n对于直流伺服电机可以采用单位置环控制对于直流伺服电机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调节器方式，直接设计位置调节器APR，如图，如图7-7所示。为了避免在过渡过程中电流冲击所示。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
22、的伺服电机。择允许过载倍数比较高的伺服电机。n由于交流伺服电机具有非线性、强耦合的由于交流伺服电机具有非线性、强耦合的性质，单位置环控制方式难以达到伺服系性质，单位置环控制方式难以达到伺服系统的动态要求，一般不采用单位置环控制。统的动态要求，一般不采用单位置环控制。第50页，本讲稿共97页单环位置伺服系统单环位置伺服系统 nAPR位置位置调节器调节器nUPE驱动驱动装置装置nSM直流直流伺服电机伺服电机nBQ位置传位置传感器感器图图7-7 单环位置伺服系统单环位置伺服系统 第51页，本讲稿共97页单环位置伺服系统位置调节器单环位置伺服系统位置调节器n作为动态校正和加快跟随作用的位置调节作为动态
23、校正和加快跟随作用的位置调节器可常选用器可常选用PD或或PID调节器，或者在位置调节器，或者在位置反馈的基础上附加位置微分反馈（即转速反馈的基础上附加位置微分反馈（即转速反馈），采用微分控制是为了提高加快作反馈），采用微分控制是为了提高加快作用的。若要求系统对负载扰动无静差，应用的。若要求系统对负载扰动无静差，应选用选用PID调节器。调节器。第52页，本讲稿共97页简化的直流伺服系统控制对象传简化的直流伺服系统控制对象传递函数递函数n忽略负载转矩，图忽略负载转矩，图7-5的直流伺服系统控的直流伺服系统控制对象结构可简化为图制对象结构可简化为图7-8，简化的直流，简化的直流伺服系统控制对象传递函
24、数为伺服系统控制对象传递函数为（7-13）暂且认为驱动装置暂且认为驱动装置UPE的放大系数为的放大系数为1，这不，这不影响系统的原理性分析和设计。影响系统的原理性分析和设计。第53页，本讲稿共97页简化的直流伺服系统控制对象结简化的直流伺服系统控制对象结构图构图图图7-8 简化的直流伺服系统控制对象结构图简化的直流伺服系统控制对象结构图第54页，本讲稿共97页系统开环传递函数系统开环传递函数n选用选用PD调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为（7-14）系统开环传递函数系统开环传递函数（7-15）系系统统开开环环放大系数放大系数 第55页，本讲稿共97页单位置环控制直流伺服系统结构单位置环控
25、制直流伺服系统结构图图 n图图7-9为单位置环控制直流伺服系统结构图，为单位置环控制直流伺服系统结构图，假定反馈系数为假定反馈系数为1，构成单位反馈系统。，构成单位反馈系统。图图7-9 单位置环控制直流伺服系统结构图单位置环控制直流伺服系统结构图 第56页，本讲稿共97页系统开环传递函数系统开环传递函数n若若 ，可分解为可分解为 ，用系统的开环零点消去惯性时，用系统的开环零点消去惯性时间常数最大的开环极点，以加快系统的响间常数最大的开环极点，以加快系统的响应过程。应过程。n假定假定 ，用系统的开环零点，用系统的开环零点 消消去开环极点去开环极点 。第57页，本讲稿共97页伺服系统的闭环传递函数
26、伺服系统的闭环传递函数n简化后系统的开环传递函数简化后系统的开环传递函数（7-16）（7-17）伺服系统的闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数第58页，本讲稿共97页系统稳定性分析系统稳定性分析n由闭环传递函数的特征方程式由闭环传递函数的特征方程式（7-18）用用RouthRouth稳稳定判据，可定判据，可求得求得系系统稳统稳定，系定，系统统开开环传递环传递函数伯德函数伯德图见图图见图7-107-10。第59页，本讲稿共97页单位置环控制直流伺服系统开环单位置环控制直流伺服系统开环传递函数伯德图传递函数伯德图图图7-10 单位置环控制直流伺服系统开环传单位置环控制直流伺服系统开环传递函数伯德图递
27、函数伯德图第60页，本讲稿共97页系统开环传递函数系统开环传递函数n若若 ，可用系统的开环零点，可用系统的开环零点 消去驱动装置的滞后时间消去驱动装置的滞后时间系统开环传递函数系统开环传递函数（7-18）伺服系统的闭环传递函数伺服系统的闭环传递函数（7-19）第61页，本讲稿共97页系统稳定性分析系统稳定性分析n由闭环传递函数的特征方程式由闭环传递函数的特征方程式（7-21）用用RouthRouth稳稳定判据，可定判据，可求得求得系系统稳统稳定。定。第62页，本讲稿共97页7.4.2双环伺服系统双环伺服系统n电流闭环控制具有抑制起、制动电流，加电流闭环控制具有抑制起、制动电流，加速电流的响应过
28、程。对于交流伺服电机，速电流的响应过程。对于交流伺服电机，电流闭环还具有改造对象，实现励磁分量电流闭环还具有改造对象，实现励磁分量和转矩分量的解耦，得到等效的直流电机和转矩分量的解耦，得到等效的直流电机模型。因此，可以在电流闭环控制的基础模型。因此，可以在电流闭环控制的基础上，直接设计位置调节器，构成位置伺服上，直接设计位置调节器，构成位置伺服系统。系统。第63页，本讲稿共97页双环伺服系统双环伺服系统图图7-11 双环位置伺服系统双环位置伺服系统第64页，本讲稿共97页电流闭环控制对象的传递函数电流闭环控制对象的传递函数n忽略负载转矩，图忽略负载转矩，图7-6带有电流闭环控制带有电流闭环控制
29、对象的传递函数为对象的传递函数为（7-22）由于控制由于控制对对象在前向通道上有象在前向通道上有2个个积积分分环节环节，故，故该该系系统统能精确跟随速度能精确跟随速度输输入信号。入信号。为为了消除了消除负载负载扰动扰动引起的静差，引起的静差，APR选选用用PI调节调节器。器。第65页，本讲稿共97页双环位置伺服系统结构图双环位置伺服系统结构图图图7-12 双环位置伺服系统结构图双环位置伺服系统结构图第66页，本讲稿共97页系统的闭环传递函数系统的闭环传递函数n系统的开环传递函数为系统的开环传递函数为（7-23）系系统统的的闭环传递闭环传递函数函数为为（7-24）第67页，本讲稿共97页系统的稳
30、定性系统的稳定性n系统的特征方程式系统的特征方程式（7-25）由由Routh稳定判据可知，系统不稳定。稳定判据可知，系统不稳定。第68页，本讲稿共97页伺服系统的开环传递函数伺服系统的开环传递函数n若将若将APR改用改用PID调节器，其传递函数为调节器，其传递函数为 伺服系伺服系统统的开的开环传递环传递函数函数为为（7-26）第69页，本讲稿共97页闭环传递函数闭环传递函数n闭环传递函数为闭环传递函数为（7-27）特征方程式特征方程式（7-28）第70页，本讲稿共97页系统的稳定性系统的稳定性n由由Routh稳定判据求得系统稳定的条件，稳定判据求得系统稳定的条件，（7-29）为简为简化系化系统
31、设计统设计，不妨，不妨设设 则则系系统稳统稳定的条件定的条件（7-30）第71页，本讲稿共97页双环控制伺服系统开环传递函数伯德图图7-13 采用采用PID控制的双环控制伺服系统开环传控制的双环控制伺服系统开环传递函数伯德图递函数伯德图第72页，本讲稿共97页系统性能分析系统性能分析n双环控制伺服系统开环传递函数伯德图，双环控制伺服系统开环传递函数伯德图，低频段低频段 ，系统有足够的稳态，系统有足够的稳态精度，中频段精度，中频段 ，保证了系统，保证了系统的稳定性，为了使系统具有一定的稳定的稳定性，为了使系统具有一定的稳定裕度，应保证中频段宽度裕度，应保证中频段宽度h，高频段，高频段 ，系统具有
32、一定的抗干扰能力。，系统具有一定的抗干扰能力。第73页，本讲稿共97页微分负反馈微分负反馈n若若APR仍采用仍采用PI调节器，可在位置反馈的调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈，如图馈，如图7-14所示。所示。n采用绝对值式光电编码器时，应根据位置采用绝对值式光电编码器时，应根据位置的变化率来计算角转速，的变化率来计算角转速，（7-31）第74页，本讲稿共97页带有微分反馈的伺服系统结构图带有微分反馈的伺服系统结构图图图7-14 带有微分反馈的伺服系统结构图带有微分反馈的伺服系统结构图第75页，本讲稿共97页带有微分反馈的伺服系统带有
33、微分反馈的伺服系统n带有微分反馈伺服系统的闭环系统的特征带有微分反馈伺服系统的闭环系统的特征方程式与方程式与PID控制单位反馈的伺服系统相控制单位反馈的伺服系统相同，而闭环传递函数为同，而闭环传递函数为与式（与式（7-27）相比，少了）相比，少了1个系统闭环零点，个系统闭环零点，在动态性能上略有差异，但不影响系统的在动态性能上略有差异，但不影响系统的稳定性。稳定性。（7-32）第76页，本讲稿共97页7.4.3三环伺服系统三环伺服系统n在调速系统的基础上，再设一个位置控制在调速系统的基础上，再设一个位置控制环，便形成三环控制的位置伺服系统，如环，便形成三环控制的位置伺服系统，如图图7-15所示
34、。其中位置调节器所示。其中位置调节器APR就是就是位置环的校正装置，其输出限幅值决定着位置环的校正装置，其输出限幅值决定着电机的最高转速。电机的最高转速。nAPR位置调节器位置调节器 ASR转速调节器转速调节器 ACR电流调节器电流调节器 BQ光电位置传感器光电位置传感器 DSP数字转速信号形成环节数字转速信号形成环节第77页，本讲稿共97页三环位置伺服系统三环位置伺服系统图图7-15 三环位置伺服系统三环位置伺服系统第78页，本讲稿共97页转速环结构转速环结构n直流转速闭环控制系统按典型直流转速闭环控制系统按典型II型系统设型系统设计，图计，图7-16为转速环结构图，开环传递函为转速环结构图
35、，开环传递函数为数为（7-33）图图7-16 转速环结构图转速环结构图第79页，本讲稿共97页交流伺服系统交流伺服系统开环传递函数开环传递函数n对于交流伺服电机，假定磁链恒定，则矢对于交流伺服电机，假定磁链恒定，则矢量控制系统简化结构如图量控制系统简化结构如图7-17所示，其中所示，其中转速调节器转速调节器ASR采用采用PI调节器，调节器，开环传递函数为开环传递函数为 第80页，本讲稿共97页矢量控制系统结构示意图矢量控制系统结构示意图图图7-17 矢量控制系统结构示意图矢量控制系统结构示意图n开环传递函数与式（开环传递函数与式（7-33）的结构完全相同。）的结构完全相同。n因此，以下的设计方
36、法对直流和交流伺服系统因此，以下的设计方法对直流和交流伺服系统都适用。都适用。第81页，本讲稿共97页转速闭环传递函数转速闭环传递函数n由式（由式（7-33）导出转速闭环传递函数，）导出转速闭环传递函数，（7-34）第82页，本讲稿共97页位置环的控制对象位置环的控制对象 n再加上转角与转速的传递函数，再加上转角与转速的传递函数，（7-35）构成位置环的控制对象构成位置环的控制对象 图图7-18 位置环的控制对象结构图位置环的控制对象结构图第83页，本讲稿共97页开环传递函数开环传递函数n位置环控制对象的传递函数位置环控制对象的传递函数n位置闭环控制结构图如图位置闭环控制结构图如图7-19所示
37、，其中，所示，其中，APR是位置调节器，开环传递函数是位置调节器，开环传递函数（7-36）（7-37）第84页，本讲稿共97页位置闭环控制结构图位置闭环控制结构图 n位置调节器的传递函数为位置调节器的传递函数为 图图7-19 位置闭环控制结构图位置闭环控制结构图 第85页，本讲稿共97页系统的开环传递函数系统的开环传递函数n当输入为阶跃信号时，当输入为阶跃信号时，APR选用选用P调节器调节器就可实现稳态无静差，则系统的开环传递就可实现稳态无静差，则系统的开环传递函数可改写为函数可改写为（7-38）第86页，本讲稿共97页闭环传递函数闭环传递函数n伺服系统的闭环传递函数为伺服系统的闭环传递函数为
38、（7-39）系系统统的特征方程的特征方程式式（7-40）第87页，本讲稿共97页系统稳定条件系统稳定条件n用用Routh稳定判据，可求得系统的稳定条稳定判据，可求得系统的稳定条件件（7-41）第88页，本讲稿共97页系统稳定条件系统稳定条件n考虑到考虑到 h为中频段宽度，则式（为中频段宽度，则式（7-41）可改写为）可改写为（7-42）第89页，本讲稿共97页多环控制系统多环控制系统n多环控制系统调节器的设计方法也是从内多环控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环的调节器。逐环环到外环，逐个设计各环的调节器。逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而设计可以使每个控制环都是稳定的，
39、从而保证了整个控制系统的稳定性。保证了整个控制系统的稳定性。n当电流环和转速环内的对象参数变化或受当电流环和转速环内的对象参数变化或受到扰动时，电流反馈和转速反馈能够起到到扰动时，电流反馈和转速反馈能够起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。同时，每个环节都有自己的控制响很小。同时，每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。对象，分工明确，易于调整。第90页，本讲稿共97页多环控制系统多环控制系统n但这样逐环设计的多环控制系统也有明显但这样逐环设计的多环控制系统也有明显的不足，即对最外环控制作用的响应不会的不足，即对最外环控制作用的响应不会很快
40、，因为，转矩的调节需经过三个调节很快，因为，转矩的调节需经过三个调节器。器。第91页，本讲稿共97页7.4.4复合控制的伺服系统复合控制的伺服系统n无论是多环还是单环伺服系统，都是通过无论是多环还是单环伺服系统，都是通过位置调节器位置调节器APR来实现反馈控制的。这时，来实现反馈控制的。这时，给定信号的变化要经过给定信号的变化要经过APR才能起作用，才能起作用，在设计在设计APR时，为了保证整个系统的稳定时，为了保证整个系统的稳定性，不可能过分照顾快速跟随作用。如果性，不可能过分照顾快速跟随作用。如果要进一步加强跟随性能，可以从给定信号要进一步加强跟随性能，可以从给定信号直接引出开环的前馈控制
41、，和闭环的反馈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。控制一起，构成复合控制系统。第92页，本讲稿共97页复合控制的伺服系统复合控制的伺服系统 反馈控反馈控制器制器 控制对控制对象的传递函象的传递函数数 前馈补前馈补偿器的传递偿器的传递函数函数 图图7-20 复合控制位置伺服系统复合控制位置伺服系统的结构原理图的结构原理图第93页，本讲稿共97页前馈补偿器前馈补偿器n利用结构图变换可以求出复合控制伺服系利用结构图变换可以求出复合控制伺服系统的闭环传递函数统的闭环传递函数（7-43）前馈补偿器的传递函数选为前馈补偿器的传递函数选为（7-44）第94页，本讲稿共97页给定输
42、入的给定输入的“完全不变性完全不变性”n得到得到（7-45）这就是说，理想的复合控制随动系统的输出量能够这就是说，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完全复现给定输入量，其稳态和动态的给定误差都为零。这叫做，系统对给定输入实现了为零。这叫做，系统对给定输入实现了“完全不变完全不变性性”，式（，式（7-44）就是对给定输入完全不变的条）就是对给定输入完全不变的条件。件。第95页，本讲稿共97页前馈补偿器的传递函数前馈补偿器的传递函数n实际上，要准确实现完全不变性是很困难实际上，要准确实现完全不变性是很困难的。在一般情况下，位置伺服系统控制对的。在一般情况
43、下，位置伺服系统控制对象象 前馈补偿器的传递函数应为前馈补偿器的传递函数应为 第96页，本讲稿共97页实现完全不变性的困难实现完全不变性的困难n由此可知，要实现完全不变性，需要引入由此可知，要实现完全不变性，需要引入输入信号的各阶导数作为前馈控制信号。输入信号的各阶导数作为前馈控制信号。实际上，理想的高阶微分很难实现，即使实际上，理想的高阶微分很难实现，即使实现了，也会同时引入高频干扰信号，破实现了，也会同时引入高频干扰信号，破坏系统的工作，不得不再加上滤波环节。坏系统的工作，不得不再加上滤波环节。因此，只能近似地实现完全不变性，即使因此，只能近似地实现完全不变性，即使如此，对提高系统的跟随精度和快速性总如此，对提高系统的跟随精度和快速性总是有好处的。是有好处的。第97页，本讲稿共97页