电力拖动自动控制系统运动控制系统第九章.pptx

电力拖动自动控制系统运动控制系统第九章 伺服系统得定义伺服系统得定义:数控机床伺服系统内容提要内容提要n伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成n伺服系统控制对象得数学模型伺服系统控制对象得数学模型n伺服系统得设计伺服系统得设计9 9、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成n伺服系统得功能就是使输出快速而准确地复现给定伺服系统得功能就是使输出快速而准确地复现给定,对伺服系统具有如对伺服系统具有如下得基本要求下得基本要求:1)1)稳定性好稳定性好 伺服系统在给定输入与外界干扰下伺服系统在给定输入与外界干扰下,能在短暂得过渡能在短暂得过渡过程后过程后,达到新得平衡状态达到新得平衡状态,或者恢复到原先得平衡状态。或者恢复到原先得平衡状态。2)2)精度高精度高 伺服系统得精度就是指输出量跟随给定值得精确程度伺服系统得精度就是指输出量跟随给定值得精确程度,如如精密加工得数控机床精密加工得数控机床,要求很高得定位精度。要求很高得定位精度。3)3)动态响应快动态响应快 动态响应就是伺服系统重要得动态性能指标动态响应就是伺服系统重要得动态性能指标,要求系要求系统对给定得跟随速度足够快、超调小统对给定得跟随速度足够快、超调小,甚至要求无超调甚至要求无超调、4)4)抗扰动能力强抗扰动能力强 在各种扰动作用时在各种扰动作用时,系统输出动态变化小系统输出动态变化小,恢复时恢复时间快间快,振荡次数少振荡次数少,甚至要求无振荡。甚至要求无振荡。一一、伺服系统得基本要求及特征伺服系统得基本要求及特征-基本要求基本要求99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成1)必须具备高精度得传感器必须具备高精度得传感器,能准确地给出输出量得电信号。能准确地给出输出量得电信号。2)功率放大器以及控制系统都必须就是可逆得。功率放大器以及控制系统都必须就是可逆得。3)足够大得调速范围及足够强得低速带载性能。足够大得调速范围及足够强得低速带载性能。4)快速得响应能力与较强得抗干扰能力。快速得响应能力与较强得抗干扰能力。一一、伺服系统得基本要求及特征伺服系统得基本要求及特征-特征特征99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成l伺伺服服系系统统由由伺伺服服电电动动机机、功功率率驱驱动动器器、控控制制器器与与传传感感器器四四大大部部分分组组成。成。l除了位置传感器外除了位置传感器外,可能还需要电压、电流与速度传感器。可能还需要电压、电流与速度传感器。二二、伺服系统得组成伺服系统得组成-基本要素基本要素99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成图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 二二、伺服系统得组成伺服系统得组成-基本结构基本结构99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成 二二、伺服系统得组成伺服系统得组成-伺服电机伺服电机99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成 二二、伺服系统得组成伺服系统得组成-编码器编码器二进制码盘二进制码盘 循环码盘循环码盘二进制码盘二进制码盘:同心园环为码道同心园环为码道,道数与二进制位数相同道数与二进制位数相同,内层为高位内层为高位,最外层为低最外层为低位位、由内层到外层按二进制编码由内层到外层按二进制编码、光电元件产生电脉冲信号。光电元件产生电脉冲信号。“粗大误差粗大误差”:两位以上数字同时改变。两位以上数字同时改变。01111000循环码循环码:相邻码道之间只有一个码变化相邻码道之间只有一个码变化、99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成 三三、伺服系统得性能指示伺服系统得性能指示-检测误差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与磁性编码器度(0)10角分()角秒()微米(um)3600/N表9-2位置传感器得误差范围99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成l伺服系统实际位置与目标值之间得误差伺服系统实际位置与目标值之间得误差,称作系统得稳态跟踪误差。称作系统得稳态跟踪误差。l由由系系统统结结构构与与参参数数决决定定得得稳稳态态跟跟踪踪误误差差可可分分为为三三类类:位位置置误误差差、速速度度误误差差与加速度误差。与加速度误差。l伺伺服服系系统统在在动动态态调调节节过过程程中中性性能能指指标标称称为为动动态态性性能能指指标标,如如超超调调量量、跟跟随随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。三三、伺服系统得性能指示伺服系统得性能指示-系统误差系统误差大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成 三三、伺服系统得性能指示伺服系统得性能指示-系统误差系统误差图9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成图9-4 位置伺服系统得典型输入信号a)位置阶跃输入 b)速度输入 c)加速度输入 三三、伺服系统得性能指示伺服系统得性能指示-系统误差系统误差99、1 1伺服系统得特征及组成伺服系统得特征及组成伺服系统在三种单位输入信号得作用下给定稳态误差伺服系统在三种单位输入信号得作用下给定稳态误差 三三、伺服系统得性能指示伺服系统得性能指示-系统误差系统误差99、2 2伺服系统控制对象得数学模型伺服系统控制对象得数学模型l直直流流伺伺服服系系统统得得执执行行元元件件为为直直流流伺伺服服电电动动机机,中中、小小功功率率得得伺伺服服系系统统采采用用直直流流永永磁磁伺伺服服电电动动机机,当当功功率率较较大大时时,也也可可采采用用电电励励磁磁得得直直流流伺伺服电动机。服电动机。l直直流流无无刷刷电电动动机机与与直直流流电电动动机机有有相相同同得得控控制制特特性性,也也可可归归入入直直流流伺伺服服系统。系统。99、2 2伺服系统控制对象得数学模型伺服系统控制对象得数学模型l直流伺服电动机得状态方程直流伺服电动机得状态方程l机械传动机构得状态方程机械传动机构得状态方程 一一、直流伺服系统控制对象得数学模型直流伺服系统控制对象得数学模型 99、2 2伺服系统控制对象得数学模型伺服系统控制对象得数学模型 一一、直流伺服系统控制对象得数学模型直流伺服系统控制对象得数学模型 l驱动装置得近似等效传递函数驱动装置得近似等效传递函数l状态方程状态方程 99、2 2伺服系统控制对象得数学模型伺服系统控制对象得数学模型l控制对象得数学模型控制对象得数学模型(状态方程状态方程)一一、直流伺服系统控制对象得数学模型直流伺服系统控制对象得数学模型 99、2 2伺服系统控制对象得数学模型伺服系统控制对象得数学模型 一一、直流伺服系统控制对象得数学模型直流伺服系统控制对象得数学模型 图9-5直流伺服系统控制对象结构图99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l校校正正装装置置串串联联配配置置在在前前向向通通道道得得校校正正方方式式称称为为串串联联校校正正,一一般般把把串串联校正单元称作调节器联校正单元称作调节器,所以又称为调节器校正。所以又称为调节器校正。l若若校校正正装装置置与与前前向向通通道道并并行行,则则称称为为并并联联校校正正;信信号号流流向向与与前前向向通通道道相相同同时时,称称作作前前馈馈校校正正;信信号号流流向向与与前前向向通通道道相相反反时时,则则称称作作反反馈馈校正。校正。l常常用用得得调调节节器器有有比比例例微微分分(PD)调调节节器器、比比例例积积分分(PI)调调节节器器以以及及比比例例积积分分微微分分(PID)调调节节器器,设设计计中中可可根根据据实实际际伺伺服服系系统统得特征进行选择。得特征进行选择。99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l在在系系统统得得前前向向通通道道上上串串联联PD调调节节器器校校正正装装置置,可可以以使使相相位位超超前前,以抵消惯性环节与积分环节使相位滞后而产生得不良后果。以抵消惯性环节与积分环节使相位滞后而产生得不良后果。lPD调节器得传递函数为调节器得传递函数为 一一、调节器及其传递函数调节器及其传递函数 99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l如果系统得稳态性能满足要求如果系统得稳态性能满足要求,并有一定得稳定裕量并有一定得稳定裕量,而稳态误差而稳态误差较大较大,则可以用则可以用PI调节器进行校正。调节器进行校正。lPI调节器得传递函数为调节器得传递函数为 一一、调节器及其传递函数调节器及其传递函数 99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l将将PD串联校正与串联校正与PI串联校正联合使用串联校正联合使用,构成构成PID调节器。调节器。l如果合理设计则可以综合改善伺服系统得动态与静态特性。如果合理设计则可以综合改善伺服系统得动态与静态特性。lPID串联校正装置得传递函数为串联校正装置得传递函数为 一一、调节器及其传递函数调节器及其传递函数 99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 二二、单环位置伺服系统单环位置伺服系统 l对对于于直直流流伺伺服服电电动动机机可可以以采采用用单单位位置置环环控控制制方方式式,直直接接设设计计位位置置调调节器节器APR。l为为了了避避免免在在过过渡渡过过程程中中电电流流冲冲击击过过大大,应应采采用用电电流流截截止止反反馈馈保保护护,或者选择允许过载倍数比较高得伺服电动机。或者选择允许过载倍数比较高得伺服电动机。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99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 二二、单环位置伺服系统单环位置伺服系统 l从第二章我们知道直流电动机得数学模型为从第二章我们知道直流电动机得数学模型为:图9-8 直流伺服系统控制对象结构图99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 二二、单环位置伺服系统单环位置伺服系统 l忽略负载转矩忽略负载转矩,直流伺服系统控制对象传递函数为直流伺服系统控制对象传递函数为l机电时间常数机电时间常数 l采用采用PD调节器调节器,其传递函数为其传递函数为99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l伺服系统开环传递函数伺服系统开环传递函数l系统开环放大系数系统开环放大系数 二二、单环位置伺服系统单环位置伺服系统 一般来讲一般来讲:99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 二二、单环位置伺服系统单环位置伺服系统 图9-9 单位置环控制直流伺服系统结构图l用系统得开环零点消去惯性时间常数最大得开环极点用系统得开环零点消去惯性时间常数最大得开环极点,以加快系统得响应以加快系统得响应过程。过程。l系统得开环传递函数系统得开环传递函数 99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 二二、单环位置伺服系统单环位置伺服系统 l伺服系统得闭环传递函数伺服系统得闭环传递函数l闭环传递函数得特征方程式闭环传递函数得特征方程式 l用用Routh稳定判据稳定判据,为保证系统稳定为保证系统稳定,须使须使:99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 二二、单环位置伺服系统单环位置伺服系统 图9-10 单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 三三、双环位置伺服系统双环位置伺服系统 l在在电电流流闭闭环环控控制制得得基基础础上上,设设计计位位置置调调节节器器,构构成成位位置置伺伺服服系系统统,位置调节器得输出限幅就是电流得最大值。位置调节器得输出限幅就是电流得最大值。图9-11 双环位置伺服系统99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l忽略负载转矩时忽略负载转矩时,带有电流闭环控制对象得传递函数为带有电流闭环控制对象得传递函数为lAPR选用选用PI调节器调节器,其传递函数其传递函数 三三、双环位置伺服系统双环位置伺服系统 图9-12 双环位置伺服系统结构图99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l系统得开环传递函数为系统得开环传递函数为l系统得开环放大系数系统得开环放大系数 三三、双环位置伺服系统双环位置伺服系统 l伺服系统得闭环传递函数为伺服系统得闭环传递函数为l特征方程式特征方程式特征方程式未出现特征方程式未出现s得二次项得二次项,由由Routh稳定判据可知稳定判据可知,系统不稳定。系统不稳定。99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l将将APR改用改用PID调节器调节器,其传递函数其传递函数l伺服系统得开环传递函数伺服系统得开环传递函数 三三、双环位置伺服系统双环位置伺服系统 l闭环传递函数闭环传递函数l系统特征方程式系统特征方程式99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计 三三、双环位置伺服系统双环位置伺服系统 l由由Routh稳定判据求得系统稳定得条件稳定判据求得系统稳定得条件 图9-13 采用PID控制得双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计l若若APR仍采用仍采用PI调节器调节器,可在位置反馈得基础上可在位置反馈得基础上,再加上微分负反馈再加上微分负反馈,即转即转速负反馈。速负反馈。图9-14 带有微分负反馈得伺服系统 三三、双环位置伺服系统双环位置伺服系统 99、3 3伺服系统得设计伺服系统得设计图9-15 带有微分负反馈得伺服系统结构图 三三、双环位置伺服系统双环位置伺服系统