伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和校正ppt課件

1、伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析知確定系統(tǒng)，分析其性能知確定系統(tǒng)，分析其性能系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出性能目的，建立一個(gè)系給出性能目的，建立一個(gè)系統(tǒng)統(tǒng) 根本概念根本概念 1、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本義務(wù) 根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇適當(dāng)?shù)谋豢貐?shù)、執(zhí)行元件、丈量元件、給定元件、比較元件以及控制器及控制規(guī)律的過程稱為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。執(zhí)行元件受被控對象的功率要求和所需能源方式以及被控執(zhí)行元件受被控對象的功率要求和所需能源方式以及被控對象的任務(wù)條件限制，常見執(zhí)行元件：伺服電動(dòng)機(jī)、調(diào)理對象的任務(wù)條件限制，常見執(zhí)行元件：伺服電動(dòng)機(jī)、調(diào)理閥門、液壓閥門、液壓/氣動(dòng)伺服馬達(dá)等；氣動(dòng)伺服馬達(dá)等；丈量元

2、件依賴于被控制量的方式，常見丈量元件：電位器、丈量元件依賴于被控制量的方式，常見丈量元件：電位器、熱電偶、測速發(fā)電機(jī)以及各類傳感器等；熱電偶、測速發(fā)電機(jī)以及各類傳感器等；給定元件及比較元件取決于輸入信號和反響信號的方式，給定元件及比較元件取決于輸入信號和反響信號的方式，可采用電位計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)械式差動(dòng)安裝等等；可采用電位計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器、機(jī)械式差動(dòng)安裝等等；放大元件由所要求的控制精度和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的要求進(jìn)展放大元件由所要求的控制精度和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的要求進(jìn)展配置，有些情形下甚至需求幾個(gè)放大器，如電壓放大器配置，有些情形下甚至需求幾個(gè)放大器，如電壓放大器或電流放大器、功率放大器等等，放大元件的增

3、益通或電流放大器、功率放大器等等，放大元件的增益通常要求可調(diào)。常要求可調(diào)。丈量、給定、比較、放大及執(zhí)行元件與被控對象一同構(gòu)丈量、給定、比較、放大及執(zhí)行元件與被控對象一同構(gòu)成系統(tǒng)的根本組成部分成系統(tǒng)的根本組成部分( (固有部分固有部分) )，固有部分除增益可，固有部分除增益可調(diào)外，其他構(gòu)造和參數(shù)普通不能恣意改動(dòng)。調(diào)外，其他構(gòu)造和參數(shù)普通不能恣意改動(dòng)。 由固有部分組成的系統(tǒng)往往不能同時(shí)滿足各項(xiàng)性能的要由固有部分組成的系統(tǒng)往往不能同時(shí)滿足各項(xiàng)性能的要求，甚至不穩(wěn)定。雖然增益可調(diào)，但大多數(shù)情況下，只調(diào)整求，甚至不穩(wěn)定。雖然增益可調(diào)，但大多數(shù)情況下，只調(diào)整增益不能使系統(tǒng)的性能得到充分地改動(dòng)，必需另外參與

4、安裝增益不能使系統(tǒng)的性能得到充分地改動(dòng)，必需另外參與安裝以滿足給定的性能目的。以滿足給定的性能目的。 這個(gè)安裝就是控制器這個(gè)安裝就是控制器校正校正( (補(bǔ)償補(bǔ)償) )：經(jīng)過改動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造，或在系統(tǒng)中添加附加：經(jīng)過改動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造，或在系統(tǒng)中添加附加安裝或元件安裝或元件( (校正安裝校正安裝) )，對已有的系統(tǒng)固有部分進(jìn)，對已有的系統(tǒng)固有部分進(jìn)展再設(shè)計(jì)使之滿足性能要求。校正是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根展再設(shè)計(jì)使之滿足性能要求。校正是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本技術(shù)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)普通都需經(jīng)過校正這一步驟才本技術(shù)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)普通都需經(jīng)過校正這一步驟才干最終完成。干最終完成?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵上是尋覓適宜的校正安裝?？刂?/p>

5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵上是尋覓適宜的校正安裝。) 11 . 0)(1()(sssKsG改動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)零極點(diǎn)分布改動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)零極點(diǎn)分布2、控制系統(tǒng)的校正、控制系統(tǒng)的校正3、校正的本質(zhì)、校正的本質(zhì)例：例：要求系統(tǒng)滿足在單位斜坡輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差要求系統(tǒng)滿足在單位斜坡輸入時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差ess0.05， 以及以及p25 。解：通常系統(tǒng)的固定部分只需解：通常系統(tǒng)的固定部分只需K可調(diào)，根據(jù)可調(diào)，根據(jù)ess=1/K ， K20 根據(jù)主導(dǎo)極點(diǎn)概念，根據(jù)主導(dǎo)極點(diǎn)概念， p25 43先繪制出先繪制出K=20的的bode圖圖相位裕度小于零，系統(tǒng)不穩(wěn)定；相位裕度小于零，系統(tǒng)不穩(wěn)定；要滿足動(dòng)態(tài)性能，那么要滿足動(dòng)態(tài)性能，那么K1；要同

6、時(shí)滿足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，必需另外添加校正安裝，要同時(shí)滿足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，必需另外添加校正安裝，方法有兩個(gè)：堅(jiān)持方法有兩個(gè)：堅(jiān)持K20，添加相位超前角，添加零點(diǎn)，添加相位超前角，添加零點(diǎn)(s+1) 超前校正超前校正另外一種方法是：另外一種方法是：堅(jiān)持堅(jiān)持K=20，添加中、高頻衰，添加中、高頻衰減，減小剪切頻率；減，減小剪切頻率；滯后校正滯后校正4、校正的方式、校正的方式復(fù)合前饋、順饋校正復(fù)合前饋、順饋校正并聯(lián)校正反響校正并聯(lián)校正反響校正串聯(lián)校正串聯(lián)校正5、校正安裝設(shè)計(jì)方法及性能目的、校正安裝設(shè)計(jì)方法及性能目的 通常采用頻域法，普通給出的性能目的是時(shí)域目的通常采用頻域法，普通給出的性能目的是時(shí)域目的

7、穩(wěn)態(tài)精度：穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)精度：穩(wěn)態(tài)誤差ess低頻低頻過渡過程呼應(yīng)特性：上升時(shí)間過渡過程呼應(yīng)特性：上升時(shí)間tr、超調(diào)量、超調(diào)量 p、調(diào)理時(shí)間、調(diào)理時(shí)間ts諧振峰值諧振峰值Mr、剪切頻率、剪切頻率c、諧振頻率、諧振頻率r、相位裕度、相位裕度以及幅值裕度以及幅值裕度Kg等等校正安裝設(shè)計(jì)方法校正安裝設(shè)計(jì)方法分析方法：分析方法：知系統(tǒng)缺乏之處，然后作相應(yīng)的改良；知系統(tǒng)缺乏之處，然后作相應(yīng)的改良；綜合法或稱為期望特性法：綜合法或稱為期望特性法：根據(jù)性能目的給出期望的系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖，根據(jù)性能目的給出期望的系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性圖，再與原有開環(huán)特性進(jìn)展比較，從而確定校正方式、校正再與原有開環(huán)特性進(jìn)展比較，從而

8、確定校正方式、校正安裝的方式及參數(shù)。安裝的方式及參數(shù)。PID控制器控制器 1、PID控制規(guī)律PID：Proportional Integral DerivativePID控制：對偏向信號控制：對偏向信號e(t)進(jìn)展比例、積分和微分運(yùn)算變換進(jìn)展比例、積分和微分運(yùn)算變換后構(gòu)成的一種控制規(guī)律。后構(gòu)成的一種控制規(guī)律。)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtudtip傳送函數(shù)為傳送函數(shù)為)11 ()()()(sTsTKsEsUsGdipc式中式中Kp稱為可調(diào)比例增益，稱為可調(diào)比例增益，Ti稱為可調(diào)積分時(shí)間常數(shù)，稱為可調(diào)積分時(shí)間常數(shù)，Td稱為可調(diào)微分時(shí)間常數(shù)。稱為可調(diào)微分時(shí)間常數(shù)。 2、P、I、

9、D對控制性能的影響對控制性能的影響)()(teKtuppKsEsU)()(P控制對系統(tǒng)性能的影響：控制對系統(tǒng)性能的影響：Kp1開環(huán)增益加大，穩(wěn)態(tài)誤差減??；開環(huán)增益加大，穩(wěn)態(tài)誤差減??； 幅值穿越頻率增大；幅值穿越頻率增大；動(dòng)態(tài)加快，相位裕度減??；動(dòng)態(tài)加快，相位裕度減??； 系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。Kp1那么反之。那么反之。1P控制比例控制控制比例控制2 2I I 控制積分控制控制積分控制dtteTKtuip)()(ipTsKsEsU)()(GH(s)為為校正部分，校正安裝為積分環(huán)節(jié)，那么為為校正部分，校正安裝為積分環(huán)節(jié)，那么I控制對系統(tǒng)性能的影響：控制對系統(tǒng)性能的影響：系統(tǒng)型次提高，穩(wěn)

10、態(tài)性能改善；系統(tǒng)型次提高，穩(wěn)態(tài)性能改善；剪切頻率減??；動(dòng)態(tài)變慢；剪切頻率減?。粍?dòng)態(tài)變慢；產(chǎn)生相位滯后；系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。產(chǎn)生相位滯后；系統(tǒng)穩(wěn)定程度變差。積分控制普通不單獨(dú)運(yùn)用。積分控制普通不單獨(dú)運(yùn)用。3比例微分控制造用比例微分控制造用(PD)()()(dttdeTteKtudp)1 ()()(sTKsEsUdp 相位裕量添加，阻尼比添加，超調(diào)量下降，穩(wěn)定性提高； c增大，快速性提高； 高頻段增益上升，能夠?qū)е聢?zhí)行元件輸出飽和，并且降低了系統(tǒng)抗干擾的才干。綜上所述，PD控制經(jīng)過引入微分作用改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但須留意，微分控制僅僅在系統(tǒng)的瞬態(tài)過程中起作用，普通不單獨(dú)運(yùn)用。比例微分的轉(zhuǎn)機(jī)頻率在比

11、例微分的轉(zhuǎn)機(jī)頻率在cc之前之前cc增大增大但相位裕度添加但相位裕度添加4比例積分微分控制造用比例積分微分控制造用(PID)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtudtip)11 ()()()(sTsTKsEsUsGdipc)1(2ssTTsTTKdiiipPID控制器綜合了比例控制、積分控制和微分控制各自的優(yōu)點(diǎn)：控制器綜合了比例控制、積分控制和微分控制各自的優(yōu)點(diǎn)：在低頻段，在低頻段，PID控制器經(jīng)過積分控制造用改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；控制器經(jīng)過積分控制造用改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；在中頻段，在中頻段，PID控制器經(jīng)過微分控制造用，有效地提高了系統(tǒng)的控制器經(jīng)過微分控制造用，有效地提高了系統(tǒng)的

12、動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)性能。由于只需三個(gè)參數(shù)需求確定，工程運(yùn)用比較方便。由于只需三個(gè)參數(shù)需求確定，工程運(yùn)用比較方便。PID控制器的參數(shù)工程整定控制器的參數(shù)工程整定所謂工程整定，就是根據(jù)閱歷公式確定參數(shù)。所謂工程整定，就是根據(jù)閱歷公式確定參數(shù)。工程整定的優(yōu)點(diǎn)：對系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)的模型要求不高。工程整定的優(yōu)點(diǎn)：對系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)的模型要求不高。1、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)法、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)法 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在開環(huán)的情況下，測出系統(tǒng)求取被控經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)在開環(huán)的情況下，測出系統(tǒng)求取被控對象的動(dòng)態(tài)階躍呼應(yīng)曲線，從動(dòng)態(tài)呼應(yīng)曲線估計(jì)出被控對對象的動(dòng)態(tài)階躍呼應(yīng)曲線，從動(dòng)態(tài)呼應(yīng)曲線估計(jì)出被控對象的傳送函數(shù)，然后經(jīng)過齊格勒尼柯爾斯給出的調(diào)整

13、法象的傳送函數(shù)，然后經(jīng)過齊格勒尼柯爾斯給出的調(diào)整法那么表，確定那么表，確定PID控制器的參數(shù)控制器的參數(shù) ，最后進(jìn)展細(xì)調(diào)整。，最后進(jìn)展細(xì)調(diào)整。性能目的：要求為保證階躍呼應(yīng)的最大峰值與第二峰值的性能目的：要求為保證階躍呼應(yīng)的最大峰值與第二峰值的比為比為4:1 衰減比為衰減比為4:1 。適用范圍：系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)不包括積分環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)。適用范圍：系統(tǒng)開環(huán)傳送函數(shù)不包括積分環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)。階躍呼應(yīng)曲線特征為階躍呼應(yīng)曲線特征為S型曲線型曲線1、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)法、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)法 步驟步驟 第一步：求取動(dòng)第一步：求取動(dòng)態(tài)呼應(yīng)曲線。態(tài)呼應(yīng)曲線。( )1sKeG sTs上述的上述的S形曲線的傳函為形曲線的傳函為將其拐

14、點(diǎn)切線和時(shí)間軸和將其拐點(diǎn)切線和時(shí)間軸和c(t)=K的交點(diǎn)可得到的交點(diǎn)可得到 和和T。第二步：估計(jì)被第二步：估計(jì)被控對象的傳送函控對象的傳送函數(shù)。數(shù)。第三步：基于對象階躍呼應(yīng)的齊格勒尼柯爾斯第三步：基于對象階躍呼應(yīng)的齊格勒尼柯爾斯調(diào)整法那么調(diào)整法那么 ，確定，確定PID參數(shù)。參數(shù)?？刂破黝愋涂刂破黝愋蚄pTiTdPPIPID/T0.9 /T1.2 /T3.32000.521()1111.2(10.5)0.62PIDpdisTGKT ssTT sssPID控制器有一個(gè)位于原點(diǎn)的極點(diǎn)和兩個(gè)左半平面的零點(diǎn)控制器有一個(gè)位于原點(diǎn)的極點(diǎn)和兩個(gè)左半平面的零點(diǎn)1、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)法、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)法2、臨界增益法、臨界增益法

15、這種方法是讓系統(tǒng)處于閉環(huán)形狀下進(jìn)展的。這種方法是讓系統(tǒng)處于閉環(huán)形狀下進(jìn)展的。性能目的：要求為保證階躍呼應(yīng)的最大峰值與第二峰值的性能目的：要求為保證階躍呼應(yīng)的最大峰值與第二峰值的比為比為4:1 衰減比為衰減比為4:1 。適用范圍：閉環(huán)系統(tǒng)能夠出現(xiàn)等幅振蕩。適用范圍：閉環(huán)系統(tǒng)能夠出現(xiàn)等幅振蕩。 步驟 第一步：令 ，將控制器設(shè)置為比例控制。將Kp從0增大，初次出現(xiàn)等幅振蕩時(shí)，記下此時(shí)的增益為Kps和振蕩周期Ts。,0idTT 第二步：基于臨界增益的齊格勒尼柯爾斯調(diào)整法那么第二步：基于臨界增益的齊格勒尼柯爾斯調(diào)整法那么 ，確定確定PID參數(shù)。參數(shù)?？刂破黝愋涂刂破黝愋蚄pTiTdPPIPID000.5

16、 Kps0.45 Kps0.6 Kps0.83 Ts0.5 Ts0.125TsPID控制器有一個(gè)位于原點(diǎn)的極點(diǎn)和兩個(gè)左半平面的零點(diǎn)控制器有一個(gè)位于原點(diǎn)的極點(diǎn)和兩個(gè)左半平面的零點(diǎn)11PIDpdiGKT sTs24()10.6(10.125)0.0750.5spsspssssTKT sK TT ss基于臨界增益的齊格勒尼柯爾斯調(diào)整法那么基于臨界增益的齊格勒尼柯爾斯調(diào)整法那么例：例：Kps =1Kps =10Kps =29Kps=30Ts=2.8采用采用PID控制，查表有控制，查表有Kp18，Ti1.405, Td0.3512)5)(1()(sssKsG p62， p15滿足滿足4:1，但超調(diào)量太大，需求調(diào)整。但超調(diào)量太大，需求調(diào)整。增大微分作用減小積分作用，增大微分作用減小積分作用，可以減小超調(diào)?？梢詼p小超調(diào)。細(xì)調(diào)整是有規(guī)律