現(xiàn)在伺服系統(tǒng)實驗報告(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字交流伺服系統(tǒng)實驗報告 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 學(xué)院： 數(shù)字交流伺服系統(tǒng)實驗報告一、實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗深入理解伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握伺服系統(tǒng)的位置控制器設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試方法。二、實驗內(nèi)容及結(jié)果1. 對系統(tǒng)進行理論分析伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是用于精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)應(yīng)用要求的進一步提高，使得位置伺服系統(tǒng)不僅要有很高的定位精度，無超調(diào)的定位過程，而且還要保證有盡可能快的動態(tài)響應(yīng)。目前，應(yīng)用于數(shù)控機床的伺服定位系統(tǒng)中，位置指令通常由上位控制器經(jīng)固定的算法提供給伺服系統(tǒng)。由于伺服系統(tǒng)在對指令的響應(yīng)過程中存在加速和減速的過程，為了避免加

2、速過程中的失步，以及減速過程中的位置超調(diào)現(xiàn)象，通常采用一定的速度控制算法。在實際應(yīng)用中位置環(huán)通常設(shè)計成比例控制環(huán)節(jié)，通過調(diào)節(jié)比例增益，可以保證系統(tǒng)對位置響應(yīng)的無超調(diào)，但這樣會降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。另外，為了使伺服系統(tǒng)獲得高的定位精度，通常要求上位控制器對給定位置和實際位置進行誤差的累計，并且要求以一定的控制算法進行補償，因此，單純對位置環(huán)采用比例調(diào)節(jié)不僅不能獲得理想的響應(yīng)速度，而且會增加上位控制器的算法復(fù)雜度。另外一種方法是把位置環(huán)設(shè)計成比例積分環(huán)節(jié)，通過對位置誤差的積分來保證系統(tǒng)的定位精度，這使上位控制器免除了對位置誤差的累計，降低了控制復(fù)雜度。但這和采用比例調(diào)節(jié)的位置控制器一樣，在位置響

3、應(yīng)無超調(diào)的同時，降低了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。為了滿足高性能伺服定位系統(tǒng)的要求，通?？梢圆捎们梆伩刂茖ο到y(tǒng)干擾進行抑止，增強控制系統(tǒng)的魯棒性。伺服電機控制系統(tǒng)采用了PID和前饋的混合控制，對干擾噪聲起到了較好的抑制作用;另外，在輸出要求直接跟蹤輸入信號的應(yīng)用場合中，系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)通常造成跟蹤的延遲，這時也可以采用前饋控制來加快系統(tǒng)的跟蹤速度。對于位置信號前饋，可以分為速度前饋和加速度前饋兩種，采用速度前饋可以通過開環(huán)控制特性來加快伺服系統(tǒng)的速度響應(yīng)，并且當(dāng)加大速度前饋增益時，可以減少位置環(huán)對位置誤差的累積，從而加快位置誤差的補償速度。從理論上分析，當(dāng)前饋速度增益增大時，位置環(huán)的位置誤差累計值就越少

4、，也即積分作用越小。但過大的前饋增益容易引起振蕩和位置超調(diào)，因此速度前饋增益不宜過大，需要多次嘗試選擇合適的值。PID控制器是一種線性控制器，它將給定值與實際輸出值的偏差e(k)的比例、積分和微分進行線性組合，形成控制量u(k)輸出，如圖2所示。圖2 PID控制器結(jié)構(gòu)PID控制器的輸出是由比例控制、積分控制和微分控制三項組成，三項在控制器中所起的控制作用相互獨立。因此，在實際應(yīng)用中，根據(jù)被控對象的特性和控制要求，可以選擇其結(jié)構(gòu)，形成不同形式的控制器，如比例（P）控制器，比例積分（PI）控制器，比例微分（PD）控制器等。(1)比例系數(shù)Kp的作用是：加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。Kp越大

5、，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Kp取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。 (2)積分作用系數(shù)Ki的作用是：消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Ki越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但Ki過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若Ki過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 (3)微分作用系數(shù)Kd的作用是：改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。其作用主要是能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢,并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。本次試驗系統(tǒng)結(jié)

6、構(gòu)除控制模塊以外已經(jīng)給出，系統(tǒng)的理論分析主要通過Matlab中的Simulink實現(xiàn)，在Simulink中搭建如圖1所示的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中傳遞函數(shù)以零極點表示的形式為: 限幅環(huán)節(jié)Saturation取值±10；代表非線性環(huán)節(jié)的齒隙Backlash寬度取值4。下面通過Simulink仿真對系統(tǒng)進行理論分析。首先我們將控制器設(shè)為1，選擇階躍信號作為輸入仿真運行結(jié)果如圖3所示。 圖3 控制器為1時輸出結(jié)果 根據(jù)上圖可知，所給閉環(huán)系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)，因此可以采用PID控制改善輸出。通過上述分析，本實驗采用前饋加PID控制的混合控制模式。一般的PID控制中，當(dāng)有較大的擾

7、動或大幅度改變給定值時，由于此時有較大的偏差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，故在積分項的作用下，往往會產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動，而給定的系統(tǒng)中存在齒隙，會對系統(tǒng)結(jié)果產(chǎn)生較大的超調(diào)，因此設(shè)計中舍去積分項，只采用PD控制。2. 伺服系統(tǒng)實驗仿真設(shè)計的控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示： 圖5 控制器結(jié)構(gòu) 該控制器采用前饋控制加上PID控制的混合控制模式，其中前饋控制采用速度控制。由于前饋控制為開環(huán)控制，可以根據(jù)開環(huán)控制特性加快伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而PID控制模塊中舍去積分控制部分，減小齒隙對系統(tǒng)的影響，減小超調(diào)。仿真參數(shù)結(jié)果如表1：表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)PID參數(shù)前饋增益KfKpKd參數(shù)值 0.009 0.4 0.05

8、1 對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真驗證：（1） 階躍信號輸入：幅值3000 圖6 階躍響應(yīng)輸出曲線 圖7 階躍響應(yīng)誤差曲線 結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)誤差：0.001，調(diào)節(jié)時間小于3s，超調(diào)量近似為0，滿足要求（2） 斜坡信號：速度1000 圖8 斜坡響應(yīng)輸出曲線 圖9 斜坡響應(yīng)誤差曲線 結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)誤差：-0.15，滿足實驗指標(biāo)要求（3） 正弦信號輸入：周期6.28s，幅值1000 圖10 正弦信號輸入響應(yīng)曲線 圖11 正弦信號誤差曲線 結(jié)果分析，根據(jù)正弦信號響應(yīng)誤差曲線可得，穩(wěn)態(tài)最大誤差為1.6，滿足實驗指標(biāo)要求，因齒隙引起的跳變?yōu)?.5，大于實驗指標(biāo)齒隙引起的跳變小于1的要求。（4） 以階躍信號輸入為例

9、，去掉輸出限幅部分 圖13 去點限幅影響后階躍響應(yīng)曲線 圖14無限幅階躍響應(yīng)誤差曲線 結(jié)果分析：去掉限幅部分以后，調(diào)節(jié)時間0.5s，調(diào)節(jié)速度大大提前，同時穩(wěn)態(tài)誤差未發(fā)生大的變化。（5） 以正弦信號為例，去掉非線性齒隙環(huán)節(jié) 圖15 無非線性齒隙環(huán)節(jié)正弦輸出 圖16 無非線性齒隙環(huán)節(jié)正弦響應(yīng)誤差結(jié)果分析：去掉非線性齒隙環(huán)節(jié)后，正弦信號輸出穩(wěn)定后基本不再發(fā)生大的跳變，輸出穩(wěn)定，調(diào)節(jié)時間未發(fā)生明顯變化。三、結(jié)果分析1、根據(jù)實驗結(jié)果分析位置控制器輸出限幅對系統(tǒng)性能的影響； 答：對比圖14和圖7可以發(fā)現(xiàn)，去掉輸出限幅模塊之后，調(diào)節(jié)時間大大減少，而響應(yīng)穩(wěn)定之后則基本沒有變化，由此可見，位置系統(tǒng)的輸出限幅影響

10、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，當(dāng)輸入信號幅值大于限幅環(huán)節(jié)時會延長系統(tǒng)的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)時間。2、根據(jù)實驗結(jié)果分析非線性齒隙環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響； 答：觀察圖11和圖16可以發(fā)現(xiàn)，由于非線性齒隙環(huán)節(jié)存在，正弦信號輸出響應(yīng)穩(wěn)定后誤差會產(chǎn)生規(guī)律性跳變，嚴(yán)重破壞系統(tǒng)的動態(tài)特性。此外非線性齒隙環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)節(jié)更加復(fù)雜，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩不穩(wěn)定，極大地破壞系統(tǒng)動態(tài)特性。本實驗采用前饋PID調(diào)節(jié)模式，而PID控制器是一種線性控制器，非線性模塊的存在破換了輸出的穩(wěn)定性。3、結(jié)合系統(tǒng)模型、實驗過程及結(jié)果，說明位置控制器的特點及調(diào)試方法。答：位置控制系統(tǒng)要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差近乎為零，有盡可能高的動態(tài)響應(yīng)速度，無超調(diào)等。位置控制器應(yīng)用廣泛

11、，方便易上手，參數(shù)調(diào)節(jié)簡便。PID參數(shù)整定使用的是實驗試湊法，輸入一個階躍信號，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使其響應(yīng)滿足控制性能指標(biāo)。首先加入比例信號，調(diào)節(jié)比例參數(shù)使系統(tǒng)穩(wěn)定并且振蕩和超調(diào)不是很嚴(yán)重；本實驗設(shè)計只采用PD控制，因此積分項不需考慮；加入微分信號，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)振蕩改善；此后結(jié)合前幾點各參數(shù)作用反復(fù)調(diào)試，能得到最佳結(jié)果。四、學(xué)習(xí)心得 本次實驗仿真大量時間用于仿真調(diào)試，使自己更加熟練MATLAB工具箱的使用，掌握SIMULINK的使用技巧。作為一名控制專業(yè)的學(xué)生，對于MATLAB的使用掌握是不可或缺的，這為以后的學(xué)習(xí)奠定一定的基礎(chǔ)。本科階段未曾過多接觸過伺服系統(tǒng)方面的內(nèi)容，通過本次實驗，一定程度上

12、了解到伺服系統(tǒng)的組成，控制方法等。本次實驗最大的學(xué)習(xí)是在控制算法方面，由于模糊控制掌握不夠深入，起初曾一直嘗試使用模糊PID進行控制，但控制結(jié)果一直不甚理想，無法達到實驗指標(biāo)要求，經(jīng)過多次調(diào)試仍沒有大的改善，后因隨老師出差等原因?qū)嶒灂r間不足，放棄模糊PID控制而采用前饋PID調(diào)節(jié)。雖然本次實驗未能采用模糊控制算法完成，但前期的嘗試仍然使自己對模糊算法的使用有了極大的提高，尤其是在使用MATLAB仿真方面，這也算是本次實驗的最大收獲。PID控制算法功能同樣很強大，應(yīng)用范圍很廣泛，但對于非線性控制仍有很大難度，本次實驗中齒隙非線性使得系統(tǒng)響應(yīng)穩(wěn)定以后動態(tài)特性仍發(fā)生變化，特別是正弦信號作為輸入時，響應(yīng)誤差在齒隙部分產(chǎn)生突變，本實驗采用前饋PID控制未能有效地減小突變，未達到實驗指標(biāo)要求。由于時間關(guān)系未能做過多研究，比較遺憾。參考文獻1 劉金琨. 先進PID控制Matlab控制仿真 北京：電子工業(yè)出版社，