位置隨動系統(tǒng)

1、位置隨動系統(tǒng)第 4 章內(nèi)容提要內(nèi)容提要n位置隨動系統(tǒng)的構(gòu)成原理位置隨動系統(tǒng)的構(gòu)成原理n位置檢測方法位置檢測方法n位置隨動系統(tǒng)的分析和設(shè)計位置隨動系統(tǒng)的分析和設(shè)計q 引引 言言 在生產(chǎn)、生活中，控制電動機的在生產(chǎn)、生活中，控制電動機的旋轉(zhuǎn)角位移旋轉(zhuǎn)角位移或或直線位移直線位移與控制電動機與控制電動機的轉(zhuǎn)速具有同樣重要的意義。的轉(zhuǎn)速具有同樣重要的意義。4.1 位置隨動系統(tǒng)概述位置隨動系統(tǒng)概述4.1.1 4.1.1 位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用4.1.2 4.1.2 位置隨動系統(tǒng)的主要組成部件及位置隨動系統(tǒng)的主要組成部件及 其工作原理其工作原理4.1.3 4.1.3 位置隨動系統(tǒng)的特征位置隨動

2、系統(tǒng)的特征4.1.4 4.1.4 位置隨動系統(tǒng)的分類位置隨動系統(tǒng)的分類n 概述概述 位置隨動系統(tǒng)又稱伺服位置隨動系統(tǒng)又稱伺服(Servo)(Servo)系統(tǒng)，系統(tǒng)，主要解決對象的位置控制問題，根本任務(wù)就主要解決對象的位置控制問題，根本任務(wù)就是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對位置指令的準確跟蹤。因是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對位置指令的準確跟蹤。因此，此，位置隨動系統(tǒng)必定是一個具有位置反饋位置隨動系統(tǒng)必定是一個具有位置反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 位置隨動系統(tǒng)是狹義的隨動系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)是狹義的隨動系統(tǒng)?；鹋诜轿坏淖詣痈?；火炮方位的自動跟蹤；宇航設(shè)備的自動駕駛；宇航設(shè)備的自動駕駛；計算機磁盤驅(qū)動器的磁頭定位控制；計算

3、機磁盤驅(qū)動器的磁頭定位控制；電動閥門、擋板的開關(guān)；電動閥門、擋板的開關(guān)；電動行程機構(gòu)的移動。電動行程機構(gòu)的移動。4.1.1 位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用位置隨動系統(tǒng)的應(yīng)用4.1.2 位置隨動系統(tǒng)的組成及原理位置隨動系統(tǒng)的組成及原理圖4.1 電位器式位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖+-M+-nR1R1LIdR2Ud+-R0mA1SM+-可逆可逆功率功率放大器放大器R0A2U*Us負載負載*mUctU減速器減速器位置檢測器電壓比較放大器功率放大器執(zhí)行機構(gòu) 輸出位置快速準確跟蹤給定位置；輸出位置快速準確跟蹤給定位置； 必須具備一定精度的位置傳感器；必須具備一定精度的位置傳感器； 電壓、功率放大器、拖動系統(tǒng)必須可逆；電壓、功

4、率放大器、拖動系統(tǒng)必須可逆； 控制系統(tǒng)滿足精度和性能的要求?？刂葡到y(tǒng)滿足精度和性能的要求。 位置隨動系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)強調(diào)跟隨能力強調(diào)跟隨能力 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)強調(diào)抗干擾能力強調(diào)抗干擾能力4.1.3 位置隨動系統(tǒng)的特征位置隨動系統(tǒng)的特征 按輸出功率：超小按輸出功率：超小小小中中大大超大超大； 按位置性質(zhì)：轉(zhuǎn)角、位移；按位置性質(zhì)：轉(zhuǎn)角、位移； 按伺服電壓：直流、交流；按伺服電壓：直流、交流； 按控制系統(tǒng)組成方式：模擬、數(shù)字。按控制系統(tǒng)組成方式：模擬、數(shù)字。4.1.4 位置隨動系統(tǒng)的分類位置隨動系統(tǒng)的分類4.2 位置隨動系統(tǒng)中的位置檢測裝置位置隨動系統(tǒng)中的位置檢測裝置1. 1. 電位器電位器：價格便

5、宜、使用方便、有滑動觸點、：價格便宜、使用方便、有滑動觸點、容易磨損、可靠性差；容易磨損、可靠性差；2. 2. 基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器：自整角機、：自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器。可靠性好、精度高；旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器?？煽啃院?、精度高；3. 3. 光電編碼器光電編碼器： 光電編碼器光電編碼器= =光源光源+ +光柵碼盤光柵碼盤+ +光敏元件光敏元件4.3 采用自整角機的位置隨動系統(tǒng)采用自整角機的位置隨動系統(tǒng)MnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正裝置裝置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角機自整角機BSTBSR負載負載

6、減速器減速器m*m圖4.12 自整角機位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整流并反映整流并反映信號極性信號極性n 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（1 1）自整角機）自整角機bsbsmmbsmm( )sin( )( )UsUWss一般，當 時，m10mmsin bsbsbsbsmm( )( )( )UsWsKUsMnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正裝置裝置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角機自整角機BSTBSR負載負載減速器減速器m*m圖4.12 自整角機位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整流并反映整流并反映信號極性信號極性n 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（2 2）相敏整流（放大）器）相敏

7、整流（放大）器phphURPbsph( )( )( )1UsKWsUsT s 把幅值為把幅值為Ubs的交流電壓轉(zhuǎn)換為一個直的交流電壓轉(zhuǎn)換為一個直流電壓，同時增加濾波電路限制電壓脈動。流電壓，同時增加濾波電路限制電壓脈動。MnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正裝置裝置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角機自整角機BSTBSR負載負載減速器減速器m*m圖4.12 自整角機位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖n 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（3 3）可逆功率放大器）可逆功率放大器 晶閘管或脈寬調(diào)制放大器都可以由滯后晶閘管或脈寬調(diào)制放大器都可以由滯后環(huán)節(jié)近似成慣性環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)近似成慣

8、性環(huán)節(jié)。1)()()(APAPphdAPTKsUsUsWMnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校正校正裝置裝置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角機自整角機BSTBSR負載負載減速器減速器m*m圖4.12 自整角機位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖n 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（4 4）執(zhí)行電動機）執(zhí)行電動機eMD2dmm1/( )( )( )+1lCn sWsUsT TsT s 當采用直流伺服電動機時，傳遞函數(shù)是當采用直流伺服電動機時，傳遞函數(shù)是一個二階環(huán)節(jié)一個二階環(huán)節(jié)4.3 采用自整角機的位置隨動系統(tǒng)采用自整角機的位置隨動系統(tǒng)MnLIdUdSM可逆可逆功率功率放大器放大器校

9、正校正裝置裝置相敏相敏放大器放大器URPUctUphUbsUfBS自整角機自整角機BSTBSR負載負載減速器減速器m*m圖4.12 自整角機位置隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖整流并反映整流并反映信號極性信號極性n 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（5 5）減速器）減速器gmg6( )KW sniss 減速器的輸入量為電機轉(zhuǎn)速減速器的輸入量為電機轉(zhuǎn)速n，輸出量，輸出量為機械轉(zhuǎn)角為機械轉(zhuǎn)角m(o)，若時間，若時間 t 以以s為單位，則為單位，則m3606dd60ntn tii經(jīng)經(jīng)Laplace變換變換i：減速器速比：減速器速比n 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖圖4.16 自整角機位置隨動系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖自整角機位置隨

10、動系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 *m(s)UctUdm(s)+-KbsWAPR(s)KAP TAPs+1TmTl s+Tms+1s1/CeKgnm(s)Kph Tphs+1UphUbsm自整自整角機角機相敏相敏整流整流功率功率放大放大直流直流電機電機減速減速裝置裝置位置位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器關(guān)鍵：關(guān)鍵：誤差分析。誤差分析。4.3.2 位置隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析位置隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析例如：高射炮的瞄準精度例如：高射炮的瞄準精度22密位密位 跟蹤衛(wèi)星的雷達天線隨動精度跟蹤衛(wèi)星的雷達天線隨動精度 1 1 射電望遠鏡天線隨動精度射電望遠鏡天線隨動精度 1 1誤差誤差檢測誤差：檢測誤差：由檢測元件引起，取決于元件由檢測元件引

11、起，取決于元件 本身的精度。本身的精度。原理誤差：原理誤差：由隨動系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、特征參由隨動系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、特征參 數(shù)和給定輸入信號的形式?jīng)Q定。數(shù)和給定輸入信號的形式?jīng)Q定。擾動誤差：擾動誤差：由各種擾動信號引起的系統(tǒng)誤由各種擾動信號引起的系統(tǒng)誤 差。差。n 誤差的分類誤差的分類1. 檢測誤差檢測誤差 位置檢測裝置都有一定的精度等級位置檢測裝置都有一定的精度等級系統(tǒng)的精度不可能高于各檢測元件的精度；系統(tǒng)的精度不可能高于各檢測元件的精度；檢測誤差通常是穩(wěn)態(tài)誤差的主要部分；檢測誤差通常是穩(wěn)態(tài)誤差的主要部分；反饋控制對反饋檢測裝置的誤差無能為力。反饋控制對反饋檢測裝置的誤差無能為力。 高精度的位置隨動系

12、統(tǒng)首先應(yīng)選擇高精度的高精度的位置隨動系統(tǒng)首先應(yīng)選擇高精度的檢測元件。檢測元件。n 各種檢測元件的誤差范圍各種檢測元件的誤差范圍檢測元件檢測元件 電位器 自整角機旋轉(zhuǎn)變壓器感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式直線式誤差范圍 幾度(o)1度(o)幾角分()幾角秒(”)幾微米(m)2. 原理誤差原理誤差*m(s)UctUdm(s)+-KbsWAPR(s)KAP TAPs+1TmTl s+Tms+1s1/CeKgnm(s)Kph Tphs+1UphUbsmbsphAPgeAPR2phAPmm(/)( )( )(1)(1)(+1)lK KKKC WsW ss T sTsT T sT s（1 1）位置隨動系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)）位置

13、隨動系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)通過選擇通過選擇 可以使系統(tǒng)成為可以使系統(tǒng)成為I I型或型或II II型系統(tǒng)：型系統(tǒng)：( )( )( )KN sW ssD sAPR( )Ws2( )( )( )KN sW ss D s或或2. 原理誤差原理誤差*m(s)（2 2）位置隨動系統(tǒng)的典型輸入信號）位置隨動系統(tǒng)的典型輸入信號t0*m(s)t0*m(s)t0階躍輸入階躍輸入速度輸入速度輸入加速度輸入加速度輸入*m*m( ) ss*m2( )Ass*m3( )Bss2. 原理誤差原理誤差（3 3）穩(wěn)態(tài)誤差）穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號輸入信號單位階躍輸入單位階躍輸入 單位斜坡輸入單位斜坡輸入單位加速度輸入單位加速度輸入I型系統(tǒng)型系

14、統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差01 / K II型系統(tǒng)型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差00 1 / K*m( )1( )tt*m( ) tt*2m1( )2tt3. 擾動誤差擾動誤差*m(s)+-m(s)相敏相敏整流整流功率功率放大放大直流直流電機電機減速減速裝置裝置位置位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器第一類：負載擾動第一類：負載擾動第二類：參數(shù)變化第二類：參數(shù)變化第三類：噪聲干擾第三類：噪聲干擾可由反饋回路克服可由反饋回路克服電源變化電源變化零漂零漂電網(wǎng)波動電網(wǎng)波動負載擾動負載擾動干摩擦干摩擦噪聲噪聲3. 擾動誤差擾動誤差*m(s)+-m(s)W2(s)W1(s)F(s)Es(s)*122mm1212( )( )( )( )(

15、)( )1( )( )1( )( )WsWsWsssF sWsWsWsWs-+*smm( )( )( )Esss且令且令12( )( )( )W sWsWs整理后，得到整理后，得到*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s擾動誤差擾動誤差n 誤差分析誤差分析針對針對 I 型系統(tǒng)型系統(tǒng)*m(s)+-m(s)W2(s)W1(s)F(s)Es(s)-+當系統(tǒng)為當系統(tǒng)為 I I 型系統(tǒng)時，可以認為：型系統(tǒng)時，可以認為：1111( )( )( )K NsWsDs2222( )( )( )K NsWssDsn 誤差分析誤差分析針對針對 I 型系統(tǒng)型系統(tǒng)如果給定輸入和擾動

16、輸入均為如果給定輸入和擾動輸入均為階躍輸入階躍輸入，則可以推出，則可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s01FK如果給定輸入和擾動輸入均為如果給定輸入和擾動輸入均為速度輸入速度輸入，則可以推出，則可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s*m12KKn 誤差分析誤差分析針對針對 II 型系統(tǒng)型系統(tǒng)*m(s)+-m(s)W2(s)W1(s)F(s)Es(s)-+當系統(tǒng)為當系統(tǒng)為 II II 型系統(tǒng)時，可以認為：型系統(tǒng)時，可以認為：1111( )( )( )K NsWssDs2222( )( )( )K N

17、sWssDsn 誤差分析誤差分析針對針對 II 型系統(tǒng)型系統(tǒng)如果給定輸入和擾動輸入均為如果給定輸入和擾動輸入均為階躍輸入階躍輸入，則可以推出，則可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s0如果給定輸入和擾動輸入均為如果給定輸入和擾動輸入均為速度輸入速度輸入，則可以推出，則可以推出*2sm( )1( )( )( )1( )1( )WsEssF sW sW s01FK0n 誤差分析誤差分析結(jié)論結(jié)論 就穩(wěn)態(tài)精度而言，將位置隨動系統(tǒng)就穩(wěn)態(tài)精度而言，將位置隨動系統(tǒng)設(shè)計為設(shè)計為 II II 型系統(tǒng)比較理想。型系統(tǒng)比較理想。n 誤差分析誤差分析舉例舉例穩(wěn)態(tài)精度穩(wěn)態(tài)

18、精度 動態(tài)穩(wěn)定動態(tài)穩(wěn)定 快速跟蹤快速跟蹤4.3.3 位置隨動系統(tǒng)的動態(tài)校正位置隨動系統(tǒng)的動態(tài)校正位置隨動系統(tǒng)的設(shè)計要求：位置隨動系統(tǒng)的設(shè)計要求：三者缺一不可！三者缺一不可！1. 位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)m(s)UPE-+MnLIdUdSMUct(s)ACRU*i(s)ASR*m(s)+-Ui(s)U*n(s)U* (s)APR+BQDSP-位置調(diào)節(jié)器位置調(diào)節(jié)器數(shù)字轉(zhuǎn)速數(shù)字轉(zhuǎn)速信號形成信號形成光電位置光電位置傳感器傳感器 ACR ACR ASR ASR APR APR設(shè)計過程：從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設(shè)計各環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計過程：從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，逐個設(shè)計各環(huán)調(diào)節(jié)器優(yōu)點：優(yōu)點：1

19、. 位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng) 保證各環(huán)穩(wěn)定保證各環(huán)穩(wěn)定整個系統(tǒng)穩(wěn)定；整個系統(tǒng)穩(wěn)定； 各環(huán)分工明確，易于調(diào)整。各環(huán)分工明確，易于調(diào)整。缺點：外環(huán)控制作用響應(yīng)慢。缺點：外環(huán)控制作用響應(yīng)慢。1. 位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng) 在隨動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，把內(nèi)環(huán)等效為在隨動控制系統(tǒng)的設(shè)計中，把內(nèi)環(huán)等效為一個環(huán)節(jié)的前提是外環(huán)截止頻率一個環(huán)節(jié)的前提是外環(huán)截止頻率內(nèi)環(huán)。內(nèi)環(huán)。 電流環(huán)電流環(huán)ci=(100150)HZ； 轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)cn=(2030)HZ，不超過不超過50HZ； 位置環(huán)位置環(huán)c=10HZ左右左右。2. 位置隨動系統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)的串聯(lián)校正

20、串聯(lián)校正 串聯(lián)校正串聯(lián)校正就是調(diào)節(jié)器校正，即通過在系就是調(diào)節(jié)器校正，即通過在系統(tǒng)的前向通道中串聯(lián)適當?shù)恼{(diào)節(jié)器，滿足系統(tǒng)的前向通道中串聯(lián)適當?shù)恼{(diào)節(jié)器，滿足系統(tǒng)的各項性能指標要求。統(tǒng)的各項性能指標要求。+-*m(s)m(s)Wobj(s)WAPR(s)2. 位置隨動系統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)的串聯(lián)校正串聯(lián)校正+-*m(s)m(s)Wobj(s)WAPR(s)objobj2phAPmm( )(1)(1)(+1)lKWss T sTsT T sT s已知：已知：由于由于TLTm，因此上式可以簡化為，因此上式可以簡化為objobjm( )(1)(1)KWss T sT s式中：式中：phAPlTTTT2. 位置

21、隨動系統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)的串聯(lián)校正串聯(lián)校正取位置調(diào)節(jié)器為取位置調(diào)節(jié)器為PIDPID形式：形式：通過選取調(diào)節(jié)器參數(shù)，可將系統(tǒng)校正成典型通過選取調(diào)節(jié)器參數(shù)，可將系統(tǒng)校正成典型 II II 型型系統(tǒng)，設(shè)計過程可參考前面的工程設(shè)計方法進行。系統(tǒng)，設(shè)計過程可參考前面的工程設(shè)計方法進行。12APRPID03(1)(1)( )( )(1)ssWsWss T s具體設(shè)計過程參考具體設(shè)計過程參考P P335335 例例4.24.23. 位置隨動系統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)的并聯(lián)校正并聯(lián)校正 串聯(lián)校正串聯(lián)校正能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度且結(jié)構(gòu)能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度且結(jié)構(gòu)簡單。但是串聯(lián)校正不能很好地抑制摩擦、簡單。但是串聯(lián)校正不能很好地

22、抑制摩擦、間隙等非線性因素，而且系統(tǒng)中的各種擾動間隙等非線性因素，而且系統(tǒng)中的各種擾動只能通過位置環(huán)進行消除。因此，只能通過位置環(huán)進行消除。因此，單位置環(huán)單位置環(huán)結(jié)構(gòu)的隨動系統(tǒng)比較適合于負載較輕，擾動結(jié)構(gòu)的隨動系統(tǒng)比較適合于負載較輕，擾動不大，非線性因素不太突出的情況不大，非線性因素不太突出的情況。3. 位置隨動系統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)的并聯(lián)校正并聯(lián)校正并聯(lián)校正的基本思想：并聯(lián)校正的基本思想： 在被調(diào)量負反饋之內(nèi)，再加上被調(diào)量的在被調(diào)量負反饋之內(nèi)，再加上被調(diào)量的微分反饋。這樣當被調(diào)量還沒有變化但已有微分反饋。這樣當被調(diào)量還沒有變化但已有變化趨勢的時候，其微分就已經(jīng)起著負反饋變化趨勢的時候，其微分就已

23、經(jīng)起著負反饋作用了，因而有助于抑制振蕩，減小超調(diào)。作用了，因而有助于抑制振蕩，減小超調(diào)。3. 位置隨動系統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)的并聯(lián)校正并聯(lián)校正+-KAP TAPs+1(Tms+1)(Tl s+1)s1/CeKgm(s)K1 Tphs+1+- Tons+1*m(s)自整角機自整角機相敏放大相敏放大功率放大功率放大直流電機直流電機減速裝置減速裝置轉(zhuǎn)速反饋轉(zhuǎn)速反饋圖4.28 位置隨動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速負反饋并聯(lián)校正 位置的微分是轉(zhuǎn)速，因此，采用轉(zhuǎn)速負反饋位置的微分是轉(zhuǎn)速，因此，采用轉(zhuǎn)速負反饋可以很方便地組成位置隨動系統(tǒng)的并聯(lián)校正?？梢院芊奖愕亟M成位置隨動系統(tǒng)的并聯(lián)校正。n(s)4. 位置隨動系統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)的復(fù)合控制復(fù)合控制 為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時又不影為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時又不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引入一種有效的控制手段：響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引入一種有效的控制手段：前饋控制。前饋控制。前饋控制前饋控制+反饋控制反饋控