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1、电力拖动自动控制系统 运动控制系统,*第9章,伺服系统,第3篇,伺服系统,伺服（Servo）意味着“伺候”和“服从”。 广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。,伺服系统,狹义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。,内 容 提 要,伺服系统的特征及组成 伺服系统控制对象的数学模型 伺服系统的设计,9.1伺服系统的特征及组成,伺服系统的功能是使输出快速而准确地复现给定，对伺服系统具有如下的基本要求： (1) 稳定性好 伺服系统在给
2、定输入和外界干扰下，能在短暂的过渡过程后，达到新的平衡状态，或者恢复到原先的平衡状态。,9.1.1伺服系统的基本要求及特征,(2) 精度高 伺服系统的精度是指输出量跟随给定值的精确程度，如精密加工的数控机床，要求很高的定位精度。 (3) 动态响应快 动态响应是伺服系统重要的动态性能指标，要求系统对给定的跟随速度足够快、超调小，甚至要求无超调。,9.1.1伺服系统的基本要求及特征,(4) 抗扰动能力强 在各种扰动作用时，系统输出动态变化小，恢复时间快，振荡次数少，甚至要求无振荡。,伺服系统的特征,必须具备高精度的传感器，能准确地给出输出量的电信号。 功率放大器以及控制系统都必须是可逆的。 足够大
3、的调速范围及足够强的低速带载性能。 快速的响应能力和较强的抗干扰能力。,9.1.2伺服系统的组成,伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。 除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。,9.1.2伺服系统的组成,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,9.1.2伺服系统的组成,伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。,图9-2 绝对值式编码器的码盘 a) 二进制码盘 b)循环码码盘,9.1.3 伺服系统的性能指标,图9-3 线性位置伺服系统一般动态结构图,9.1.3 伺服系统的性能指标,伺服系统实际位置
4、与目标值之间的误差，称作系统的稳态跟踪误差。 由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为三类：位置误差、速度误差和加速度误差。 伺服系统在动态调节过程中性能指标称为动态性能指标，如超调量、跟随速度及时间、调节时间、振荡次数、抗扰动能力等。,9.1.3 伺服系统的性能指标,图9-4 位置伺服系统的典型输入信号 a）位置阶跃输入 b）速度输入 c）加速度输入,9.1.3 伺服系统的性能指标,伺服系统在三种单位输入信号的作用下给定稳态误差,9.2 伺服系统控制对象的数学模型,根据伺服电动机的种类，伺服系统可分为直流和交流两大类。 伺服系统控制对象包括伺服电动机、驱动装置和机械传动机构。,9.2.1 直
5、流伺服系统控制对象的数学模型,直流伺服系统的执行元件为直流伺服电动机，中、小功率的伺服系统采用直流永磁伺服电动机，当功率较大时，也可采用电励磁的直流伺服电动机。 直流无刷电动机与直流电动机有相同的控制特性，也可归入直流伺服系统。,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,直流伺服电动机的状态方程 机械传动机构的状态方程,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,驱动装置的近似等效传递函数 状态方程,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,控制对象的数学模型,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,图9-5直流伺服系统控制对象结构图,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,采用电
6、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数学模型为,9.2.1 直流伺服系统控制对象的数学模型,图9-6 带有电流闭环控制的对象结构图,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,用交流伺服电动机作为伺服系统的执行电动机，称作交流伺服系统。 常用的交流伺服电动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，也可用电励磁的同步伺服电动机。 无论是异步电动机，还是同步电动机，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。,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,异步电动机按转子磁链定向的数学模型为,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,
7、采用电流闭环控制后，对象的数学模型为,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,CT为包含磁链作用在内的转矩系数，电流转矩分量相当于直流电动机的电枢电流，电流闭环控制的交流伺服电动机结构图与直流电动机相仿。 对于同步伺服电动机也可得到相同结论，不重复论述。,9.2.2交流伺服系统控制对象的数学模型,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制对象数学模型。 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。 用相同的方法设计交流或直流伺服系统。,9.3伺服系统的设计,伺服系统的结构因系统的具体要求而异，对于闭环伺服控制系统，常用串联校正或并联校正方式进行动态性能的调整。,
8、9.3伺服系统的设计,校正装置串联配置在前向通道的校正方式称为串联校正，一般把串联校正单元称作调节器，所以又称为调节器校正。 若校正装置与前向通道并行，则称为并联校正；信号流向与前向通道相同时，称作前馈校正；信号流向与前向通道相反时，则称作反馈校正。,9.3.1调节器校正及其传递函数,常用的调节器有比例微分（PD）调节器、比例积分（PI）调节器以及比例积分微分（PID）调节器，设计中可根据实际伺服系统的特征进行选择。,PD调节器校正,在系统的前向通道上串联PD调节器校正装置，可以使相位超前，以抵消惯性环节和积分环节使相位滞后而产生的不良后果。 PD调节器的传递函数为,PI调节器校正,如果系统的
9、稳态性能满足要求，并有一定的稳定裕量，而稳态误差较大，则可以用PI调节器进行校正。 PI调节器的传递函数为,PID调节器校正,将PD串联校正和PI串联校正联合使用，构成PID调节器。 如果合理设计则可以综合改善伺服系统的动态和静态特性。 PID串联校正装置的传递函数为,9.3.2单环位置伺服系统,对于直流伺服电动机可以采用单位置环控制方式，直接设计位置调节器APR。 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，或者选择允许过载倍数比较高的伺服电动机。,9.3.2单环位置伺服系统,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,9.
10、3.2单环位置伺服系统,忽略负载转矩，直流伺服系统控制对象传递函数为 机电时间常数,9.3.2单环位置伺服系统,图9-8 直流伺服系统控制对象结构图,采用PD调节器，其传递函数为,9.3.2单环位置伺服系统,伺服系统开环传递函数 系统开环放大系数,9.3.2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,9.3.2单环位置伺服系统,用系统的开环零点消去惯性时间常数最大的开环极点，以加快系统的响应过程。 系统的开环传递函数,9.3.2单环位置伺服系统,伺服系统的闭环传递函数 闭环传递函数的特征方程式,9.3.2单环位置伺服系统,用Routh稳定判据，为保证系统稳定，须使,图9-10
11、单位置环伺服系统开环传递函数对数幅频特性,9.3.3双环伺服系统,在电流闭环控制的基础上，设计位置调节器，构成位置伺服系统，位置调节器的输出限幅是电流的最大值。 以直流伺服系统为例，对于交流伺服系统也适用，只须对伺服电动机和驱动装置应作相应的改动。,9.3.3双环伺服系统,图9-11 双环位置伺服系统,9.3.3双环伺服系统,忽略负载转矩时，带有电流闭环控制对象的传递函数为 为了消除负载扰动引起的静差，APR选用PI调节器，其传递函数,9.3.3双环伺服系统,图9-12 双环位置伺服系统结构图,9.3.3双环伺服系统,系统的开环传递函数为 系统的开环放大系数,9.3.3双环伺服系统,伺服系统的
12、闭环传递函数为 特征方程式,9.3.3双环伺服系统,伺服系统的闭环传递函数为 特征方程式 特征方程式未出现s的二次项，由Routh稳定判据可知，系统不稳定。,9.3.3双环伺服系统,将APR改用PID调节器，其传递函数 伺服系统的开环传递函数,9.3.3双环伺服系统,闭环传递函数 系统特征方程式,9.3.3双环伺服系统,由Routh稳定判据求得系统稳定的条件,9.3.3双环伺服系统,图9-13 采用PID控制的双环控制伺服系统开环传递函数对数幅频特性,9.3.3双环伺服系统,若APR仍采用PI调节器，可在位置反馈的基础上，再加上微分负反馈，即转速负反馈。,图9-14 带有微分负反馈的伺服系统,
13、9.3.3双环伺服系统,图9-15 带有微分负反馈的伺服系统结构图,9.3.4三环伺服系统,在调速系统的基础上，再设一个位置环，形成三环控制的位置伺服系统。,图9-16 三环位置伺服系统 APR位置调节器 ASR转速调节器 ACR电流调节器 BQ光电位置传感器 DSP数字转速信号形成环节,9.3.4三环伺服系统,直流转速闭环控制系统按典型II型系统设计，开环传递函数 矢量控制系统开环传递函数,两者结构相同。,9.3.4三环伺服系统,图9-17 直流转速环结构图,图9-18 矢量控制系统结构示意图,9.3.4三环伺服系统,图9-19 位置环的控制对象结构图,图9-20 位置闭环控制结构图,9.3
14、.4三环伺服系统,位置环控制对象的传递函数 开环传递函数,9.3.4三环伺服系统,APR选用P调节器就可实现稳态无静差，则系统的开环传递函数 开环放大系数,9.3.4三环伺服系统,伺服系统的闭环传递函数 特征方程式,9.3.4三环伺服系统,用Routh稳定判据，可求得系统的稳定条件,9.3.5复合控制的伺服系统,从给定信号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,图9-21 复合控制位置伺服系统的结构原理图,9.3.5复合控制的伺服系统,前馈控制器的传递函数选为 得到,9.3.5复合控制的伺服系统,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为零。 系统对给定输入实现了“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，但同时会引入高频干扰信号，严重时将破坏系统的稳定性，这时不得不再加上滤波环节。,
