数字交流伺服系统

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1、数字交流伺服系统数字交流伺服系统实验一、实验目的通过实验深入理解伺服系统的系统结构及工作原理，掌握伺服系统的控制器设计与系 统调试方法。二、实验内容及结果1. 对系统进行理论分析图1伺服系统（servo system）亦称随动系统，屈于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对 象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具 有负反馈的闭环控制系统，有的场合也口J以用开环控制來实现英功能。使用在伺服系统中的 驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服 电机。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有吋简称为伺服,一般其内部包

2、括转矩龟 流）、速度和位置闭环。内环是速度控制，外环是位置控制其工作原理简单的说就是在开 环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动 器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使 电机的输出対设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系 统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。2. 系统仿真结构图仿真系统结构图如图2所示，其中包含电流、转速、位置三闭环，并存在饱和、齿隙非 线性环节，本实验采用PID控制器进行控制，以改善系统性能其中，PID部分是用S函数 编写的M文件。如下所示：Soope2图2仿真系

3、统结构图S-函数如下：functi()nsys, xO, str, tsjpidcontrol 1 er (t, x, u, flag, Kp, Ti, Td, T)global umax uk 1 ek 1 ek 2switch flag,case 0,%初始化部分sizes二simsizes;%读入初始化参数模版sizes. NumContStates 二 0;%无连续状态 sizes. NumDiscStates = 0;%无连续状态sizes.XumOutputs=1； %个输出状态%个输入状态滋输入能ri接控制输出%单个采样周期sizes .Nunilnputs= 1sizes Di

4、rFecdthrough = 1sizesNumSdmplcTimcs 二 1sys二siinsizes(sizes);%根据上而的设置设定系统的初始化参数 str = ;%保留参数x0二;%尢状态变量 ts=T 0;%采样周期umax=2048;uk 1=0 ;ek 1=0 ;ek 2=0;%控制器参数初始化 case 3,%求取系统的输出信号ek二u;%获取误差uk二uk_l+Kp*(ek-ek_l)+T/Ti*ek+Td/T*(ek-2*ck_l+ek_2) ;%增量式 PID 控制 算法if ukumax uk=umtix;end if uk-umax uk=-umax;end uk_

5、l=uk;ek_2=ek_l;ek_l=ek; sys二uk;case 1, 2, 4, 9,sys=;otherwiseerror(，Unhandled flag=，, num2str(flag);end3. 伺服系统仿真实验(1) 给出所用的控制器结构与参数所选用的控制器为数字增嵐式PID控制器，所用的控制算法为：Au(k) = u(k)-u伙一 1) = Kpe(k) -e(k -1) + T/Ti*e(k) + Td/T(e(k) -2*e(k -1) + e(k + 2 )增量式PID控制算法的优点：1) 增量型算法不需要做累加，増量的确定仅与瑕近几次偏差采样值有关，计算精度对控制

6、量的影响较小。2) 得出的是控制最的增量，误动作影响小，不会严重影响系统工作。3) 增量型算法不对偏差做累加，因而不会引起积分饱和。4) 采用增最型算法，易于实现手动到白动的无冲击切换。通过整定，所得参数为：Kp 二1.233, Ti 二 0.1633, Td 二0.0467,T=0.0048(2) 仿真曲线及所収得的性能指标1) 阶跃信号输入：指标要求：3000mil调节时间0.5s,静差0.5mil, o %3mil,振荡11.5次；310002468101214161820Twe offset: 0图3系统输出ll|线图4系统误差曲线由曲线可以看出:超调量o %=0.2mil,调节时间t

7、s二0.6s,稳态误差e为0.3miL2) 斜坡信号输入：低速:20mil/s指标要求：误差2mil,无爬行现彖；图5系统输出曲线图6系统误差曲线山曲线可以看出：误差2mil,尢爬行现象。高速:1500mil/s指标要求：误差2mil；ime offset: 0fitne offset: 0图7系统输出曲线图8系统误差曲线山曲线可以看出：0.5s之后系统的误差小于2mil,1S最后系统的误差几乎为零。3）止弦信号输入:指标要求：周期6.28s,幅值lOOOmil最大误差土加订，山齿隙引起的跳变lmilo02468101214161820lime offset: 0024681012141618

8、20Ttre offset 0图9系统输出曲线图10系统误差曲线由曲线可以看出:系统误差在-5mil和+5mil之间,并且由齿隙引起的跳变大约为l5m订。4. 实际系统实验(1) 控制器结构与参数实际系统采用PID加前馈的控制器结构。参数分别为Kp二1.324, Ki二0.253, Kd=0, Kf=15. 23 o控制器算法如下:Double MySm(INsig, OUTsigError, iTime, h2, kl, k2, k3, k4, k5, k6, k7, k& k9, klO, kll, kl2, kl3, kid, kl5, kl6, kl7, kl8, kl9, k20)d

9、ouble a, b;f loat sum二0. 0, conttol二0. 0;float e0=0. 0, el=0. 0;float Kp, Ki, Kd, kf;eO二Error1000 T;el=Error1000 -2;Kp=kl;Ki=k2;Kd=k3;kf=k4;sum=sum+e0;a=double(INsig63);b=double(INsig62);if (a-b)60000) control二Kp*eO+Ki*suin+Kd*(eO-el)+kf*(d-65535-b);else control=Kp*e0+Ki*sum+Kd*(e0-el)+kf*(a-b);retu

10、rn (control);(2) 实际系统曲线及所取得的性能指标1)阶跃信号输入：幅值为lOOrnil的阶跃信号指标要求：静差0.5mil, o %12mil图13系统输出曲线图14系统误差Illi线山曲线可以看出：系统无超调量，稳态误差0.2miL幅值为2900mil的阶跃信号o %5mil,振荡 1 2.5 次;指标要求:调节时间3.5s,静差0.5mil,2）斜坡信号输入：低速:0.0广0.1 /s斜坡信号图15系统输出曲线图16系统误差曲线由曲线可以看出:调节时间1.8s,稳态误差0. 5mil，超调量1.3mil高速斜坡信号100 /s指标要求：误差2.5miL苗M汪图17系统输出I

11、II线图18系统课差曲线由曲线可以看出:调节时间1.0s,稳态误差2.0ni订，超调量3.5inil3）止弦信号输入:指标要求：周期628s幅值lOOOmil稳态误聾最大值3.5mil；图19系统输出曲线图20系统误差|11|线山曲线可以看出：最大误差4. 8n）il三、结果分析1、调试结果分析说明在仿真实验系统中，对PID参数调节时，利用所学的知识，采用稳定边界法，対参数 进行整定，在参数接近实验要求时，固定某一参数，対另一参数微调使之满足要求。在实际的系统实验中，山于各种干扰因素的影响，系统的性能指标不太稳定，対PID 参数进行调节时，较能达到指定的要求。2、控制器的作用及调试方法所采用的

12、控制器为PID控制，其各个环节的作用：（1）比例（P）调节成比例地反映控制偏差，偏差一旦产生，比例调节立即发挥作用，以 减少偏差；（2）积分（I）调节主要用于消除余差；（3）微分（D）调节反映偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入 个有效的早期修正，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。（4）前馈控制作用，当扰动一出现，调节器即根据扰动的性质和大小进行控制，以补偿 扰动的影响，使被控参数不变或基本保持不变。前馈控制是及时的，理论上可达到 完全补偿。因此，对于时间常数或时延大、扰动大而频繁的过程有显著效果。3、PID控制器参数整定：数字PID调节器参数整定除了对Kp （或者）,

13、 Ti, Td这三个参数 的调整之外，还需要决定控制系统的采样周期T。采用稳定边界法：这是-种闭环的整定方法，它基于纯比例控制系统的临界振荡试验所 得数据（临界比例带和临界振荡周期口），利用一些经验公式，求収调节器的最佳参数 值。具体步骤如下：（1）置调节器积分时间Ti达到最大值（Ti=oo）,微分时间帘数Td为零（Td二0）,比 例带置最大值，是控制系统投入运行。（2）待系统稳定之后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即所谓临界振荡 过程。记下此时的比例带.（临界比例带），并计算两个波峰之间的时间（临 界振荡周期）。（3）利用必和臨的值，按表给出的相应计算公式，求调节器的各个整定参数、

14、Ti和Td的数值。（4）采样周期T的确定。数字系统中采样周期的选择与系统的稳定性密相关。一方 而要满足香农定理，实系统输人及反馈的最大频率难以测定，另-方而采样 周期并没有一个精确的计算公式，只能根据工程应用按经验规则选収，对于 机电控制系统，要求较短采样周期，通常为儿十毫秒。（5）根据榮定的参数对系统进行仿真，根据仿真结果再对参数进行进一步的调幣， 最后达到所耍求的性能指标。表1稳定边界法参数整足公式调节规律8TiTdP2易PI2.2%085 TprPID1.67%0.50 T”0.125 04、实际系统与仿真之间的差别伺服系统比例增益的上限通常是山系统内部的各个部件本身决定的，驱动器本身的采 样速率、滤波器特性、电流环特性菖至是接线产生的噪音，这些都可能成为限制比例增益的 过高调唸同时伺服系统的反馈环节和机械传动部件也可能成为限制系统比例增益的重要因 素。伺服系统的刚度描述了系统抗扭矩干扰的能力，实际系统的刚度比较难于衡量，这是 山于实际系统的干扰往往难于量化，对于一个伺服系统来说，高的刚度能够达到较好的伺服 性能；在仿真时，则不需要考虑这方面的问题。伺服系统的抗