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1、位置随动系统,运动控制系统,第 4 章,内容提要,位置随动系统的构成原理位置检测方法位置随动系统的分析和设计,引 言,在生产、生活中，控制电动机的旋转角位移或直线位移与控制电动机的转速具有同样重要的意义。,4.1 位置随动系统概述,4.1.1 位置随动系统的应用4.1.2 位置随动系统的主要组成部件及 其工作原理4.1.3 位置随动系统的特征4.1.4 位置随动系统的分类,概述,位置随动系统又称伺服(Servo)系统，主要解决对象的位置控制问题，根本任务就是实现执行机构对位置指令的准确跟踪。因此，位置随动系统必定是一个具有位置反馈的闭环控制系统。位置随动系统是狭义的随动系统。,火炮方位的自动跟
2、踪；宇航设备的自动驾驶；计算机磁盘驱动器的磁头定位控制；电动阀门、挡板的开关；电动行程机构的移动。,4.1.1 位置随动系统的应用,4.1.2 位置随动系统的组成及原理,图4.1 电位器式位置随动系统结构图,+,+,-,M,+,-,n,R1,R1,L,Id,R2,Ud,+,+,-,R0,m,A1,SM,+,-,可逆功率放大器,R0,A2,U*,Us,负载,*m,Uct,U,减速器,位置检测器,电压比较放大器,功率放大器,执行机构,输出位置快速准确跟踪给定位置；必须具备一定精度的位置传感器；电压、功率放大器、拖动系统必须可逆；控制系统满足精度和性能的要求。位置随动系统强调跟随能力 调速系统强调抗
3、干扰能力,4.1.3 位置随动系统的特征,按输出功率：超小小中大超大；按位置性质：转角、位移；按伺服电压：直流、交流；按控制系统组成方式：模拟、数字。,4.1.4 位置随动系统的分类,4.2 位置随动系统中的位置检测装置,1.电位器：价格便宜、使用方便、有滑动触点、容易磨损、可靠性差；2.基于电磁感应原理的位置传感器：自整角机、旋转变压器、感应同步器。可靠性好、精度高；3.光电编码器：光电编码器=光源+光栅码盘+光敏元件,4.3 采用自整角机的位置随动系统,M,n,L,Id,Ud,SM,可逆功率放大器,校正装置,相敏放大器URP,Uct,Uph,Ubs,Uf,BS,自整角机,BST,BSR,负
4、载,减速器,m,*m,图4.12 自整角机位置随动系统结构图,整流并反映信号极性,系统的数学模型,（1）自整角机,一般，当 时，,M,n,L,Id,Ud,SM,可逆功率放大器,校正装置,相敏放大器URP,Uct,Uph,Ubs,Uf,BS,自整角机,BST,BSR,负载,减速器,m,*m,图4.12 自整角机位置随动系统结构图,整流并反映信号极性,系统的数学模型,（2）相敏整流（放大）器,把幅值为Ubs的交流电压转换为一个直流电压，同时增加滤波电路限制电压脉动。,M,n,L,Id,Ud,SM,可逆功率放大器,校正装置,相敏放大器URP,Uct,Uph,Ubs,Uf,BS,自整角机,BST,BS
5、R,负载,减速器,m,*m,图4.12 自整角机位置随动系统结构图,系统的数学模型,（3）可逆功率放大器,晶闸管或脉宽调制放大器都可以由滞后环节近似成惯性环节。,M,n,L,Id,Ud,SM,可逆功率放大器,校正装置,相敏放大器URP,Uct,Uph,Ubs,Uf,BS,自整角机,BST,BSR,负载,减速器,m,*m,图4.12 自整角机位置随动系统结构图,系统的数学模型,（4）执行电动机,当采用直流伺服电动机时，传递函数是一个二阶环节,4.3 采用自整角机的位置随动系统,M,n,L,Id,Ud,SM,可逆功率放大器,校正装置,相敏放大器URP,Uct,Uph,Ubs,Uf,BS,自整角机,
6、BST,BSR,负载,减速器,m,*m,图4.12 自整角机位置随动系统结构图,整流并反映信号极性,系统的数学模型,（5）减速器,减速器的输入量为电机转速n，输出量为机械转角m(o)，若时间 t 以s为单位，则,经Laplace变换,i：减速器速比,系统的数学模型,图4.16 自整角机位置随动系统的动态结构图,*m(s),Uct,Ud,m(s),+,-,Kbs,WAPR(s),KAP,TAPs+1,TmTl s+Tms+1,s,1/Ce,Kg,n,m(s),Kph,Tphs+1,Uph,Ubs,自整角机,相敏整流,功率放大,直流电机,减速装置,位置调节器,关键：误差分析。,4.3.2 位置随动
7、系统的稳态分析,例如：高射炮的瞄准精度2密位 跟踪卫星的雷达天线随动精度 1 射电望远镜天线随动精度 1,注：1密位=0.06，1=60=3600,误差,检测误差：由检测元件引起，取决于元件 本身的精度。,原理误差：由随动系统自身结构、特征参 数和给定输入信号的形式决定。,扰动误差：由各种扰动信号引起的系统误 差。,误差的分类,1.检测误差,位置检测装置都有一定的精度等级系统的精度不可能高于各检测元件的精度；检测误差通常是稳态误差的主要部分；反馈控制对反馈检测装置的误差无能为力。高精度的位置随动系统首先应选择高精度的检测元件。,各种检测元件的误差范围,2.原理误差,*m(s),Uct,Ud,m
8、(s),+,-,Kbs,WAPR(s),KAP,TAPs+1,TmTl s+Tms+1,s,1/Ce,Kg,n,m(s),Kph,Tphs+1,Uph,Ubs,（1）位置随动系统的典型结构,通过选择 可以使系统成为I型或II型系统：,或,2.原理误差,*m(s),（2）位置随动系统的典型输入信号,t,0,*m(s),t,0,*m(s),t,0,阶跃输入,速度输入,加速度输入,2.原理误差,（3）稳态误差,3.扰动误差,*m(s),+,-,m(s),相敏整流,功率放大,直流电机,减速装置,位置调节器,3.扰动误差,*m(s),+,-,m(s),W2(s),W1(s),F(s),Es(s),-,+
9、,且令,整理后，得到,误差分析针对 I 型系统,*m(s),+,-,m(s),W2(s),W1(s),F(s),Es(s),-,+,当系统为 I 型系统时，可以认为：,误差分析针对 I 型系统,如果给定输入和扰动输入均为阶跃输入，则可以推出,如果给定输入和扰动输入均为速度输入，则可以推出,误差分析针对 II 型系统,*m(s),+,-,m(s),W2(s),W1(s),F(s),Es(s),-,+,当系统为 II 型系统时，可以认为：,误差分析针对 II 型系统,如果给定输入和扰动输入均为阶跃输入，则可以推出,如果给定输入和扰动输入均为速度输入，则可以推出,误差分析结论,就稳态精度而言，将位置
10、随动系统设计为 II 型系统比较理想。,误差分析举例,P330 例4.1,稳态精度 动态稳定 快速跟踪,4.3.3 位置随动系统的动态校正,位置随动系统的设计要求：,三者缺一不可！,1.位置、转速、电流三环控制系统,m(s),UPE,-,+,M,n,L,Id,Ud,SM,Uct(s),ACR,U*i(s),ASR,*m(s),+,-,Ui(s),U*n(s),U*(s),APR,+,BQ,DSP,-,位置调节器,数字转速信号形成,光电位置传感器,ACR ASR APR,设计过程：从内环到外环，逐个设计各环调节器,优点：,1.位置、转速、电流三环控制系统,保证各环稳定整个系统稳定；,各环分工明确
11、，易于调整。,缺点：外环控制作用响应慢。,1.位置、转速、电流三环控制系统,在随动控制系统的设计中，把内环等效为一个环节的前提是外环截止频率内环。电流环ci=(100150)HZ；转速环cn=(2030)HZ，不超过50HZ；位置环c=10HZ左右。,2.位置随动系统的串联校正,串联校正就是调节器校正，即通过在系统的前向通道中串联适当的调节器，满足系统的各项性能指标要求。,+,-,*m(s),m(s),Wobj(s),WAPR(s),2.位置随动系统的串联校正,+,-,*m(s),m(s),Wobj(s),WAPR(s),已知：,由于TLTm，因此上式可以简化为,式中：,2.位置随动系统的串联
12、校正,取位置调节器为PID形式：,通过选取调节器参数，可将系统校正成典型 II 型系统，设计过程可参考前面的工程设计方法进行。,具体设计过程参考P335 例4.2,3.位置随动系统的并联校正,串联校正能提高系统的响应速度且结构简单。但是串联校正不能很好地抑制摩擦、间隙等非线性因素，而且系统中的各种扰动只能通过位置环进行消除。因此，单位置环结构的随动系统比较适合于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的情况。,3.位置随动系统的并联校正,并联校正的基本思想：在被调量负反馈之内，再加上被调量的微分反馈。这样当被调量还没有变化但已有变化趋势的时候，其微分就已经起着负反馈作用了，因而有助于抑制振荡，减
13、小超调。,3.位置随动系统的并联校正,+,-,KAP,TAPs+1,(Tms+1)(Tl s+1),s,1/Ce,Kg,m(s),K1,Tphs+1,+,-,Tons+1,*m(s),自整角机相敏放大,功率放大,直流电机,减速装置,转速反馈,图4.28 位置随动系统的转速负反馈并联校正,位置的微分是转速，因此，采用转速负反馈可以很方便地组成位置随动系统的并联校正。,n(s),4.位置随动系统的复合控制,为了提高系统的响应速度，同时又不影响系统的稳定性，引入一种有效的控制手段：前馈控制。前馈控制+反馈控制构成位置随动系统的复合控制。,4.位置随动系统的复合控制,提高系统跟随能力,提高系统抗干扰能
14、力,+,-,+,*m(s),m(s),W2(s),W1(s),+,F(s),4.位置随动系统的复合控制,对给定输入进行补偿,如果：,+,-,+,*m(s),m(s),W2(s),W1(s),+,F(s),4.位置随动系统的复合控制,对给定输入进行补偿,完全不变性条件,输出完全复现输入；给定输入下稳态和动态误差均为零。,+,-,+,*m(s),m(s),W2(s),W1(s),+,F(s),4.位置随动系统的复合控制,+,-,+,*m(s),m(s),W2(s),W1(s),前馈作用的加入不影响系统稳定性,4.位置随动系统的复合控制,对扰动输入进行补偿,如果：,+,-,+,*m(s),m(s),W2(s),W1(s),-,Gf(s),+,F(s),则,扰动输入下的完全不变性条件,思考题4-1：,P359 习题4.1，4.2P360 习题4.8,
