位置随动系统..
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运动控制系统
第 4 章
位置随动系统
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
WURP (s) U ph (s) U bs (s) Kph Tph s 1
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
L 相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
Ubs
SM M
θm 负载
减速器
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。
4.3.2 位置随动系统的稳态分析
关键：误差分析。
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″
误差的分类
检测误差：由检测元件引起，取决于元件
本身的精度。
误差
原理误差：由随动系统自身结构、特征参 扰动误差：由各种扰动信号引起的系统误
① 按输出功率：超小小中大超大；
② 按位置性质：转角、位移； ③ 按伺服电压：直流、交流；
④ 按控制系统组成方式：模拟、数字。
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；
当采用直流伺服电动机时，传递函数是 一个二阶环节
1/ Ce n( s ) WMD ( s) U d ( s) TmTl s 2 Tm s +1
4.3 采用自整角机的位置随动系统
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
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。
4.1.2 位置随动系统的组成及原理
位置检测器 电压比较放大器
R0
+
功率放大器
执行机构
L
+
R1 R1
R2
-
Us U* U θ* m
R0
- +
+
+
- +
θm
A1
A2
Uct
可逆 功率 放大器
Id Ud
SM M
差。
数和给定输入信号的形式决定。
1. 检测误差
位置检测装置都有一定的精度等级 ①系统的精度不可能高于各检测元件的精度； ②检测误差通常是稳态误差的主要部分； ③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
检测元件 电位器 自整角机 误差范围 几度(o) ≤1度(o)
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。
4.1.1 位置随动系统的应用
火炮方位的自动跟踪；
-
n
负载
减速器
图4.1 电位器式位置随动系统结构图
4.1.3 位置随动系统的特征
① 输出位置快速准确跟踪给定位置；
② 必须具备一定精度的位置传感器；
③ 电压、功率放大器、拖动系统必须可逆；
④ 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——强调抗干扰能力
4.1.4 位置随动系统的分类
m
系统的数学模型
Δθm Ubs n Uph Ud Uct 1/Ce Kph KAP WAPR(s) TmTl s+Tms+1 Tphs+1 TAPs+1 相敏 整流 位置 调节器 功率 放大 直流 电机 Kg θm(s) s 减速 装置
θ*m(s)
+
-
Kbs
θm(s) 自整 角机
图4.16 自整角机位置随动系统的动态结构图
U d ( s) K AP WAP (s) U ph (s) T AP1
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
L 相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
Ubs
SM M
θm 负载
减速器
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
旋转 变压器
几角分(’)
感应同步器 旋转式 几角秒(”) 直线式 几微米(μm)
2. 原理误差
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
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
Biblioteka Baidu
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
系统的数学模型 （1）自整角机
U bs ( s) U bsm sin m Wbs ( s) m ( s) m
一般，当 m 10 时，sin m m
U bs ( s) Wbs (s) K bs U bsm m ( s)
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
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。
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
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θm(o)，若时间 t 以s为单位，则
n 360 6 m dt ndt i 60 i
i：减速器速比
Kg 6 经Laplace变换 Wg ( s) n is s
第 4 章
位置随动系统
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
WURP (s) U ph (s) U bs (s) Kph Tph s 1
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
L 相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
Ubs
SM M
θm 负载
减速器
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。
4.3.2 位置随动系统的稳态分析
关键：误差分析。
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″
误差的分类
检测误差：由检测元件引起，取决于元件
本身的精度。
误差
原理误差：由随动系统自身结构、特征参 扰动误差：由各种扰动信号引起的系统误
① 按输出功率：超小小中大超大；
② 按位置性质：转角、位移； ③ 按伺服电压：直流、交流；
④ 按控制系统组成方式：模拟、数字。
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；
当采用直流伺服电动机时，传递函数是 一个二阶环节
1/ Ce n( s ) WMD ( s) U d ( s) TmTl s 2 Tm s +1
4.3 采用自整角机的位置随动系统
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
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。
4.1.2 位置随动系统的组成及原理
位置检测器 电压比较放大器
R0
+
功率放大器
执行机构
L
+
R1 R1
R2
-
Us U* U θ* m
R0
- +
+
+
- +
θm
A1
A2
Uct
可逆 功率 放大器
Id Ud
SM M
差。
数和给定输入信号的形式决定。
1. 检测误差
位置检测装置都有一定的精度等级 ①系统的精度不可能高于各检测元件的精度； ②检测误差通常是稳态误差的主要部分； ③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
检测元件 电位器 自整角机 误差范围 几度(o) ≤1度(o)
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。
4.1.1 位置随动系统的应用
火炮方位的自动跟踪；
-
n
负载
减速器
图4.1 电位器式位置随动系统结构图
4.1.3 位置随动系统的特征
① 输出位置快速准确跟踪给定位置；
② 必须具备一定精度的位置传感器；
③ 电压、功率放大器、拖动系统必须可逆；
④ 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——强调抗干扰能力
4.1.4 位置随动系统的分类
m
系统的数学模型
Δθm Ubs n Uph Ud Uct 1/Ce Kph KAP WAPR(s) TmTl s+Tms+1 Tphs+1 TAPs+1 相敏 整流 位置 调节器 功率 放大 直流 电机 Kg θm(s) s 减速 装置
θ*m(s)
+
-
Kbs
θm(s) 自整 角机
图4.16 自整角机位置随动系统的动态结构图
U d ( s) K AP WAP (s) U ph (s) T AP1
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
L 相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
Ubs
SM M
θm 负载
减速器
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
旋转 变压器
几角分(’)
感应同步器 旋转式 几角秒(”) 直线式 几微米(μm)
2. 原理误差
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
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
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L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
系统的数学模型 （1）自整角机
U bs ( s) U bsm sin m Wbs ( s) m ( s) m
一般，当 m 10 时，sin m m
U bs ( s) Wbs (s) K bs U bsm m ( s)
自整角机 BS Uf
θ* m
BST BSR
整流并反映 信号极性
L
Ubs
相敏 可逆 校正 Uct 功率 放大器 Uph 装置 URP 放大器
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
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。
Id
Ud n
SM M
θm 负载
减速器
图4.12 自整角机位置随动系统结构图
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θm(o)，若时间 t 以s为单位，则
n 360 6 m dt ndt i 60 i
i：减速器速比
Kg 6 经Laplace变换 Wg ( s) n is s