伺服系统与机器人控制简介
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伺服系统最初应用于船舶驾驶和火炮控制，后来逐渐推广到很多领域，如天线位置控制、 制导和导航、数控机床和机器人等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：
(1)以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。 (2)在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距离同步传动， 例如轧钢机和长距离多段传送带的运动控制系统。 (3)使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令，这些指令可以是预先编制的， 也可能是随机产生的，如数控机床和行走机器人。 伺服系统按所用驱动元件的类型可分为液压伺服系统、气动伺服系统和机电伺服系统。 前两者特色明显，但应用范围有一定的限制。而机电伺服系统的能源是可以用最方便最灵活 的方式加以利用的电能，其驱动元件是可按各种特定需求设计和选用的电动机，可以达到最 为优异的系统性能，因此成为应用最为广泛的伺服系统。 伺服系统的控制精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中对高精度 的测量给予较高的重视，并研究各种附加措施来提高系统的精度。 衡量伺服系统性能的主要指标与一般的控制系统类似，例如其频域指标带宽由系统频率 响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽 主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于 15Hz，大型设备伺服系统的带宽则在 1～2Hz 以下。自 20 世纪 70 年代以来，由于发展 了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形 等非线性因素，使带宽达到 50Hz，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场 合。 下面介绍伺服系统中的一些基本概念。 坐标系统 一般认为任何定位平台坐标系统(coordinates)均具有 6 个自由度，其中有 3 个分别称 为 X、y 和 Z 轴的直线坐标，另外则是围绕 3 个直线坐标按右手定则形成的 3 个旋转坐标 A、 B 和 C。任何空间动作(movement)均可分解为沿直线坐标的平移(translation)和沿旋转 坐标的旋转(rotation)。 在一个运动控制系统中往往存在多个定位平台，例如机器人的肩、肘、腕关节和行走部
分均有各自的定位平台，在这样的系统中，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ标的总数将超过 6 个。运动控制系统中的坐 标一般称之为轴(axis)。
最小运动增量和分辨率 最小运动增量( Minimum Incremental Motion)指的是一个装置能可靠提供的最小 的运动，而分辨率(Resolution)则是运动系统中可检测到的最小位置增量，也被称为显示 分辨率或编码分辨率。它与最小运动增量有所不同，一般由反馈装置的输出所确定。由于传 动链中的滞环、回差等，除非反馈装置可以直接测量运动本身，大多数系统不能使得最小运 动增量等于分辨率，所以这两个指标不能混淆。分辨率主要是基于控制器检测和显示的最小 增量，它比实际的运动输出更使人印象深刻。 准确度（精度） 准确度(accuracy)又称精度，它是预期位置与实际位置之差的最大期望值。运动装置的 准确度在很大程度上取决于实际位置的测量，这个术语更直观地应该说成不准确度。当一个 运动系统被命令移动 10mm，而被理想的测量装置测出实际移动了 9.99mm 时，其不准 确度为 0.Olmm。 精密度与重复性 精密度(precision) -般定义为：对于完全相同的输入，系统多次运行输出 95%的结果 的偏差范围。而重复性(Repeatability)则是系统在多次运行中到达命令指定位置的能力， 可见这两个指标虽然说法不同，但具有相同的本质。注意精密度与准确度是不同的。 跟踪误差 r 跟踪误差(Following Error)理想测量装置测得的实际位置与控制器通过命令要求的 预期位置之间的瞬时差值。
伺服系统与机器人控制简介
GeorgeEllis 2010-01-07 12:15
伺服系统与机器人控制初步 在运动控制系统中最常见的术语之一为所谓伺服系统(servomechanism)。广义的伺服
系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统，它并不一定局限于机 械运动。但是在很多情况下，伺服系统这个术语一般只狭义地应用于利用反馈和误差修正信 号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合，其作用是使输出的机械位移准确地 实现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。伺服系统的结构组成与其他 形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
调整时间 调整时间(Settling Time)为运动接受指令后进入并保持于可接受的指令位置误差范围 所需花费的时间。 +超调 超调(Overshoot)为欠阻尼系统中过校正行为的度量，这在位置伺服系统中是希望避免的。 稳态误差 稳态误差(Steady-State Error)为控制器完成校正行为后实际位置与指令位置之间的 差。 振动 ， 振动(Vibration)为当运行速度接近机械系统的自然频率时可导致结构的振动或振铃现 象，振铃也可由系统中速度或位置的突然改变引起。这种振荡将减小有效转矩并导致电动机 和控制器之间的失步。谐振可以通过机械手段如摩擦或粘滞阻尼器来抑制。 运动规划 运动规划(Motion profile)是一种以时间、位置和速度描述运动操作的方法。运动规划 的典型应用是数控设备中的速度曲线，它们是速度相对于时间或距离的一条三角形和梯形曲 线。
(1)以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。 (2)在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距离同步传动， 例如轧钢机和长距离多段传送带的运动控制系统。 (3)使输出机械位移精确地执行某控制器发出的运动指令，这些指令可以是预先编制的， 也可能是随机产生的，如数控机床和行走机器人。 伺服系统按所用驱动元件的类型可分为液压伺服系统、气动伺服系统和机电伺服系统。 前两者特色明显，但应用范围有一定的限制。而机电伺服系统的能源是可以用最方便最灵活 的方式加以利用的电能，其驱动元件是可按各种特定需求设计和选用的电动机，可以达到最 为优异的系统性能，因此成为应用最为广泛的伺服系统。 伺服系统的控制精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中对高精度 的测量给予较高的重视，并研究各种附加措施来提高系统的精度。 衡量伺服系统性能的主要指标与一般的控制系统类似，例如其频域指标带宽由系统频率 响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽 主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于 15Hz，大型设备伺服系统的带宽则在 1～2Hz 以下。自 20 世纪 70 年代以来，由于发展 了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形 等非线性因素，使带宽达到 50Hz，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场 合。 下面介绍伺服系统中的一些基本概念。 坐标系统 一般认为任何定位平台坐标系统(coordinates)均具有 6 个自由度，其中有 3 个分别称 为 X、y 和 Z 轴的直线坐标，另外则是围绕 3 个直线坐标按右手定则形成的 3 个旋转坐标 A、 B 和 C。任何空间动作(movement)均可分解为沿直线坐标的平移(translation)和沿旋转 坐标的旋转(rotation)。 在一个运动控制系统中往往存在多个定位平台，例如机器人的肩、肘、腕关节和行走部
分均有各自的定位平台，在这样的系统中，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ标的总数将超过 6 个。运动控制系统中的坐 标一般称之为轴(axis)。
最小运动增量和分辨率 最小运动增量( Minimum Incremental Motion)指的是一个装置能可靠提供的最小 的运动，而分辨率(Resolution)则是运动系统中可检测到的最小位置增量，也被称为显示 分辨率或编码分辨率。它与最小运动增量有所不同，一般由反馈装置的输出所确定。由于传 动链中的滞环、回差等，除非反馈装置可以直接测量运动本身，大多数系统不能使得最小运 动增量等于分辨率，所以这两个指标不能混淆。分辨率主要是基于控制器检测和显示的最小 增量，它比实际的运动输出更使人印象深刻。 准确度（精度） 准确度(accuracy)又称精度，它是预期位置与实际位置之差的最大期望值。运动装置的 准确度在很大程度上取决于实际位置的测量，这个术语更直观地应该说成不准确度。当一个 运动系统被命令移动 10mm，而被理想的测量装置测出实际移动了 9.99mm 时，其不准 确度为 0.Olmm。 精密度与重复性 精密度(precision) -般定义为：对于完全相同的输入，系统多次运行输出 95%的结果 的偏差范围。而重复性(Repeatability)则是系统在多次运行中到达命令指定位置的能力， 可见这两个指标虽然说法不同，但具有相同的本质。注意精密度与准确度是不同的。 跟踪误差 r 跟踪误差(Following Error)理想测量装置测得的实际位置与控制器通过命令要求的 预期位置之间的瞬时差值。
伺服系统与机器人控制简介
GeorgeEllis 2010-01-07 12:15
伺服系统与机器人控制初步 在运动控制系统中最常见的术语之一为所谓伺服系统(servomechanism)。广义的伺服
系统是指精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统，它并不一定局限于机 械运动。但是在很多情况下，伺服系统这个术语一般只狭义地应用于利用反馈和误差修正信 号对位置及其派生参数如速度和加速度进行控制的场合，其作用是使输出的机械位移准确地 实现输入的位移指令，达到位置的精确控制和轨迹的准确跟踪。伺服系统的结构组成与其他 形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
调整时间 调整时间(Settling Time)为运动接受指令后进入并保持于可接受的指令位置误差范围 所需花费的时间。 +超调 超调(Overshoot)为欠阻尼系统中过校正行为的度量，这在位置伺服系统中是希望避免的。 稳态误差 稳态误差(Steady-State Error)为控制器完成校正行为后实际位置与指令位置之间的 差。 振动 ， 振动(Vibration)为当运行速度接近机械系统的自然频率时可导致结构的振动或振铃现 象，振铃也可由系统中速度或位置的突然改变引起。这种振荡将减小有效转矩并导致电动机 和控制器之间的失步。谐振可以通过机械手段如摩擦或粘滞阻尼器来抑制。 运动规划 运动规划(Motion profile)是一种以时间、位置和速度描述运动操作的方法。运动规划 的典型应用是数控设备中的速度曲线，它们是速度相对于时间或距离的一条三角形和梯形曲 线。