数字交流伺服系统实验报告

数字交流伺服系统实验报告

学院：机械工程学院

学号：YJX1101028

姓名：马玉华

数字交流伺服系统实验报告

（标题宋体，3号，加黑，段前段后0.5行）

一、实验目的（宋体，小4，加黑，段后0.5行）

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。（正文：宋体，5号，单倍行距）

二、实验内容及结果

1. 对系统进行理论分析

1)数字伺服

伺服系统又称“随动系统”，是属于自动化体系中控制的一种，它是由若干元件和部件组成的、具有功率放大作用的一种自动控制系统，它的输出量总是相当精确地跟随输入量的变化而变化，或者说，它的输出量总是复现输入量。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以采用开环控制系统来实现其功能。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已经进入了全数字化和交流化的时代。

随动系统的基本职能是对信号进行功率放大，保证有足够的能量推动负载（被控对象）按输入信号的规律运动（即输出），并使得输入与输出之间的偏差不超过允许的误差范围。也有一部分伺服系统还必须完成一定距离的自动追踪任务。

数字伺服控制系统是一种以数字处理器或计算机为控制器去控制具有连续工作状态的被控对象的闭环控制系统。因此，数字伺服控制系统包括工作于离散状态下的数字计算机和和工作于连续状态下的被控对象两大部分。由于数字控制系统的具有一系列的优越性，但主要体现在数字化的实现，将原来有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法如最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等，成为可能。此外也使得整个伺服系统更加集成化、网络化、智能化和模块化。

数字伺服控制系统的输出可以使各种不同的物理量，如速度（包括角速度）控制、位置（包括转角）控制、和运动轨迹控制。其组成部分主要有测量元件、给定元件、比较元件、放大元件、执行元件和校正元件等。

由系统所给的仿真控制图可以知道系统属于位置控制系统。其整体分析可知系统有电流环、速度环和位置环构成的三环位置控制系统，其整体控制框图可以如下图所示：

图1 位置控制系统的结构框图

并且由系统所给定的系统的仿真图可知，系统的速度控制和电流控制部分都已经完成，在本次设计中只需要对位置控制部分的设计控制算法就可。其主要包括控制结构的选择和参数的选取。

2）控制结构的选择

数字伺服控制系统的分类方式有很多种，按不同的分类方法会得到不同名称的数字伺服控制系统。但由于本实验是为了做出位置外环的控制部分算法，所以这里介绍按照系统控

制方式的分法。然后根据其优缺点和试验系统的需要来选取适合的控制方式。

按照系统控制方式来分类，可以分为误差控制的数字伺服控制系统和复合控制系统。分别介绍如下。

误差控制的数字伺服控制系统，其主要特点是系统的快慢取决于误差信号的大小。当系统的误差信号为零时（即系统输出量与输入给定量完全相等时），系统便处于静止状态。其基本结构形式可以用下图来表示：

图2 误差控制的数字伺服控制系统的基本结构形式

误差测量装置又称比较元件或敏感元件，其作用是将系统的输入和输出之间的差值随时的测量出来，并将误差信号转换成电信号送入放大装置。放大装置将误差电压进行必要的变换和功率放大之后，驱动执行元件，使执行元件通过减速器拖动被控对象，按照输入信号的规律运动。校正装置的作用是补偿系统中存在的电磁与机电惯性所引起的滞后作用，是系统的输出信号能瞬时跟随输入信号的变化，以满足系统的动态品质的要求。

按误差控制的随动系统具有良好的抗干扰性能。当系统受到外部干扰，是输出量偏离输入量时，通过负反馈作用，使误差测量装置的输出的误差电压，执行元件推动被控对象回到与输入相对应的位置，即将系统输出量自动的调整到允许的误差范围内，这是按误差控制（又称反馈控制）的极大优点。但其缺点也很明显，是负反馈削弱了系统的放大倍数，降低了系统的快速性，且系统精度的进一步提高也受到这种结构形式的制约，因为提高精度需要增大系统开环放大系数和增加积分环节，这样又会影响系统的稳定性。

复合控制系统，即按照输入信号微分和系统误差综合控制的系统。它的特点是系统的运动取决于输入信号的变化率（包括输入速度和加速度）和系统误差信号的综合作用。复合控制系统的基本结构形式可以用小下图来表示：

图3 复合控制系统的基本控制结构

如果按系统误差及输入信号的一阶或一阶与二阶微分来控制系统，则可以大大的提高系统的精度与快速性，而又不影响系统的稳定性，保留了单纯按照误差控制的全部优点。这就

是复合控制系统，为了详细的表示出复合系统这种优势，可以做如下推导：

在按误差控制的闭环系统基础上并联一个输入信号n 阶微分的正顺馈通道，则组成了复合控制系统。即系统的执行元件受系统误差信号和输入信号的n 阶微分综合控制，如下图所示，图中sr ϕ是系统输入信号，sc ϕ是系统的输出信号，Wr(S)是n 阶微分装置，W1(S)W2(S)W3(S)及其反馈是原有按误差控制的闭环系统。

ϕ

图4 带有正顺馈通道的复合控制系统结构

采用复合控制后，系统的输出为：)()()]()()([321S W S W S W S W S r sr sc ϕθϕ+= 将系统误差)()()(S S S sc sr ϕϕθ-=代入上式，则得:

)()()()()()]()()[()(321321S W S W S W S W S W S W S W S S sc r sr sc ϕϕϕ-+=

也即是：)()

()()(1)

()()]()([)(321321S S W S W S W S W S W S W S W S sr r sc ϕϕ++=

所以可得系统的闭环传函为：)()()(1)

()()]()([)

()()(321321S W S W S W S W S W S W S W S S S r sr sc ++=

=

ϕϕφ （1）

系统的误差传函为：)

()()(1)()()(1)(1)

()()(32132S W S W S W S W S W S W S S S S r sr +-=-==

φϕθφθ （2）

当微分装置的结构参数满足：)

()(1)(32S W S W S W r =

（3）

当微分装置的结构参数满足3式时，则1)(=S φ及0)(=S θφ，即)()(S S sc sr ϕϕ=及

0)(=S θ。这说明系统的输出完全复现输入，没有过渡过程，系统具有无穷大的通频带，

不管输入信号如何变化，系统的误差式中为0.此外，原有按照误差控制的闭环系统传函为：

)

()()(1)()()()

()()(321321S W S W S W S W S W S W S S S sr sc +=

=

ϕϕφ （4）

由1式和4式可知，采用复合控制后，系统的特征方程0)()()(1321=+S W S W S W 没