伺服控制系统变采样周期问题的研究
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２１ ０ １年第 ８期
福 建 电
脑
９
伺服控 制 系统变 采样周期 问题 的研 究
赵 月 英 ，刘 富 春
（１ 广 州康 大职 业技 术 学 院 ， 、 自动化 系 广 东 广 州 ５ １６ １３３
２ 华 南理工 大 学 自动 化 学院 。 、 自主 系统 与 网络控 制教 育部 重 点 实验 室 广 东 广 州 ５０ ４ １ ６０）
型高 精 度伺 服 转 台为背 景 ．对 系统 指令 信 号 采取 非 等 间 隔 的采样 。 计控 制方 案 。 设
２ 系统 结构及 数 学模 型 ． 转 台控制 系统 结构 图如 图 １ 示 ： 所
．
Ｑ ｅｙ ｅｆｒ ａ ｃＣ ｕ ｔｒ ＆ ｐｅ ｍ ｒ） ｕｒＰ ｒ ｍ ｎｅ ｏｎｅ（ ｍ ｒｔ ｅ ； ｏ ｉ
衰减 增益 方法 的结构 框 图如 图 ２所 示 ：
含有条件稳定控制系统的开环频率特性如图 ３所 图 中 ， Ｊ 给定转 角指 令 ， ） 实 际输 出转 角 。 为 为 系 统 采 用 ＫＥ Ｂ驱 动 器 和无 刷 直 流 力 矩 电机 作 为 驱 动 元 示。 当开环增益 ‰ 改变 时， 闭环系统的稳定性将发
件 ， 电码 盘作 为测 角元 件 ，Ｃ － ３ 光 Ｐ Ｌ ８ ３为增 量 计数 卡 。
数 字伺 服 系 统控 制 器设 计 的 任务 是 设计 离 散 控 制 ３ 改 进控 制方 案 ．
器使 得 闭环 系统 内稳定 且具 有 所期 望 的控 制 性 能 。采
对 于系 统 （ ） １ 。我 们 采 用经 典 ＰＤ控 制器 设 计 方 Ｉ ． ｍｓ 由于存 在 计算 机 样 控 制系 统 的分 析与设 计方 法 主要 有 两种 ［ 即 间接 设 法 。离散 控 制器 的采 样周 期 为 ０５ ， 羽 ． 计 方 法 （ｎ ｉ ｃ Ａ ｐｏｃ ） 和 直 接 设 计 方 法 （ ｉ ｃ 时 钟定 时延 迟 问题 ．使 得所 设计 的控 制 器在 指令 等 间 Ｉｄｒ ｔ ｐ ｒａ ｈ ｅ Ｄｒ ｔ ｅ
１ ．引 言
仿真测试转 台（ 称转台 ） 在实验室条件下 ， 简 是 复 现 飞 行器 姿 态运 动 的物 理设 备【【 。其功 能 是 为 飞行 Ｉ】 】圈 ２ 器 的 角位 置或 角 速度 的敏感 部 件 （ 导 引头 、 陀螺 仪 如
尸（ ＝ ）
Ｋ ｐ
‘ １ ）
为 了得 到 系统 的对 象模 型 ．只需辨 识 出传递 函数 ． 和 三 个 参 数 ，其 中 、 和 分 别 为 增 『 等 ） 供 一个 仿真 工作 环境 。 提 以便考 察 飞行 控 制 系统 在 中 的 、 接 入 实物 时 的工作 性能 。 益 、 电时 间常 数和 电磁 时 间常数 。 机
Ａ ｐｏ ｃ ） ｐ ｒａｈ ，间接 设计 方 法 主要 是 传 统 的设 计 方 法 。 包 隔采 样输 入 下 系统个 别 点 出现饱 和现象 括模 拟 设计 方 法 和离散 设计 方法 根 据伺 服 系统 的特 转 台控 制 系 统 中 的延 迟 主 要 来 源 于 两 个 方 面 ： 一
点 。 测试 系统 的 频 率特 性 ， 到 系 统 特 性 。 根 据 连 方 面矢 量控 制型 驱动 器对 模 拟 口采样 频 率较 低 ．另 一 先 得 在
续 性 能指标 设 计 连续控 制器 ．再基 于 某种 数 字 离散 化 方 面 ， 算机 控 制系 统工 作在 Ｗｉｄｗ 系统 下 ， 计 ｎｏｓ 采用 查 方 式得 到 数字 控制 器［ 一 般 的计 算 机控 制 系统 都是 匀 询方 式定 时 采样 。 ５ １ 。 由于 系统 在采 样周期 内任务 量 较 大 ． 速 采样 的控 制 系统 ．匀 速采 样在 数 字控 制 时 钟延 迟 情 容易 造成 丢 步现 象 为 了解决 Ｗｉｄｗ 系统 查 询定 时 ｎｏｓ 况下。 控制 器计 算得 到 的 ＤＡ值会 发 生跳 变现 象 ， 重 采样 导致 的延 迟 ．这 种 种定 时 方式是 采 用高 性 能计 数 ／ 严 时会 损 坏转 台 自身 和承 载设备 。 本文 就 这一 问题 ， 以某 器来 实现 韵 ， 具体 如 下 ：
Ｑ ｅ Ｐ ｒ ｒ ａ ｃＣ ｕ ｔ （ ｍ ｃｒｍ ｒ ； ｕｒ ｅ ｏ ｎｅ ｏｎｅ ＆ ｕｔ ｅ ） ｙ ｆｍ ｒ ｉ ｉ （ ＿ｕｔ ｅ．ｕｄ ａ —ｍ ｐｅ ｍ ｒ ｕｄ ａ ） ＝ｒ ｐ ｒ ｄ ｆ ｍ ｃｒ ｍ ｒ ａＰ ｒ （ ｉ Ｑ ｔ ＿ ｒｔ ｅ Ｑ ａＰ ｒ ＞ ｅ ｅ ｏ ） ｉ ： ｔ ＿ ｉ
生变 化， 样 的系统 称 之 为条 件稳定 系统 。 这 衰减 增 益法 对 于转 台伺 服控 制 系统 而 言 ，最 后 实 现 的是 位 置 的主要 思 想是 通过 设计 一 个 观测 器 ，通 过观 测器 的输 闭环 ， 因此转 台伺 服控 制 系统 的机 理模 型 可近 似为 出和 系统 实 际输 出作 差 ，根 据残 差 的大 小来 决 策 衰 减
【 摘 要】 电动伺服 系统广泛应用于航 空航 天仿真测试和现代 工业控制 中， ： 本文针对数 字伺服控 制 系 统 中普 遍存 在 的 时钟 定 时延迟 及 不精 确 问题 ， 出了一种 实时指 令规 划补偿 的方 法 ， 大地 改善 了 系统 的 提 大 控 制性 能 。在 电动仿 真 转 台中 的应 用取得 了满意 的 效果 ， 实该方 法是 有 效 的。 证 【 关键词】伺服控制 系统 ； ： 变采样周期 ； 延迟 ； 指令补偿
Ｉ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
…
／ 成 一 个 周 期 的指 令 计 算 、 得 系统 输 出 、 算 控 制 量 、 服 运 ／ 完 获 计 伺
算
ｌ
下 面提 出两 种 改进 的控 制方 案 ：衰 减增 益 的 方 法 和实 时指令 规 划补 偿方 法
３１衰减增 益 方法 ．
图 １ 台控 制 系 统 结 构 图 转
福 建 电
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伺服控 制 系统变 采样周期 问题 的研 究
赵 月 英 ，刘 富 春
（１ 广 州康 大职 业技 术 学 院 ， 、 自动化 系 广 东 广 州 ５ １６ １３３
２ 华 南理工 大 学 自动 化 学院 。 、 自主 系统 与 网络控 制教 育部 重 点 实验 室 广 东 广 州 ５０ ４ １ ６０）
型高 精 度伺 服 转 台为背 景 ．对 系统 指令 信 号 采取 非 等 间 隔 的采样 。 计控 制方 案 。 设
２ 系统 结构及 数 学模 型 ． 转 台控制 系统 结构 图如 图 １ 示 ： 所
．
Ｑ ｅｙ ｅｆｒ ａ ｃＣ ｕ ｔｒ ＆ ｐｅ ｍ ｒ） ｕｒＰ ｒ ｍ ｎｅ ｏｎｅ（ ｍ ｒｔ ｅ ； ｏ ｉ
衰减 增益 方法 的结构 框 图如 图 ２所 示 ：
含有条件稳定控制系统的开环频率特性如图 ３所 图 中 ， Ｊ 给定转 角指 令 ， ） 实 际输 出转 角 。 为 为 系 统 采 用 ＫＥ Ｂ驱 动 器 和无 刷 直 流 力 矩 电机 作 为 驱 动 元 示。 当开环增益 ‰ 改变 时， 闭环系统的稳定性将发
件 ， 电码 盘作 为测 角元 件 ，Ｃ － ３ 光 Ｐ Ｌ ８ ３为增 量 计数 卡 。
数 字伺 服 系 统控 制 器设 计 的 任务 是 设计 离 散 控 制 ３ 改 进控 制方 案 ．
器使 得 闭环 系统 内稳定 且具 有 所期 望 的控 制 性 能 。采
对 于系 统 （ ） １ 。我 们 采 用经 典 ＰＤ控 制器 设 计 方 Ｉ ． ｍｓ 由于存 在 计算 机 样 控 制系 统 的分 析与设 计方 法 主要 有 两种 ［ 即 间接 设 法 。离散 控 制器 的采 样周 期 为 ０５ ， 羽 ． 计 方 法 （ｎ ｉ ｃ Ａ ｐｏｃ ） 和 直 接 设 计 方 法 （ ｉ ｃ 时 钟定 时延 迟 问题 ．使 得所 设计 的控 制 器在 指令 等 间 Ｉｄｒ ｔ ｐ ｒａ ｈ ｅ Ｄｒ ｔ ｅ
１ ．引 言
仿真测试转 台（ 称转台 ） 在实验室条件下 ， 简 是 复 现 飞 行器 姿 态运 动 的物 理设 备【【 。其功 能 是 为 飞行 Ｉ】 】圈 ２ 器 的 角位 置或 角 速度 的敏感 部 件 （ 导 引头 、 陀螺 仪 如
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为 了得 到 系统 的对 象模 型 ．只需辨 识 出传递 函数 ． 和 三 个 参 数 ，其 中 、 和 分 别 为 增 『 等 ） 供 一个 仿真 工作 环境 。 提 以便考 察 飞行 控 制 系统 在 中 的 、 接 入 实物 时 的工作 性能 。 益 、 电时 间常 数和 电磁 时 间常数 。 机
Ａ ｐｏ ｃ ） ｐ ｒａｈ ，间接 设计 方 法 主要 是 传 统 的设 计 方 法 。 包 隔采 样输 入 下 系统个 别 点 出现饱 和现象 括模 拟 设计 方 法 和离散 设计 方法 根 据伺 服 系统 的特 转 台控 制 系 统 中 的延 迟 主 要 来 源 于 两 个 方 面 ： 一
点 。 测试 系统 的 频 率特 性 ， 到 系 统 特 性 。 根 据 连 方 面矢 量控 制型 驱动 器对 模 拟 口采样 频 率较 低 ．另 一 先 得 在
续 性 能指标 设 计 连续控 制器 ．再基 于 某种 数 字 离散 化 方 面 ， 算机 控 制系 统工 作在 Ｗｉｄｗ 系统 下 ， 计 ｎｏｓ 采用 查 方 式得 到 数字 控制 器［ 一 般 的计 算 机控 制 系统 都是 匀 询方 式定 时 采样 。 ５ １ 。 由于 系统 在采 样周期 内任务 量 较 大 ． 速 采样 的控 制 系统 ．匀 速采 样在 数 字控 制 时 钟延 迟 情 容易 造成 丢 步现 象 为 了解决 Ｗｉｄｗ 系统 查 询定 时 ｎｏｓ 况下。 控制 器计 算得 到 的 ＤＡ值会 发 生跳 变现 象 ， 重 采样 导致 的延 迟 ．这 种 种定 时 方式是 采 用高 性 能计 数 ／ 严 时会 损 坏转 台 自身 和承 载设备 。 本文 就 这一 问题 ， 以某 器来 实现 韵 ， 具体 如 下 ：
Ｑ ｅ Ｐ ｒ ｒ ａ ｃＣ ｕ ｔ （ ｍ ｃｒｍ ｒ ； ｕｒ ｅ ｏ ｎｅ ｏｎｅ ＆ ｕｔ ｅ ） ｙ ｆｍ ｒ ｉ ｉ （ ＿ｕｔ ｅ．ｕｄ ａ —ｍ ｐｅ ｍ ｒ ｕｄ ａ ） ＝ｒ ｐ ｒ ｄ ｆ ｍ ｃｒ ｍ ｒ ａＰ ｒ （ ｉ Ｑ ｔ ＿ ｒｔ ｅ Ｑ ａＰ ｒ ＞ ｅ ｅ ｏ ） ｉ ： ｔ ＿ ｉ
生变 化， 样 的系统 称 之 为条 件稳定 系统 。 这 衰减 增 益法 对 于转 台伺 服控 制 系统 而 言 ，最 后 实 现 的是 位 置 的主要 思 想是 通过 设计 一 个 观测 器 ，通 过观 测器 的输 闭环 ， 因此转 台伺 服控 制 系统 的机 理模 型 可近 似为 出和 系统 实 际输 出作 差 ，根 据残 差 的大 小来 决 策 衰 减
【 摘 要】 电动伺服 系统广泛应用于航 空航 天仿真测试和现代 工业控制 中， ： 本文针对数 字伺服控 制 系 统 中普 遍存 在 的 时钟 定 时延迟 及 不精 确 问题 ， 出了一种 实时指 令规 划补偿 的方 法 ， 大地 改善 了 系统 的 提 大 控 制性 能 。在 电动仿 真 转 台中 的应 用取得 了满意 的 效果 ， 实该方 法是 有 效 的。 证 【 关键词】伺服控制 系统 ； ： 变采样周期 ； 延迟 ； 指令补偿
Ｉ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
…
／ 成 一 个 周 期 的指 令 计 算 、 得 系统 输 出 、 算 控 制 量 、 服 运 ／ 完 获 计 伺
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下 面提 出两 种 改进 的控 制方 案 ：衰 减增 益 的 方 法 和实 时指令 规 划补 偿方 法
３１衰减增 益 方法 ．
图 １ 台控 制 系 统 结 构 图 转