伺服系统与机器人控制初步
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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。
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。
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。
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
(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，坐标的 总数将超过6个。运动控制系统中的坐标一般称之为轴(axis)。
来自百度文库
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。
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。 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
(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。
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。
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。
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
(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，坐标的 总数将超过6个。运动控制系统中的坐标一般称之为轴(axis)。
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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。
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。 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