伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)電力拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)目錄1、前言11.1設(shè)計(jì)目的11.2設(shè)計(jì)內(nèi)容12、伺服系統(tǒng)的基本組成原理及電路設(shè)計(jì)22.1伺服系統(tǒng)基本原理及系統(tǒng)框圖22.2 伺服系統(tǒng)的模擬PD+數(shù)字前饋控制42.3 伺服系統(tǒng)的程序63、仿真波形圖9結(jié)論12心得與體會13參考文獻(xiàn)14 151、前言1.1設(shè)計(jì)目的1、使學(xué)生進(jìn)一步掌握電力拖動自動控制系統(tǒng)的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和綜合分析問題、解決問題的能力； 2、使學(xué)生基本掌握常用電子電路的一般設(shè)計(jì)方法，提高電子電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?3、熟悉并學(xué)會選用電子元器件，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容1、分析和設(shè)計(jì)具有三環(huán)結(jié)構(gòu)

2、的伺服系統(tǒng)，用繪圖軟件（matlab）畫原理圖還有波形圖；2、分析并理解具有三環(huán)結(jié)構(gòu)的伺服系統(tǒng)原理。2、伺服系統(tǒng)的基本組成原理及電路設(shè)計(jì)2.1伺服系統(tǒng)基本原理及系統(tǒng)框圖 伺服系統(tǒng)三環(huán)的PID控制原理:以轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)為例,其控制結(jié)構(gòu)如圖2-1所示,其中r為框架參考角位置輸入信號, 為輸出角位置信號.圖2-1 轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)框圖伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為典型的直流電動驅(qū)動機(jī)構(gòu),電機(jī)輸出軸直接與負(fù)載-轉(zhuǎn)動軸相連,為使系統(tǒng)具有較好的速度和加速度性能,引入測速機(jī)信號作為系統(tǒng)的速度反饋,直接構(gòu)成模擬式速度回路.由高精度圓感應(yīng)同步器與數(shù)字變換裝置構(gòu)成數(shù)字式角位置伺服回路.轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)單框的位置環(huán),速度環(huán)和電流環(huán)框圖如

3、圖2-2,圖2-3和圖2-4所示.圖2-2 伺服系統(tǒng)位置環(huán)框圖圖2-3 伺服系統(tǒng)速度環(huán)框圖圖2-4 伺服系統(tǒng)電流框圖圖中符號含義如下：r為位置指令；為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角；為PWM功率放大倍數(shù)；為速度環(huán)放大倍數(shù)；為速度環(huán)反饋系數(shù)；為電流反饋系數(shù)；L為電樞電感；R為電樞電阻；為電機(jī)力矩系數(shù)；為電機(jī)反電動勢系數(shù)；J為等效到轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量；b為粘性阻尼系數(shù)，其中J=+，b=+，和分別為電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，和分別為電機(jī)和負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；為擾動力矩，包括摩擦力矩和耦合力矩。 假設(shè)在速度環(huán)中的外加干擾為粘性摩擦模型： 2-1控制器采用PID控制+前饋控制的形式，加入前饋摩擦補(bǔ)償控制表示為：式中，和為粘性摩擦模

4、型等效到位置環(huán)的估計(jì)系數(shù)，該系數(shù)可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，或根據(jù)計(jì)算得出。被控對象為一個(gè)具有三環(huán)結(jié)構(gòu)的伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)系數(shù)和控制參數(shù)在程序中給出描述，系統(tǒng)采樣時(shí)間為1ms。取M=2，此時(shí)輸入指令為正弦疊加信號：，其中A=0.5，F(xiàn)=0.5.考慮到，L和的值很小，前饋補(bǔ)償系數(shù)和等效到摩擦力矩端得系數(shù)可近似寫為： 2-2式中，為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，摩擦模型估計(jì)系數(shù)和為： 2-3 2-4系統(tǒng)總的控制輸出為： 2-5 式中，為PID控制的輸出，其三項(xiàng)系數(shù)為=15，=0.1，=1.5.程序如chap01控制系統(tǒng)的simulink程序：chap01，如圖2-5和圖2-6所示。圖2-5 三環(huán)控制的simulink仿真程序

5、圖2-6 電機(jī)模型的simulink仿真程序（1）帶摩擦無前饋補(bǔ)償時(shí)的仿真。正弦疊加信號跟蹤如圖3-1和圖3-2所示，由于靜摩擦的作用，在低速跟蹤存在“平頂”現(xiàn)象，速度跟蹤存在“死區(qū)”現(xiàn)象。（2）帶摩擦有前饋補(bǔ)償時(shí)的仿真。正弦疊加信號跟蹤如圖3-3和圖3-4所示，采用PID控制加前饋控制可很大程度地克服摩擦的影響，基本消除了位置跟蹤的“平頂”和速度跟蹤的：死區(qū)，實(shí)現(xiàn)了較高的位置跟蹤和速度跟蹤精度。2.2 伺服系統(tǒng)的模擬PD+數(shù)字前饋控制伺服系統(tǒng)的模擬PD+數(shù)字前饋控制原理針對三環(huán)伺服系統(tǒng)，設(shè)電流環(huán)為開環(huán)，忽略電機(jī)反電動系數(shù)，將電阻R等效到速度環(huán)放大系數(shù)Kd上。簡化后的三環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2

6、-7所示，其中u為控制輸入。圖2-7 簡化后的三環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖采用PD加前饋控制方式，設(shè)計(jì)的控制規(guī)律如下： 2-6式中，。 2-7即將控制律帶入上式，得： 2-8取：，得到系統(tǒng)的誤差狀態(tài)方程如下： 2-9由于J>0， 則根據(jù)代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，針對二階系統(tǒng)而言，當(dāng)系統(tǒng)閉環(huán)特征方程式的系數(shù)都大于零時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的跟蹤誤差e(t)收斂于零。被控對象為一個(gè)具有三環(huán)結(jié)構(gòu)的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)參數(shù)和控制參數(shù)在程序中給出描述，系統(tǒng)輸入信號的采樣時(shí)間為1ms，輸入指令為正弦疊加信號：，其中A=1.0，F(xiàn)=1.0.u（t）為控制器的輸出，伺服系統(tǒng)參數(shù)為：，b=0.50, , , .則，。程序如chap

7、02如圖2-8.曲線圖3-5，曲線圖3-6，曲線圖3-7.圖2-82.3 伺服系統(tǒng)的程序 根據(jù)是否加入摩擦干擾和前饋不償分別進(jìn)行仿真。初始化程序：chap01%Three Loop of Flight Simulator Servo System with Direct Current Motorclear all;close all;%(1)Current loopL=0.001; %L<<1 Inductance of motor armatureR=1; %Resistence of motor armatureki=0.001; %Current feedback coef

8、ficient%(2)Velocity loopkd=6; %Velocity loop amplifier coefficientkv=2; %Velocity loop feedback coefficientJ=2; %Equivalent moment of inertia of frame and motorb=1; %Viscosity damp coefficient of frame and motorkm=1.0; %Motor moment coefficientCe=0.001; %Voltage feedback coefficient%Friction model:

9、Coulomb&Viscous FrictionFc=100.0;bc=30.0; %Practical friction%(3)Position loop: PID controllerku=11; %Voltage amplifier coefficient of PWMkpp=150;kii=0.1;kdd=1.5;%Friction Model compensation%Equavalent gain from feedforward to practical frictionGain=ku*kd*1/R*km*1.0; Fc1=Fc/Gain;bc1=bc/Gain; %Fe

10、edforward compensation%Input signal initializeF=0.50;A=0.50;ts=0.001; %Sampling timeM=2;if M=1 %Sine Signalk=5000;time=0:ts:k*ts' %Simulation timerin=A*sin(2*pi*F*time);drin=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*time);elseif M=2 %Random SignalT=4999;time=zeros(T,1);rin=zeros(T,1);drin=zeros(T,1); rin(1)=0;drin(1)

11、=0;for k=1:1:Ttime(k+1)=k*ts; %Random signal rin(k+1)=A*sin(2*pi*F*k*ts)+0.5*A*sin(2*pi*0.5*F*k*ts)+. 0.25*A*sin(2*pi*0.25*F*k*ts); drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k)/ts;endEnd初始化程序：chap02%Flight Simulator Servo Systemclear all;close all;J=2;b=0.5;kv=2;kp=15;kd=6;f1=(b+kd*kv);f2=J;F=1;A=1;t=0:0.001:10'

12、%Simulation timer=A*sin(2*pi*F*t);dr=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*t);ddr=-4*pi*pi*F*F*A*sin(2*pi*F*t);3、仿真波形圖圖3-1 正弦疊加信號跟蹤圖3-2正弦疊加信號跟蹤圖3-3 正弦疊加信號跟蹤圖3-4 正弦疊加信號跟蹤圖3-5 位置波形圖3-6 給定與相應(yīng)波形結(jié)論此伺服系統(tǒng)在三環(huán)結(jié)構(gòu)作用之下，由MATLAB的仿真結(jié)果可以看出，在正弦給定信號的作用下，系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時(shí)間小于等于1S的范圍內(nèi)，能夠做到無靜差跟蹤。這樣實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)快速的跟蹤給定的設(shè)計(jì)要求。心得與體會 兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我

13、所學(xué)的知識，也培養(yǎng)了我如何把握一件事情，如何去做一件事情，又如何較好地完成一件事情。在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，與同學(xué)相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，學(xué)會了做人與處世。 課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不可少的一個(gè)過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆?，通過這次設(shè)計(jì)，我深深體會這句千古名言的真正含義。我用兩周的時(shí)間認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會腳踏實(shí)地地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過這次電機(jī)拖動自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，本人學(xué)到了伺服系統(tǒng)三環(huán)的PID控制原理。伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為典型的直流電動驅(qū)動機(jī)構(gòu)，電機(jī)輸出軸直接與負(fù)載轉(zhuǎn)動軸相連，為使系統(tǒng)具有較好的速度和加速度性能，引入測速機(jī)信號作為系統(tǒng)的速度反饋，直接構(gòu)成模擬式速度回路。由高精度圓感應(yīng)同步器與數(shù)字變換裝置構(gòu)成數(shù)字式角位置伺服回路。在這次設(shè)計(jì)過程中，體現(xiàn)自己能力以及綜合運(yùn)用知識的能力，體會了學(xué)以致用，突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)