運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型

（優(yōu)選）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型第一頁(yè)，共二十三頁(yè)。6.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型第二頁(yè)，共二十三頁(yè)。拉普拉斯變換拉普拉斯算子第三頁(yè)，共二十三頁(yè)。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)。性能測(cè)量指令響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間是用從階躍的前沿到反饋為指令值的5%（有時(shí)是2%）時(shí)刻之間的時(shí)間來(lái)量度的。帶寬是增益下降到-3dB，或者下降到原增益的70%所對(duì)應(yīng)的頻率。調(diào)節(jié)時(shí)間與帶寬的關(guān)系：增益用來(lái)測(cè)量輸入與輸出的幅值之間的差異；相位描述輸入與輸出之間的時(shí)間移動(dòng)。第五頁(yè)，共二十三頁(yè)。超調(diào)量表征響應(yīng)的峰值對(duì)指令信號(hào)改變量的比值，可接受范圍為0%～30%。凸峰描述的是系統(tǒng)增益在開始減小前增大了的現(xiàn)象，允許范圍為0～4dB。階躍響應(yīng)頻率響應(yīng)穩(wěn)定性穩(wěn)定系統(tǒng)臨界穩(wěn)定系統(tǒng)第六頁(yè)，共二十三頁(yè)。不穩(wěn)定需要兩個(gè)條件：符號(hào)反向及整個(gè)控制回路總增益為1。第七頁(yè)，共二十三頁(yè)。穩(wěn)定裕度相位裕度（PM,PhaseMargin）:PM由處于增益穿越頻率時(shí)的相位來(lái)定義（在該處增益為0dB），PM是實(shí)際相位與-180°之差。增益裕度（GM，GainMargin）:GM定義為相位穿越頻率處的增(該頻率處系統(tǒng)相位為-180o)，GM實(shí)際增益與0dB之差。經(jīng)驗(yàn)表明，增益裕度應(yīng)為10~25dB，而相位裕度應(yīng)為35o~80o。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)。PI控制律,比例項(xiàng)提供穩(wěn)定性與高頻響應(yīng),積分項(xiàng)確保平均誤差趨向于0；功率變換器模型是一個(gè)低通濾波器，通常為二極點(diǎn)低通濾波器；被控對(duì)象一般為積分器G/s=G/(j2π

f)=-jG/(2π

f)，j的增益為1（0dB),相位為90°，由于有-j項(xiàng)，故G/s的相位恒為-90°；反饋環(huán)節(jié)也被作為一個(gè)低通濾波器模型，通常用雙極點(diǎn)濾波器。PI控制系統(tǒng)第九頁(yè)，共二十三頁(yè)。

數(shù)字控制器延遲的影響

1、采樣-保持延遲用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)速度估計(jì)延遲由位置估計(jì)速度產(chǎn)生的計(jì)算延遲，由于執(zhí)行控制律需要時(shí)間第十頁(yè)，共二十三頁(yè)。Z域Z的定義為也就是延遲運(yùn)算。從最嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，s域用于連續(xù)系統(tǒng)，z域用于采樣系統(tǒng)。第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)。第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)。PID控制器

P控制比例控制器是最基本的控制器，其控制律很簡(jiǎn)單：控制量∝偏差，運(yùn)行簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。P控制律的主要缺點(diǎn)是它存在穩(wěn)態(tài)誤差，在存在固定擾動(dòng)時(shí)形成固定偏差。比例系統(tǒng)的閉環(huán)Bode圖(186Hz帶寬，0dB凸峰)比例系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖(65oPM，12.1dB

GM)第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)。I控制P控制器存在穩(wěn)態(tài)誤差的這一主要缺點(diǎn)，可通過(guò)在控制律中增加一個(gè)積分增益來(lái)校正。積分增益提供穩(wěn)態(tài)和低頻抗偏差能力。I增益越大，穩(wěn)態(tài)抗偏差能力越強(qiáng)，但超調(diào)量也會(huì)越大。PI控制器的閉環(huán)Bode圖(206Hz帶寬，1.3dB凸峰)PI控制器的開環(huán)Bode圖(56oPM，11.7dB

GM)第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)。D控制D增益借助于微分的90°超前相位提前了控制回路的相位。使用D增益通常能提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力。微分增益缺點(diǎn)：在高頻時(shí)微分有高的增益值，出現(xiàn)明顯的高頻振蕩。微分增益的另一個(gè)問(wèn)題是微分對(duì)噪聲很敏感。PD控制器的閉環(huán)Bode圖(353Hz帶寬，0dB凸峰)PD控制器的開環(huán)Bode圖(63oPM，8.8dB

GM)第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)。比例增益設(shè)置了控制器性能的邊界，積分增益改善了系統(tǒng)在低頻區(qū)的性能，微分增益可以大大改善系統(tǒng)在高頻區(qū)的性能。PID控制器的閉環(huán)Bode圖(359Hz帶寬，1.0dB凸峰)PID控制器的開環(huán)Bode圖(55oPM，8.5dB

GM)PID控制第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)。前饋前饋是利用有關(guān)對(duì)象的知識(shí)來(lái)改善指令信號(hào)的響應(yīng)。在前饋路徑中，指令信號(hào)在控制律之前經(jīng)過(guò)處理，采用前饋時(shí)指令響應(yīng)不再依賴于控制回路帶寬?；趯?duì)象的前饋第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)。指令響應(yīng)Bode圖表明前饋增大了系統(tǒng)帶寬第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)。濾波器濾波器廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)，用來(lái)消除噪聲、減小混疊、衰減諧振。控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)的濾波器是低通濾波器，它們用來(lái)消除來(lái)自于不同噪聲源的噪聲：電氣互連（干擾）、分辨率限制、電磁干擾(EMI)以及反饋裝置中的固有噪聲。低通濾波器的主要缺點(diǎn)是它會(huì)給控制系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性是通過(guò)引起增益穿越頻率處的相位滯后引入的。控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的7種濾波器第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)。低通濾波器低通濾波器能衰減所有高于特定頻率的信號(hào)。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)。二極點(diǎn)低通濾波器的Bode圖陷波濾波器的Bode圖第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)。單運(yùn)動(dòng)軸控制多軸運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都需要執(zhí)行許多控制功能。第一，輪廓發(fā)生器必須能產(chǎn)生位置輪廓指令信號(hào)的時(shí)間序列，即位置指令信號(hào)序列與時(shí)間的關(guān)系代表位置輪廓。第二，