《自動化控制原理與系統(tǒng)》第九章 位置隨動系統(tǒng)

自動化控制原理與系統(tǒng)1自動控制的基本概念系統(tǒng)框圖第九章位置隨動系統(tǒng)9.1位置隨動系統(tǒng)組成及其基本特征9.2位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理9.3位置隨動伺服系統(tǒng)的控制特點與實例分析9.4位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計9.1第九章位置隨動系統(tǒng)9.1.1位置隨動系統(tǒng)的組成位置隨動系統(tǒng)組成及其基本特征

位置隨動系統(tǒng)的主要任務(wù)是控制被控對象的輸出自動、連續(xù)、精確地跟蹤輸入信號的變化，實現(xiàn)所要求的機械位移。位置隨動系統(tǒng)通常是閉環(huán)控制系統(tǒng)，其組成一般可以用圖9－1所示伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖來描述，主要包括檢測裝置、信號轉(zhuǎn)換電路、放大裝置、補償裝置、執(zhí)行機構(gòu)、電源裝置和被控對象等部分。圖9－1伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)9.1第九章位置隨動系統(tǒng)9.1.1位置隨動系統(tǒng)的組成位置隨動系統(tǒng)組成及其基本特征如圖9－2所示是一個電位器式的小功率位置隨動伺服系統(tǒng)的原理圖。圖9－2電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖位置傳感器電壓比較放大器電力電子變換器伺服電機9.1第九章位置隨動系統(tǒng)9.1.1位置隨動系統(tǒng)的組成位置隨動系統(tǒng)組成及其基本特征通過分析上面的例子，可以總結(jié)出位置隨動系統(tǒng)的主要特征如下：位置隨動系統(tǒng)的主要功能是使輸出位移快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定位移。1必須有具備一定精度的位置傳感器，能準(zhǔn)確地給出反映位移誤差的電信號。2電壓和功率放大器以及拖動系統(tǒng)都必須是可逆的。3控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)快速響應(yīng)的要求。4

總體來看，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性是位置隨動系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)都必須具備的，但在動態(tài)性能中，調(diào)速系統(tǒng)多強調(diào)抗擾性，而位置隨動系統(tǒng)則更強調(diào)快速跟隨性能。9.1第九章位置隨動系統(tǒng)9.1.2位置隨動伺服系統(tǒng)的分類位置隨動系統(tǒng)組成及其基本特征1．按組成元件分類分為純電氣系統(tǒng)、電液系統(tǒng)和電氣/氣動系統(tǒng)。2．按系統(tǒng)信號特點分類分為連續(xù)隨動伺服系統(tǒng)、數(shù)字隨動伺服系統(tǒng)和脈沖/相位隨動伺服系統(tǒng)。3．按系統(tǒng)部件輸入輸出特性分類分成線性伺服系統(tǒng)和非線性伺服系統(tǒng)。4．按執(zhí)行元件功率大小分類分為小功率隨動系統(tǒng)，中功率隨動系統(tǒng)和大功率隨動系統(tǒng)。9.1第九章位置隨動系統(tǒng)9.1.3隨動伺服系統(tǒng)的控制方式位置隨動系統(tǒng)組成及其基本特征

誤差控制的系統(tǒng)由前向通道和負(fù)反饋通道構(gòu)成，如圖9－3（a）所示。復(fù)合控制系統(tǒng)將輸入信號的微分和系統(tǒng)誤差綜合形成控制信號，如圖9－3(b)所示。圖9－3（c）所示系統(tǒng)稱為模型跟蹤控制系統(tǒng)。圖9－3位置伺服系統(tǒng)的控制方式（a）誤差控制（b）復(fù)合控制（c）模型跟蹤控制9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.1位置檢測元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理

由于檢測元件的精度直接影響系統(tǒng)的精度，因此一般希望檢測元件精度高、線性度好、靈敏度高。若對小功率系統(tǒng)，還要求檢測元件的慣量和磨擦力矩要小。目前常用的角位移檢測元件有伺服電位器、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器和光電碼盤等。常用的長度（線位移）檢測元件有伺服電位器、差動變壓器和感應(yīng)同步器等。9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.1隨動伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理1．伺服電位器（RP）如圖9－4所示為伺服電位器示意圖，其中RPs為給定電位器，RPd為檢測電位器。圖9－4伺服電位器示意圖

伺服電位器較一般電位器精度高，線性度好，磨擦轉(zhuǎn)矩也小。其特點是線路簡單，慣性小，消耗功率小，所需電源也簡單。9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.1隨動伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理2．自整角機（CT）如圖9－5所示為接觸式自整角機的結(jié)構(gòu)圖和示意圖。圖9－5接觸式自整角機(a)結(jié)構(gòu)圖(b)示意圖9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.1隨動伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理3．光電編碼盤

光電編碼盤（簡稱光電碼盤）也是目前常用的角位移檢測元件。如圖9－7（a）所示為16個等分、四個碼道的4位二進(jìn)制編碼盤。應(yīng)用編碼盤進(jìn)行角位移檢測的示意圖如圖9－7（b）所示。圖9－7光電碼盤及角位移檢測量示意圖（a）二進(jìn)制編碼盤；（b）應(yīng)用光電碼盤測量角位移示意圖9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.1隨動伺服系統(tǒng)的控制方式位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理4．差動變壓器

差動變壓器是電磁感應(yīng)式位移傳感器。它由一個可以移動的鐵芯和繞在它外面的一個一次繞組、兩個二次繞組組成。如圖9－8所示。圖9－8差動變壓器（a）差動變壓器及相敏整流電路（b）差動變壓器輸出特性9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.2執(zhí)行元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理1．直流伺服電動機

直流伺服電動機是自動控制系統(tǒng)中常用的一種執(zhí)行元件，它的作用是將控制電壓信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度輸出，通過改變控制電壓的極性和大小能變更伺服電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速對時間的積累便是角位移。

直流伺服電動機實質(zhì)上是一臺他勵式直流電動機，但它與普通直流電動機相比，有更特殊的控制性能要求：①寬廣的調(diào)速范圍；②線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性；③無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即要求控制電壓為零時，電動機能自行停轉(zhuǎn)；④快速響應(yīng)，即電動機的轉(zhuǎn)速能迅速響應(yīng)控制電壓的改變。交流伺服電動機的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應(yīng)快，運行可靠，維護方便。但它的機械特性與調(diào)節(jié)特性線性度差，效率低，體積大，所以常用于小功率伺服系統(tǒng)中。9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.2執(zhí)行元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理2．交流伺服電動機

交流伺服電動機也是自動控制系統(tǒng)中一種常用的執(zhí)行元件。它實質(zhì)上是一個兩相感應(yīng)電動機。常用的一種控制方式是在勵磁回路串接電容C，如圖9－9所示。圖9－9交流伺服電動機的電路圖9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.2執(zhí)行元件位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理3．高性能伺服電動機

一般的交、直流伺服電動機，在低速性能和動態(tài)指標(biāo)上，往往不能滿足高精度和快速隨動系統(tǒng)的要求。因此，在后來人們又研制出了小慣量無槽直流電動機（它的特點是轉(zhuǎn)動慣量小，快速性能好）和寬高速力矩電動機（它的特點是低速轉(zhuǎn)矩大，運行平穩(wěn)）等高性能伺服電動機。9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.3相敏整流與濾波電路位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理

如圖9－11所示為另一種由Ⅰ、Ⅱ兩組二極管橋式整流電路組成的相敏整流電路。圖9－11相敏整流與濾波電路9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.3相敏整流與濾波電路位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理

相敏整流電路的輸出電壓U0為兩組整流橋輸出的疊加。由圖9－12可見，兩組輸出電壓極性相反，所以U0＝U′1-U′2。當(dāng)角差△θ>0時，Us與Uⅰ同相，如圖9－12（a）所示。同理，當(dāng)△θ<時，則Us與U1反相，如圖9－12（b）所示。圖9－12相敏整流電路的輸入電壓與輸出電壓波形9.2第九章位置隨動系統(tǒng)9.2.4放大電路位置伺服系統(tǒng)的部件功能及工作原理1．電壓放大電路2．功率放大電路

電壓放大通常采用由運算放大器組成的放大電路。有時電壓放大環(huán)節(jié)與串聯(lián)校正環(huán)節(jié)合在一起，采用由運算放大器組成的調(diào)節(jié)器。

供電給電動機的電路通常就是功率放大電路，由于隨動系統(tǒng)需要消除可能出現(xiàn)的正、負(fù)兩種位移偏差，需要電動機能正、反兩個方向可逆運行，因此供電電路通常是可逆供電電路。目前采用較多的是由晶閘管組成的可逆供電電路或由大功率晶體管（GTR）組成的PWM供電電路。9.3第九章位置隨動系統(tǒng)9.3.1系統(tǒng)組成原理圖位置隨動伺服系統(tǒng)的控制特點與實例分析如圖9－13所示是一個小功率晶閘管交流調(diào)壓位置隨動伺服系統(tǒng)。圖9－13晶閘管交流調(diào)壓位置隨動伺服系統(tǒng)9.3第九章位置隨動系統(tǒng)9.3.2系統(tǒng)組成框圖位置隨動伺服系統(tǒng)的控制特點與實例分析位置隨動系統(tǒng)方框圖如圖9－14所示。圖9－14位置隨動系統(tǒng)方框圖9.3第九章位置隨動系統(tǒng)9.3.3系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)過程位置隨動伺服系統(tǒng)的控制特點與實例分析在穩(wěn)定時，θi＝θ0，△U＝0，電動機停轉(zhuǎn)。位置隨動系統(tǒng)輸出的角位移θ0將隨給定的θⅰ變化而變化。θi↑→Uθ↓→△U＝K（θi－θ0）>0→Uk1>0→VT正導(dǎo)通→電機正轉(zhuǎn)→θ0↑調(diào)節(jié)過程如下：9.4第九章位置隨動系統(tǒng)9.4.1系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能分析位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計

系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差包括輸入穩(wěn)態(tài)誤差essr(跟隨穩(wěn)態(tài)誤差)和擾動穩(wěn)態(tài)誤差essd兩部分組成，與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)有關(guān)，而且還與作用量的大小、作用點有關(guān)。

隨動系統(tǒng)的輸入量不斷變化，典型輸入信號有階躍信號、等速信號、等加速信號，隨動系統(tǒng)的主要穩(wěn)態(tài)誤差是跟隨穩(wěn)態(tài)誤差其中，λ為前向通道積分環(huán)節(jié)個數(shù)，K為開環(huán)增益。

分析可知，積分個數(shù)λ多，放大倍數(shù)K大，穩(wěn)態(tài)性能好，但同時K增大將導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。，9.4第九章位置隨動系統(tǒng)9.4.2系統(tǒng)的動態(tài)性能分析位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計

對于一個系統(tǒng)，除了要滿足穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能外，還要求有較好的動態(tài)性能。對于隨動系統(tǒng)，一般希望超調(diào)量小，調(diào)整時間短，振蕩次數(shù)小。例：如圖9－16所示為具有負(fù)反饋的隨動系統(tǒng)框圖。其中，求單位階躍作用下系統(tǒng)的動態(tài)性能。，，圖9－16位置負(fù)反饋隨動系統(tǒng)9.4第九章位置隨動系統(tǒng)9.4.2系統(tǒng)的動態(tài)性能分析位置伺服系統(tǒng)的控制性能分析與校正設(shè)計

解：系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)該系統(tǒng)為典型的階系統(tǒng)，其中，，

由公式及，可求得系統(tǒng)的超調(diào)量，，由此可知系統(tǒng)的動態(tài)性能不佳，有待改進(jìn)。由公式可知，與均和系統(tǒng)的阻尼比成反比，因此應(yīng)該設(shè)法增大系統(tǒng)的阻尼比，從而降低和。本章小結(jié)第九章位置隨動系統(tǒng)1.在自動控制中，為了解決許多要求具有一定精度的位置控制問題，必須引人位置伺服系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的特點是:輸入量是隨時間變化的函數(shù)，要求系統(tǒng)的輸出量能以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化。在位置伺服隨動系統(tǒng)中，擾動的影響是次要的，重點是研究輸出量跟隨的快速性和準(zhǔn)確性。2.位置隨動系統(tǒng)的另一個特點是可以用功率很小的輸入信號操縱功率很大的工作機械(只要選用大功率的功放裝置和電動機即可)，此外還可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。3.隨動伺服系統(tǒng)的組成主要包括檢測元件、電壓和功率放大、執(zhí)行機構(gòu)等部分。常用的線位移檢測元件有電位器和差動變壓器，常用的角位移檢測元件有伺服電位器、自整角