伺服系統(tǒng)設(shè)計

課程性質(zhì)：專業(yè)主干課學(xué)時/學(xué)分：54/3.5授課時間：第七學(xué)期授課專業(yè)：自動化先修課程：自動控制原理、電機與拖動、微機原理、電路基礎(chǔ)、模擬與數(shù)字電路、液壓傳動與控制、自動控制元件課程目的與任務(wù)：本課程是一門基礎(chǔ)與工程實踐密切相結(jié)合的專業(yè)課程。其特點是所涉及的知識面寬、實踐性強。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解和掌握一般反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計方法、步驟，了解和掌握控制系統(tǒng)的調(diào)試、試驗研究知識，使學(xué)生獲得分析、解決實際控制系統(tǒng)設(shè)計問題的能力?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計（ControlSystemDesign）1、控制系統(tǒng)設(shè)計課程的特點內(nèi)容特點：

2研究一般反饋系統(tǒng)的設(shè)計方法、步驟，具有通用性；研究控制系統(tǒng)的調(diào)試、試驗研究知識，獲得分析、解決實際控制系統(tǒng)設(shè)計問題的能力，具有實踐性。

1、控制系統(tǒng)設(shè)計課程的特點與自動控制原理的區(qū)別：

3以應(yīng)用為導(dǎo)向，伺服系統(tǒng)的工程分析、設(shè)計研究方法強調(diào)實用，解決實際工程問題。

2、前言什么是自動控制？

自動控制是相對與人工控制而言，指在無人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。自動控制是圍繞著工業(yè)生產(chǎn)的需要而逐步形成和發(fā)展起來的，它可以將人類從復(fù)雜、危險、繁瑣的勞動環(huán)境中解放出來，并大大提高控制效率。目前自動控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會的各個方面。控制系統(tǒng)是指由控制主題、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標和功能的管理系統(tǒng)。它可以按照所期望的方式保持和改變機器、機構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變的量；同時為了使被控對象達到預(yù)定的理想狀態(tài)而實施的，其將使控制對象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。

控制應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)方面：在冶金、化工、機械制造等生產(chǎn)過程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等，都有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。軍事方面：各種類型的伺服系統(tǒng)、火力控制系統(tǒng)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)及其各類仿真器。其他方面：在辦公室自動化、圖書管理、交通管理乃至日常家務(wù)方面，自動控制技術(shù)也都有著實際的應(yīng)用。

3、自動控制技術(shù)的發(fā)展與典型控制系統(tǒng)實例自動控制技術(shù)的發(fā)展反饋控制系統(tǒng)典型實例火力控制1940年前，火力控制的火炮由指揮儀計算飛機的參數(shù)，然后三人控制：方位角，高低角(俯仰角)，引信。所以稱為人工伺服(humanservo)

59式100毫米高炮配用59-01型指揮儀和瞄5型雷達，主要用于對付12千米以內(nèi)的水陸空目標?；鹋谟凶詣印⑹謩用闇史绞?。

1940年后，Sperry公司利用記錄的飛行目標信息直接控制火炮的方位角，俯仰角和火炮的發(fā)射。上圖我國第一艘深潛打撈救生器下圖無纜水下機器人水下機器人穩(wěn)定平臺系統(tǒng)左圖可遙控的自動駕駛儀的波音777飛機

右圖硬盤驅(qū)動系統(tǒng)硬盤伺服系統(tǒng)里邊高速旋轉(zhuǎn)的時候，定位的精度是一個微米，在高速旋轉(zhuǎn)的氣流下，這實際上是擾動很大的，要求高精度。

其它多自由度平臺

1)可以作為航空飛行模擬器，能夠在地面條件下復(fù)現(xiàn)模擬控制飛行的各種狀態(tài)。

2)可以作為機器人的模擬運動機構(gòu)，能夠完成普通機器人不易完成或不能完成的某些運動。

3)在娛樂界可以作為體感模擬娛樂機，諸如UFO，航空航海旅行模擬器等。

4)用作飛機、船舶、潛艇、航天器等運動載體中相關(guān)儀器設(shè)備的試驗。多自由度轉(zhuǎn)臺可以展現(xiàn)各類運載器的搖擺、回轉(zhuǎn)和平移等運動。仿真平臺六自由度搖擺轉(zhuǎn)臺減搖水艙二自由度搖擺臺下左圖：三軸多功能模擬轉(zhuǎn)臺。主要用于慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置、速率與搖擺等試驗。下右圖：三軸多功能轉(zhuǎn)臺。具有位置、速率、搖擺、伺服等功能，慣性系統(tǒng)及慣性元器件測試。上圖：雙軸艇體搖擺臺，主要用于艇體搖擺仿真實驗。

下圖：雙軸伺服轉(zhuǎn)臺，該轉(zhuǎn)臺具有位置、速率、自動階躍翻滾等功能，主要用于高精度測試各種二自由度陀螺漂移。上圖：三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺。主要用于慣測系統(tǒng)的標定、檢測與實驗，具設(shè)有位置、速率、搖擺、仿真等功能。下圖：三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺，與成像制導(dǎo)信息處理器配接，由信息處理輸出為目標方位、俯仰誤差信號，驅(qū)動轉(zhuǎn)臺跟蹤指定目標。可以作測滾運動，模擬導(dǎo)彈在空中飛行的姿態(tài)變化。

經(jīng)典控制理論萌芽階段指南車：利用差速齒輪傳動，根據(jù)車輪的轉(zhuǎn)動，由車上木人指示方向(木人始終指向南方)

發(fā)展階段麥克斯維爾引入微分方程開始對系統(tǒng)進行研究，利用微分方程解決了瓦特蒸汽機速度控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的劇烈振蕩的不穩(wěn)定問題，并提出穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)，開辟了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法研究。時域穩(wěn)定性判據(jù)：勞斯(英國)和胡爾維茨(德國)運用高階微分方程進行系統(tǒng)分析，提出了運用代數(shù)方程系數(shù)判別系統(tǒng)穩(wěn)定的準則，奠定了經(jīng)典控制理論時域分析法的基礎(chǔ)。頻域相應(yīng)分析法：1932年，耐奎斯特提出了頻域相應(yīng)分析法，并建立以頻率特性為基礎(chǔ)的穩(wěn)定性判據(jù)，隨后bode和Nichols進一步發(fā)展，形成了頻域分析法。其與伊萬斯的根軌跡法共同形成經(jīng)典控制理論。4、自動控制理論的發(fā)展經(jīng)典控制理論發(fā)展的標志:1947年維納提出控制論，并推廣反饋概念；

1948年伊萬斯創(chuàng)立的根軌跡分析法。

1954年，錢學(xué)森出版的《工程控制論》經(jīng)典控制理論發(fā)展的需求：二戰(zhàn)期間，自動駕駛儀、火炮定位系統(tǒng)、雷達天線等復(fù)雜的軍用系統(tǒng)對快速跟蹤、精確控制的追求，促進了反饋控制方法在這些系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，促進了經(jīng)典控制理論的發(fā)展，同時也促進了非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和隨機系統(tǒng)的研究。2.現(xiàn)代控制理論60年代發(fā)展起來，并開始應(yīng)用于飛行器控制系統(tǒng)，例如“阿波羅”?，F(xiàn)代控制理論以狀態(tài)變量概念為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計算機分析、綜合復(fù)雜的控制系統(tǒng)，適用于多輸入、多輸出、時變系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)。其解決了系統(tǒng)的能控性、能觀性、穩(wěn)定性和多輸入多輸出復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題?，F(xiàn)代控制理論的核心：多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制、最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識；最優(yōu)控制在發(fā)動機的燃料、轉(zhuǎn)速控制、軌跡修正、航跡控制和自動著落控制等方面取得明顯成果；最優(yōu)估計解決了隨機干擾和隨機控制問題。以1892年李亞普洛夫穩(wěn)定性理論、1964年貝爾曼的最優(yōu)控制理論、1959年卡爾曼提出的卡爾曼濾波器，1961年龐特里亞金的極大值原理的出現(xiàn)，共同形成了完善的基于狀態(tài)空間分析的現(xiàn)代控制理論。70年代，K.J.Astrom等提出自適應(yīng)控制理論，系統(tǒng)辨識、離散時間系統(tǒng)出現(xiàn)，使現(xiàn)代控制理論內(nèi)容大大豐富。80年代，提出控制的魯棒性——現(xiàn)代后控制理論90年代，控制理論發(fā)展呈現(xiàn)多元化格局3.智能控制理論專家室控制、模糊控制、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫算法等。

1、適合于運載器的控制系統(tǒng)，包括飛機、艦船、導(dǎo)彈、運載火箭和人造衛(wèi)星；這些控制系統(tǒng)提供了在大的環(huán)境情況下和系統(tǒng)不確定的情況下穩(wěn)定的跟蹤。2、制造業(yè)中的控制系統(tǒng)，從汽車到集成電路；計算機控制的機器提供高質(zhì)量、高成品率要求的部件和產(chǎn)品精確的定位和裝配.3、工業(yè)過程控制系統(tǒng)，尤其在碳氫化合物和化學(xué)加工工業(yè)方面；這些系統(tǒng)通過監(jiān)控數(shù)以千計傳感器信號，并對數(shù)以百計的閥門、加熱器、泵及其它的傳動裝置做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以保持高的產(chǎn)品質(zhì)量。4、通信系統(tǒng)的控制，包括電話系統(tǒng)、移動電話、及互聯(lián)網(wǎng)；控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)在發(fā)射機與中繼器中的信號功率電平，管理（操縱）網(wǎng)絡(luò)郵件路由設(shè)備的信息包緩沖器，并且提供適合的噪聲消除，對傳輸線特性的變化作出反應(yīng)。

5、成就及影響

6、自動控制技術(shù)未來發(fā)展方向從研究手段、方法和途徑的角度看1、對符號和連續(xù)動力學(xué)兩者兼具的系統(tǒng)控制下一代系統(tǒng)將把邏輯操作與連續(xù)量結(jié)合起來。當(dāng)今的理論對這樣的系統(tǒng)，特別是我們大型系統(tǒng)測量沒被處理調(diào)諧得很好。2、高級協(xié)調(diào)和自治反饋正在越來越多地設(shè)計到企業(yè)的決策系統(tǒng)中，這包括提供一系列管理與后勤、領(lǐng)空管理與空中交通管制，以及軍事指揮與控制系統(tǒng)。魯棒控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計過程必須擴展到這些更高水平的決策系統(tǒng)。

3、分布式的、異步的、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的控制遍布于多個計算元的控制，通過基于信息包的通訊相互連接，為保證穩(wěn)定性，效能及魯棒性將要求新的形式。4、控制運算法的自動綜合，帶有綜合證實與驗證未來的工程系統(tǒng)將需要迅速地設(shè)計、重新設(shè)計，以及執(zhí)行控制軟件的能力。研究人員需要研發(fā)更強有力的設(shè)計工具使整個控制設(shè)計過程從模型到回路硬件仿真，包括系統(tǒng)級軟件的驗證與確認，全部自動化。5、不可靠的部件建造非常可靠的系統(tǒng)，即使當(dāng)個別的部件失效時，大多數(shù)大工程系統(tǒng)必須繼續(xù)工作。這需要設(shè)計允許系統(tǒng)重新自動配置自己，以便使它的性能逐漸地而不是突然地降低。

未來發(fā)展的5個主要領(lǐng)域1、航空、航天、航海與運輸

航空、航天、航海與運輸包含一個非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域集合，其中，控制是一項關(guān)鍵的啟動技術(shù)。這些應(yīng)用領(lǐng)域代表現(xiàn)代世界的全部科技能力的一個重要部分。它們也是它的經(jīng)濟力量的主要的部分，而且它們非常有助于它的人民的幸福?？刂圃谶@些應(yīng)用領(lǐng)域中的歷史角色。

2、機器人技術(shù)和智能機械

機器人技術(shù)和智能機械是指包括帶有類似人類行為的機械的發(fā)展的應(yīng)用集合。然而早期的機器人包括有輪的和有腿的機器可能進行機器人競賽和行星探測，無人飛行器的監(jiān)視和搏斗，及給醫(yī)生提供新能力的醫(yī)學(xué)裝置。未來的應(yīng)用將包括增強自治權(quán)和增加同人類和同社會的相互作用?？刂剖窃谒羞@些應(yīng)用里的一個中心要素并且在將要發(fā)展的下一代智能機器的發(fā)展中更加重要。

3、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)

在多種水平的組織中，從分子的到細胞的到生物的直到一個人，生物學(xué)變得更易于接近工程中常用的方法：數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)理論、計算及綜合的抽象方法。相反地，隨著生物科學(xué)發(fā)展步伐的加速，預(yù)示著在人造系統(tǒng)里重要的實際應(yīng)用的新設(shè)計原理。在生物學(xué)和工程界面的協(xié)同增效，提供了在這兩個領(lǐng)域中迎接挑戰(zhàn)的前所未有的機會?？刂频脑硎巧飳W(xué)工程大多數(shù)關(guān)鍵問題的重點，并且將在這個領(lǐng)域的未來中扮演一個啟動角色。

4、材料及加工

材料、加工制造業(yè)的運轉(zhuǎn)過程需要先進的信息和制造過程控制技術(shù)持續(xù)引入。工業(yè)必須保持低成本、可靠、最好的用戶服務(wù)下交付產(chǎn)品的全球能力。這些新技術(shù)領(lǐng)域包括例如電子，化學(xué)，生物材料薄膜加工領(lǐng)域中的納米技術(shù)，以及為提供一系列管理和企業(yè)資源分配設(shè)計的集成微系統(tǒng)。在這些領(lǐng)域中對新發(fā)展的盈利是巨額的，而且在從半導(dǎo)體、醫(yī)藥制品及大量材料產(chǎn)業(yè)的將來發(fā)展中，控制的使用是關(guān)鍵的。5、信息與網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展為控制提供巨大的機會和挑戰(zhàn)?？砂阉鼈兇致缘胤譃閮蓚€主要領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)的控制和控制網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)是迄今最大的反饋控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的控制是一個大的范圍，包括擁塞控制，郵件路由，數(shù)據(jù)存儲和動力管理。這些控制問題的幾個特征使他們非常富于挑戰(zhàn)性。

另一個是控制問題的分散本質(zhì)：局部與全局。由時變延遲使穩(wěn)定性問題復(fù)雜化。狀態(tài)可能經(jīng)常地不可預(yù)見地變化。

297、主要內(nèi)容第一章緒論一般控制系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)性能分析、系統(tǒng)分類及設(shè)計的一般方法步驟等。307、主要內(nèi)容第二章系統(tǒng)的性能指標及系統(tǒng)的誤差分析和分配控制系統(tǒng)的性能指標、控制系統(tǒng)的誤差分析及其誤差分配重點：元件誤差及誤差分配問題317、主要內(nèi)容第三章系統(tǒng)元件的設(shè)計計算與選型系統(tǒng)負載擾動模型、負載的分析計算；測量元件的類型、選擇；執(zhí)行元件的選擇、放大元件的設(shè)計選擇。重點：系統(tǒng)關(guān)鍵部件的選型。327、主要內(nèi)容第四章系統(tǒng)的建模分析工程建模方法，包括機理建模、試驗建模等常用方法重點：系統(tǒng)工程建模的一般方法。337、主要內(nèi)容第五章系統(tǒng)的綜合校正系統(tǒng)各類性能指標的相互轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)頻域綜合設(shè)計、復(fù)合控制、極點配置法等方法及其數(shù)字化控制技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用重點：頻域校正方法的工程應(yīng)用347、主要內(nèi)容第六章系統(tǒng)調(diào)試