1、1控制系统设计课程讲稿第一章 绪 论 特点与回顾 伺服控制技术的发展 伺服系统的组成原理 伺服系统技术指标 伺服系统设计内容与步骤 特点与回顾 综合性、专业性，知识面宽，内容多而杂 注重实践 和自控原理的比较 什么是伺服系统（Servo System） 控制系统形式 反馈的特点与作用 两类基本反馈控制系统的比较特点与回顾 综合性、专业性，知识面宽，内容多而杂数学、电子线路、电机学、机械基础、控制理论、力学、计算机、液压与气动、电力电子学都要涉及具有穿线的作用 注重实践控制系统设计、实现、调试、试验2 和自控原理的比较 什么是伺服系统（Servo System）随动系统 调节系统是控制系统中的一
2、类系统它用来控制被控对象的转角或位移，使其自动、连续、精确地复现输入指令的变化。（一般具有负反馈闭环）例：雷达系统、机器人机械臂、猎雷声纳平台 控制系统形式 开环和闭环 舵机控制系统 r 主指令信号； y 舵角信号 e = r - y 偏差信号e = 0 时，达到一致。舵角需连续跟踪 r 必须自动克服水流的干扰。令令 令令 令令令y3 反馈的特点与作用特点： 1、连续的检测偏差量；2、回路增益可以较高，使误差很小，输出接近希望值；3、对环境有适应性，抗干扰性强；4、闭开环系统复杂，成本高。作用：（增益、稳定、灵敏度、抗干扰）G(s)H(s)R_ C() ()1()()CsGsRHs1、反馈对增
3、益的影响H(s)=0 时，即为开环，增益为 G(s)H(s)0 时，即为闭环，增益为()1sH1+ G(j )H(j )1 时，增益减小1+ G(j )H(j )1 时，增益增大G(j )H(j )在不同频段都可能出现上面的情况2、反馈对稳定性的影响当 1+G(j )H(j )=0 或特征根分布在右半平面时， （ j ），系统不稳定。通过控制，可使不稳定系统达到稳定4G(s)H(s)F(s)R C_ ()1()()()()GssHFss选择 F(s)是系统稳定例：倒立摆系统已知：杆的质量为 m，车的质量为 M，车为一个自由度，左右 运动；杆有两个自由度，左右运动，绕铰链转动。Myu LfAB0
4、mmg杆旋转运动：2()sincosdIfmgLFt杆垂直直线运动：2coft杆水平直线运动：2(sin)dYLmFt车水平直线运动：2ut当车静止时， u = 0，系统处于不稳定平衡；5加入控制力 u 后，取 很小角运动，有sincos1设状态变量: 1234,xxxyxy 得到状态方程 21 241 40010abxuABuA 的特征根 del(sI-A)=0，有正根，系统不稳定可通过配置系统极点，使系统稳定。3、反馈对系统参数灵敏度的影响工作中，控制系统的元件总是随时间环境变化的。希望这种变化越小越好。灵敏度的定义：G(s)参数可变，(s)对 G(s)的变化的灵敏度为 /()()1()G
5、sGsS sH可以用增大 G(s) H(s)的办法，使 任意小。GS开环时，使按 1：1 相应 G(s)的变化的。4、反馈对外部噪声或扰动的影响它的作用可以削弱外部噪声或扰动的影响6G1 G2HR(s)E(s) N(s) C(s)_H=O 时，也即开环时，有 E(s)=R(s)，则C(s)=G1G2R(s)+G2N(s)= G1G2E(s)+G2N(s)定义：输出信噪比 12()()GEssN信 号 引 起 的 输 出噪 声 引 起 的 输 出增大信噪比的途径:增加 G1，或增加 E(s)/N(s)闭环时，12R+GH=1N信 躁 比在某些情况下，闭环提供了改善信噪比的可能性（开环与闭环形式一
6、样，不直接影响系统信噪比）当 G1 增大到 G1 时，调整 R 到 R,使开环、闭环输出的 C(s)相等C(s) N=O = G1G2 R/(1+ G1G2H)=G1G2RC(s) R=O = G2 N/(1+ G1G2H) 希望它小信噪比 = C(s) N=O/ C(s) R=O = G1(1+ G1G2H)R/N增加了(1+ G 1G2H)项，使提高信噪比有了可能。5、反馈对系统带宽、阻抗、过渡过程及频率特性都有影响 两类基本反馈控制系统的比较控制系统种类很多，分法也各不相同。7按控制形式分：定常控制系统时变控制系统线性控制系统非线性控制系统连续控制系统离散控制系统模拟控制系统数字控制系统
7、按控制目标分：伺服控制系统（随动控制系统） 调节控制系统伺服控制系统（随动系统） 调节控制系统跟踪输入变化，克服负载与噪声干扰使对象保持某一状态两类系统共同点：一般都是反馈控制系统两类系统不同点：四个方面1、输入信号时变、跟踪 、未知、复杂 常值阶跃、已知、简单2、误差特点跟踪误差来源于输入信号的随机变化 广义干扰引起3、过渡过程质量、精度要求过渡过程质量高、快速性好精度高，过程一般4、负载特点负载惯性与摩擦广义干扰你中有我，我中有你8伺服控制技术的发展1944 年，世界上第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室研制成功。（这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统。这种早期伺服系统都是采用交磁电机扩
8、大机直流电动机式的驱动方式。这种系统由于交磁电机扩大机的频响差，电动转动部分的转动惯量以及电气时间常数都比较大，因此，响应比较慢。）第二次世界大战期间，对系统提出了大功率、高精度、快速响应等一系列高性能要求，液压伺服技术迅速发展起来。它表现出无以伦比的快速性、低速平稳性等一系列优点。到 50 年代末期和 60 年代初期，有关电液伺服技术的基本理论日趋完善，从而使电液伺服系统的应用达到了前所未有的高潮。（液压系统存在漏油、维护修理不方便，对油液中的污染物比较敏感，而经常发生故障等缺点。）50 年代中期，机电伺服系统在一些重要元器件的性能上有新的突破，组成了静止式可控整流装置，带来了控制领域的一场
9、技术革命。（尤其是可控的大功率半导体器件晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性上都开始具有明显的优势）70 年代以来，电力电了技术突飞猛进，推出了新一代“全控式”电力电子器件。（如可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、场效应晶体管(PMOSFET)）新材料与电机技术的发展，以脉宽调制结合，大大改善了伺服系统的性能。对传统液压系统形成强有力的挑战，并以极快的速度发展。稀土磁材料的发展和电机制作技术的进步，相继研制出了力矩电机、印刷绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机等性能良好的执行元件，与脉宽调制式装置相配合，使直流电源以 110KHZ 的频率交替地导通和关断
10、，用改变脉冲电压的宽度来改变平均输出电压，从而调节电动机的转速。9力矩电机是一种低速电机，调速范围广、低速平稳性好，最低平稳转速很低。这样可以用电动机直接拖动负载而省掉中间减速器，从根本上避免了齿隙、空回所带来了一系列问题。无槽电机是一种小惯量高速电机，其调速范围比同样功率容量的液压马达还宽，加上机电系统维修简便，成本低廉，形成了对电液伺服系统的有力挑战。大惯量宽调速电动机是一种大扭矩直流伺服电动机，它具有响应快，过载能力强、调速范围宽、在机床伺服进给系统中获得广泛应用。70 年代后期，我国引进了这一机电生产制作技术，初步形成了系列产品。控制理论快速发展伺服系统早先是以经典的频率法进行分析和设
11、计的。以传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论为基础的。50 年代发展了根轨迹法。这种方法是根据闭环传递函数的特征方程的根在复平面上的分布，以及开环传递函数的零点和极点情况来判断增益对系统稳定性、动态特性、带宽等重要指标的影响而进行补偿器的设计。这些方法对于解决多变量时变系统是无能为力的。到 60 年代发展了现代控制理论，适用于多变量时变系统，为计算机在伺服系统中的应用奠定了理论基础。计算机、大规模集成电路的发展，各元器件趋于数字化、集成化，使现代伺服系统朝着高精度、低噪声的方向发展。近年来，数字技术的飞速发展，将计算机与伺服控制系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节已成为现实。在直流
12、伺服系统中，利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、完成系统的管理、监视等任务，使系统向智能化发展。随着大规模集成电路的飞速发展，以及计算机(特别是微处理)在伺服控制系统中的普遍应用，近年来，构成伺服控制系统的重要组成部分伺服元件发生了巨大的变革，并且向着便于计算机控制方向发展。为提高控制精度，便于计算机联接，位置、速度等测量元件趋于数字化、集成化。既使是模拟式的伺服元件亦在向高精度、低噪声的方向发展。10展望未来，新器件、新理论、新技术必将驱使伺服系统朝“智能化”方向发展，赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控制器必将获得广泛应用。伺服系统的组成例：仿型铣床随动系统r(t)为模杆的位移，c(t)是铣刀杆的位移。希望铣刀的运动 c(t)完全复现模杆的运动 r(t)。使得加工出来的零件尺寸和模型一样。 r(t) c(t)R1 R2E e(t)r(t)_ c(t)组成伺服系统的元部件按职能可分为以下六个部分。1.测量元件 其职能是检测被控制的物理量，在随动系统中被测量是角度或位移，而在速度控制系统中被测量是转速或角速度。
