1、第六章第六章机电一体化系统机电一体化系统机电有机结合分析与设计机电有机结合分析与设计 讲授：郑海明讲授：郑海明机机 械械 工工 程程 系系 重点学习：重点学习：机电有机结合的机电有机结合的稳态设计稳态设计考虑方法考虑方法 机电有机结合的机电有机结合的动态设计动态设计考虑方法考虑方法 在机电位置在机电位置/速度控制系统，一般可直接速度控制系统，一般可直接或者间接经机械变换机构（减速器、丝杠或者间接经机械变换机构（减速器、丝杠螺母机构）来驱动被控制对象。螺母机构）来驱动被控制对象。主要任务主要任务：是围绕被控制对象的具体要是围绕被控制对象的具体要求，采用合理的设计方法，寻求最终获取求，采用合理的设
2、计方法，寻求最终获取机械运动规律和运动性能指标参数。机械运动规律和运动性能指标参数。学习方法学习方法：结合典型的机电控制系统设结合典型的机电控制系统设计，掌握机电系统设计的基本方法和手段。计，掌握机电系统设计的基本方法和手段。第一节第一节 机电有机结合设计概述机电有机结合设计概述 机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互机电参数相互匹配、即机电有机结合的过程匹配、即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从
3、而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案。在进行系统方案设计时，需要考虑以下方面的问题：1系统闭环与否的确定系统闭环与否的确定 当系统负载不大，精度要求不高时，可考虑开环控制；当系统精度要求较高或负载较大时，开环系统往往满足不了要求，这时要采用闭环或半闭环控制系统。一般情况下，开环系统的稳定性不会有问题，设计时仅考虑满足精度方面的要求即可，并通过合理的结构参数匹配，使系统具有尽可能好的动态响
4、应特性。2执行元件的选择执行元件的选择 选择执行元件时应综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本性、可靠性以及体积、成本等多方面的要求。一般来讲，对于开环系统可考虑采用步进电动机、电液脉冲马达和伺服阀控制的液压缸和液压马达等，应优先选用步进电动机。对于中小型的闭环系统可考虑采用直流伺服电动机、交流伺服电动机，对于负载较大的闭环伺服系统可考虑选用伺服阀控制的液压马达等。6.1 机电有机结合设计概述机电有机结合设计概述 3 3传动机构方案的选择传动机构方案的选择 传动机构是执行元件与执行机构之间的一个连接装置，用来进行运动和力的变换与传递
5、。在伺服系统中，执行元件以输出旋转运动和转矩为主，而执行机构则多为直线运动。用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条齿轮齿条和丝杠螺母丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者因结构简单、制造容易而应用广泛。4 4控制系统方案的选择控制系统方案的选择 控制系统方案的选择包括微型机、电动机控制方式、驱动电路等的选择。常用的微型机有单片机、单板机、工业控制微型机微型机有单片机、单板机、工业控制微型机等，其中单片机由于在体积、成本、可靠性和控制指令功能等许多方面的优越性，在伺服系统的控制中得到了广泛
6、的应用。6.1 机电有机结合设计概述机电有机结合设计概述 6.1 机电有机结合设计概述机电有机结合设计概述此外还包括各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法需能源形式、校正补偿方法，及信号转换的方式信号转换的方式等。该方案通常只是一个初步的轮廓，有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括:稳态设计稳态设计 初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动确定，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。态设计做好准备。主要是设计校正
7、补偿装置，使系统满足动态主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或 借助计算机进行辅助设计。借助计算机进行辅助设计。动态设计动态设计 通过上述理论设计计算，完成的还仅是一个较详细的设计方案，这种工程设计计算一般是近似的近似的，只能作为工程实践的基础。系统的实际电路及实际参数，往往要通过样机的试验与调试样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并不等于以上设计计算是多余的，因经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这有利于减少盲目性减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定加快样机的调试与电路参数的确定，对工程
8、实践是必需的。此外，随着机电一体化技术的发展，机电一体化系统（产品）的自动化程度越来越高。为满足人们生活和生产安全、可靠地使用要求，在机电一体化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意其可靠性、安全性设计要求注意其可靠性、安全性设计要求。6.1 机电有机结合设计概述机电有机结合设计概述 机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法 在机电伺服系统主要元件选择或设计、在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连接方式、系统控制方式、各部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行号转换方式等初
9、步确定的基础上，进行机电系统总体方案的稳定性设计机电系统总体方案的稳定性设计静静态设计，为机电系统的动态设计创造条态设计，为机电系统的动态设计创造条件。件。重点研究：重点研究：系统自身的稳态特性（假系统自身的稳态特性（假设无外界干扰）设无外界干扰）使控制被控对象能完成所需要的机械使控制被控对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动即进行机械系统的运动学运动学、动力学动力学分析分析以及计算，保障整个机电一体化系以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能。统的整体性能。信号的有效传递。信号的有效传递。各级增益的分配。各级增益的分配。各级之间阻抗的匹配和各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。
10、所采取的抗干扰的措施。系统总体方案的确定。系统总体方案的确定。使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。执行元件的参数选择。执行元件的参数选择。功率（力功率（力/力矩）匹配以及过载能力的验算。力矩）匹配以及过载能力的验算。各主要元件的选择与控制电路的设计。各主要元件的选择与控制电路的设计。（1）负载分析。）负载分析。（2）执行元件匹配选择。）执行元件匹配选择。（3）机械传动比选择与各）机械传动比选择与各级减速比确定原则。级减速比确定原则。（4）检测传感装置、信号）检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。电源匹配与设
11、计。（5）机电系统数学模型的）机电系统数学模型的建立。建立。（6）分析研究系统的稳态）分析研究系统的稳态特性。特性。单位阶跃响应系统的稳态特性单位阶跃响应系统的稳态特性（1）典型负载形式）典型负载形式 无论被控制对象的运动形式如何，负载无论被控制对象的运动形式如何，负载形式及其特点千差万别，归纳起来具有一形式及其特点千差万别，归纳起来具有一些共性负载些共性负载典型负载。典型负载。包括：包括：惯性负载惯性负载、外力负载外力负载、内力负载内力负载、弹性负载弹性负载、摩擦负载摩擦负载。目的目的：获取负载特征参量。获取负载特征参量。方法方法：综合负载特性，进行有效组合，：综合负载特性，进行有效组合，获
12、取必要负载特征参量。为系统执行元件，获取必要负载特征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设计，系统进行机械变换机构等的选用或设计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。稳定性设计和动态设计创造条件。惯量和负载转换的作用惯量和负载转换的作用：为使所选择执行元件（功率、力为使所选择执行元件（功率、力/力力矩、运动参量）与被控对象的固有参矩、运动参量）与被控对象的固有参数（质量、转动惯量、运动参数）等数（质量、转动惯量、运动参数）等相匹配，将输出轴各部分的惯量和负相匹配，将输出轴各部分的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便载转换到执行元件的输出端，以便。JJ23i电动机1J4i12J 无论
13、机械传动或变换元件是直线运动还是无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动，应用回转运动，应用的原理，可进的原理，可进行等效转动惯量的计算。行等效转动惯量的计算。能量守恒：能量守恒：E=EkTjjJkjnjnjmiViiF2121kjmijkimiikcqJvmJ等效惯量：21212121jmijimiiJvmE能量综合：212kkcqkEJ等效能量：无论外部或内部负载是力还是力矩，应用无论外部或内部负载是力还是力矩，应用，可进行等效负载转矩的计算。，可进行等效负载转矩的计算。mjjjmiiitTtvFW11虚功：tTWkkeqK等效虚功：mjkjjmikiikeqTvFT11/等效转矩：W
14、WK能量守恒：伺服系统是由若干元部件组成的，其伺服系统是由若干元部件组成的，其中有些元部件已有系列化商品供选用。中有些元部件已有系列化商品供选用。为降低机电一体化系统的成本，缩短设为降低机电一体化系统的成本，缩短设计与研制周期，计与研制周期，应尽可能选用标准化零应尽可能选用标准化零部件部件。拟定系统方案时，首先确定执行元件拟定系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条件的要求进行的类型，然后根据技术条件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。匹配的执行元件。执行元件的匹配选择主要包括执行元件的匹配选择主要包括转矩匹转矩匹配配、功率匹
15、配功率匹配、过热保护系数过热保护系数和和过载保过载保护系数验算护系数验算四部分。四部分。直流电机直流电机步进电机及驱动步进电机及驱动步进电机基本结构步进电机基本结构TTTmeq惯 考虑机械传动效率，则执行元件的等效考虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩：输出转矩：注意：执行元件为伺服电动机时，电动注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。机工作区域应在恒转矩输出调速区内。测算执行元件输出轴上的等效转矩测算执行元件输出轴上的等效转矩 （摩（摩擦负载和工作负载）和等效惯性转矩擦负载和工作负载）和等效惯性转矩T惯的总的总和。和。kcqT/)(/TTTmeq惯 电机功率的
16、合理确定是执行元件选择电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。的重要参数之一。主要依据电机的等效负载和最高转速主要依据电机的等效负载和最高转速确定。确定。常用下式进行预选。常用下式进行预选。maxmax55.9TnJTPmmeqmeq 再通过过热验算和过载验算，最终确再通过过热验算和过载验算，最终确定电机的功率。定电机的功率。电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法（励磁磁通近似不变）计算电时，应用等效法（励磁磁通近似不变）计算电机的等效转矩（平均转矩）。机的等效转矩（平均转矩）。电机不产生过热的条件为：电机不产生过热的条件为：，211
17、22121tttTtTTeqeqNTTeqNPP mNkTTmax 减速比匹配的减速比匹配的目的目的是可最终获得被控制对象是可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。的运动规律和运动速度要求。（1）减速比匹配选择的一般原则要求减速比匹配选择的一般原则要求 在第在第2章中，提到了机械传动减速比的分配章中，提到了机械传动减速比的分配原则，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、原则，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动传动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动的减速比。的减速比。JJ23i电动机1J4i12J 本节提到的减速比匹配本节提到的减速比匹配及分配，及分配
18、，是以满足控制是以满足控制对象的运动特性、加速对象的运动特性、加速特性和动力特性为准则特性和动力特性为准则。即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、特殊要求等综合分析选择确定，减速比的确特殊要求等综合分析选择确定，减速比的确定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足脉冲当量（分辨率）与进给角之间的相应关脉冲当量（分辨率）与进给角之间的相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大等要求最大等要求。（2）各级减速比的
19、分配原则）各级减速比的分配原则与方法与方法 1）按加速度最大原则选择减速比按加速度最大原则选择减速比当要求输入信号变化快、响应快、加速度大当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按下式决定减速比时，应按下式决定减速比 i：212mLmLFmLFJJTTTTi 在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，可按下式确定减速比可按下式确定减速比 i：21122ffTTTTimLFmLF负载的粘性摩擦系数电动机的粘性摩擦系数21ffoli3600maxninkki1max即即 最小原则：最小原则：在速度和加速度有要求时，除按加速度最大在速度和加速度有要求时，除按
20、加速度最大原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速比。比。mLimax 注意：应用上述方法确定机械传动部分的注意：应用上述方法确定机械传动部分的减速比，不能单一应用某一种方法，应用多减速比，不能单一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析，结合被控制对象的具体种方法，综合分析，结合被控制对象的具体情况，在依据减速比的分配原则（第情况，在依据减速比的分配原则（第2章），章），最终确定机械传动总减速比和各级减速比。最终确定机械传动总减速比和各级减速比。要达到机电一体化系统设计的主要
21、性能指标要达到机电一体化系统设计的主要性能指标（功能指标），系统稳态设计的重点在伺服系（功能指标），系统稳态设计的重点在伺服系统的稳态设计，主要涉及两方面内容：统的稳态设计，主要涉及两方面内容：信号处理与转换、功率放大信号处理与转换、功率放大与驱动、系统电源匹配等。与驱动、系统电源匹配等。信号检测、信号处理与误差信号检测、信号处理与误差传递、动态计算与调整电路设传递、动态计算与调整电路设计（正补偿设计、辅助电路设计（正补偿设计、辅助电路设计）等。计）等。最终使系统在输入信号作用最终使系统在输入信号作用下，其输出具有收敛特性。下，其输出具有收敛特性。主要包括功能部件的选择与设计（不含执行主要包括
22、功能部件的选择与设计（不含执行元件）元件）1）检测传感装置的选择检测传感装置的选择 依据被检测对象的类型，考虑依据被检测对象的类型，考虑传感器的精度传感器的精度（分辨率）、不灵敏区、工作范围、输入（分辨率）、不灵敏区、工作范围、输入/输出输出特性（线性）、信号的转换、信噪比、转动惯特性（线性）、信号的转换、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等，合理选择量和摩擦特性、稳定性和可靠性等，合理选择传感器。传感器。32411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理同步感应器的工作原理同步感应器的工作原理输 出 信 号励 磁 电 源654SS3NNS
23、SS7NN1SNN200abx磁栅位移传感器磁栅位移传感器光电编码传感器光电编码传感器MI0RLV0测速发电机速度传感器测速发电机速度传感器透 镜光 源光 电 器 件带 缝 隙 圆 盘指 示 缝 隙 盘光电脉冲转速传感器光电脉冲转速传感器引出线3质量块1 壳体压电晶片m4 2 压电式加速度传感器3241C12C空气阻尼式加速度传感器a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR应变片测力传感器 尽可能选用标准、通用、商业集成元件作尽可能选用标准、通用、商业集成元件作为信号转换电路的核心元件设计接口电路。为信号转换电路的核心元件设计接口电路。重点考
24、虑输入输出通道数，通道类型，通道重点考虑输入输出通道数，通道类型，通道阻抗与连接元件阻抗之间的匹配等。阻抗与连接元件阻抗之间的匹配等。驱动电路设计通常分为两部分：信号处理驱动电路设计通常分为两部分：信号处理与功率放大（提高信号品质为主），功率放与功率放大（提高信号品质为主），功率放大（增大能量为主）。大（增大能量为主）。具体要求：具体要求：a）最后输出级的功率应与执行元件功率（电流、最后输出级的功率应与执行元件功率（电流、电压、容量、额定值）相匹配。电压、容量、额定值）相匹配。输出阻抗小输出阻抗小、效率高效率高、时间常数小时间常数小。b）为为执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。执行元件的正常
25、运转提供必要的适宜条件。制动条件制动条件、限流保护条件限流保护条件等。等。c c）放大器应有足够的线性范围，保障执行元件的放大器应有足够的线性范围，保障执行元件的容量得以正常发挥。容量得以正常发挥。d）输入级应与检测传感器相匹配。输入级应与检测传感器相匹配。输入阻抗大，可减轻检测传感器的负荷。输入阻抗大，可减轻检测传感器的负荷。e e）放大器要有足够的放大倍数，工作特性稳定可放大器要有足够的放大倍数，工作特性稳定可靠、易于调整等。靠、易于调整等。电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形式和要求不同的限制，电源供给统一是困输入形式和要求不同的限制，电
26、源供给统一是困难的。但是、在设计电源系统时，应尽可能地作难的。但是、在设计电源系统时，应尽可能地作到电源的输出类型要少，在电源参量输出具有到电源的输出类型要少，在电源参量输出具有足足够稳定性（电压、频率）的同时够稳定性（电压、频率）的同时，要采取保护措，要采取保护措施，施，防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、短路等非正常品质电源的输入对系欠压、过流、短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。统的影响。常用措施：常用措施：滤波、隔离、屏蔽干扰信号；稳压、滤波、隔离、屏蔽干扰信号；稳压、限压、限流、断电保护和短路保护。限压、限流、断电保护和短路
27、保护。此外，要有为系统服务的自检电路、显示与此外，要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。总之，系统设计牵涉的知识面较广，操作装置。总之，系统设计牵涉的知识面较广，每一个环节均要给予充分注意。每一个环节均要给予充分注意。机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种多机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种多样的，但从控制系统工作原理上讲，主要分为样的，但从控制系统工作原理上讲，主要分为开环开环控制控制、半闭环控制半闭环控制、闭环控制闭环控制三类数学模型。三类数学模型。下面结合典型实例进行学习。下面结合典型实例进行学习。（1）开环控制系统）开环控制系统 开环控制比较简单，前面已学习。开环控制比较简
28、单，前面已学习。传递函数数学模型为：传递函数数学模型为：（2）半闭环控制系统）半闭环控制系统 如图如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统 memesGGGG(t)ii2D工作台ViFii1滚珠丝杠传感器电动机1前置放大功放U(t)i测速发电机 Ka前置放大器增益；前置放大器增益；KA功率放大器增益；功率放大器增益；Kv速度反馈增益；速度反馈增益；Tm直流伺服电机时间常数；直流伺服电机时间常数；i1、i1减速比；减速比；Kr位置传感器增益；位置传感器增益；Vi(s)输入电压的拉式变换；输入电压的拉式变换；i(s)丝杠输出转角的拉式变换。丝杠输出转角的拉式变换。i
29、V(s)GG12G34GKAKamKmS（1+T S）i11K SGVG6Kr2i15Gi765432173243211)()()(GGGGGGGGGGGGGsVssGii)/()1(/2121i iKKKKsKKKsTiKKKrmAaVmAmmAa1）无外界干扰时的传递函数数学模型）无外界干扰时的传递函数数学模型 附加扰动力矩（电压附加扰动力矩（电压VD表示）的系统框图表示）的系统框图 附加扰动力矩等效电压后的系统框图附加扰动力矩等效电压后的系统框图 )/()1()/()()()()(21210i iKKKKsKKKsTiKRRKsVssGrmAaVmAmTamiiiG52S（1+T S）G
30、K SKGV7A2m3GmK(s)11i4G1iG6GKKV(s)ira1TAK KR+R0ADV(s)AK KTA0R+RV(s)DKAS（1+T S）mmK1i1iKaKi1r1K SV传递函数数学模型：传递函数数学模型：i滚珠丝杠电动机D1位置检测传感器前置放大功放Fi工作台i速度环位置环微机测速发电机V(s)iaK1GG5S（1+T S）GG7K SVAK2Gm3mG4G(s)jX(s)iKb)()1()()()()(2sGKKKKsKKKsTsGKKKsVsXsGjbmAaVmAmjmAaiil 4.4.工作台进给系统的主谐振频率工作台进给系统的主谐振频率l 对于带非刚性轴的传动系统
31、，上述完整的传递函数必然是对于带非刚性轴的传动系统，上述完整的传递函数必然是高阶的。而在控制系统应用中，往往感兴趣的是机械传动系统高阶的。而在控制系统应用中，往往感兴趣的是机械传动系统的的主谐振频率主谐振频率。现就其主谐振频率的求法分析如下：。现就其主谐振频率的求法分析如下：根据上面拉氏变换得到的方程，可画出如下图所示根据上面拉氏变换得到的方程，可画出如下图所示的简化系统框图。通过系统框图的进一步简化可得系统的简化系统框图。通过系统框图的进一步简化可得系统的传递函数为的传递函数为:本小节掌握的主要内容是本小节掌握的主要内容是通过对系统负载和传动系统分通过对系统负载和传动系统分析匹配，执行元件和
32、传感元件析匹配，执行元件和传感元件等的合理选用与匹配设计，采等的合理选用与匹配设计，采用一定的总体设计方法和步骤，用一定的总体设计方法和步骤，最终得到系统的传递函数最终得到系统的传递函数稳稳态设计的数学模型。态设计的数学模型。机电一体化伺服系统的稳态设计只是初步确机电一体化伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，还很不完善。在稳态设计基定了系统的主回路，还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此必须进一态品质的要求，甚至是不稳定的。为此必须进一步进行系统的动态设计。步进行系统的动态设计。系
33、统动态设计方法系统动态设计方法：在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基础上，选择系统的控制方式和校正（或误差补偿）础上，选择系统的控制方式和校正（或误差补偿）形式，有效地与稳态设计所建立的数学模型（传形式，有效地与稳态设计所建立的数学模型（传递函数）系统相融合，构成具有误差补偿作用的递函数）系统相融合，构成具有误差补偿作用的反馈调节系统，达到稳定工作和满足被控制对象反馈调节系统，达到稳定工作和满足被控制对象的各项动态指标要求。的各项动态指标要求。系统动态设计的目的：系统动态设计的目的：在稳态设计的基础上，保证系统的在稳态设计的基础上，保证系统的动态动态
34、稳定性、过渡过程的品质（响应特性、振稳定性、过渡过程的品质（响应特性、振荡特性等）、动态稳定精度，动态响应特荡特性等）、动态稳定精度，动态响应特性等指标参数。性等指标参数。l动态设计的主要方法或手段动态设计的主要方法或手段：为保证系统动态稳定各指标参数的误差为保证系统动态稳定各指标参数的误差（精度），常用的设计方法有（精度），常用的设计方法有校正（或误校正（或误差补偿）法差补偿）法、波德（波德（BodeBode）图法）图法、根轨迹根轨迹图法图法等。等。（1 1）伺服系统动态稳定性分析与过渡过程）伺服系统动态稳定性分析与过渡过程 对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。对于任何系统，动态稳定过
35、程主要有三种情况。即：即：指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出发指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出发散没有稳定值，系统输出振荡最终能趋于稳定值。散没有稳定值，系统输出振荡最终能趋于稳定值。系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。系统在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。第一种情况：第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大（加速度系统直接趋于稳定，刚性大（加速度大），无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统大），无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的调节。性能参量的调节
36、。第二种情况第二种情况：系统振荡发散不稳定。：系统振荡发散不稳定。第三种情况第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统刚性较小，但惯量较大，过渡阶段误差教小，利于系统刚性较小，但惯量较大，过渡阶段误差教小，利于系统性能参数的调节匹配。性能参数的调节匹配。鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定（硬鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定（硬件和软件保证），利于系统性能参量的调节匹配，系统件和软件保证），利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差最小的控制系统，在实际应用的控制系统过渡阶段误差最小的控制系统，在实际应用的控制系统中最为常见。中最为常见
37、。动态特性参量或指标动态特性参量或指标：上升时间上升时间Ts；延滞时间；延滞时间Ty；调整时间；调整时间Tt；最大超调量；最大超调量%，如图所示。，如图所示。若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系统的主要性能指标（过渡阶段和稳定阶段）不统的主要性能指标（过渡阶段和稳定阶段）不能满足使用要求。采取的主要措施是：第一步，能满足使用要求。采取的主要措施是：第一步，设计调节器（校正器），调节系统稳态性能参设计调节器（校正器），调节系统稳态性能参数；第二步，设计反馈控制器，改善系统稳态数；第二步，设计反馈控制器，改善系统稳态性能参数。性能参数。目的在于达到系统的使用
38、要求目的在于达到系统的使用要求稳稳态和动态指标态和动态指标。尽管可用于系统调节和校正的理论（数学模尽管可用于系统调节和校正的理论（数学模型）方法和手段较多，但在实际应用控制系统型）方法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最为广泛和简单的是中，应用最为广泛和简单的是PID调节器。调节器。下面针对下面针对PID调节器的应用特点学习调节器调节器的应用特点学习调节器的设计和使用方法。的设计和使用方法。PID调节器调节器无源阻容式调节器无源阻容式调节器和和有源阻容式调节器有源阻容式调节器。无源阻容式调节器无源阻容式调节器具有结构简单，无须提供外具有结构简单，无须提供外界电源等特点，但存在衰减较大、不
39、易与系统的其它界电源等特点，但存在衰减较大、不易与系统的其它环节相匹配，应用受到一定的限制。环节相匹配，应用受到一定的限制。有源阻容式调节器有源阻容式调节器主要运算放大器与阻容电路主要运算放大器与阻容电路组成。通过合理的配置，可达到组成。通过合理的配置，可达到不但能改善系统的稳不但能改善系统的稳定性能，也能改善系统动态性能的能力。定性能，也能改善系统动态性能的能力。有源阻容式调节器的电路构成有源阻容式调节器的电路构成R12x(s)y(s)Gx(s)R1Gy(s)x(s)R1Gy(s)R1G222x(s)C1 a)比例比例(P)调节调节图图a 传递函数：传递函数：Gc(s)=Kp=R2/R1 特
40、点：调节作用主要取决于特点：调节作用主要取决于增益增益Kp的大小的大小，Kp值越值越大调节作用越强，但存在调节误差，且当大调节作用越强，但存在调节误差，且当Kp值太大时，值太大时，可能引起系统不稳定。可能引起系统不稳定。b b)积分积分(I)(I)调节调节图图b b 传递函数：传递函数：Gc(s)=1/(Ti s)=1/(R1C s)特点：特点：可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而较少单独使用。较少单独使用。c)比例比例积分积分图图c 传递函数：传递函数：Gc(s)=KP 1+1/(Ti s)其中：其中：KP=R2/R1；Ti=R2C。既克服了单纯比例既
41、克服了单纯比例(P)(P)调节存在调节误差的缺点，调节存在调节误差的缺点，又避免了积分又避免了积分(I)(I)调节响应慢的弱点，系统稳定性和调节响应慢的弱点，系统稳定性和动态性能得到了改善。动态性能得到了改善。R12x(s)y(s)Gx(s)R1Gy(s)x(s)R1Gy(s)R1G222x(s)C1 传递函数传递函数：Gc(s)=KP1+1/(Ti s)+Td s 其中：其中：KP=(R1C1+R2C2)/(R1 R2)；Ti=R1C1+R2C2；Td=R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。特点：不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动态特点：不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动态性能，
42、相比之下，它比性能，相比之下，它比(PI)调节能使系统具有更好的稳调节能使系统具有更好的稳定性能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声定性能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声比较大或系统要求响应快时，不宜采用比较大或系统要求响应快时，不宜采用PID调节。调节。PIDPID调节器使用调整方法：调节器使用调整方法：在实际工程应用中，有源的在实际工程应用中，有源的PID调节器校正与误差调调节器校正与误差调整方法，通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，整方法，通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，而而是通过观察输出响应波形是否满足使用要求是通过观察输出响应波形是否满足使用要求，先调整比，先
43、调整比例时间常数例时间常数KP；再调整积分时间常数；再调整积分时间常数Ti；最后调整微分；最后调整微分时间常数时间常数Td；反复调整直到所观察到的输出波形能满足反复调整直到所观察到的输出波形能满足使用要求的输出波形为止使用要求的输出波形为止，便可确定，便可确定PID调节器控制的调节器控制的系统参数系统参数 R12x(s)y(s)Gx(s)R1Gy(s)x(s)R1Gy(s)R1G222x(s)C1 对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在有效输入信号和外界干扰信号作用下，为改善有效输入信号和外界干扰信号作用下，为改善系统的性能。系统的性能。PID调节调节器的
44、目的：器的目的：是使系统输出误差（与是使系统输出误差（与目标参量相比）最小和在外界干扰作用下产生目标参量相比）最小和在外界干扰作用下产生输出误差最小输出误差最小。eR(s)基准信号反馈量G(s)h检测量偏差信号设定元件AG(s)M(s)G(s)C调节器G(s)控制元件VD(s)外部干扰G(s)执行元件Pd目标值被控量C(s)在输入和干扰信号同时作用下，传递函数：在输入和干扰信号同时作用下，传递函数：)()()()(1)()()()()(sGsGsGsGsGsGsAGsRsChpVcpVc)()()()(1)()()()(sGsGsGsGsGsGsDsChpVcdP)()()()()(1)()(
45、)()()()()(1)()()()(sDsGsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsGsGsAGsChpVcdPhpVcpVc在输入信号作用下，系统的传递函数：在输入信号作用下，系统的传递函数：在干扰信号作用下，系统的传递函数：在干扰信号作用下，系统的传递函数：如上图闭环控制系统，假设如上图闭环控制系统，假设 ；A=1；比例调节器的比例系；比例调节器的比例系数数 K0=1.5（无调节时，（无调节时，K0=1）。）。1241)(ssTKsGdpp411)(PdKsG6)(VVKsG2)(hhKsG1)()(11sKsRsCr1)()(12sKsDsCd)(1)(1)(1211sDsKsRsK
46、sC对闭环控制系统性能改善分析：对闭环控制系统性能改善分析：1 1）调节器为比例调节（）调节器为比例调节（P P）输入信号与输出信号的传递函数：输入信号与输出信号的传递函数：干扰信号与输出信号的传递函数：干扰信号与输出信号的传递函数：闭环响应的传递函数：闭环响应的传递函数：eR(s)基准信号反馈量G(s)h检测量偏差信号设定元件AG(s)M(s)G(s)C调节器G(s)控制元件VD(s)外部干扰G(s)执行元件Pd目标值被控量C(s)代入闭环控制系统各部分（元件）的性能参数有：代入闭环控制系统各部分（元件）的性能参数有：（无比例调节器时为：（无比例调节器时为：）；）；（无比例调节器时为：（无比
47、例调节器时为：）；）；（无比例调节器时为：（无比例调节器时为：）；）；则有：则有：（无比例调节器前：（无比例调节器前：）;（无比例调节器前：（无比例调节器前：）;系统总的响应为：系统总的响应为：7335721361001hPVPVKKKKKKAKK49241K732101hPVdKKKKT4912K7311102hPVKKKKK4921732361)()(11ssKsRsCr492241)()(11ssKsRsCr73211)()(12ssKsDsCd49211)()(12ssKsDsCd)(1)(1)(1211sDsKsRsKsC0.10.50.90.9511.05C(t)tTyTsTt%无
48、无PIDPID调节的系统响应调节的系统响应有有PIDPID调节的系统响应调节的系统响应 a)当当干扰信号干扰信号为阶跃信号（幅值为为阶跃信号（幅值为D0）时，拉氏变）时，拉氏变换换D(s)=D0/s，依据拉氏变换终值定理，系统处于稳态，依据拉氏变换终值定理，系统处于稳态(t)时，扰动信号输出，即误差时，扰动信号输出，即误差Cssd为：为：表明系统在干扰信号的作用下，其输出全为误差，表明系统在干扰信号的作用下，其输出全为误差，误差值大小由系数误差值大小由系数K K2 2和幅值和幅值D D0 0决定。决定。b)当当输入信号输入信号也为阶跃信号（幅值为也为阶跃信号（幅值为R0）时，其拉）时，其拉氏变
49、换为氏变换为R(s)=R0/s，依据拉氏变换的终值定理，系统处，依据拉氏变换的终值定理，系统处于稳态于稳态(t)时，输入信号输出，即误差时，输入信号输出，即误差Cssr为：为：表明系统在输入信号作用下，其输出稳态值大小由表明系统在输入信号作用下，其输出稳态值大小由系数系数K K1 1和幅值和幅值R R0 0决定决定。当。当K K1 1=1=1时，即时，即A A=(1+=(1+K K0 0K Kv vK Kp pK Kh h)/()/(K K0 0K Kv vK Kp p)，系统输出与目标值相等。，系统输出与目标值相等。02012121lim)(1lim)(lim)(limDKsDsKssDsK
50、sssCtCCssdsdtssd01)(limRKssCCdsssr其闭环响应输出信号为：其闭环响应输出信号为：通过计算可知，通过计算可知，积分调节闭环系统对干扰信号为阶跃积分调节闭环系统对干扰信号为阶跃信号时的稳态响应为零，表明外界干扰信号不会影响系信号时的稳态响应为零，表明外界干扰信号不会影响系统的稳态输出。统的稳态输出。若输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所若输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所具有的稳态输出为：具有的稳态输出为：当当A=Kh时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号为为Cssr=R0，表明系统稳定输出等于目标输出。，表明系统
