伺服系统设计

辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计1目录1、前言.....................................................................................11.1设计目的.......................................................................11.2设计内容......................................................................12、伺服系统的基本组成原理及电路设计.............................22.1伺服系统基本原理及系统框图...................................22.2伺服系统的模拟PD+数字前馈控制.........................42.3伺服系统的程序........................................................63、仿真波形图.........................................................................9结论.........................................................................................12心得与体会.............................................................................13参考文献.................................................................................14辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计11、前言1.1设计目的1、使学生进一步掌握电力拖动自动控制系统的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。1.2设计内容1、分析和设计具有三环结构的伺服系统，用绘图软件（matlab）画原理图还有波形图；2、分析并理解具有三环结构的伺服系统原理。辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计22、伺服系统的基本组成原理及电路设计2.1伺服系统基本原理及系统框图伺服系统三环的PID控制原理:以转台伺服系统为例,其控制结构如图2-1所示,其中r为框架参考角位置输入信号,为输出角位置信号.图2-1转台伺服系统框图伺服系统执行机构为典型的直流电动驱动机构,电机输出轴直接与负载-转动轴相连,为使系统具有较好的速度和加速度性能,引入测速机信号作为系统的速度反馈,直接构成模拟式速度回路.由高精度圆感应同步器与数字变换装置构成数字式角位置伺服回路.转台伺服系统单框的位置环,速度环和电流环框图如图2-2,图2-3和图2-4所示.图2-2伺服系统位置环框图图2-3伺服系统速度环框图辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计3图2-4伺服系统电流框图图中符号含义如下：r为位置指令；为转台转角；u为PWM功率放大倍数；d为速度环放大倍数；v为速度环反馈系数；i为电流反馈系数；L为电枢电感；R为电枢电阻；m为电机力矩系数；eC为电机反电动势系数；J为等效到转轴上的转动惯量；b为粘性阻尼系数，其中J=mJ+LJ，b=mb+Lb，mJ和LJ分别为电机和负载的转动惯量，mb和Lb分别为电机和负载的粘性阻尼系数；fT为扰动力矩，包括摩擦力矩和耦合力矩。假设在速度环中的外加干扰为粘性摩擦模型：()sgn()fccFtFb2-1控制器采用PID控制+前馈控制的形式，加入前馈摩擦补偿控制表示为：()sgn()fclclutFb式中，clF和clb为粘性摩擦模型等效到位置环的估计系数，该系数可以根据经验确定，或根据计算得出。被控对象为一个具有三环结构的伺服系统，伺服系统系数和控制参数在程序中给出描述，系统采样时间为1ms。取M=2，此时输入指令为正弦叠加信号：()sin(2)0.5sin(0.5)trtAFtAFt，其中A=0.5，F=0.5.考虑到iK，L和eC的值很小，前馈补偿系数clF和clb等效到摩擦力矩端得系数可近似写为：1udmgGainKKKKR2-2式中，gK为经验系数，摩擦模型估计系数clF和clb为：cclFFGain2-3cclbbGain2-4系统总的控制输出为：()()()pfututut2-5式中，()put为PID控制的输出，其三项系数为ppk=15，iik=0.1，ddk=1.5.程序如chap01控制系统的simulink程序：chap01，如图2-5和图2-6所示。辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计4图2-5三环控制的simulink仿真程序图2-6电机模型的simulink仿真程序（1）带摩擦无前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟踪如图3-1和图3-2所示，由于静摩擦的作用，在低速跟踪存在“平顶”现象，速度跟踪存在“死区”现象。（2）带摩擦有前馈补偿时的仿真。正弦叠加信号跟踪如图3-3和图3-4所示，采用PID控制加前馈控制可很大程度地克服摩擦的影响，基本消除了位置跟踪的“平顶”和速度跟踪的：死区，实现了较高的位置跟踪和速度跟踪精度。2.2伺服系统的模拟PD+数字前馈控制伺服系统的模拟PD+数字前馈控制原理针对三环伺服系统，设电流环为开环，忽略电机反电动系数，将电阻R等效到速度环放大系数Kd上。简化后的三环伺服系统结构框图如图2-7所示，其中u为控制输入。辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计5图2-7简化后的三环伺服系统结构框图采用PD加前馈控制方式，设计的控制规律如下：121212[()]dpvrrrrukkrkffkekeff2-6式中，1dpkkk，2dvkkk，er。21Jsbsu2-7即Jbu将控制律带入上式，得：2112()0rrffJkbke2-8取：12fkb，2fJ得到系统的误差状态方程如下：21()0Jkbeke2-9由于J0，20kb，10k则根据代数稳定性判据，针对二阶系统而言，当系统闭环特征方程式的系数都大于零时，系统稳定，系统的跟踪误差e(t)收敛于零。被控对象为一个具有三环结构的伺服系统。伺服系统参数和控制参数在程序中给出描述，系统输入信号的采样时间为1ms，输入指令为正弦叠加信号：()sin(2)rtAFt，其中A=1.0，F=1.0.u（t）为控制器的输出，伺服系统参数为：22.0Jkgm，b=0.50,2.0vk,15pk,6dk.则12fkb，2fJ。程序如chap02如图2-8.曲线图3-5，曲线图3-6，曲线图3-7.辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计6图2-82.3伺服系统的程序根据是否加入摩擦干扰和前馈不偿分别进行仿真。初始化程序：chap01%ThreeLoopofFlightSimulatorServoSystemwithDirectCurrentMotorclearall;closeall;%(1)CurrentloopL=0.001;%L1InductanceofmotorarmatureR=1;%Resistenceofmotorarmatureki=0.001;%Currentfeedbackcoefficient%(2)Velocityloopkd=6;%Velocityloopamplifiercoefficientkv=2;%VelocityloopfeedbackcoefficientJ=2;%Equivalentmomentofinertiaofframeandmotorb=1;%Viscositydampcoefficientofframeandmotorkm=1.0;%MotormomentcoefficientCe=0.001;%Voltagefeedbackcoefficient%Frictionmodel:Coulomb&ViscousFrictionFc=100.0;bc=30.0;%Practicalfriction%(3)Positionloop:PIDcontrollerku=11;%VoltageamplifiercoefficientofPWMkpp=150;kii=0.1;kdd=1.5;辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计7%FrictionModelcompensation%EquavalentgainfromfeedforwardtopracticalfrictionGain=ku*kd*1/R*km*1.0;Fc1=Fc/Gain;bc1=bc/Gain;%Feedforwardcompensation%InputsignalinitializeF=0.50;A=0.50;ts=0.001;%SamplingtimeM=2;ifM==1%SineSignalk=5000;time=[0:ts:k*ts]';%Simulationtimerin=A*sin(2*pi*F*time);drin=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*time);elseifM==2%RandomSignalT=4999;time=zeros(T,1);rin=zeros(T,1);drin=zeros(T,1);rin(1)=0;drin(1)=0;fork=1:1:Ttime(k+1)=k*ts;%Randomsignalrin(k+1)=A*sin(2*pi*F*k*ts)+0.5*A*sin(2*pi*0.5*F*k*ts)+...0.25*A*sin(2*pi*0.25*F*k*ts);drin(k+1)=(rin(k+1)-rin(k))/ts;endEnd初始化程序：chap02%FlightSimulatorServoSystemclearall;closeall;J=2;b=0.5;kv=2;kp=15;kd=6;f1=(b+kd*kv);f2=J;F=1;A=1;辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计8t=[0:0.001:10]';%Simulationtimer=A*sin(2*pi*F*t);dr=2*pi*F*A*cos(2*pi*F*t);ddr=-4*pi*pi*F*F*A*sin(2*pi*F*t);辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计93、仿真波形图图3-1正弦叠加信号跟踪图3-2正弦叠加信号跟踪辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计10图3-3正弦叠加信号跟踪图3-4正弦叠加信号跟踪辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计11图3-5位置波形图3-6给定与相应波形辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计12结论此伺服系统在三环结构作用之下，由MATLAB的仿真结果可以看出，在正弦给定信号的作用下，系统在调节时间小于等于1S的范围内，能够做到无静差跟踪。这样实现了伺服系统快速的跟踪给定的设计要求。辽宁工程技术大学《电力拖动自动控制系统》课程设计13心得与体会两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学的知识，也培养了我如何把握一件事情，如何去做一件事情，又如何较好地完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，与同学相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综