《6.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型【沐風(fēng)教學(xué)】》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《6.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型【沐風(fēng)教學(xué)】（24頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、1第第 六章六章 控制系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)模型26.36.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型3拉普拉斯變換拉普拉斯變換拉普拉斯算子拉普拉斯算子 stF sf t edtsj=j2 fs穩(wěn)態(tài)45=20 lg=-360DELTAFt增益出幅/入幅相位性能測(cè)量性能測(cè)量指令響應(yīng)指令響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間是用從階躍的前沿到反饋為指令值的是用從階躍的前沿到反饋為指令值的5%5%（有時(shí)（有時(shí)是是2%2%）時(shí)刻之間的時(shí)間來量度的）時(shí)刻之間的時(shí)間來量度的。帶寬帶寬是增益下降到是增益下降到-3dB-3dB，或者下降到原增益的，或者下降到原增益的70%70%所所對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的頻率頻率。調(diào)節(jié)時(shí)間與帶寬的關(guān)系：調(diào)節(jié)時(shí)間與帶寬的
2、關(guān)系：5%5%3/24/2BWBWtftf增益增益用來測(cè)量輸入與輸出的幅值之間的差異；用來測(cè)量輸入與輸出的幅值之間的差異；相位相位描述輸入與輸出之間的時(shí)間移動(dòng)描述輸入與輸出之間的時(shí)間移動(dòng)。6超調(diào)量超調(diào)量表征響應(yīng)的峰值對(duì)指令信號(hào)改變量的比值，表征響應(yīng)的峰值對(duì)指令信號(hào)改變量的比值，可接受范圍為可接受范圍為0%0%30%30%。凸峰凸峰描述的是系統(tǒng)增益在開始減小前增大了的現(xiàn)象，描述的是系統(tǒng)增益在開始減小前增大了的現(xiàn)象，允許范圍為允許范圍為0 04dB4dB。階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)穩(wěn)定性穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)臨界穩(wěn)定系統(tǒng)臨界穩(wěn)定系統(tǒng)7不穩(wěn)定需要兩個(gè)條件：符號(hào)反向及整個(gè)控制回路總增益為不穩(wěn)定需要兩個(gè)
3、條件：符號(hào)反向及整個(gè)控制回路總增益為1 1。8 穩(wěn)定裕度穩(wěn)定裕度相位裕度相位裕度（PM,Phase Margin）:PM由處于增益穿越頻率時(shí)的由處于增益穿越頻率時(shí)的相位來定義（在該處增益為相位來定義（在該處增益為0dB），），PM是實(shí)際相位與是實(shí)際相位與-180之之差。差。增益裕度增益裕度（GM，Gain Margin）:GM定義為相位穿越頻率處定義為相位穿越頻率處的增的增(該頻率處系統(tǒng)相位為該頻率處系統(tǒng)相位為-180 o)，GM實(shí)際增益與實(shí)際增益與0dB之差。之差。經(jīng)驗(yàn)表明，經(jīng)驗(yàn)表明，增益裕度應(yīng)為增益裕度應(yīng)為1025dB，而相位裕度應(yīng)為，而相位裕度應(yīng)為35 o 80o。9PIPI控制律控制律
4、,比例項(xiàng)提供穩(wěn)定性與高頻響應(yīng)比例項(xiàng)提供穩(wěn)定性與高頻響應(yīng),積分項(xiàng)確保積分項(xiàng)確保平均誤差趨向于平均誤差趨向于0 0；功率變換器功率變換器模型是一個(gè)低通濾波器，通常為二極點(diǎn)低模型是一個(gè)低通濾波器，通常為二極點(diǎn)低通濾波器；通濾波器；被控對(duì)象被控對(duì)象一般為積分器一般為積分器G/s=G/(j2 f)=-jG/(2 f)，j j的增的增益為益為1 1（0dB),0dB),相位為相位為9090，由于有，由于有-j j 項(xiàng)，故項(xiàng)，故G/s的相的相位恒為位恒為-90-90；反饋環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)也被作為一個(gè)低通濾波器模型，通常用雙極也被作為一個(gè)低通濾波器模型，通常用雙極點(diǎn)濾波器。點(diǎn)濾波器。PI控制系統(tǒng)10 數(shù)字控制器延
5、遲的影響數(shù)字控制器延遲的影響1、采樣采樣-保持延遲保持延遲用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)速度估計(jì)延遲速度估計(jì)延遲由位置估計(jì)速度產(chǎn)生的由位置估計(jì)速度產(chǎn)生的計(jì)算延遲計(jì)算延遲，由于執(zhí)行控制律需要時(shí)間，由于執(zhí)行控制律需要時(shí)間11Z域Z Z的定義為的定義為 也就是延遲運(yùn)算。也就是延遲運(yùn)算。從最嚴(yán)格意義上來說，從最嚴(yán)格意義上來說，s s域用于連續(xù)系統(tǒng)，域用于連續(xù)系統(tǒng)，z z域用于采域用于采樣系統(tǒng)。樣系統(tǒng)。,1/,sTsTeze是|1sTsjzeT 1213PIDPID控制器控制器P控制比例控制器是最基本的控制器，其控制律很簡(jiǎn)單：控制量比例控制器是最基本的控制器，其控制律很簡(jiǎn)單：控制量偏差，運(yùn)行簡(jiǎn)單，偏差，運(yùn)行簡(jiǎn)
6、單，易于調(diào)試。易于調(diào)試。P控制律的主要缺點(diǎn)是它存在穩(wěn)態(tài)誤差，在存在固定擾動(dòng)時(shí)形成固定偏差。控制律的主要缺點(diǎn)是它存在穩(wěn)態(tài)誤差，在存在固定擾動(dòng)時(shí)形成固定偏差。比例系統(tǒng)的閉環(huán)比例系統(tǒng)的閉環(huán)Bode圖圖(186Hz帶寬，帶寬，0dB凸峰凸峰)比例系統(tǒng)的開環(huán)比例系統(tǒng)的開環(huán)Bode圖圖(65oPM，12.1dB GM)14I控制 P P控制器存在穩(wěn)態(tài)誤差的這一主要缺點(diǎn)，可通過在控制律中增控制器存在穩(wěn)態(tài)誤差的這一主要缺點(diǎn)，可通過在控制律中增加一個(gè)積分增益來校正。積分增益提供穩(wěn)態(tài)和低頻抗偏差能力。加一個(gè)積分增益來校正。積分增益提供穩(wěn)態(tài)和低頻抗偏差能力。I I增益越大，穩(wěn)態(tài)抗偏差能力越強(qiáng)，但超調(diào)量也會(huì)越大。增益
7、越大，穩(wěn)態(tài)抗偏差能力越強(qiáng)，但超調(diào)量也會(huì)越大。PI控制器的閉環(huán)控制器的閉環(huán)Bode圖圖(206Hz帶寬，帶寬，1.3dB凸峰凸峰)PI控制器的開環(huán)控制器的開環(huán)Bode圖圖(56oPM，11.7dB GM)15D控制D D增益借助于微分的增益借助于微分的9090超前相位提前了控制回路的相位。超前相位提前了控制回路的相位。使用使用D D增益通常能提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力。增益通常能提升系統(tǒng)的響應(yīng)能力。微分增益缺點(diǎn)：在高頻時(shí)微分有高的增益值，出現(xiàn)明顯的微分增益缺點(diǎn)：在高頻時(shí)微分有高的增益值，出現(xiàn)明顯的高頻振蕩。微分增益的另一個(gè)問題是微分對(duì)噪聲很敏感。高頻振蕩。微分增益的另一個(gè)問題是微分對(duì)噪聲很敏感。PD控制
8、器的閉環(huán)控制器的閉環(huán)Bode圖圖(353Hz帶寬，帶寬，0dB凸峰凸峰)PD控制器的開環(huán)控制器的開環(huán)Bode圖圖(63oPM，8.8dB GM)16比例增益設(shè)置了控制器性能的邊界，比例增益設(shè)置了控制器性能的邊界，積分增益改善了系統(tǒng)在低頻區(qū)的性能，積分增益改善了系統(tǒng)在低頻區(qū)的性能，微分增益可以大大改善系統(tǒng)在高頻區(qū)的性能。微分增益可以大大改善系統(tǒng)在高頻區(qū)的性能。PID控制器的閉環(huán)控制器的閉環(huán)Bode圖圖(359Hz帶寬，帶寬，1.0dB凸峰凸峰)PID控制器的開環(huán)控制器的開環(huán)Bode圖圖(55oPM，8.5dB GM)PID控制17前饋前饋是利用有關(guān)對(duì)象的知識(shí)來改善指令信號(hào)的響應(yīng)。前饋是利用有關(guān)對(duì)
9、象的知識(shí)來改善指令信號(hào)的響應(yīng)。在前饋路徑中，指令信號(hào)在控制律之前經(jīng)過處理，采用前在前饋路徑中，指令信號(hào)在控制律之前經(jīng)過處理，采用前饋時(shí)指令響應(yīng)不再依賴于控制回路帶寬。饋時(shí)指令響應(yīng)不再依賴于控制回路帶寬?；趯?duì)象的前饋基于對(duì)象的前饋18指令響應(yīng)指令響應(yīng)Bode圖表明前饋增大了系統(tǒng)帶寬圖表明前饋增大了系統(tǒng)帶寬19濾波器濾波器廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)，用來消除噪聲、減小混疊、濾波器廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)，用來消除噪聲、減小混疊、衰減諧振?？刂葡到y(tǒng)中最常見的濾波器是低通濾波器，它們用衰減諧振?？刂葡到y(tǒng)中最常見的濾波器是低通濾波器，它們用來消除來自于不同噪聲源的噪聲：電氣互連（干擾）、分辨率來消除來自于不同噪聲源
10、的噪聲：電氣互連（干擾）、分辨率限制、電磁干擾限制、電磁干擾(EMI)(EMI)以及反饋裝置中的固有噪聲。以及反饋裝置中的固有噪聲。低通濾波器的主要缺點(diǎn)是它會(huì)給控制系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，低通濾波器的主要缺點(diǎn)是它會(huì)給控制系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性是通過引起增益穿越頻率處的相位滯后引入的。這種不穩(wěn)定性是通過引起增益穿越頻率處的相位滯后引入的?？刂葡到y(tǒng)中常見的控制系統(tǒng)中常見的7種濾波器種濾波器20低通濾波器低通濾波器低通濾波器能衰減所有高于特定頻率的信號(hào)。低通濾波器能衰減所有高于特定頻率的信號(hào)。KSSK單極點(diǎn)一階低通濾波器 T 222=2NNNSSS雙極點(diǎn)二階低通濾波器 T 2222S+=2NNNS
11、SS陷波濾波器 T 222222S+2=2NNNDDDDNSSSS 雙二階濾波器 T 21二極點(diǎn)低通濾波器的二極點(diǎn)低通濾波器的Bode圖圖陷波濾波器的陷波濾波器的Bode圖圖22單運(yùn)動(dòng)軸控制單運(yùn)動(dòng)軸控制 多軸運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都需要執(zhí)行許多控制功能。多軸運(yùn)動(dòng)中的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都需要執(zhí)行許多控制功能。第一第一，輪廓發(fā)生器必須能產(chǎn)生位置輪廓指令信號(hào)的時(shí)間，輪廓發(fā)生器必須能產(chǎn)生位置輪廓指令信號(hào)的時(shí)間序列，即位置指令信號(hào)序列與時(shí)間的關(guān)系代表位置輪廓。序列，即位置指令信號(hào)序列與時(shí)間的關(guān)系代表位置輪廓。第二第二，執(zhí)行位置閉環(huán)控制，通常在位置環(huán)中的速度環(huán)也，執(zhí)行位置閉環(huán)控制，通常在位置環(huán)中的速度環(huán)也執(zhí)行閉環(huán)控制
12、。位置執(zhí)行閉環(huán)控制。位置/速度環(huán)的輸出是轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)。速度環(huán)的輸出是轉(zhuǎn)矩指令信號(hào)。此外，必須執(zhí)行電流閉環(huán)控制。功率級(jí)向電動(dòng)機(jī)提供功此外，必須執(zhí)行電流閉環(huán)控制。功率級(jí)向電動(dòng)機(jī)提供功率并回授電流反饋。率并回授電流反饋。單運(yùn)動(dòng)軸的功能單運(yùn)動(dòng)軸的功能2324加速度反饋加速度反饋加速度反饋可以用來提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，通加速度反饋可以用來提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，通過減緩電動(dòng)機(jī)對(duì)被測(cè)加速度的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，有時(shí)被稱為電過減緩電動(dòng)機(jī)對(duì)被測(cè)加速度的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，有時(shí)被稱為電子慣量或者電子飛輪。子慣量或者電子飛輪。對(duì)于對(duì)于K KAFBAFB00的任何值，系數(shù)的任何值，系數(shù)(1+K(1+KAFBAFB)與增長(zhǎng)總慣量與增長(zhǎng)總慣量J JT T具有具有相同的作用。反饋加速度主要作用是增大有效慣量。相同的作用。反饋加速度主要作用是增大有效慣量。
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