第一章绪论

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 • 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 • 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θr主指令信号；θy 舵角信号 e =θr -θy 偏差信号e = 0 时，达到一致。舵角连续跟踪θr必须自动克服水流的干扰。

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）

1、反馈对增益的影响 H(s)=0时，即为开环，增益为G(s) H(s)≠0时，即为闭环，增益为 │1+G(jω)H(jω)│>1时，增益减小 │1+G(jω)H(jω)│<1时，增益增大 G(jω)H(jω)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(jω)H(jω)=0或特征根分布在右半平面时， Φ（ jω）→∞，系统不稳定。通过控制，可使不稳定系统达到稳定，选择F(s)

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。f为垂向力，F为水平力。杆旋转运动：杆垂直直线运动：杆水平直线运动：车水平直线运动：

当车静止时，u = 0，系统处于不稳定平衡； 加入控制力u后，取很小角运动，有设状态变量: 得到状态方程： A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，Φ(s)对G(s)的变化的灵敏度为可以用增大G(s) H(s)的办法，使任意小。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N(s)的影响 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：输出信噪比增大信噪比的途径:增加G1，或增加E(s)/N(s)

闭环时， 在某些情况下，闭环提供了改善信噪比的可能性当G1增大到G’1 时，调整R到R’,使开环、闭环输出C(s)相等 C(s)│N=O = G’1G2 R’/(1+ G’1G2H)=G1G2R C(s)│R=O = G2 N/(1+ G’1G2H)希望它小信噪比 = C(s)│N=O/ C(s)│R=O = G1(1+ G’1G2H)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。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 —— 数字控制系统按控制目标分：伺服控制系统（随动系统） —— 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、精度过渡过程质量高、精度、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

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。火炮自动跟踪目标伺服系统 • 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度。

50年代中期，机电伺服系统在一些重要元器件性能上有新的突破，组成了静止式可控整流装置，带来了控制领域的一场技术革命。50年代中期，机电伺服系统在一些重要元器件性能上有新的突破，组成了静止式可控整流装置，带来了控制领域的一场技术革命。 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。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、力矩电机、无槽电机、大惯量宽调速电动机

控制理论快速发展 传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论；根轨迹；现代控制理论计算机、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。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。

组成伺服系统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。 2.给定元件其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输出量 3.比较元件其职能是把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参考量进行比较，求出它们之间的偏差。 

4.放大元件 其职能是将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件控制被控对象。电压偏差信号，可用电子管、晶体管、集成电路、晶闸管等组成的电压放大级和功率放大级加以放大。 5.执行元件 其职能是直接推动被控对象。用来作为执行元件的有阀、电动机、液压马达等。 6.校正元件也叫补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统的动态性能，减小或消除系统的稳态误差。最简单的校正元件是由电阻、电容组成的无源或有源网络，复杂的则用电子计算机。

伺服系统技术指标 每个科研项目，都必须有“设计任务书”或“技术规格书”，按要求完成设计与实现给出两类典型系统的技术基本要求 • 调速系统的技术基本要求 • 伺服系统的技术基本要求

调速系统的技术基本要求 1、调速范围 D=nmax/nmin 2、连续性和平滑性要求在D的范围内，有级还是无级，可逆还是不可逆 3、对动态性能阶跃信号作用下，时域指标：σ%、ts、N 正弦信号作用下，闭环频域指标：Mr、ωb 正弦信号作用下，开环频域指标： ωc、γ

4、静差率δ或转速降Δn(或ΔΩ，Δv) Δn=n０-nR (或ΔΩ=Ω０-ΩR) δ = Δn/ n０ n０理想空载转速，nR 满载转速 5、负载扰动作用下系统的响应负载扰动对系统动态过程的影响是调速系统的重要技术指标之一衡量抗扰能力一般取大转速降(升)Δnmax与响应时间tsf来度量

6、元件参数变化的敏感性要求 指控制系统本身各项元件参数的变化所引起的误差。通常如不提出要求，则应包含在系统精度和稳定性要求之内 7、系统工作制有长期连续运行、间歇循环运行和短时间运行之分，可靠性、寿命要求 8、环境要求温度、湿度、三防(防水、防腐、防辐射)、抗振动、抗冲击 9、外形要求体积、重量、结构外形、安装特点 10、其他要求成本、元件通用性、标准化程度、能源利用率、维护使用、电源

伺服系统的技术基本要求 1、系统静态误差e０(简称系统静差) 通常指系统输入指令为常值时，输入与输出之间的误差。位置控制系统一般设计成无静差系统。理论上系统静止协调时没有位置误差。实际上，系统的测量元件(亦称敏感元件) 分辨率有限，系统输出端承受干摩擦造成死区，均可造成系统静误差。 2、速度误差ev、正弦跟踪误差esin、最大跟踪误差em 当位置控制系统处于等速跟踪状态时，系统输出轴与输入轴之间瞬时位置误差(角度或角位移)，称为速度误差ev。当系统作正弦摆动跟踪时，输出轴与输入轴之间瞬时误差的振幅值称为正弦跟踪误差esin。输出轴在一定速度、加速度范围内追随输入轴，同一时刻两轴的最大差值。

3、最大跟踪角速度Ωmax、最低跟踪角速度Ωmin 最大跟踪角速度是指系统跟踪误差不超过允许值时所达到稳定运行的最大输出角速度。最低跟踪角速度是指系统控制对象作匀速跟踪时所能达到最低平稳角速度。 4、最大跟踪角加速度εmax，(线加速度amax) 系统跟踪误差不超过允许值时，系统输出轴所能达到的最大角加速度。

5、最大角速度Ωlmax、最大角加速度εlmax 在不考虑精度的情况下，系统能达到的极限角速度和极限角加速度 6、速度品质系数Kv和加速度品质系数Kα 速度品质系数是指输入斜坡信号时，系统稳态输出角度 Ω０(或线速度v0)与速度误差ev的比值： Kv=Ω０/ev 加速度品质系数Ka是以抛物线函数信号(等加速度信号)输入时，系统稳态角加速度ε0(或线加速度a0)与其对应的系统稳态误差ea的比值： Kα=ε０/eα

7、振荡指标Mr和频带宽度ωb 随动系统闭环幅频特性A(ω)的最大值A(ωr)与A(0)(由于随动系统为无静差系统，故A(0)=1)的比值，称之为振荡指标Mr。当闭环幅频特性A(ωb)=0.707时，所对应的角频率ωb，称之为系统的带宽。 8、系统对阶跃信号输入的响应特性当系统处于静止协调状态(零初始状态)下，输入阶跃信号时，系统的最大允许超调量σ%、过渡过程时间ts和振荡次数N均应有具体限制。

9、开环频率特性指标 剪切频率ωc、相角裕度γ、幅值裕度Kg 10、等速跟踪状态下，负载扰动引起的系统响应特性系统作等速跟踪时，负载扰动(阶跃或脉冲扰动) 所造成系统最大瞬时误差emf和过渡过程时间tsf均应有具体要求。

伺服系统设计内容与步骤 系统的设计工作大体上归纳为以下四个方面 1、系统方案的制订与稳态设计 • 根据技术发展、市场情况，制订出系统的设计方案。 • 结合设计技术要求，制订系统线路方案，进行稳态设计（主要元器件计算与选择：执行元件、功率放大器、敏感元件、传动装置、接口方式、系统控制方式、主干线路、辅助线路、电源型形式、匹配关系等） 2、建立系统的数学模型 • 尽量反映实际，不宜复杂 • 基本方法: 原理推导、实验数据建模、辨识

3、系统动态分析综合 动态分析和综合是为了研究系统的动态品质，决定校正装置的形式和参数以及考虑提高动态品质的其它措施。使得系统的动态性能符合设计指标要检验校正后系统的动态品质，必要时进行仿真试验。 4、模拟试验样机试制之前初步检验一下设计计算的正确与否方法：数字仿真、物理仿真、试验

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