运动控制系统模型.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第 六章 控制系统模型,机电一体化系统设计,6.3,运动控制系统模型,拉普拉斯变换,拉普拉斯算子,性能测量,指令响应,调节时间,是用从阶跃的前沿到反馈为指令值的,5%,（有时是,2%,）时刻之间的时间来量度的,。,带宽,是增益下降到,-3dB,，或者下降到原增益的,70%,所,对应的频率,。,调节时间与带宽的关系：,增益,用来测量输入与输出的幅值之间的差异；,相位,描述输入与输出之间的时间移动,。,超调量,表征响应的峰值对指令信号改变量的比值，可接受范围为,0%,30%,。,凸峰,描述的是系统增益在开始减小前增大了的现象，允许范围为,0,4dB,。,阶跃响应,频率响应,稳定性,稳定系统,临界稳定系统,不稳定需要两个条件：符号反向及整个控制回路总增益为,1,。,稳定裕度,相位裕度,（,PM,Phase Margin,）,:PM,由处于增益穿越频率时的相位来定义（在该处增益为,0dB,），,PM,是实际相位与,-180,之差。,增益裕度,（,GM,，,Gain Margin,）,:GM,定义为相位穿越频率处的增,(,该频率处系统相位为,-180,o,),，,GM,实际增益与,0dB,之差。,经验表明，,增益裕度应为,1025dB,，而相位裕度应为,35,o,80,o,。,PI,控制律,比例项提供稳定性与高频响应,积分项确保平均误差趋向于,0,；,功率变换器,模型是一个低通滤波器，通常为二极点低通滤波器；,被控对象,一般为积分器,G/s,=,G/(j2,f),=,-jG/(2,f),，,j,的增益为,1,（,0dB),相位为,90,，由于有,-,j,项，故,G,/,s,的相位恒为,-90,；,反馈环节,也被作为一个低通滤波器模型，通常用双极点滤波器。,PI,控制系统,数字控制器延迟的影响,1,、,采样,-,保持延迟,用于存储数据,速度估计延迟,由位置估计速度产生的,计算延迟,，由于执行控制律需要时间,Z,域,Z,的定义为 也就是延迟运算。,从最严格意义上来说，,s,域用于连续系统，,z,域用于采样系统。,PID,控制器,P,控制,比例控制器是最基本的控制器，其控制律很简单：控制量偏差，运行简单，易于调试。,P,控制律的主要缺点是它存在稳态误差，在存在固定扰动时形成固定偏差。,比例系统的闭环,Bode,图,(186Hz,带宽，,0dB,凸峰,),比例系统的开环,Bode,图,(65,o,PM,，,12.1dB,GM),I,控制,P,控制器存在稳态误差的这一主要缺点，可通过在控制律中增加一个积分增益来校正。积分增益提供稳态和低频抗偏差能力。,I,增益越大，稳态抗偏差能力越强，但超调量也会越大。,PI,控制器的闭环,Bode,图,(206Hz,带宽，,1.3dB,凸峰,),PI,控制器的开环,Bode,图,(56,o,PM,，,11.7dB,GM),D,控制,D,增益借助于微分的,90,超前相位提前了控制回路的相位。使用,D,增益通常能提升系统的响应能力。,微分增益缺点：在高频时微分有高的增益值，出现明显的高频振荡。微分增益的另一个问题是微分对噪声很敏感。,PD,控制器的闭环,Bode,图,(353Hz,带宽，,0dB,凸峰,),PD,控制器的开环,Bode,图,(63,o,PM,，,8.8dB,GM),比例增益设置了控制器性能的边界，,积分增益改善了系统在低频区的性能，,微分增益可以大大改善系统在高频区的性能。,PID,控制器的闭环,Bode,图,(359Hz,带宽，,1.0dB,凸峰,),PID,控制器的开环,Bode,图,(55,o,PM,，,8.5dB,GM),PID,控制,前馈,前馈是利用有关对象的知识来改善指令信号的响应。,在前馈路径中，指令信号在控制律之前经过处理，采用前馈时指令响应不再依赖于控制回路带宽。,基于对象的前馈,指令响应,Bode,图表明前馈增大了系统带宽,滤波器,滤波器广泛应用于控制系统，用来消除噪声、减小混叠、衰减谐振。控制系统中最常见的滤波器是低通滤波器，它们用来消除来自于不同噪声源的噪声：电气互连（干扰）、分辨率限制、电磁干扰,(EMI),以及反馈装置中的固有噪声。,低通滤波器的主要缺点是它会给控制系统带来不稳定性，这种不稳定性是通过引起增益穿越频率处的相位滞后引入的。,控制系统中常见的,7,种滤波器,低通滤波器,低通滤波器能衰减所有高于特定频率的信号。,二极点低通滤波器的,Bode,图,陷波滤波器的,Bode,图,单运动轴控制,多轴运动中的每个运动轴都需要执行许多控制功能。,第一,，轮廓发生器必须能产生位置轮廓指令信号的时间序列，即位置指令信号序列与时间的关系代表位置轮廓。,第二,，执行位置闭环控制，通常在位置环中的速度环也执行闭环控制。位置,/,速度环的输出是转矩指令信号。,此外，必须执行电流闭环控制。功率级向电动机提供功率并回授电流反馈。,单运动轴的功能,加速度反馈,加速度反馈可以用来提高运动控制系统的抗扰动能力，通过减缓电动机对被测加速度的响应来实现，有时被称为电子惯量或者电子飞轮。,对于,K,AFB,0,的任何值，系数,(1+K,AFB,),与增长总惯量,J,T,具有相同的作用。反馈加速度主要作用是增大有效惯量。,