运动控制系统模型课件.ppt

第￿六章￿￿￿￿控制系统模型6.36.3运动控制系统模型　运动控制系统模型　拉普拉斯拉普拉斯变换拉普拉斯算子拉普拉斯算子性能性能测量量指令响指令响应调节时间是用从是用从阶跃的前沿到反的前沿到反馈为指令指令值的的5%（有（有时是是2%））时刻之刻之间的的时间来量度的来量度的带宽是增益下降到是增益下降到-3dB，或者下降到原增益的，或者下降到原增益的70%所所对应的对应的频率频率调节时间与与带宽的关系：的关系：增益增益用来用来测量量输入与入与输出的幅出的幅值之之间的差异；的差异；相位相位描述描述输入与入与输出之出之间的的时间移移动超超调量量表征响表征响应的峰的峰值对指令信号改指令信号改变量的比量的比值，可，可接受范接受范围为0%～～30%凸峰凸峰描述的是系描述的是系统增益在开始减小前增大了的增益在开始减小前增大了的现象，允象，允许范范围为0～～4dB阶跃响应阶跃响应频率响应频率响应稳定性稳定系统稳定系统临界稳定系统临界稳定系统不不稳定需要两个条件：符号反向及整个控制回路定需要两个条件：符号反向及整个控制回路总增益增益为1￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿稳定裕度定裕度相位裕度相位裕度（（PM,Phase Margin））:PM由由处于增益穿越于增益穿越频率率时的相的相位来定位来定义（在（在该处增益增益为0dB），），PM是是实际相位与相位与-180°之差。

之差增益裕度增益裕度（（GM，，Gain Margin））:GM定定义为相位穿越相位穿越频率率处的的增增(该频率率处系系统相位相位为-180 o)，，GM实际增益与增益与0dB之差经验表明，表明，增益裕度增益裕度应为10~25dB，而相位裕度，而相位裕度应为35 o ~80oPI控制律控制律,比例比例项提供提供稳定性与高定性与高频响响应,积分分项确保平确保平均均误差差趋向于向于0；；功率功率变换器器模型是一个低通模型是一个低通滤波器，通常波器，通常为二极点低通二极点低通滤波器；波器；被控被控对象象一般一般为积分器分器G/s=G/(j2π f)=-jG/(2π f)，，j的增益的增益为1（（0dB),相位相位为90°，由于有，由于有-j 项，故，故G/s的相位恒的相位恒为-90°；；反反馈环节也被作也被作为一个低通一个低通滤波器模型，通常用双极点波器模型，通常用双极点滤波器PI控制系统 数字控制器　延数字控制器　延迟的影响的影响　　1、、采采样-保持延保持延迟　用于存　用于存储数据数据速度估速度估计延延迟由位置估由位置估计速度速度产生的生的计算延算延迟，由于，由于执行控制律需要行控制律需要时间Z域Z的定的定义为￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿也就是延也就是延迟运算。

运算从最从最严格意格意义上来上来说，，s域用于域用于连续系系统，，z域用于采域用于采样系系统PIDPID控制器控制器　　　　P控制比例控制器是最基本的控制器，其控制律很简单：控制量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，偏差，运行简单，易于调试易于调试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比例系统的闭环Bode图图(186Hz带宽，带宽，0dB凸峰凸峰)比例系统的开环比例系统的开环Bode图图(65oPM，，12.1dB GM)I控制 P控制器存在控制器存在稳态误差的差的这一主要缺点，可通一主要缺点，可通过在控制律中增加在控制律中增加一个一个积分增益来校正分增益来校正积分增益提供分增益提供稳态和低和低频抗偏差能力抗偏差能力 I增益越大，增益越大，稳态抗偏差能力越抗偏差能力越强，但超，但超调量也会越大量也会越大PI控制器的闭环控制器的闭环Bode图图(206Hz带宽，带宽，1.3dB凸峰凸峰)PI控制器的开环控制器的开环Bode图图(56oPM，，11.7dB GM)D控制D增益借助于微分的增益借助于微分的90°超前相位提前了控制回路的相位。

使超前相位提前了控制回路的相位使用用D增益通常能提升系增益通常能提升系统的响的响应能力微分增益缺点：在高微分增益缺点：在高频时微分有高的增益微分有高的增益值，出，出现明明显的高的高频振振荡微分增益的另一个微分增益的另一个问题是微分是微分对噪声很敏感噪声很敏感PD控制器的闭环控制器的闭环Bode图图(353Hz带宽，带宽，0dB凸峰凸峰)PD控制器的开环控制器的开环Bode图图(63oPM，，8.8dB GM)比例增益比例增益设置了控制器性能的置了控制器性能的边界，界，积分增益改善了系分增益改善了系统在低在低频区的性能，区的性能，微分增益可以大大改善系微分增益可以大大改善系统在高在高频区的性能区的性能PID控制器的闭环控制器的闭环Bode图图(359Hz带宽，带宽，1.0dB凸峰凸峰)PID控制器的开环控制器的开环Bode图图(55oPM，，8.5dB GM)PID控制前馈前前馈是利用有关是利用有关对象的知象的知识来改善指令信号的响来改善指令信号的响应在前在前馈路径中，指令信号在控制律之前路径中，指令信号在控制律之前经过处理，采用前理，采用前馈时指令响指令响应不再依不再依赖于控制回路于控制回路带宽。

基于基于对象的前象的前馈指令响应指令响应Bode图表明前馈增大了系统带宽图表明前馈增大了系统带宽滤波器滤波器广泛波器广泛应用于控制系用于控制系统，用来消除噪声、减小混叠、衰，用来消除噪声、减小混叠、衰减减谐振控制系振控制系统中最常中最常见的的滤波器是低通波器是低通滤波器，它波器，它们用来消用来消除来自于不同噪声源的噪声：除来自于不同噪声源的噪声：电气互气互连（干（干扰）、分辨率限制、）、分辨率限制、电磁干磁干扰(EMI)以及反以及反馈装置中的固有噪声装置中的固有噪声低通低通滤波器的主要缺点是它会波器的主要缺点是它会给控制系控制系统带来不来不稳定性，定性，这种不种不稳定性是通定性是通过引起增益穿越引起增益穿越频率率处的相位滞后引入的的相位滞后引入的控制系统中常见的控制系统中常见的7种滤波器　种滤波器　低通滤波器低通滤波器低通低通滤波器能衰减所有高于特定波器能衰减所有高于特定频率的信号率的信号二极点低通滤波器的二极点低通滤波器的Bode图图陷波滤波器的陷波滤波器的Bode图图单运动轴控制　　单运动轴控制　　￿￿￿￿￿￿多多轴运运动中的每个运中的每个运动轴都需要都需要执行行许多控制功能。

多控制功能￿￿￿￿￿￿第一第一，，轮廓廓发生器必生器必须能能产生位置生位置轮廓指令信号的廓指令信号的时间序列，即位置指令信号序列与序列，即位置指令信号序列与时间的关系代表位置的关系代表位置轮廓￿￿￿￿￿￿第二第二，，执行位置行位置闭环控制，通常在位置控制，通常在位置环中的速度中的速度环也也执行行闭环控制位置控制位置/速度速度环的的输出是出是转矩指令信号矩指令信号￿￿￿￿￿￿此外，必此外，必须执行行电流流闭环控制功率控制功率级向向电动机提供功机提供功率并回授率并回授电流反流反馈单运动轴的功能单运动轴的功能加速度反加速度反馈加速度反加速度反馈可以用来提高运可以用来提高运动控制系控制系统的抗的抗扰动能力，通能力，通过减减缓电动机机对被被测加速度的响加速度的响应来来实现，有，有时被称被称为电子子惯量或者量或者电子子飞轮对于于KAFB>0的任何的任何值，系数，系数(1+KAFB)与增与增长总惯量量JT具具有相同的作用反有相同的作用反馈加速度主要作用是增大有效加速度主要作用是增大有效惯量。