现在伺服系统实验报告

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1、数字交流伺服系统实验报告 姓名： 学号： 指导老师： 学院： 数字交流伺服系统实验报告一、实验目的通过实验深入理解伺服系统的系统结构及工作原理，掌握伺服系统的位置控制器设计与系统调试方法。二、实验内容及结果1. 对系统进行理论分析伺服系统又称随动系统，是用于精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。随着工业应用要求的进一步提高，使得位置伺服系统不仅要有很高的定位精度，无超调的定位过程，而且还要保证有尽可能快的动态响应。目前，应用于数控机床的伺服定位系统中，位置指令通常由上位控制器经固定的算法提供给伺服系统。由于伺服系统在对指令的响应过程中存在加速和减速的过程，为了避免加速过程中的失步，以及减速过

2、程中的位置超调现象，通常采用一定的速度控制算法。在实际应用中位置环通常设计成比例控制环节，通过调节比例增益，可以保证系统对位置响应的无超调，但这样会降低系统的动态响应速度。另外，为了使伺服系统获得高的定位精度，通常要求上位控制器对给定位置和实际位置进行误差的累计，并且要求以一定的控制算法进行补偿，因此，单纯对位置环采用比例调节不仅不能获得理想的响应速度，而且会增加上位控制器的算法复杂度。另外一种方法是把位置环设计成比例积分环节，通过对位置误差的积分来保证系统的定位精度，这使上位控制器免除了对位置误差的累计，降低了控制复杂度。但这和采用比例调节的位置控制器一样，在位置响应无超调的同时，降低了系统

3、的动态响应性能。为了满足高性能伺服定位系统的要求，通常可以采用前馈控制对系统干扰进行抑止，增强控制系统的鲁棒性。伺服电机控制系统采用了PID和前馈的混合控制，对干扰噪声起到了较好的抑制作用;另外，在输出要求直接跟踪输入信号的应用场合中，系统的闭环调节通常造成跟踪的延迟，这时也可以采用前馈控制来加快系统的跟踪速度。对于位置信号前馈，可以分为速度前馈和加速度前馈两种，采用速度前馈可以通过开环控制特性来加快伺服系统的速度响应，并且当加大速度前馈增益时，可以减少位置环对位置误差的累积，从而加快位置误差的补偿速度。从理论上分析，当前馈速度增益增大时，位置环的位置误差累计值就越少，也即积分作用越小。但过大

4、的前馈增益容易引起振荡和位置超调，因此速度前馈增益不宜过大，需要多次尝试选择合适的值。PID控制器是一种线性控制器，它将给定值与实际输出值的偏差e(k)的比例、积分和微分进行线性组合，形成控制量u(k)输出，如图2所示。图2 PID控制器结构PID控制器的输出是由比例控制、积分控制和微分控制三项组成，三项在控制器中所起的控制作用相互独立。因此，在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可以选择其结构，形成不同形式的控制器，如比例（P）控制器，比例积分（PI）控制器，比例微分（PD）控制器等。(1)比例系数Kp的作用是：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统

5、的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定；Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 (2)积分作用系数Ki的作用是：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的稳态误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调；若Ki过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。 (3)微分作用系数Kd的作用是：改善系统的动态特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。本次试验系统结构除控制模块以外已经给出，

6、系统的理论分析主要通过Matlab中的Simulink实现，在Simulink中搭建如图1所示的伺服系统结构图。 图1 伺服系统结构图 其中传递函数以零极点表示的形式为: 限幅环节Saturation取值10；代表非线性环节的齿隙Backlash宽度取值4。下面通过Simulink仿真对系统进行理论分析。首先我们将控制器设为1，选择阶跃信号作为输入仿真运行结果如图3所示。 图3 控制器为1时输出结果 根据上图可知，所给闭环系统为稳定系统，因此可以采用PID控制改善输出。通过上述分析，本实验采用前馈加PID控制的混合控制模式。一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大

7、的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动，而给定的系统中存在齿隙，会对系统结果产生较大的超调，因此设计中舍去积分项，只采用PD控制。2. 伺服系统实验仿真设计的控制器结构如图5所示： 图5 控制器结构 该控制器采用前馈控制加上PID控制的混合控制模式，其中前馈控制采用速度控制。由于前馈控制为开环控制，可以根据开环控制特性加快伺服系统的响应速度。而PID控制模块中舍去积分控制部分，减小齿隙对系统的影响，减小超调。仿真参数结果如表1：表1 系统仿真参数PID参数前馈增益KfKpKd参数值 0.009 0.4 0.051 对设计的控制系统进行仿真验证：（1

8、） 阶跃信号输入：幅值3000 图6 阶跃响应输出曲线 图7 阶跃响应误差曲线 结果显示，稳态误差：0.001，调节时间小于3s，超调量近似为0，满足要求（2） 斜坡信号：速度1000 图8 斜坡响应输出曲线 图9 斜坡响应误差曲线 结果显示，稳态误差：-0.15，满足实验指标要求（3） 正弦信号输入：周期6.28s，幅值1000 图10 正弦信号输入响应曲线 图11 正弦信号误差曲线 结果分析，根据正弦信号响应误差曲线可得，稳态最大误差为1.6，满足实验指标要求，因齿隙引起的跳变为1.5，大于实验指标齿隙引起的跳变小于1的要求。（4） 以阶跃信号输入为例，去掉输出限幅部分 图13 去点限幅影

9、响后阶跃响应曲线 图14无限幅阶跃响应误差曲线 结果分析：去掉限幅部分以后，调节时间0.5s，调节速度大大提前，同时稳态误差未发生大的变化。（5） 以正弦信号为例，去掉非线性齿隙环节 图15 无非线性齿隙环节正弦输出 图16 无非线性齿隙环节正弦响应误差结果分析：去掉非线性齿隙环节后，正弦信号输出稳定后基本不再发生大的跳变，输出稳定，调节时间未发生明显变化。三、结果分析1、根据实验结果分析位置控制器输出限幅对系统性能的影响； 答：对比图14和图7可以发现，去掉输出限幅模块之后，调节时间大大减少，而响应稳定之后则基本没有变化，由此可见，位置系统的输出限幅影响系统的调节速度，当输入信号幅值大于限幅

10、环节时会延长系统的调节调节时间。2、根据实验结果分析非线性齿隙环节对系统性能的影响； 答：观察图11和图16可以发现，由于非线性齿隙环节存在，正弦信号输出响应稳定后误差会产生规律性跳变，严重破坏系统的动态特性。此外非线性齿隙环节导致系统调节更加复杂，严重时会导致系统震荡不稳定，极大地破坏系统动态特性。本实验采用前馈PID调节模式，而PID控制器是一种线性控制器，非线性模块的存在破换了输出的稳定性。3、结合系统模型、实验过程及结果，说明位置控制器的特点及调试方法。答：位置控制系统要求系统稳态误差近乎为零，有尽可能高的动态响应速度，无超调等。位置控制器应用广泛，方便易上手，参数调节简便。PID参数

11、整定使用的是实验试凑法，输入一个阶跃信号，调节PID参数，使其响应满足控制性能指标。首先加入比例信号，调节比例参数使系统稳定并且振荡和超调不是很严重；本实验设计只采用PD控制，因此积分项不需考虑；加入微分信号，可以发现系统振荡改善；此后结合前几点各参数作用反复调试，能得到最佳结果。四、学习心得 本次实验仿真大量时间用于仿真调试，使自己更加熟练MATLAB工具箱的使用，掌握SIMULINK的使用技巧。作为一名控制专业的学生，对于MATLAB的使用掌握是不可或缺的，这为以后的学习奠定一定的基础。本科阶段未曾过多接触过伺服系统方面的内容，通过本次实验，一定程度上了解到伺服系统的组成，控制方法等。本次

12、实验最大的学习是在控制算法方面，由于模糊控制掌握不够深入，起初曾一直尝试使用模糊PID进行控制，但控制结果一直不甚理想，无法达到实验指标要求，经过多次调试仍没有大的改善，后因随老师出差等原因实验时间不足，放弃模糊PID控制而采用前馈PID调节。虽然本次实验未能采用模糊控制算法完成，但前期的尝试仍然使自己对模糊算法的使用有了极大的提高，尤其是在使用MATLAB仿真方面，这也算是本次实验的最大收获。PID控制算法功能同样很强大，应用范围很广泛，但对于非线性控制仍有很大难度，本次实验中齿隙非线性使得系统响应稳定以后动态特性仍发生变化，特别是正弦信号作为输入时，响应误差在齿隙部分产生突变，本实验采用前馈PID控制未能有效地减小突变，未达到实验指标要求。由于时间关系未能做过多研究，比较遗憾。参考文献1 刘金琨. 先进PID控制Matlab控制仿真 北京：电子工业出版社，20042 张志涌. MATLAB教程 北京：航空航天大学出版社，20063 胡寿松. 自动控制原理（第四版） 北京：科学出版社，20014 胡庆波，吕征宇. 全数字伺服系统中位置前馈控制器的设计J.电气传动.2005(35)5 赵永娟，孙华东.基于MATLAB的模糊PID控制器设计与仿真6 李颖宏，甘泉.基于限幅的最优PID控制器设计J.仪器仪表学报.2006(27)