现在伺服系统实验报告.docx
- 文档编号:11315872
- 上传时间:2023-02-26
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:113.82KB
现在伺服系统实验报告.docx
《现在伺服系统实验报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《现在伺服系统实验报告.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
现在伺服系统实验报告
辚
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2PID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,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Kf
Kp
Kd
参数值
对设计的控制系统进行仿真验证:
(1)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:
,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:
,满足实验指标要求
(3)正弦信号输入:
周期,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,满足实验指标要求,因齿隙引起的跳变为,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,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,2004
[2]张志涌.MATLAB教程北京:
航空航天大学出版社,2006
[3]胡寿松.自动控制原理(第四版)北京:
科学出版社,2001
[4]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)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 现在 伺服系统 实验 报告