第四章伺服系统的动态设计精选文档.ppt

第四章伺服系统的动态设计本讲稿第一页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第二页，共六十九页4 4.1 1.1 1 动动 态态 设设 计计 概概 述述4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则信信 号号 转转 换换电电 路路 输输 出出信信 号号 输输 入入 放放 大大 装装 置置执执 行行 机机 构构被被 控控 对对 象象检检 测测 装装 置置补补 偿偿 装装 置置u 动动 态态 设设 计计 步步 骤骤 绘绘 制制 希希 望望 特特 性性 设设 计计 校校 正正 环环 节节 将将 校校 正正 环环 节节 有有 效效 的的 连连 接接 到到 系系 统统 中中u 应应 用用 方方 法法：主主 要要 应应 用用 开开 环环 对对 数数 频频 率率 法法。条条 件件：线线 性性 系系 统统：单单 位位 反反 馈馈，最最 小小 相相 位位 系系 统统 非非线线性性系系统统：可可用用简简单单的的描描述述函函数数法法表表达达本讲稿第三页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第四页，共六十九页4 4.1 1.2 2 系系 统统 品品 质质 与与 系系 统统 特特 性性4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则系系统统品品质质：衡衡量量系系统统工工作作质质量量好好坏坏并并变变成成 可可 以以 计计 量量 的的 品品 质质 指指 标标。稳稳 态态 品品 质质 指指 标标：稳稳 态态 精精 度度。动动态态品品质质指指标标（过过渡渡过过程程）最最 大大 超超 调调 量量%过过渡渡过过程程时时间间ts 振振 荡荡 次次 数数N系系统统特特性性：指指系系统统本本身身的的特特性性，如如阶阶数数、型型 数、开数、开 环环 增增 益益 等等 等。等。本讲稿第五页，共六十九页u 系系 统统 特特 性性 与与 稳稳 态态 精精 度度 的的 关关 系系4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 稳稳 态态 精精 度度：用用 稳稳 态态 误误 差差 的的 数数 值值 来来 衡衡 量量。稳稳 态态 误误 差差 的的 求求 解解：c c erW(s)根根据据终终值值定定理理可可求求解解稳稳态态误误差差：注注 意意：此此 定定 理理 的的 条条 件件 是是sE(s)在在 s平平 面面 虚虚 轴轴 上上 和和右右半半平平面面上上无无极极点点，即即系系统统必必须须是是渐渐进进稳稳定定的的！本讲稿第六页，共六十九页u 输输入入信信号号的的类类型型4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 阶跃信号：阶跃信号：斜坡（等速）信号：斜坡（等速）信号：抛抛物物线线（等等加加速速）信信号号：正正 弦弦 信信 号号（谐谐 波波 信信 号号）：本讲稿第七页，共六十九页4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则u 各各 种种 输输 入入 信信 号号 下下 稳稳 态态 误误 差差 的的 大大 小小 阶阶 跃跃、斜斜 坡坡、抛抛 物物 线线 信信 号号 输输 入入：0型型型ec型型R（s）000本讲稿第八页，共六十九页4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则从从B o d e图图 上上 看看：系系 统统 稳稳 态态 误误 差差 与与20lg|W(j20lg|W(j)|)|低低频频段段渐渐近近线线的的斜斜率率(型型)及及 它它(或或 延延 长长 线线)在在=1处处 的的 分分 贝贝 数数 有有 关关。L()=1本讲稿第九页，共六十九页 正正弦弦输输入入信信号号4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则输输 入入:r(t)=asinrt若若20lg20lg|W(jr r)|)|的的 分分 贝贝 数数 越越 高高，|W(j|W(j r r)|)|的的 值值 越越 大大，|(j(jr r)|)|越越 接接 近近1 1，那那 么么 稳稳 态态误误差差就就越越小小。由由于于r r一一般般为为低低频频，所所以以看看2 0 l g|W(j2 0 l g|W(jr r)|)|低低频频段段分分贝贝数数。输输 出出:y(t)=a|(jr)|sin(rt+)本讲稿第十页，共六十九页 小小 结结4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 对对于于阶阶跃跃、斜斜坡坡、抛抛物物线线三三种种信信号号输输入入，稳稳态态误误差差不不仅仅与与输输入入信信号号的的形形式式和和大大小小有有关关，还还与与系系统统开开环环增增益益K的的大大小小和和包包含含积积分分环节的数目有关。环节的数目有关。对对 于于 正正 弦弦 输输 入入：稳稳 态态 误误 差差 与与=r时时20lg|W(j20lg|W(j r r)|)|的的 分分 贝贝 数数 有有 关关，即即 低低 频频 段段20lg|W(j20lg|W(j r r)|)|的的 分分 贝贝 数数 相相 关关。从从频频率率响响应应特特性性来来看看，与与20lg|W(j)|低低频频 段段 渐渐 近近 线线 斜斜 率率 及及 它它（或或 渐渐 近近 线线）在在=1处处的分贝数有关。的分贝数有关。本讲稿第十一页，共六十九页 系系统统特特性性与与超超调调量量%的的关关系系4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则%频域频域Mp pNyquist平面平面MMpNichols平面平面MMp开环频率特性开环频率特性20lg|WW（j j)|系系统统特特性性与与其其过过渡渡过过程程品品质质的的关关系系本讲稿第十二页，共六十九页 时时域域分分析析：Mp与与%的的关关系系 对对于于无无零零点点二二阶阶系系统统：引引 入入 谐谐 振振 峰峰Mp=对对 于于 高高 阶阶 系系 统统：当当 其其MMp p4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则|(j j)|max=本讲稿第十三页，共六十九页 乃乃 奎奎 斯斯 特特（Nyquist)平平 面面 分分 析析 （M p与与W(j)零零极极点点分分布布的的关关系系）4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 Nyquist平平 面面 回回 顾顾平平 面面 回回 顾顾横横 坐坐 标标 为为 实实 部部横横 坐坐 标标 为为 实实 部部u，纵纵 坐坐 标标 为为 虚虚 部部，纵纵 坐坐 标标 为为 虚虚 部部jvjv构构 成成NyquistNyquist平平 面面。平平 面面。等等 M圆圆圆圆在在在在NyquistNyquist平平面面上上，平平面面上上，本讲稿第十四页，共六十九页当当M为为 定定 值值 时时，4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则当当当当MM不同值时，为一族不同心、不同半径的圆，即等不同值时，为一族不同心、不同半径的圆，即等不同值时，为一族不同心、不同半径的圆，即等不同值时，为一族不同心、不同半径的圆，即等MM圆。圆。圆。圆。令令令令V=0V=0，ujv本讲稿第十五页，共六十九页4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则ujv在在NyquistNyquist平平 面面 上上，与与W（j)曲曲 线线 相相 切切 的的M 圆圆 值值，就就 是是 系系 统统 的的 谐谐 振振 峰峰 值值MMp p。由由 图图可可 见见，要要 使使 超超 调调 量量 小小，则则 需需 相相 角角 裕裕 量量大大。每每 个个MM圆圆 所所 要要 求求 的的 最最 大大 相相 角角 贮贮 量量max则则 系系 统统 相相 角角 贮贮 量量本讲稿第十六页，共六十九页 尼尼 柯柯 尔尔 斯斯 平平 面面 分分 析析4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 Nichols平平 面面 简简 介介以以开开环环幅幅频频特特性性A和和 幅幅角角为为坐坐标标，折折算算到到对对数数坐坐标标上上去去，横横坐坐标标为为，纵纵坐坐标标为为20lgA构构成成N i c h o l s平平面面。20lgA()本讲稿第十七页，共六十九页 Nichols平平 面面M圆圆 族族4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则20lgA()()ujvL LM ML Lm m本讲稿第十八页，共六十九页20lgA()()()20lgA()cmujv4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则W(jW(j)-90-900 0-180-1800 0-20dB/dec-40dB/dec-20dB/dec从从NicholsNichols平平 面面平平 面面MM圆圆 族族 可可 以以 看看 出出，它它 们们 正正 好好 对对 应应 系系圆圆 族族 可可 以以 看看 出出，它它 们们 正正 好好 对对 应应 系系统统开开环环对对数数幅幅频频特特性性L(L()=20lg|W(j)=20lg|W(j)|)|与与与与0dB0dB相相 交交的的中中频频段段。从从图图上上可可见见，为为保保证证系系统统有有足足够够的的相相 角角 裕裕 量量，系系 统统 中中 频频 段段 的的 斜斜 率率 必必 须须 是是，系系 统统 中中 频频 段段 的的 斜斜 率率 必必 须须 是是-20dB/dec-20dB/dec，且它沿横坐标的跨度应不小于且它沿横坐标的跨度应不小于且它沿横坐标的跨度应不小于且它沿横坐标的跨度应不小于本讲稿第十九页，共六十九页 Mp与开开 环环 频频 率率 特特 性性20lg|W(j)|的的 关关 系系()20lgA()cm-90-900 0-180-1800 0-20dB/dec-40dB/dec-20dB/decLmLMh本讲稿第二十页，共六十九页小小结结4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则为为 减减 小小%：1、系系 统统 中中 频频 段段 特特 性性 必必 须须 为为-20dB/dec，才才 能能 保保 证证 系系 统统 相相 角角 裕裕 量量 1/sinMp 2、系系统统中中频频段段特特性性沿沿纵纵坐坐标标的的上上下下跨跨度度 应不小于应不小于 LM和和Lm界限。界限。3、为为 减减 小小%，可可 以以 延延 长长中中 频频 段段 特特 性性 -20dB/dec的的 长长 度度，尤尤 其其 是是 上上 部部 的的 长长 度度。本讲稿第二十一页，共六十九页 系系统统特特性性与与过过渡渡过过程程时时间间ts的的关关系系4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则为为 减减 小小t ts s,应应 增增 大大c c，即即 使使 穿穿 越越 频频 率率 尽尽 量量 靠靠 右右！本讲稿第二十二页，共六十九页总总结结4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则1 1、影影响响系系统统稳稳态态精精度度的的主主要要因因素素是是开开环环增增益益K和和包包含含积积分分环环节节的的数数目目，即即稳稳态态 精精 度度 主主 要要 取取 决决 于于 系系 统统 低低 频频 段段 特特 性性。2 2、影影响响系系统统过过渡渡过过程程品品质质的的主主要要因因素素是是系系统统开开环环幅幅频频特特性性中中频频段段的的位位置置和和形形状状，它它们们都都与与系系统统的的开开环环增增益益和和开开环环 零零 极极 点点 的的 分分 布布 状状 况况 特特 有有 关关。%与与中中频频段段长长度度有有关关，ts与与c的的 大大 小小 有有 关关。本讲稿第二十三页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第二十四页，共六十九页4 4.2 2.1 1 4 4.2 2.1 1 用用用用 B Bo od de eB Bo od de e图图 分分 析析 的的 要要 求求 条条 件件图图 分分 析析 的的 要要 求求 条条 件件4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制1、系系统统应应为为最最小小相相位位系系统统；2、系系统统应应为为单单位位反反馈馈系系统统；本讲稿第二十五页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第二十六页，共六十九页4 4.2 2.2 2 4 4.2 2.2 2 简简 单单简简 单单B B o o d d e eB B o o d d e e图图 分分 析析图图 分分 析析4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制L（）1/T20lgKL（）1/TKV L（）1/T本讲稿第二十七页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第二十八页，共六十九页4 4.2 2.3 3 4 4.2 2.3 3 希希 望望 特特 性性 的的 绘绘 制制希希 望望 特特 性性 的的 绘绘 制制4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制系统通常给定技术指标要求系统通常给定技术指标要求：m、m、em、ec、ev、ea、%、ts原原 始始 系系 统统 开开 环环 传传 递递 函函 数数：W0(s)rc假设系统做等效正弦运动：假设系统做等效正弦运动：C C =m m sinsin i i t t e e =e em msinsin(i it+t+)m m =m m2 2/m m i i =m m/m m本讲稿第二十九页，共六十九页希希望望特特性性绘绘制制的的步步骤骤4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制1 1、稳稳 态态 指指 标标：(1 1)精精 度度 点点(2 2)精精 度度 点点 界界 限限3 3、绘绘制制原原始始特特性性：4 4、希希望望特特性性：(1 1)超超 调调 量量 指指 标标(2 2)过过 渡渡 过过 程程ts指指 标标2 2、电电机机饱饱和和界界限限：本讲稿第三十页，共六十九页u 稳稳 态态 指指 标标4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 精精度度点点L（）i本讲稿第三十一页，共六十九页L（）i 精精 度度 界界 限限4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制本讲稿第三十二页，共六十九页4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制L（）iu 电电 机机 饱饱 和和 界界 限限k 饱饱和和点点本讲稿第三十三页，共六十九页 饱饱和和界界限限4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制L（）ik本讲稿第三十四页，共六十九页u 原原 始始 特特 性性 的的 绘绘 制制4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制L（）i1/T11/T2本讲稿第三十五页，共六十九页L（）i1/T11/T2 过过渡渡过过程程指指标标ts4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制本讲稿第三十六页，共六十九页u 希希 望望 特特 性性 的的 绘绘 制制4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 超超调调量量指指标标%M p（6 6-3 3）L（）i1/T11/T2LMLmh本讲稿第三十七页，共六十九页u 相相 角角 裕裕 量量 估估 算算其中：其中：l：l c的极点的极点 p：p c的极点的极点 t：t c的零点的零点由由 估算估算Mp，若，若Mp过大，就需重过大，就需重画希望特性。画希望特性。4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制本讲稿第三十八页，共六十九页绘绘制制希希望望特特性性总总结结4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 稳稳态态品品质质要要求求为为 满满 足足 系系 统统 稳稳 态态 精精 度度 的的 要要 求求，系系统统 希希 望望 特特 性性 的的 低低 频频 段段 要要 满满 足足 精精 度度点点 和和精精度度界界限限的的要要求求。动动 态态 品品 质质 要要 求求为为 满满 足足 系系 统统 动动 态态 品品 质质 的的 要要 求求，系系 统统 希希 望望特特 性性 的的 中中 频频 段段 要要 满满 足足 和和 的要求。的要求。电电 机机 饱饱 和和 界界 限限本讲稿第三十九页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第四十页，共六十九页4 4.3 3.1 1 串串 联联 补补 偿偿 环环 节节 传传 递递 函函 数数 的的 求求 取取4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制W1(s)W2(s)rcL()1/T11/T21/T31/T4右右 图图 所所 示示 例例 子子：Lx()L0()Wc(s)本讲稿第四十一页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第四十二页，共六十九页4 4.3 3.2 2 负负 反反 馈馈 补补 偿偿 的的 设设 计计4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制W1(s)W2(s)W3(s)rcWf(s)本讲稿第四十三页，共六十九页右右 图图 所所 示示 例例 子子：4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制L()1/T41/T11/T31/T2Lx()L0()L2()()()()(LLjWjW120lgx0f2-=+Lf()本讲稿第四十四页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第四十五页，共六十九页4 4.3 3.3 3 降降 低低 灵灵 敏敏 度度 的的 设设 计计4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制u 灵灵 敏敏 度度 概概 念念“灵灵 敏敏 度度”是是 指指 系系 统统 特特 性性 对对 参参 数数 变变 化化 的的 敏敏 感感 程程 度度。波波 德德 灵灵 敏敏 度度对于单位反馈闭环系统，若对于单位反馈闭环系统，若和和n是系统中某参数的实是系统中某参数的实际值和标称值，其微变增量为际值和标称值，其微变增量为 ，(s)和和n(s)是闭环传递函数的实际值和标称值，其微变增量为是闭环传递函数的实际值和标称值，其微变增量为 ，那么等式，那么等式为闭环传递函数为闭环传递函数(s)相对于参数相对于参数的灵敏度表达式。的灵敏度表达式。若若 ，则，则(s)对对W(s)的灵敏度表达式的灵敏度表达式本讲稿第四十六页，共六十九页 霍霍洛洛维维次次(Horowitz)灵灵敏敏度度4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制等式等式 称为闭环传递函数称为闭环传递函数(s)对开环传对开环传递函数递函数W(s)的灵敏度函数。其中差分的灵敏度函数。其中差分 和和 。对单位反馈系统而言：。对单位反馈系统而言：本讲稿第四十七页，共六十九页小 结4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 不不 论论 哪哪 一一 种种 灵灵 敏敏 度度 定定 义义，对对 于于 单单 位位 反反 馈馈 系系 统统，闭闭 环环 传传 递递 函函 数数 对对 开开 环环 传传 递递 函函 数数 的的 灵灵 敏敏 度度 是是 一一 致致 的的，即即 。可可 见见，要要 求求 灵灵 敏敏 度度 小小 与与 要要 求求 误误 差差 传传 递递 函函 数数 小小 是是 一一 致致 的的。本讲稿第四十八页，共六十九页u 按按 灵灵 敏敏 度度 要要 求求 设设 计计 补补 偿偿 环环 节节4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制W1(s)W2(s)rc若若要求：要求：已知：已知：本讲稿第四十九页，共六十九页W1(s)W2(s)rcWf(s)本讲稿第五十页，共六十九页L()1/T31/T11/T31/T24.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制本讲稿第五十一页，共六十九页u 多多 反反 馈馈 回回 路路 设设 计计K1K21+T2s1/(Ri+Rd)1+TasK3 K4Km1Js1isKerceudIdMd dcGI(s)K1K21+T2s1/R1+TasK3 K4KmJs1isKerceudId dcG(s)Gs)本讲稿第五十二页，共六十九页 电电 流流 反反 馈馈 环环GI(s)K1K21+T2s1/R1+TasK3 K4KmJs1isrceudId dcG(s)G(s)Ke其其 中中：i=Ta、Ki和和根根 据据 经经 验验 选选 取取。忽忽 略略Ke,得得 到到 小小 闭闭 环环 传传 递递 函函 数数本讲稿第五十三页，共六十九页 速速 度度 负负 反反 馈馈 环环K1K21+T2sKmJs1isrceId dcG(s)G(s)1/1+Rs/(kiK3K4)其其 中中：速速 度度 环环 开开 环环 传传 递递 函函 数数速速 度度 环环 闭闭 环环 传传 递递 函函 数数本讲稿第五十四页，共六十九页cK1K21+T2s1isrce dG(s)Ks1+Ks 位位 置置 反反 馈馈 环环G(s)按按 前前 面面 讲讲 的的 方方 法法 来来 求求 取取。本讲稿第五十五页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第五十六页，共六十九页4 4.3 3.4 4 前前 馈馈 补补 偿偿 环环 节节 传传 递递 函函 数数 的的 求求 取取W1(s)W2(s)rcWb(s)+本讲稿第五十七页，共六十九页系系 统统 被被 提提 高高型型 系系 统统 被被 提提 高高型型 系系 统统 被被 提提 高高型型 本讲稿第五十八页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第五十九页，共六十九页4 4.3 3.5 5 型型 系系 统统 的的 设设 计计rceK11isK5(1+Ts)(1+Ts)K2K3K41+T2scu 串串 加加P P I I调调 节节 器器 实实 现现型型 系系 统统rceK11isK5(1+Ts)(1+Ts)ss+1+1scK2K3K41+T2s 再再按按希希望望特特性性设设计计(例例串串联联或或负负反反馈馈补补偿偿)先先 串串 加加P I调调 节节 器器。本讲稿第六十页，共六十九页L（）1/T21/T4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制的的 选选 择择：rceK11isK5(1+Ts)(1+Ts)ss+1+1scK2K3K41+T2s 用用(s+1)来来 抵抵 消消(1+T2s)、(1+Ts)、(1+Ts)中中最最大大的的一一个个惯惯性性环环节节，得得到到曲曲 线线。若若T2、T、T都都 很很 小小，如如 曲曲 线线所所 示示。1/T3本讲稿第六十一页，共六十九页u 用用 前前 馈馈 补补 偿偿 实实 现现型型 系系 统统4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制rceK11isK5(1+Ts)(1+Ts)K2K3K41+T2scb s+实实 现现 方方 法法：先先 按按型型系系统统设设计计(例例采采用用串串联联或或负负反反馈馈补补偿偿)再再 求求 前前 馈馈 补补 偿偿 环环 节节。例例 上上 述述 系系 统统 型型 系系 统统 的的 实实 现现：本讲稿第六十二页，共六十九页 等等 效效 开开 环环 传传 递递 函函 数数4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制所所谓谓等等效效即即仅仅仅仅对对输输 入入r r的的 作作 用用 是是 等等效效的的，离离开开这这一一点点两两 系系 统统 并并 不不 等等 效效!W1(s)W2(s)rcWb(s)+eW1(s)W2(s)rc+eWb(s)+Wb(s)本讲稿第六十三页，共六十九页系系 统统 是是0型型 系系 统统 是是型型 系系 统统 是是型型 系系 统统 是是型型 系系 统统 是是0型型 通通 过过 闭闭 环环 传传 递递 函函 数数 判判 断断 系系 统统 的的 型型本讲稿第六十四页，共六十九页第四章第四章 伺服系统的动态设计伺服系统的动态设计 4.1 4.1 动态设计原则动态设计原则 4.1.1 4.1.1 动态设计概述动态设计概述 4.1.2 4.1.2 系统品质与系统特性系统品质与系统特性 4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.2.1 4.2.1 用用BodeBode图分析的要求条件图分析的要求条件 4.2.2 4.2.2 简单简单BodeBode图分析图分析 4.2.3 4.2.3 希望特性的绘制希望特性的绘制 4.3 4.3 补偿环节传递函数的求取补偿环节传递函数的求取 4.3.1 4.3.1 串联补偿环节传递函数的求取串联补偿环节传递函数的求取 4.3.2 4.3.2 负反馈补偿的设计负反馈补偿的设计 4.3.3 4.3.3 降低灵敏度的设计降低灵敏度的设计 4.3.4 4.3.4 前馈补偿环节传递函数的求取前馈补偿环节传递函数的求取 4.3.5 4.3.5 型系统的设计型系统的设计 4.4 4.4 补偿装置的实现补偿装置的实现 4.4.1 4.4.1 直流补偿装置的实现直流补偿装置的实现 本讲稿第六十五页，共六十九页4 4.4 4.1 1 直直 流流 补补 偿偿 装装 置置 的的 实实 现现4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制u 串串 联联 补补 偿偿装装 置置 的的 实实 现现W1(s)Wc(s)W2(s)rc 可可用用无无源源网网络络实实现现(P225 附附 录录1)可可 用用 有有 源源 网网 络络 实实 现现(P227 附附 录录2)u1u2R1R2C2C1u1R1R3C1R2r2r1r3C2+_本讲稿第六十六页，共六十九页u 前前 馈馈 补补 偿偿 装装 置置 的的 实实 现现4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制W1(s)W2(s)rcWb(s)+e实实 现现 线线 路路：d负载负载RC微微分电路分电路rc本讲稿第六十七页，共六十九页R C微微 分分 电电 路路 实实 现现 举举 例例C1R1r式式中中：UR2本讲稿第六十八页，共六十九页W1RiRfd40CY-3-+RfRiK1K21+TasRfZ(s)Kedu 负负 反反 馈馈 补补 偿偿 装装 置置 的的 实实 现现4.2 4.2 希望特性的绘制希望特性的绘制RfRiK1K21+TasRiZ(s)KedC2C1R1R3Z(s)W1(s)W2(s)rcWf(s)本讲稿第六十九页，共六十九页