数字伺服系统报告.docx

现代数字伺服系统实验报告姓名：刘林学号：110101208学院：自动化学院指导老师：谢蓉华现代数字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，掌握伺服系统的控制器设计与系统调试方法。二、实验内容及结果1. 系统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，系统的理论分析主要通过Matlab中的Simulink实现，由于系统模型已经给出，可在Simulink中搭建如图1所示的伺服系统结构图。图1所示的伺服系统结构图其中，控制器部分需要自行设计，传递函数以零极点形式表示的环节为： 限幅环节取值±2048，代表非线性环节的齿隙宽度取值4。如图2、图3所示，当系统输入为阶跃输入时，示波器显示的输出为一条具有一定斜率的直线，。由此可知系统存在一个零极点，因此用闭环控制才能使系统稳定。图2 系统直接输入阶跃信号图3 输入阶跃信号时对应的输出信号图 确定采用闭环控制之后，首先考虑PID控制，在斜坡信号输入时，误差较大，由于多次参数整定之后都无法满足所要求的条件，因此必须寻求更优的控制方法。在高精度伺服系统中，前馈控制可以用来提高系统的跟踪性能。这里在PID基础上引入输入信号的一阶倒数作为前馈信号，实现部分补偿。由于系统的阶跃响应是一条固定斜率的直线，可将其视为?型系统，存在常值速度误差，使用一阶倒数作前馈，并调节相应比例系数，可使系统等效为II型系统，速度误差为零，加速度误差为常值。下面会具体介绍引入前馈后的PID控制方法。2. 伺服系统仿真实验加入前馈后整个系统框架如图4所示，得到的控制参数如表1所示。图4 加入前馈PID控制后的系统框架图表1前馈PID控制参数表：参数KpKiKdKf数值3.50.0050.30.027输入阶跃信号3000mil时，调节时间为0.3s，静差为-0.459mil，σ%=0.85mil，输出曲线和误差曲线分别如图5和图6所示。图5 3000mil阶跃信号响应输出曲线 图6 3000mil阶跃信号响应误差曲线输入斜坡信号低速20mil/s时，跟踪误差为0.01483mil，无爬行现象，输出曲线和误差曲线分别如图7和图8所示。图7 20mil/s斜坡信号响应输出曲线 图8 20mil/s斜坡信号响应误差曲线 输斜坡信号高速1500mil/s时，跟踪误差为1.132mil，输出曲线和误差曲线分别如图9和图10所示。图891500mil/s斜坡信号响应输出曲线 图10 1500mil/s斜坡信号响应误差曲线输入正弦信号幅值1000mil时，周期6.28s，幅值1000mil，最大误差-0.6779mil，由齿隙引起的跳变为1.24mil，输出曲线和误差曲线分别如图11和图12所示。图11 正弦信号响应输出曲线 图12 正弦信号响应误差曲线3. 实际系统实验在实际系统实验中，采用了自己编的前馈PID控制算法，参数调整方法与理论分析的调整过程相似，控制算法程序见附录。由于编程时将算法简化，默认采样时间为5ms，为常数，因此将它考虑在微分和积分系数中，使微分和积分系数发生改变，且实际系统与理论系统也存在差异，因此理论分析的数值在这里已不再适用。经调整，得到如表2所示控制参数。表2 实际前馈PID控制参数表：参数K1K2K3K4数值3.80.420.22515.36输入阶跃信号100mil，可以看出稳态误差为0.6mil，超调量为1.1，调节时间为0.03s，输出曲线和误差曲线分别如图13和图14所示。图13100mil阶跃信号响应输出曲线 图14 100mil阶跃信号响应误差曲线输入阶跃信号2900mil可以看出稳态误差为0.5mil，超调量为00，调节时间为1.43s，输出曲线和误差曲线分别如图15和图16所示。图153000mil阶跃信号响应输出曲线 图16 3000mil阶跃信号响应误差曲线输入斜坡信号，低速取0.1°/s，相当于1.67mil/s，无爬行现象，输出曲线和误差曲线分别如图17和图18所示。 图17 0.1°/s斜坡信号响应输出曲线 图18 0.1°/s斜坡信号响应误差曲线输入斜坡信号，高速取100°/s，相当于1670mil/s，稳态误差为0.7mil，输出曲线和误差曲线分别如图19和图20所示。图19 100°/s斜坡信号响应输出曲线 图20 100°/s斜坡信号响应误差曲线输入正弦信号，周期6.28s，幅值1000mil，稳态误差最大值为-0.1mil，输出曲线和误差曲线分别如图21和图22所示。图21 正弦信号响应输出曲线 图22 正弦信号响应误差曲线三、结果分析1、调试结果分析说明；经实验调试，仿真和实际系统在前馈PID控制器的作用下，均能满足所需控制性能指标。当只用PID进行控制时，可以满足稳定性要求，但对位置变化信