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1、数字交流伺服系统数字交流伺服系统实验一、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.对系统进行理论分析图1伺服系统(servosystem)亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复规输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为
2、伺服，一般其内部包括转矩（电流）、速度和位置闭环。内环是速度控制，外环是位置控制。其工作原理简单的说就是在开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的PID调节控制。再加上驱动器内部的电流闭环，通过这3个闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响应特性都提高很多。伺服系统是个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡。2.系统仿真结构图仿真系统结构图如图2所示，其中包含电流、转速、位置三闭环，并存在饱和、齿隙非线性环节，本实验采用PID控制器进行控制，以改善系统性能。其中，PID部分是用S-函数编
3、写的M文件。如下所示：图2仿真系统结构图S-函数如下：function[sys,x0,str,ts]=pidcontroller(t,x,u,flag,Kp,Ti,Td,T)globalumaxuk_1ek_1ek_2switchflag,case0,%初始化部分sizes=simsizes;%读入初始化参数模版sizes.NumContStates=0;%无连续状态sizes.NumDiscStates=0;%无连续状态sizes.NumOutputs=1;%一个输出状态sizes.NumInputs=1;%一个输入状态sizes.DirFeedthroug
4、h=1;%输入能直接控制输出sizes.NumSampleTimes=1;%单个采样周期sys=simsizes(sizes);%根据上面的设置设定系统的初始化参数str=[];%保留参数x0=[];%无状态变量ts=[T0];%采样周期umax=2048;uk_1=0;ek_1=0;ek_2=0;%控制器参数初始化case3,%求取系统的输出信号ek=u;%获取误差uk=uk_1+Kp*(ek-ek_1)+T/Ti*ek+Td/T*(ek-2*ek_1+ek_2);%增量式PID控制算法ifuk>umaxuk=umax;endifuk<-umaxuk=-um
5、ax;enduk_1=uk;ek_2=ek_1;ek_1=ek;sys=[uk];case{1,2,4,9},sys=[];otherwiseerror(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);end3.伺服系统仿真实验（1）给出所用的控制器结构与参数所选用的控制器为数字增量式PID控制器，所用的控制算法为：增量式PID控制算法的优点：1)增量型算法不需要做累加，增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算精度对控制量的影响较小。2)得出的是控制量的增量，误动作影响小，不会严重影响系统工作。3)增量型算法不对偏差做累加，因而不会引起积
6、分饱和。4)采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。通过整定，所得参数为：Kp=1.233，Ti=0.1633，Td=0.0467，T=0.0048（2）仿真曲线及所取得的性能指标1）阶跃信号输入：指标要求：3000mil调节时间<0.5s，静差<0.5mil，σ%<3mil，振荡1～1.5次；图3系统输出曲线图4系统误差曲线由曲线可以看出：超调量σ%=0.2mil，调节时间ts=0.6s，稳态误差e为0.3mil。2）斜坡信号输入：①低速：20mil/s指标要求：误差<±2mil，无爬行现象；图5系统输出曲线图6系统误差曲线由曲线可以看出：误差<2m
7、il，无爬行现象。②高速：1500mil/s指标要求：误差<±2mil；图7系统输出曲线图8系统误差曲线由曲线可以看出：0.5s之后系统的误差小于2mil，1s最后系统的误差几乎为零。3）正弦信号输入：指标要求：周期6.28s，幅值1000mil±最大误差<±2mil，由齿隙引起的跳变<1mil。图9系统输出曲线图10系统误差曲线由曲线可以看出：系统误差在-5mil和+5mil之间，并且由齿隙引起的跳变大约为1.5mil。4.实际系统实验（1）控制器结构与参数实际系统采用PID加前馈的控制器结构。参数分别为Kp=1.324,Ki=0.253,Kd=0,Kf=1
8、5.23。控制器算法如下：Double
