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第4章 伺服控制系统
总结误差对精度及稳定性的影响
输入环节误差低频分量相当于输入信号的一部分，影响输 出精度，高频分量不影响精度；
闭环之内的前向环节误差的低频分量会得到反馈系统的补 偿，对输出精度无影响，高频分量影响精度；
反馈环节上的误差相当于系统的一部分输入信号，与输入 环节误差影响相同
因无检测装置，结构简单、成本低，但由于误差无法 测出和补偿，因此开环系统精度不高。
第4章 伺服控制系统
闭环伺服系统简图
图4-2 闭环控制系统
闭环控制：有检测装置，装在移动部件上，可直接检测移 动部件的位移，系统采用了反馈和误差补偿技术，可很精 确地控制移动部件的移动距离。
第4章 伺服控制系统
半闭环伺服系统简图
R(s) 1 G(s)
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第4章 伺服控制系统
对扰动输入RN（S）的闭环传递函数
N
(s)
CN RN
(s) (s)
1
1 G(s)
(s)
G(s)
(s) C(s) G(s)
R(s) 1 G(s)
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第4章 伺服控制系统
一个稳定且具有良好特性的系统应满足
在中低频段 (s) 1； G(s) 1
则有
图4-3 半闭环控制系统
半闭环控制：也有检测装置，装在伺服电动机上，在伺服电动 机的尾部装有编码器或测速发电机，分别检测移动部件的位移 和速度。由于传动件不可避免地存在受力变形和消除传动间隙 等问题，因而半闭环控制系统的控制精度不如闭环系统。
第4章 伺服控制系统
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第4章 伺服控制系统
半闭环与闭环比较
在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量) 是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输 出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。
第4章 伺服控制系统
伺服系统也称之为随动系统，是以位移、速度或 力、力矩等作为被控量的自动控制系统。
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第4章 伺服控制系统
4.1.2 伺服系统的分类
调节元件
驱动元件
测量、反馈元件
输出量 被控对象
测量反馈元件
指传感器及其信号检测装置，用于实时检测被 控对象的输出量并将其反馈到比较元件。
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第4章 伺服控制系统
伺服控制系统组成的另一种表达形式
电气 控制装置
执行元件
机械 执行装置
传 感 器
由两部分组成： 电气控制装置部分 机械执行装置部分
在控制信号传递路线上，以执行元件作为接口 在反馈信号传递路线上，以传感器作为接口
闭环之前环节的误差相当于系统的另外一 个输入信号，它和系统的输入信号是并联关系。
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第4章 伺服控制系统
（2）闭环内前向环节误差对输出精度的影响
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第4章 伺服控制系统
对无扰动输入R（S）
开环传递函数 G(s) Gc (s)GM (s)G2' (s) 闭环传递函数 (s) C(s) G(s)
闭环内环节的误差会影响系统的极点分布，影响系统稳定 性
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按被控制量性质不同 有位置、速度、加速度、力和力矩等伺服系统形式
按驱动方式不同 有电磁、液压和气压等伺服驱动形式 按信号特点不同 有模拟式伺服系统和数字式伺服系统 按控制原理（或方式）不同 表示的方式有开环、闭环和半闭环三种形式
第4章 伺服控制系统
开环伺服系统简图
图4-1 开环控制系统
开环控制：无检测装置，常用步进电动机驱动实现，每输 入一个指令脉冲，步进电动机就旋转一定角度，它的旋转 速度由指令脉冲频率控制，转角大小由脉冲个数决定。
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第4章 伺服控制系统
三、精度
精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度，是伺 服系统的一项重要的性能要求。
伺服系统中存在三种误差：
动态误差：动态响应过程中的输出与输入的偏差 稳态误差：动态响应过程结束后输出与输入的偏差 静态误差：系统组成元件本身误差及干扰引起的偏差
影响伺服系统精度的因素：
可根据系统的传递函数，基于自动控制理论所提 供的各种方法来判别。
“爬行”现象是伺服系统不稳定的一种表现。
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第4章 伺服控制系统
二、快速性
快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重 要指标。快速响应性有两方面含义： 动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅 速程度 动态响应过程结束的迅速程度 上升时间tr 峰值时间tp 过渡过程时间ts
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第4章 伺服控制系统
4.1.4 伺服控制系统的基本要求
一、稳定性
稳定性是指作用在系统上的扰动消失后，系统能 够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号 作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。
伺服系统的稳定性取决于系统结构及组成元件的 参数，如惯量、刚度、阻尼、增益等，与外界作用信 号的性质或形式无关，如指令信号和扰动信号。
伺服放大器：零点漂移，死区误差等 机 械 装 置：传动误差，回程误差等 传 感 器：灵敏度，精度等 输 入 指 令：信号的形式，模拟量、数字量
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第4章 伺服控制系统
伺服系统中误差产生的位置
（1）闭环之前输入环节 （2）闭环的前向环节 （3）闭环的反馈环节 （4）闭环之后输出环节
输入
比较 元件
第4章 伺服控制系统
1
第4章 伺服控制系统
4.1 概 述
伺服驱动技术是机电一体化的一种关 键技术，在机电设备中具有重要的地位，高 性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、 快速的驱动。
第4章 伺服控制系统
4.1.1 伺服控制系统的基本概念
“伺服”一词源于希腊语“奴隶”，英语“Servo”。在伺 服驱动方面，我们可以理解为电机转子的转动和停止完全根 据信号的大小、方向，即在信号来到之前，转子静止不动； 信号来到之后，转子立即转动；当信号消失，转子能即时自 行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名——伺服系统。
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第4章 伺服控制系统
4.1.3 闭环伺服控制系统组成
输入指令 比较元件
调节元件
驱动元件
输出量 被控对象
测量、反馈元件
比较元件
将输入的指令信号与系统的反馈信号进行 比较，以获得控制系统动作的偏差信号的环节， 通常可通过电子电路或计算机软件实现。
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第4章 伺服控制系统
输入指令 比较元件
调节元件
半闭环伺服系统
控制系统的稳定性高，不能消除伺服电动机与丝杠的连接误差及传动间隙对加工的影响
闭环伺服 系统
相对稳定性不高，易出现系统振荡现象，伺服调整比较困难。需发展伺服软件技术
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第4章 伺服控制系统
闭环与半闭环伺服系统选择原则
当系统精度要求很高时，应采用闭环控制方案。它将 全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，其误差都 可以通过控制系统得到补偿，因而可达到很高的精度。但是 闭环伺服系统结构复杂，设计难度大，成本高，尤其是机械 系统的动态性能难于提高，系统稳定性难于保证，因而除非 精度要求很高时，一般采用半闭环控制方案。目前大多数数 控机床和工业机器人中的伺服系统都采用半闭环控制。
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调节 元件
驱动 元件
反馈 元件
被控 对象
输出量
第4章 伺服控制系统
伺服系统原理框图
一般传动误差可视为两部分： • 伺服带宽以内的低频分量（如回程误差） • 伺服带宽以外的高频分量（如传动误差）
机电一体化系统通常具有低通特性。
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第4章 伺服控制系统
（1）闭环之前环节的误差对系统输出精度的影响
驱动元件
测量、反馈元件
元件输出的偏差信号进行变换、放大， 以控制执行元件按要求动作。一般由软件算法加 硬件电路实现，或单独由硬件电路实现。
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第4章 伺服控制系统
输入指令 比较元件
调节元件
驱动元件
测量、反馈元件
输出量 被控对象
驱动元件
在控制信号的作用下，将输入的各种形式的能 量转换成机械能，驱动被控对象工作。机电一体 化系统多采用伺服电机作为驱动元件。
N (s)
(s)
G(s)
1,
CN (s) RN (s)
在高频段 (s) 1； G(s) 1
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则有
N (s)
(s)
G(s)
1, CN (s) RN (s)
第4章 伺服控制系统
总结
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第4章 伺服控制系统
（3）反馈环节误差对系统输出精度的影响
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第4章 伺服控制系统
（4）闭环之后输出环节的误差对系统的影响
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第4章 伺服控制系统
输入指令 比较元件
调节元件
驱动元件
输出量 被控对象
测量、反馈元件
被控对象
伺服系统中被控制的设备或装置，是直接实现目 的的功能或动作的主体，其行为质量反映整个伺服 系统的性能。被控对象一般是机械结构和装置，包 括传动机构和执行机构。
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第4章 伺服控制系统
输入指令 比较元件