1．設計伺服系統時，不可忽視動態綜合的重要任務
在選擇和設計伺服系統時，往往是側重于靜態性能方面，而它們的動態性能一般是不能滿足要求的。伺服系統動態綜合的重要任務，就是根據系統的固有特性，找出一種校正裝置，使伺服控制系統能夠達到給定的性能指標。綜合的方法一般有分析法和綜合法。分析法實際上是一種試湊法。設計者根據系統固有特性參數，憑借自己的經驗，設定一個校正裝置，然后分析和鑒定系統的品質指標。如不滿足要求，則重新修改校正裝置，再分析計算和鑒定系統的品質指標。如此反復進行，直到系統全面滿足指標要求為止，最后的校正裝置即為滿足設計要求的校正裝置。由此可見，分析法在很大程度上依賴于設計者的經驗。綜合法則是根據系統的品質指標，確定出期望特性，然后根據固有特性，確定出校正裝置，再進行指標核算；如不滿足，則修改校正裝置，使系統滿足性能指標。系統動態綜合方法很多，常用的有頻域法校正、復合控制方法、伺服系統干擾補償控制、伺服系統魯棒控制、根軌跡法動態綜合、狀態空間法動態綜合，以及模型參考自適應控制器設計和變結構滑動模型控制器設計等。究競選用何種校正(補償)形式，在系統設計時是非常重要的。各種校正裝置的具體設計方法，都有特定的一套指標體系，它們與系統的實際指標有著直接或間接的聯系。另外，每一種設計計算方法對設計不同形式的校正形式，其難易程度也大不相同。況且，在線性系統中，當引入不同類型的校正裝置時，可以用另一種類型的等效校正裝置來代換。等效性意味著不論將哪種校正裝置連接到系統中，系統的動態關系完全相同。也就是說，滿足系統動態關系的校正裝置并非是****的。實際中究竟采用哪種校正裝置和設計方法，通常由技術實現中如何最方便以及設計者的經驗而決定。
2．伺服系統設計，不得違背系統的動態性能要求
設計伺服系統時，設計者常常偏重于系統的靜態性能指標而忽略對系統的動態性能指標要求。系統的動態性能指標反映了系統處于過渡過程狀態中的性能，是衡量控制系統性能的重要指標。通常，動態性能指標有三種提法：時域指標、閉環頻域指標和開環頻域指標。三種提法從不同角度對控制系統提出要求，各有優點。時域指標最直觀，也易于檢驗；開環頻域指標便于設計計算；閉環頻域指標能較好地反映系統的快速性和穩定程度。時域指標用單位階躍作用下系統輸出量的響應來衡量，工程上常有下面幾個特征量：延遲時間td、上升時間tr、峰值時間tp過渡過程時間ts、超調量Mp振蕩次數N、等。規定了以上這些指標，系統的過渡過程也就大致確定了。不過，在設計控制系統的開始階段，要同時照顧到這些品質指標是困難的。實際上最常用的是過渡過程時間ts和超調量MP，它們更具有典型性和代表性。過渡過程時間ts反映了系統的快速性，超調量mp則反映了系統的相對穩定性或阻尼程度。利用簡化的動態指標提法，可使控制系統的設計和綜合變得比較方便。當然，有時僅用這兩個指標還不能完全確定系統的過渡過程，可能兩個很不相同的過渡過程而具有相同的過渡過程時間和超調量。因此，其他的指標，如上升時間tr、峰值時間tp等可以作為兩個主要動態指標的補充。它們更多地被用于分析和校核控制系統的性能。閉環頻域動態性能指標是對閉環幅頻特性的幾個主要特征提出要求。常用以下特征量來加以衡量：閉環幅頻特性的零頻率值A(O)、表述反應低頻輸入信號的帶寬(或稱復現帶寬)的頻率值ωm、相對諧振峰值Mr、諧振頻率ωr及控制系統的帶寬(0～ωb)等。相對諧振峰值Mr小，系統不容易振蕩；Mr大，則系統振蕩厲害。因此，Mr反映了系統的相對穩定性。工程上實用的伺服系統其閉環諧振峰值M，一般在l 2～1．6之間，****不得超過2，用頻率法分析和綜合伺服系統時，應用最多的是直接利用系統的開環頻率特性，尤其是應用對數頻率特性，這種方法設計方便。
使用系統的開環對數頻率特性博德圖表示，通常提出系統的剪切頻率ωr、相角裕度y或增益裕量Kg作為開環頻域指標。剪切頻率ωr和閉環頻帶寬度ωb有著密切的關系。它同樣反映了系統的快速性，是設計系統時的重要指標。在剪切頻率。，處，使系統達到臨界穩定所需要附加的相位滯后量稱為相角裕度γ，它在一定程度上反映了系統的相對穩定性，它和閉環的諧振峰值MR關系密切。當相角為一l 80°時，對應幅值曲線的dB數值叫做增益裕量Kg，它在一定程度上也反映了系統的相對穩定性。由于Kg計算起來不如γ方便，二者反映控制系統的性能類似，因而一般只提γ就可以了。上述三種不同的提法，反映了系統的同樣性能。如ωb、ωr、ts都反映了伺服系統的快速性，而時MPMr、γ和kg則反映了系統的相對穩定性，因為這些指標之間存在著必然的內在聯系。
3．伺服系統設計時，不能不注意解決校正網絡的連接問題
為了改善系統品質，需要在系統中串聯或并聯校正裝置。這就不能不注意解決校正網絡連接的幾個具體問題。明確這些問題，將會對設計與組合系統線路大有裨益。
(1)伺服系統設計時，不能不考慮校正裝置連接位置的選擇問題校正裝置在系統中如何連接，或者說在系統的哪個位置連接?這不但與系統主通道的具體結構有關，也與校正形式有關。其校正裝置連接位置選擇的基本原則有： 1)并聯校正裝置連接位置的選擇原則①并聯校正裝置應包圍時間常數大的慣性環節，這樣使包圍后的等效時間常數減小，從而有效地改善系統品質。
②并聯校正裝置應包圍參數易變化、易受干擾的部分。因為并聯負反饋可以大大削弱被包圍部分參數變化及干擾對系統性能的影響。
③為了充分發揮并聯負反饋對于干擾與慣性環節的補償作用，被包圍部分一般不宣太小。例如，若用直流測速發電機與RC網絡組成速度與加速度負反饋校正裝置，則負反饋的加入點可選擇在前置電壓放大器的輸入端，使負反饋包圍執行電動機、功率放大及其前一級的電壓放大。當然，被包圍的環節越多，則系統的放大倍數降低的也越多，為了滿足系統精度要求，這就需要提高未被包圍部分的放大倍數，或采用復合控制的方法來提高系統精度。
這樣，又使系統的線路結構復雜了，因此，并聯負反饋到底包圍多少環節，需根據具體系統結合上述基本原則來確定。
2)串聯校正裝置連接位置的選擇原則①RC校正網絡，需要串接在傳遞功率較小的電路中。否則，通過校正網絡的電流過大，使電阻發熱，這可能導致校正網絡的參數發生變化，并產生較大的功率損耗。因此，RC校正網絡一般串接在系統主通道的前半部，即串在兩級電壓放大器之間，不能串接在系統的功率放大部分。
⑦串聯校止裝置，必須串在主通道兩個環節之間，以不破壞原有環節為原則。否則這部分的傳遞函數必須重新推導，使原有串聯綜合校正的計算失去意義。
3)直、交流校正網絡的連接位置。直流校正網絡只能串接在傳遞直流信號的電路中，交流校正網絡只能串接在傳遞交流載波信號的電路，決不能倒置。
(2)伺服系統設計時，不能不注意解決校正網絡的阻抗匹配問題在通常情況下，設計給出的各種校正網絡及其對應的傳遞函數，都是以校正網絡的輸入信號源內阻為零，而輸出負載阻抗無窮大為前提的。所以，校正網絡的連接必須特別注意前后的阻抗匹配問題，盡量使輸入信號源內阻相對校正網絡的輸入阻抗來說是很小的，而輸出負載阻抗相對于校正網絡的輸出內阻來說是很大的。否則，校正網絡的特性將產生較大變化，達不到預期的校正效果。校正裝置連接時的阻抗匹配要求，往往與系統原有環節的結構參數要求是矛盾的，這就需要合理選擇和確定校正網絡中電阻、電容等元件的具體數值。必要時，在校正網絡的輸入或輸出端加入發射極跟隨器，由于發射極跟隨器的特點是輸入阻抗很大，而輸出內阻很小，所以可利用發射極跟隨器的“隔離作用”來解決阻抗匹配問題。
(3)伺服系統設計時，不能不注意解決主控信號與反饋信號的疊加問題 當反饋信號與主控信號以電壓量疊加時，二者應該串聯；當反饋信號與主控信號以電流量相疊加時，反饋信號輸出端應與主控信號輸出端并聯。需要注意的是，由于一般設計資料給出的校正網絡及其傳遞函數，它的輸出和輸入物理量均是電壓；若要求校正網絡以電流作為輸出量時，則它的傳遞函數必須重新推導，不能直接采用原有設計資料提供的傳遞函數。
4．要提高系統性能，必須精心選擇和設計校正裝置，但也要園地制宜，禁忌貪大求全
1)串聯校正比并聯校正結構簡單，成本低。串聯校正無論采用有源還是無源校正網絡，結構都比較簡單且容易實現。并聯校正一般需要測速機，而且有時還需解調、濾波、微分等附加電路，因而結構比較復雜，成本較高。串聯校正也比并聯校正設計計算和調整方 便。從校正原理上看，確定串聯校正的方法比較簡單，計算容易，實驗調整比較方便；而并聯校正裝置，無論設計計算還是實驗調整，都要復雜一些。
2)采用串聯積分校正時，由于積分電容充放電時間較長，因而常常由于某種擾動作用而使系統出現蠕動現象。有時當系統由開環轉入閉環時由于積分電容上可能有初始電壓而放電又較緩慢，加上系統的線性工作范圍較窄，因而系統將在平衡點附近來回振蕩許多次才能穩定下來。更為嚴重的是，有時甚至出現電動機始終朝一個方向不停地轉動，從而破壞了系統的正常工作。采用速度微分反饋，它有改善動態性能的作用，與串聯積分校正相同，但它沒有上述那些缺點。串聯微分校正對干擾很敏感，有時會使系統不能可靠地工作。速度反饋雖也相當于串聯微分校正的作用，但它不引進附加的干擾。采用串聯校正時，系統的靈敏度性能不如采用并聯校正，原因如下：當滿足小閉環的開環頻率特性幅值大于等于1時，其等效傳遞函數等于并聯校正傳遞函數的倒數。因此它可以有效地克服系統固有部分持性參數的不穩定和非線性造成的不良影響。所以，采用并聯校正時，對系統中某些元件的穩定性要求可相應的降低一些。
3)采用并聯校正，系統的低速平穩比采用串聯校正時為好。在角度隨動系統中，往往對低速乎穩性有比較高的要求，這時宜采用并聯校正。
4)在設計穩態精度和響應速度都要求很高的伺服系統時，不能只局限于簡單的串并聯校正。串聯校正和并聯校正是伺服系統工程設計中兩種常用的校正方法，在一定程度上可以使系統滿足給定的性能指標要求。但是，如果系統的穩態精度和響應速度要求都很高時，則一般的反饋控制校正方法難以滿足要求。目前在工程實踐中，例如在高速、高精度火炮隨動系統中，還廣泛采用一種把前饋和反饋控制有機結合起來的校正方法，這就是復合控制。為T減小或消除系統在特定輸入作用下的穩態誤差，可以提高系統的開環增益，或者采用高型別系統；但是，這兩種方法都將影響系統的穩定性，并會降低系統的動態性能。此外，通過適當選擇系統帶寬的方法，可以抑制高頻擾動，但對低頻擾動卻無能為力；采用比例一積分反饋校正，雖可抑制來自系統輸人端的擾動，但反饋校正裝置的設計比較困難，且難以滿足系統的高性能要求。如果在系統的反饋回路中加入前饋通路，組成一個前饋控制和反饋控制相結合的系統，只要參數選得適當，不但可以保證系統穩定，極大地減小乃至消除穩態誤差，而且還可以抑制幾乎所有的可測量擾動，其中包括低頻強擾動，即在可測量干擾的不利影響產生之前，通過補償通道對它進行補償，來控制和抵消干擾對系統的不利影響，它克服了反饋控制靠誤差調節的不足。這樣的系統就是復合控制系統；相應的控制方式稱為復合控制。從補償原理來看，因為前饋補償實際上是采用開環控制方式去補償可測量的干擾信號，所以，前饋補償并不改變反饋控制系統的特性。從抑制擾動的角度來看，前饋控制可以減輕反饋控制的負擔，所以反饋控制系統的增益可以取得小一些，以有利于系統的穩定性。因此，采用前饋控制補償擾動信號，是提高伺服系統控制準確度和穩定性的有效措施。但是．米用前饋補償，首先要求擾動信號可以測量，其次要求前饋補償裝置在物理上是可實現的，并應力求簡單。在實際應用中，多采用近似全補償或穩態全補償的方案。一般來說，主要擾動引起的誤差，由前饋控制進行全部或部分補償；次要干擾引起的誤差，由反饋控制予以抑制。這樣，在不提高開環增益的情況下，各種干擾引起的誤差均可得到補償，并可同時兼顧提高系統穩定性和減少系統穩態誤差的要求。此外，因為前饋控制是一種開環控制，所以．要求構成前饋補償裝置的元部件有較高的參數穩定性，否則將消弱補償效果，并給系統輸出造成新的誤差。
5)設計伺服系統，并不是校正裝置越復雜，系統的性能便越好，禁忌貪大求全，盲目設計，陷入誤區。串并聯兩種校正方法各有優缺點。在一般情況下，若要求不太高，并且希望結構盡量簡單，則應采用串聯校正。在要求較高的系統，或在某些方面有特殊的要求，例如低速平穩性，則采用并聯校正；或是由于僅用一種方法難以達到性能指標的要求，這時往往需要兩種校正方法的綜合應用；有時為了改善小閉環的穩定性，還可在小閉環加入串聯校正裝置。但是校正裝置越復雜，系統的設計和實驗調整就越困難，系統的可靠性也會降低。
因此正確的設計原則是在滿足性能指標的前提下，盡量采用簡單的校正裝置。
誠然，通過精心設計校正裝置，可以提高系統的性能。但是，并不是校正裝置越復雜，系統的性能便越高；校正裝置改善系統的作用將受到具體條件的限制，設計時應因地制宜，禁忌貪大求全，盲目設計，陷入誤區。
|
