0 引言

　　伺服系統(tǒng)對自動化、自動控制、電氣技術(shù)、電力系統(tǒng)及自動化、機電一體化、電機電器與控制等專業(yè)既是一門基礎(chǔ)技術(shù)，又是一門專業(yè)技術(shù)，因為它不僅分析各種基本的變換電路，而且結(jié)合生產(chǎn)實際，解決各種復雜定位控制問題，如機器人控制、數(shù)控機床等。

　　從控制論觀點出發(fā)，對數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)要求可歸納為：（1）對滾珠絲杠機械平臺的精度，要求它具有摩擦阻力小、傳動效率高、運動靈敏、無爬行現(xiàn)象，可進行預緊以實現(xiàn)無間隙運動，傳動剛度高，反向時無空程死區(qū)等特點。（2）對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靜、動態(tài)特性等品質(zhì)指標的要求，由于一臺數(shù)控機床的速度和精度等技術(shù)指標，在很大程度上由伺服系統(tǒng)的性能所決定，因此，研究伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能十分重要。

　　在工程上，通常把高階系統(tǒng)近似于一階系統(tǒng)或二階系統(tǒng)。經(jīng)過研究分析，我們把數(shù)控機床位置伺服系統(tǒng)簡化為典型的二階系統(tǒng)，應(yīng)用控制系統(tǒng)的分析方法來討論數(shù)控機床位置伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。

1 動態(tài)過程分析

　　動態(tài)過程是指控制系統(tǒng)在輸入作用下從一個穩(wěn)態(tài)向新的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的過渡過程。位置伺服系統(tǒng)在跟蹤加工的連續(xù)控制過程中，幾乎始終處于動態(tài)的過程之中。

　　從控制論可知，通常有給定與擾動兩種輸入作用于控制系統(tǒng)，理想的控制系統(tǒng)應(yīng)該對給定輸入的變化能夠準確地跟蹤，同時應(yīng)該完全不受擾動輸入的影響，換句話說，系統(tǒng)應(yīng)該具有很好的跟隨性和很強的抗干擾性。下面主要討論有關(guān)伺服系統(tǒng)的動態(tài)指標和性能。

　　1.1  動態(tài)性能指標

　　分析系統(tǒng)的動態(tài)過程用時域分析法最為直觀，因此這里討論的是屬于時域上的性能指標。由于系統(tǒng)在給定輸入和擾動輸入下，其輸出響應(yīng)具有不同的物理意義，對系統(tǒng)動態(tài)過程的評價相應(yīng)地提出不同的性能指標。

　　（1）給定輸入的跟隨性能指標對于位置隨動系統(tǒng)，由于給定值的變化是主要輸入，動態(tài)過程將圍繞這個變化了的給定值而變化。在r（t）為單位階躍信號作用下，系統(tǒng)輸出c（t）的響應(yīng)曲線。

　　分析動態(tài)跟隨響應(yīng)曲線c（t）的質(zhì)量時，常用的性能指標：

　?。╝）超調(diào)量σ%

設(shè)系統(tǒng)輸出響應(yīng)在tp時刻到達最大值，其超出穩(wěn)態(tài)值的部分與穩(wěn)態(tài)值的比值稱為超調(diào)量，通常取百分數(shù)形式。

　?。╞）調(diào)節(jié)時間ts

　　首先，若把c（∞）的±（2%或5%）形成的區(qū)域稱為誤差帶。那么，調(diào)節(jié)時間")的定義是：從加上輸入量的時刻到輸出量c（t）進入而且不再超出誤差帶為止的一段時間。

　　以上指標中，調(diào)節(jié)時間ts愈小表明系統(tǒng)快速跟

　　隨性能愈好，超調(diào)量σ%愈小表明系統(tǒng)在跟隨過程中比較平穩(wěn)，但往往也比較遲鈍。顯然，作為數(shù)控伺服系統(tǒng)，希望都能做到愈小愈好。然而，在實際中快速性和穩(wěn)定性往往是互相矛盾的。壓低了超調(diào)量就會延長過渡過程，加快了過渡過程卻又會增大超調(diào)量。因此，需按照加工工藝的要求在各項性能指標中作一定的選擇。

　?。?）對擾動輸入的抗擾性能指標抗擾性能是指當系統(tǒng)的給定輸入不變時，即給定量為定值時，在受到階躍擾動后，輸出克服擾動的影響自行恢復的能力。

　（a）最大動態(tài)速降△n_m%

　　系統(tǒng)抗擾能力的動態(tài)指標用的是最大動態(tài)變化（降落或上升）和恢復時間。這里以調(diào)速系統(tǒng)為例，給出一個調(diào)速系統(tǒng)在突加負載時，力矩M（t）與轉(zhuǎn)速n（t）的動態(tài)響應(yīng)曲線。

　?。╞）恢復時間".

　　由擾動作用進入系統(tǒng)的時刻到輸出量恢復到誤差帶內(nèi)（一般也取穩(wěn)態(tài)值的±2%或±5%）所經(jīng)歷的時間，稱為恢復時間。

　　一般地說，階躍擾動下輸出的動態(tài)變化越小，恢復得越快，說明系統(tǒng)的抗擾能力越強。顯然，從要求系統(tǒng)具有抗擾性能好的角度出發(fā)，上述兩項指標也應(yīng)該是愈小愈好。

1.2 二階系統(tǒng)的動態(tài)分析

　　在位置閉環(huán)控制中，可以把從伺服放大器、伺服電機到位置檢測元件取得位置反饋信息整個部分看作伺服控制的調(diào)節(jié)對象，而把對系統(tǒng)性能按預期的要求進行校正而加入的部分視為調(diào)節(jié)器。

　　由此可見，表征系統(tǒng)動態(tài)性能的參數(shù)ζ、wn與系

　　統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)K、T有關(guān)。由于時間常數(shù)T反映系統(tǒng)慣性的大小，決定于構(gòu)成系統(tǒng)的元部件的特性。一個系統(tǒng)一旦確定，往往時間常數(shù)T就固定下來而不便隨意改動，而開環(huán)放大倍數(shù)的K值就有一個正確選擇確定的問題。

　?。?）抗干擾性能分析

　　討論抗干擾性能時，設(shè)R（s）=0，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Gf（s）=C（s）／M（s）。

　　伺服系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)應(yīng)能使各種擾動輸入對系統(tǒng)跟蹤精度的影響減至最小。

　　對于二階典型系統(tǒng)，當負載擾動輸入后，同時做到動態(tài)變化與恢復時間兩項指標最小，但有時存在矛盾。據(jù)分析認為，當調(diào)節(jié)對象（即負載擾動作用點之后的這部分環(huán)節(jié)）的時間常數(shù)愈大，則輸出響應(yīng)的最大動態(tài)變化愈小，而恢復時間愈長。反之，時間常數(shù)愈小，動態(tài)變化愈大，但恢復時間短。

2 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

　　經(jīng)過以上理論分析，我們在日本安川公司SGDL-08AP交流伺服系統(tǒng)上進行了動態(tài)實驗，系統(tǒng)突加負載時的電流響應(yīng)。由此得出結(jié)論，如果一個伺服系統(tǒng)在給定輸入作用下輸出響應(yīng)的超調(diào)量較大、過程時間越短，則它的抗干擾性能就好；而超調(diào)量較小，過渡過程時間較長的系統(tǒng)，恢復時間就長（除非調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)很?。?。這就是二階典型系統(tǒng)的跟隨性能與抗干擾性能之間存在一定的內(nèi)在制約和矛盾的地方，也是這類閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)固有的局限性。