機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)控制

前言

　　作為本書的主編，中村教授在大學(xué)致力于系統(tǒng)控制及其應(yīng)用的研究。伺服控制器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用作為中村教授的研究領(lǐng)域之一，在過(guò)去的10多年中，與久良教授長(zhǎng)期合作，在研究上取得了重大進(jìn)展。中村教授與久良教授每年都會(huì)舉行幾次討論會(huì)，所有這些討論會(huì)上取得的成果都會(huì)匯編成報(bào)告，每一份報(bào)告都長(zhǎng)達(dá)50~100頁(yè)，其中包括了很多久良教授對(duì)這些成果的重要建議，而且可以找到許多新的研究方向?！　≡诒緯泻现叩闹饕ぷ靼ǎ骸　【昧冀淌诿枋隽嗽诠I(yè)中所使用的工業(yè)機(jī)器人的伺服部分、數(shù)控機(jī)器、三維測(cè)量機(jī)以及被稱為貼片機(jī)的機(jī)電一體化機(jī)器等的控制問(wèn)題?！　≈写褰淌趶南到y(tǒng)控制理論的角度解答了這些問(wèn)題，并且用公式表述了對(duì)這些問(wèn)題的解答中的關(guān)鍵點(diǎn)。　　后藤教授對(duì)于這些問(wèn)題的解答進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，并在實(shí)驗(yàn)室中用機(jī)電一體化相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置清楚地驗(yàn)證了這些理論成果的合理性。另外，對(duì)機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)控制感興趣的研究室的本科生、研究生和博士生在指導(dǎo)下對(duì)一些項(xiàng)目的研究也取得了相應(yīng)的成果，至今在機(jī)電一體化控制方面已發(fā)表了將近60篇會(huì)議報(bào)告和20篇經(jīng)評(píng)審的學(xué)術(shù)論文。　　以上的研究經(jīng)歷是寫作此書的由來(lái)。在學(xué)術(shù)會(huì)議上針對(duì)演講內(nèi)容回答問(wèn)題中、在與文章審閱者的交流中以及在與研究機(jī)器人操作方面的大學(xué)和研究院所的訪問(wèn)交流中，我們強(qiáng)烈地感覺(jué)到很多研究者和工程師對(duì)工業(yè)上已解決的一些問(wèn)題存在很大的誤解?！　∈聦?shí)上，誠(chéng)如合著者久良教授所說(shuō)，對(duì)于工業(yè)上所遇到的伺服控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題所采取的策略，主要取決于設(shè)計(jì)人員和工程師對(duì)實(shí)際誤差的處理經(jīng)驗(yàn)，它反映了實(shí)際的需求。這些技術(shù)還沒(méi)有真正成為所謂的知識(shí)，因?yàn)樗鼈儾⒎沁壿嬌系牟呗?，即使成功地?zhí)行了，還是有很多情況不能得到清楚的解釋。在工業(yè)上，即使不清楚的地方得以指明，其內(nèi)容也并沒(méi)有公開(kāi)。目前的狀況仍然是不清楚為什么好的途徑難以實(shí)現(xiàn)。　　通過(guò)合作，我們對(duì)工業(yè)上所遇到的問(wèn)題的本質(zhì)進(jìn)行了分析并從邏輯上和數(shù)學(xué)上進(jìn)行了公式化。根據(jù)對(duì)這些導(dǎo)出的公式求解以及對(duì)結(jié)果合理地證明，取得了很多重要的結(jié)論。目前已經(jīng)系統(tǒng)地歸納了這些觀點(diǎn)。而基于這些知識(shí)的技術(shù)得以被明確地解釋，從而使很多研究者和工程師可以更普遍地了解它們并有效地使用它們。這些就是寫作本書的動(dòng)機(jī)?！　≡诒緯兴懻摰膯?wèn)題是基于工業(yè)上的共同需求，而不僅是某個(gè)工程師待研究的問(wèn)題。針對(duì)那些根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所獲得的結(jié)果，都給出了邏輯上的闡述。因此，這些結(jié)果適用于一個(gè)實(shí)際的機(jī)器，并且，那些以前由專家經(jīng)驗(yàn)確定的控制器設(shè)計(jì)的各種性能和控制方法，現(xiàn)在都可以采用這些方法來(lái)確定，至今只適用于特殊情況的知識(shí)，現(xiàn)在也轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮閺?fù)雜、準(zhǔn)確和一般性的技術(shù)。本書在解決這些問(wèn)題上具有獨(dú)特性?！　”緯慕Y(jié)構(gòu)如下。機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)伺服控制器的設(shè)計(jì)主要涉及建模、分析以及控制器設(shè)計(jì)，這一部分從引言一直到第6章。　　引言部分主要是機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的概要，以及工業(yè)中針對(duì)一些問(wèn)題的主要觀點(diǎn)?！　≡诘?章，這些問(wèn)題都被合理解決，成為合著者合作研究的成果。在以后每一章，都會(huì)提到相關(guān)的要點(diǎn)?！　♂槍?duì)目前工業(yè)界的狀況和問(wèn)題，每一項(xiàng)應(yīng)用中的主要觀點(diǎn)和成果的重要性也都會(huì)在每一章的開(kāi)始部分?jǐn)⑹觥！　∥覀兘ㄗh讀者從頭閱讀。如果讀者想真正讀懂本書并很好地理解本書各章中的各段內(nèi)容，最好通過(guò)解決作者本人處理過(guò)的問(wèn)題和前言中描述的問(wèn)題。對(duì)每一章中的每一節(jié)，主要觀點(diǎn)都會(huì)在開(kāi)始部分闡述以指導(dǎo)閱讀。而各節(jié)的主要內(nèi)容都基于作者的一篇文章，這些文章都在參考文獻(xiàn)中列出。另外，本書還包括關(guān)鍵詞表、符號(hào)說(shuō)明以及在實(shí)驗(yàn)中所用到的實(shí)驗(yàn)裝置的描述說(shuō)明。　　在準(zhǔn)備階段，本書的不同內(nèi)容分別請(qǐng)佐賀大學(xué)現(xiàn)代系統(tǒng)控制工程系的7位碩士研究生（青木重人、片瀏達(dá)郎、擳田大輔、白砂健太、山上升二郎、田村雅之、西澤實(shí)）試讀過(guò)。根據(jù)他們的看法，我們改進(jìn)了本書的易讀性。本書中所提到的問(wèn)題的要點(diǎn)以及成果都被適當(dāng)?shù)赜霉奖硎龀鰜?lái)。對(duì)于這些公式的求解一般采用了經(jīng)典控制（拉氏變換）和現(xiàn)代控制（微分方程）方法，這些在取得學(xué)士學(xué)位以前是應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)過(guò)的。而其他控制理論中的基礎(chǔ)知識(shí)在附錄里也給予了介紹。因此，不管是從事系統(tǒng)控制的研究者或研究生，還是將理論應(yīng)用于實(shí)踐的本科生都應(yīng)能讀懂本書。我們希望通過(guò)對(duì)本書的學(xué)習(xí)，使這些知識(shí)能夠在機(jī)電一體化工業(yè)中有所應(yīng)用，同時(shí)也希望從事相關(guān)研究的工作人員有所收獲?！　∮捎诒緯玫降馁Y料均取自合作研究，故對(duì)合作體會(huì)略作以下介紹：　?。?） 在各個(gè)領(lǐng)域都應(yīng)該有大量的合作研究?！　。?） 在合作研究人員之間應(yīng)該開(kāi)展討論?！　。?） 應(yīng)互相尊重對(duì)方的觀點(diǎn)?！　。?） 彼此保持良好的關(guān)系。　　在本書寫作過(guò)程中，森北出版株式會(huì)社生產(chǎn)部的小林巧次郎先生以及編輯部的石田升司先生都給予很大幫助，在此一并表示感謝?！　。ㄔ┳髡摺　?998年10月

內(nèi)容概要

　　《機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應(yīng)用中的問(wèn)題及其理論解答》詳細(xì)講述了機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)在控制方面存在的問(wèn)題，給出了這些問(wèn)題的理論分析及解決方法。主要包括機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)概述、機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的離散時(shí)間間隔、機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的量化誤差、機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩飽和、修正教示信號(hào)法、基于主從同步定位控制方法的輪廓控制等內(nèi)容。不僅使讀者了解機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)在工業(yè)中存在的主要問(wèn)題，同時(shí)從理論和實(shí)際兩個(gè)方面獲得解決這些問(wèn)題的方法?！稒C(jī)電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應(yīng)用中的問(wèn)題及其理論解答》給出的詳細(xì)的理論分析過(guò)程和具體實(shí)例，能幫助讀者對(duì)這一領(lǐng)域有更加實(shí)際和深入的了解，通過(guò)掌握該領(lǐng)域的必要知識(shí)，可獨(dú)立運(yùn)用這些方法和技術(shù)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。因此，《機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應(yīng)用中的問(wèn)題及其理論解答》具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)作用?！　　稒C(jī)電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應(yīng)用中的問(wèn)題及其理論解答》可作為普通高等院校機(jī)械類或電類本科生和研究生專業(yè)基礎(chǔ)課的教材，也可供其他大專院校及從事機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)研制、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

作者簡(jiǎn)介

作者：（日本）中村政俊 （日本）后藤聰 （日本）久良修郭 譯者：張濤

書籍目錄

引言 機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)概述 0.1機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的產(chǎn)生 0.1.1伺服系統(tǒng)的控制模式 0.1.2伺服系統(tǒng)應(yīng)用的特征 0.2伺服系統(tǒng)中的問(wèn)題 0.2.1關(guān)于機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)建模的討論 0.2.2關(guān)于機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)單軸性能的討論 0.2.3關(guān)于多軸機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)性能的討論 0.2.4關(guān)于機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)指令的討論 第1章機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 1.1機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)單軸的四階模型 1.1.1機(jī)電一體化伺服系統(tǒng) 1.1.2機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo) 1.1.3利用數(shù)學(xué)模型確定伺服參數(shù)的方法 1.1.4數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 1.2機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)單軸的降階模型 1.2.1降階模型的必要條件 1.2.2模型的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn) 1.2.3低速一階模型的推導(dǎo) 1.2.4中速二階模型的推導(dǎo) 1.2.5低速一階模型和中速二階模型的評(píng)價(jià) 1.3多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的笛卡兒坐標(biāo)線性模型 1.3.1多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的笛卡兒線性模型 1.3.2工作線性模型自適應(yīng)區(qū)域的推導(dǎo) 1.3.3工作線性化模型的自適應(yīng)區(qū)域及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 第2章機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的離散時(shí)間間隔 2.1采樣時(shí)間間隔 2.1.1機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的條件要求 2.1.2控制特性與采樣頻率的關(guān)系 2.1.3采用控制中要求的采樣頻率 2.1.4采樣頻率確定法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2.2參考輸入時(shí)間間隔與速度波動(dòng)的關(guān)系 2.2.1考慮參考輸入時(shí)間間隔的機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 2.2.2參考輸入時(shí)間間隔內(nèi)速度波動(dòng)的工業(yè)領(lǐng)域策略 2.2.3穩(wěn)態(tài)速度波動(dòng)和機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)之間的參數(shù)關(guān)系 2.2.4穩(wěn)態(tài)速度波動(dòng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2.2.5參考輸入時(shí)間間隔和瞬時(shí)速度波動(dòng)的關(guān)系 2.2.6瞬時(shí)速度波動(dòng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2.3參考輸入時(shí)間間隔與軌跡不規(guī)則性的關(guān)系 2.3.1在參考時(shí)間間隔內(nèi)的軌跡不規(guī)則性 2.3.2參考輸入時(shí)間間隔中產(chǎn)生的軌跡不規(guī)則性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2.3.3理論分析結(jié)果的應(yīng)用值 第3章機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的量化誤差 3.1編碼器分辨率 3.1.1軟件伺服系統(tǒng)的編碼器分辨率 3.1.2編碼器分辨率的數(shù)學(xué)模型及其分辨率判定 3.1.3編碼器分辨率確定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3.2轉(zhuǎn)矩分辨率 3.2.1用于轉(zhuǎn)矩分辨率的機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 3.2.2由于力矩量化誤差引起的定位精度的退化 3.2.3由于力矩量化誤差引起的階躍響應(yīng)的退化 3.2.4轉(zhuǎn)矩分辨率確定方法的推導(dǎo) 第4章機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩飽和 4.1轉(zhuǎn)矩飽和特性的測(cè)量方法 4.1.1機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩飽和 4.1.2轉(zhuǎn)矩飽和曲線的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 4.2避免轉(zhuǎn)矩飽和的輪廓控制方法 4.2.1具有轉(zhuǎn)矩飽和的輪廓控制性能與高精度輪廓控制方法 4.2.2考慮轉(zhuǎn)矩飽和的輪廓控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 第5章修正教示信號(hào)法 5.1基于數(shù)學(xué)模型的修正教示信號(hào)法 5.1.1修正教示信號(hào)法的推導(dǎo) 5.1.2修正教示信號(hào)法的特性分析 5.1.3修正教示信號(hào)法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 5.2基于高斯網(wǎng)絡(luò)的修正教示信號(hào)法 5.2.1基于高斯網(wǎng)絡(luò)的修正教示信號(hào)法的推導(dǎo) 5.2.2基于高斯網(wǎng)絡(luò)的修正教示信號(hào)法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 5.3一種柔性機(jī)制的修正教示信號(hào)法 5.3.1 使用修正教示信號(hào)法進(jìn)行有振蕩限制的輪廓控制的推導(dǎo) 5.3.2利用修正教示信號(hào)法進(jìn)行振蕩約束控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 第6章基于主從同步定位控制方法的輪廓控制 6.1主從同步定位控制方法 6.1.1主從同步定位控制的必要性 6.1.2主從同步定位控制方法的推導(dǎo)及特性分析 6.1.3主從同步定位控制方法的實(shí)驗(yàn)測(cè)試 6.2基于主軸同步定位控制方法的高精度輪廓控制 6.2.1主從同步定位輪廓控制的推導(dǎo) 6.2.2主從同步定位輪廓控制方法的特性分析和評(píng)價(jià) 6.2.3主從同步定位輪廓控制方法的實(shí)驗(yàn)測(cè)試 關(guān)鍵詞 附錄 符號(hào)說(shuō)明 實(shí)驗(yàn)裝置 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   工業(yè)機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)如下： （1）伺服系統(tǒng)過(guò)流停止：當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流超過(guò)最大允許電流（等價(jià)于瞬時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，即大約3～5倍額定轉(zhuǎn)矩）并持續(xù)1s以上時(shí)，伺服系統(tǒng)會(huì)因過(guò)流而停止工作。即電流超過(guò)等價(jià)的額定轉(zhuǎn)矩并持續(xù)一定的時(shí)間會(huì)導(dǎo)致伺服系統(tǒng)停止。采用這種措施可防止過(guò)流損壞電動(dòng)機(jī)。 （2）防Wind up措施：當(dāng)電流控制回路和速度控制回路中使用了許多PI（比例一積分）控制器時(shí)，如積分器達(dá)到飽和將導(dǎo)致Wind up現(xiàn)象的發(fā)生。Windup現(xiàn)象是指當(dāng)控制器（包括積分器）工作在飽和狀態(tài)時(shí)，由于期望操作與實(shí)際操作不一致而造成偏差持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致輸出不能隨輸人的下降而下降。對(duì)此，設(shè)計(jì)電流控制模塊的PI控制部分時(shí)，要求其在整體控制過(guò)程中不得進(jìn)入飽和區(qū)，并且采用電流中斷等策略，保證PI控制部分一旦超過(guò)某門限值達(dá)到飽和，伺服系統(tǒng)便立即停止工作。對(duì)于速度控制回路的PI控制器，當(dāng)電流參考值在電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)時(shí)，PI控制器將正常工作，而當(dāng)電流參考值超出電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值時(shí)，積分控制與比例控制分離，從而避免Wind up現(xiàn)象出現(xiàn)。 （3）反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償：可以使用反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償法來(lái)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)端電壓與反電動(dòng)動(dòng)勢(shì)之差，從而得到可以用于電動(dòng)機(jī)加減速控制的電流。反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償法使得電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也可以流過(guò)3～5倍的額定電流。此時(shí)，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)頻率的反電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)機(jī)電流等價(jià)于PWM放大器中電動(dòng)機(jī)較大的終端輸入電壓。 在具有上述特點(diǎn)的工業(yè)機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)中，會(huì)因功率放大器電流輸出飽和或伺服電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩而造成轉(zhuǎn)矩飽和。一旦發(fā)生飽和，機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)就難以運(yùn)行。因此從設(shè)備安全性方面考慮，必須在伺服控制器部分安裝速度控制模塊和電流控制模塊以抑制飽和。速度控制模塊的裁剪器（clip）表示不能超過(guò)加速度的速度變化。電流控制模塊的裁剪器不能超過(guò)電流值。上述裁剪器都不能超過(guò)電流變化。上述裁剪器共同作用在機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩上。在本章中，由裁剪器限制所導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩輸出被稱為轉(zhuǎn)矩飽和。 一般情況下在無(wú)轉(zhuǎn)矩飽和的低速線性區(qū)域可實(shí)現(xiàn)高精度的輪廓控制。然而，高速運(yùn)動(dòng)也是必須的。因此，在高精度輪廓控制中掌握轉(zhuǎn)矩飽和特性非常重要。如果能夠正確了解轉(zhuǎn)矩飽和特性，那么就能根據(jù)轉(zhuǎn)矩飽和特性在允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高精度輪廓控制。

編輯推薦

《機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)控制:工業(yè)應(yīng)用中的問(wèn)題及其理論解答》可作為普通高等院校機(jī)械類或電類本科生和研究生專業(yè)基礎(chǔ)課的教材，也可供其他大專院校及從事機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)研制、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

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