機電一體化伺服系統(tǒng)控制

前言

　　作為本書的主編，中村教授在大學致力于系統(tǒng)控制及其應用的研究。伺服控制器的設(shè)計及其應用作為中村教授的研究領(lǐng)域之一，在過去的10多年中，與久良教授長期合作，在研究上取得了重大進展。中村教授與久良教授每年都會舉行幾次討論會，所有這些討論會上取得的成果都會匯編成報告，每一份報告都長達50~100頁，其中包括了很多久良教授對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)機器人的伺服部分、數(shù)控機器、三維測量機以及被稱為貼片機的機電一體化機器等的控制問題。　　中村教授從系統(tǒng)控制理論的角度解答了這些問題，并且用公式表述了對這些問題的解答中的關(guān)鍵點?！　『筇俳淌趯τ谶@些問題的解答進行了計算機仿真，并在實驗室中用機電一體化相關(guān)實驗裝置清楚地驗證了這些理論成果的合理性。另外，對機電一體化伺服系統(tǒng)控制感興趣的研究室的本科生、研究生和博士生在指導下對一些項目的研究也取得了相應的成果，至今在機電一體化控制方面已發(fā)表了將近60篇會議報告和20篇經(jīng)評審的學術(shù)論文?！　∫陨系难芯拷?jīng)歷是寫作此書的由來。在學術(shù)會議上針對演講內(nèi)容回答問題中、在與文章審閱者的交流中以及在與研究機器人操作方面的大學和研究院所的訪問交流中，我們強烈地感覺到很多研究者和工程師對工業(yè)上已解決的一些問題存在很大的誤解?！　∈聦嵣?，誠如合著者久良教授所說，對于工業(yè)上所遇到的伺服控制器設(shè)計問題所采取的策略，主要取決于設(shè)計人員和工程師對實際誤差的處理經(jīng)驗，它反映了實際的需求。這些技術(shù)還沒有真正成為所謂的知識，因為它們并非邏輯上的策略，即使成功地執(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)容也并沒有公開。目前的狀況仍然是不清楚為什么好的途徑難以實現(xiàn)。　　通過合作，我們對工業(yè)上所遇到的問題的本質(zhì)進行了分析并從邏輯上和數(shù)學上進行了公式化。根據(jù)對這些導出的公式求解以及對結(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。而基于這些知識的技術(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機?！　≡诒緯兴懻摰膯栴}是基于工業(yè)上的共同需求，而不僅是某個工程師待研究的問題。針對那些根據(jù)經(jīng)驗所獲得的結(jié)果，都給出了邏輯上的闡述。因此，這些結(jié)果適用于一個實際的機器，并且，那些以前由專家經(jīng)驗確定的控制器設(shè)計的各種性能和控制方法，現(xiàn)在都可以采用這些方法來確定，至今只適用于特殊情況的知識，現(xiàn)在也轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮閺碗s、準確和一般性的技術(shù)。本書在解決這些問題上具有獨特性?！　”緯慕Y(jié)構(gòu)如下。機電一體化伺服系統(tǒng)伺服控制器的設(shè)計主要涉及建模、分析以及控制器設(shè)計，這一部分從引言一直到第6章?！　∫圆糠种饕菣C電一體化伺服系統(tǒng)的概要，以及工業(yè)中針對一些問題的主要觀點?！　≡诘?章，這些問題都被合理解決，成為合著者合作研究的成果。在以后每一章，都會提到相關(guān)的要點?！　♂槍δ壳肮I(yè)界的狀況和問題，每一項應用中的主要觀點和成果的重要性也都會在每一章的開始部分敘述?！　∥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，最好通過解決作者本人處理過的問題和前言中描述的問題。對每一章中的每一節(jié)，主要觀點都會在開始部分闡述以指導閱讀。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中列出。另外，本書還包括關(guān)鍵詞表、符號說明以及在實驗中所用到的實驗裝置的描述說明?！　≡跍蕚潆A段，本書的不同內(nèi)容分別請佐賀大學現(xiàn)代系統(tǒng)控制工程系的7位碩士研究生（青木重人、片瀏達郎、擳田大輔、白砂健太、山上升二郎、田村雅之、西澤實）試讀過。根據(jù)他們的看法，我們改進了本書的易讀性。本書中所提到的問題的要點以及成果都被適當?shù)赜霉奖硎龀鰜怼τ谶@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，這些在取得學士學位以前是應當學習過的。而其他控制理論中的基礎(chǔ)知識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，還是將理論應用于實踐的本科生都應能讀懂本書。我們希望通過對本書的學習，使這些知識能夠在機電一體化工業(yè)中有所應用，同時也希望從事相關(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，故對合作體會略作以下介紹：　?。?） 在各個領(lǐng)域都應該有大量的合作研究?！　。?） 在合作研究人員之間應該開展討論?！　。?） 應互相尊重對方的觀點?！　。?） 彼此保持良好的關(guān)系。　　在本書寫作過程中，森北出版株式會社生產(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

　　《機電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應用中的問題及其理論解答》詳細講述了機電一體化伺服系統(tǒng)在控制方面存在的問題，給出了這些問題的理論分析及解決方法。主要包括機電一體化伺服系統(tǒng)概述、機電一體化伺服系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、機電一體化伺服系統(tǒng)的離散時間間隔、機電一體化伺服系統(tǒng)的量化誤差、機電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩飽和、修正教示信號法、基于主從同步定位控制方法的輪廓控制等內(nèi)容。不僅使讀者了解機電一體化伺服系統(tǒng)在工業(yè)中存在的主要問題，同時從理論和實際兩個方面獲得解決這些問題的方法。《機電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應用中的問題及其理論解答》給出的詳細的理論分析過程和具體實例，能幫助讀者對這一領(lǐng)域有更加實際和深入的了解，通過掌握該領(lǐng)域的必要知識，可獨立運用這些方法和技術(shù)來解決實際問題。因此，《機電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應用中的問題及其理論解答》具有較高的學術(shù)價值和實踐指導作用。　　《機電一體化伺服系統(tǒng)控制：工業(yè)應用中的問題及其理論解答》可作為普通高等院校機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電一體化伺服系統(tǒng)研制、開發(fā)及應用的技術(shù)人員學習參考。

作者簡介

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 機電一體化伺服系統(tǒng)概述 0.1機電一體化伺服系統(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)應用的特征 0.2伺服系統(tǒng)中的問題 0.2.1關(guān)于機電一體化伺服系統(tǒng)建模的討論 0.2.2關(guān)于機電一體化伺服系統(tǒng)單軸性能的討論 0.2.3關(guān)于多軸機電一體化伺服系統(tǒng)性能的討論 0.2.4關(guān)于機電一體化伺服系統(tǒng)指令的討論 第1章機電一體化伺服系統(tǒng)數(shù)學模型的建立 1.1機電一體化伺服系統(tǒng)單軸的四階模型 1.1.1機電一體化伺服系統(tǒng) 1.1.2機電一體化伺服系統(tǒng)數(shù)學模型的推導 1.1.3利用數(shù)學模型確定伺服參數(shù)的方法 1.1.4數(shù)學模型的實驗驗證 1.2機電一體化伺服系統(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)標準 1.2.3低速一階模型的推導 1.2.4中速二階模型的推導 1.2.5低速一階模型和中速二階模型的評價 1.3多關(guān)節(jié)機械臂的笛卡兒坐標線性模型 1.3.1多關(guān)節(jié)機械臂的笛卡兒線性模型 1.3.2工作線性模型自適應區(qū)域的推導 1.3.3工作線性化模型的自適應區(qū)域及其實驗驗證 第2章機電一體化伺服系統(tǒng)的離散時間間隔 2.1采樣時間間隔 2.1.1機電一體化伺服系統(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驗驗證 2.2參考輸入時間間隔與速度波動的關(guān)系 2.2.1考慮參考輸入時間間隔的機電一體化伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型 2.2.2參考輸入時間間隔內(nèi)速度波動的工業(yè)領(lǐng)域策略 2.2.3穩(wěn)態(tài)速度波動和機電一體化伺服系統(tǒng)之間的參數(shù)關(guān)系 2.2.4穩(wěn)態(tài)速度波動的實驗驗證 2.2.5參考輸入時間間隔和瞬時速度波動的關(guān)系 2.2.6瞬時速度波動的實驗驗證 2.3參考輸入時間間隔與軌跡不規(guī)則性的關(guān)系 2.3.1在參考時間間隔內(nèi)的軌跡不規(guī)則性 2.3.2參考輸入時間間隔中產(chǎn)生的軌跡不規(guī)則性的實驗驗證 2.3.3理論分析結(jié)果的應用值 第3章機電一體化伺服系統(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)學模型及其分辨率判定 3.1.3編碼器分辨率確定的實驗驗證 3.2轉(zhuǎn)矩分辨率 3.2.1用于轉(zhuǎn)矩分辨率的機電一體化伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型 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的退化 3.2.4轉(zhuǎn)矩分辨率確定方法的推導 第4章機電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩飽和 4.1轉(zhuǎn)矩飽和特性的測量方法 4.1.1機電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩飽和 4.1.2轉(zhuǎn)矩飽和曲線的測量及實驗驗證 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驗驗證 第5章修正教示信號法 5.1基于數(shù)學模型的修正教示信號法 5.1.1修正教示信號法的推導 5.1.2修正教示信號法的特性分析 5.1.3修正教示信號法的實驗驗證 5.2基于高斯網(wǎng)絡的修正教示信號法 5.2.1基于高斯網(wǎng)絡的修正教示信號法的推導 5.2.2基于高斯網(wǎng)絡的修正教示信號法的實驗驗證 5.3一種柔性機制的修正教示信號法 5.3.1 使用修正教示信號法進行有振蕩限制的輪廓控制的推導 5.3.2利用修正教示信號法進行振蕩約束控制的實驗驗證 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及特性分析 6.1.3主從同步定位控制方法的實驗測試 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 6.2.2主從同步定位輪廓控制方法的特性分析和評價 6.2.3主從同步定位輪廓控制方法的實驗測試 關(guān)鍵詞 附錄 符號說明 實驗裝置 參考文獻

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   工業(yè)機電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特點如下： （1）伺服系統(tǒng)過流停止：當電動機電流超過最大允許電流（等價于瞬時電動機輸出轉(zhuǎn)矩，即大約3～5倍額定轉(zhuǎn)矩）并持續(xù)1s以上時，伺服系統(tǒng)會因過流而停止工作。即電流超過等價的額定轉(zhuǎn)矩并持續(xù)一定的時間會導致伺服系統(tǒng)停止。采用這種措施可防止過流損壞電動機。 （2）防Wind up措施：當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，如積分器達到飽和將導致Wind up現(xiàn)象的發(fā)生。Windup現(xiàn)象是指當控制器（包括積分器）工作在飽和狀態(tài)時，由于期望操作與實際操作不一致而造成偏差持續(xù)增長，導致輸出不能隨輸人的下降而下降。對此，設(shè)計電流控制模塊的PI控制部分時，要求其在整體控制過程中不得進入飽和區(qū)，并且采用電流中斷等策略，保證PI控制部分一旦超過某門限值達到飽和，伺服系統(tǒng)便立即停止工作。對于速度控制回路的PI控制器，當電流參考值在電動機輸出轉(zhuǎn)矩的范圍內(nèi)時，PI控制器將正常工作，而當電流參考值超出電動機輸出轉(zhuǎn)矩值時，積分控制與比例控制分離，從而避免Wind up現(xiàn)象出現(xiàn)。 （3）反電動勢補償：可以使用反電動勢補償法來補償電動機端電壓與反電動動勢之差，從而得到可以用于電動機加減速控制的電流。反電動勢補償法使得電動機在高速運轉(zhuǎn)時也可以流過3～5倍的額定電流。此時，對應電動機高速旋轉(zhuǎn)頻率的反電動勢，電動機電流等價于PWM放大器中電動機較大的終端輸入電壓。 在具有上述特點的工業(yè)機電一體化伺服系統(tǒng)中，會因功率放大器電流輸出飽和或伺服電動機輸出轉(zhuǎn)矩而造成轉(zhuǎn)矩飽和。一旦發(fā)生飽和，機電一體化伺服系統(tǒng)就難以運行。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）表示不能超過加速度的速度變化。電流控制模塊的裁剪器不能超過電流值。上述裁剪器都不能超過電流變化。上述裁剪器共同作用在機電一體化伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩上。在本章中，由裁剪器限制所導致的轉(zhuǎn)矩輸出被稱為轉(zhuǎn)矩飽和。 一般情況下在無轉(zhuǎn)矩飽和的低速線性區(qū)域可實現(xiàn)高精度的輪廓控制。然而，高速運動也是必須的。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)實現(xiàn)目標的高精度輪廓控制。

編輯推薦

《機電一體化伺服系統(tǒng)控制:工業(yè)應用中的問題及其理論解答》可作為普通高等院校機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電一體化伺服系統(tǒng)研制、開發(fā)及應用的技術(shù)人員學習參考。

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