1、中北大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 1 页 共 44 页 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 课题背景及研究意义课题背景及研究意义 自动控制系统不仅在理论上飞速发展， 在其应用器件上也日新月异。 模块化、 数字化、高精度、长寿命的器件每隔 35 年就有更新换代的产品面市。传统的交 流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的；步进电机一般为开环控制而无 法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，PWM 调速系统对位置跟踪性能较差， 变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应 用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出， 并且换向刷会带来
2、噪声和维护保养问题1。 开放式数控系统是一项起步不久的新技术，是当今数控技术发展的趋势。自 80 年代末开放式数控系统的概念出现以来，至今基本形成了 3 种类型的结构：在 专有系统中简单的嵌入 PC 技术；运动控制器以 PC 插件的形式插入到 PC 机扩展 槽；完全采用以通用 PC 为硬件平台的全软件型数控系统2。实践表明，虽然全软 件型数控提供了高度开放的体系结构，但由于操作系统的实时性、标准统一性及 系统稳定性等一系列问题，其系统实现技术还处于研究和实验阶段。 随着计算机集成制造技术的迅猛发展，开放化、集成化与模块化已成为数控 系统的重要特性。开放式数控系统具有良好的软硬件重构特性，更能有
3、效地满足 当今市场的需求，已成为数控系统发展的主要趋势。PC 机+可编程运动控制器作 为开放式数控系统的一种，它支持用户的开发和扩展，具有上、下两级开放的特 性，结合 PC 机友好人机界面和可编程运动控制器强大的控制计算能力，更能弥 补单一模式在开放式数控系统设计中的不足3.4。 P（比例）I（积分）D（微分）调节是自动控制系统中最早产生的一种方法， 自 20 世纪 40 年代美国布朗仪表公司推出 PID 气动调节器以来，PID 控制器在工 业生产控制中的应用已有几十年的历史。PID 调节控制简单且效果显著，它不需 用具体的数学模型，而是只调整 P、I、D 三个参数使系统达到较好的输出能力即
4、可。PID 调节器可以实现智能化是因为 PID 调节器比较完整地模拟人工的粗调、 精调和提前调的动作，而 PID 调剂的鲁棒性5则是在一个交宽范围内变化6。本 文在 PMAC 中引入 PID 调节， 以获得良好的稳定性能和动态性能。 本设计主要通 中北大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 2 页 共 44 页 过伺服控制系统驱动试件，实现瞬间加速、试件运动轨迹及运动位移的控制，以 模拟试件的飞行环境，进行地面模拟加载试验，以便检测试件的工作性能。 1.2 1.2 伺服控制系统伺服控制系统国内外发展现状国内外发展现状 伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至 今已有
5、五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段： 第一个发展阶段（20 世纪 60 年代以前） ，此阶段是以步进电动机驱动的液压 伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开 环系统7。 第二个发展阶段（20 世纪 6070 年代） ，这一阶段是直流伺服电动机的诞生 和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置 采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数 控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损 耗，低速性能好7。 第三个发展阶段（20 世纪 80 年代至今） ，这一阶段是以机电一体化时代
6、作为 背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无 刷直流伺服电动机（方波驱动） ，交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动 机7。 1.2.1 国外伺服控制系统发展状况 自 20 世纪 80 年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的 重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服 系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存 在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、 精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统 性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传 感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进 PMSM 转子结构和性能，以通 过消除/削弱因齿槽转矩所造成的 PMSM 转矩脉动对系统性能的影响；采用基于 现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性5的滑模控制策略以提高系统对参数摄动 的自适应能力；在传统 PID 控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统 对非线性负
