上香义道人坐 上丽义1大华 课程参考书 ◆梅晓榕等，自动控制元件及线路，科学出版 伺服动力元件及系统 社，2005（较早版本也可参考，下同） ◆王春行，液压液压控制系统，机械工业出版 社，2004 机械动力学院 机电控制与物流装备研究所 ◆骆涵秀，机电控制，浙江大学出版社，1994 王旭永 ◆陈隆昌等，控制电机，西安电子科技大学， Tl34206053,机械动力楼807室 2003 xywang@sjtu.cdu.cn ◆何存兴等，液压传动与气压传动，华中科技 大学出版社，2004 上所义道人步 上产义道人当 若干先修课程基础 第一章：绪论 ◆电工学：磁场原理、普通电机原理等 本章内容： ◆电子电路：典型功放电路、顺序动作的 一、本课程概述 数字电路实现等 二、动力驱动单元在机械系统中的地位 ◆液压与气压传动：流体传动的概念等 三、开环和闭环 ◆控制理论基础：数学模型、动态性能分 四、机电控制系统的组成和性能 析等 五、伺服驱动元件的分类 六、关于本课程的学习 1.1本课程概述 上屏元1大的 上屏我1大步 本课程的知识结构 课程地位： 伺康(Servo)的理解 机械专业机电控制方向的专业必修课(36学时) 课程定位： 何服，间候服务，叫 机械设计 机械系统中的典型伺服驱动 控制理论基础 本课程 护+否 鹅快越好就伺原水平 鷓高。 ®图 机械 在控制系统中，输出 单元 系统总 电动 执行输入信号越快越 成：控 动 其夹，其何原控制暴 检测单元 N 的水平也越高。 指令和控制结果的近 控制计算机 课程设 气动 计 似达到了一定高的程 传感器技术 1
1 伺服动力元件及系统 机械动力学院 机电控制与物流装备研究所 王旭永 Tel: 34206053, 机械动力楼807室 xywang@sjtu.edu.cn 课程参考书 梅晓榕等，自动控制元件及线路，科学出版 社，2005 （较早版本也可参考，下同） 王春行，液压液压控制系统，机械工业出版 社，2004 骆涵秀，机电控制，浙江大学出版社，1994 陈隆昌等，控制电机，西安电子科技大学， 2003 何存兴等，液压传动与气压传动，华中科技 大学出版社，2004 若干先修课程基础 电工学：磁场原理、普通电机原理等 电子电路：典型功放电路、顺序动作的 数字电路实现等 液压与气压传动：流体传动的概念等 控制理论基础：数学模型、动态性能分 析等 第一章：绪论 本章内容： 一、本课程概述 二、动力驱动单元在机械系统中的地位 三、开环和闭环 四、机电控制系统的组成和性能 五、伺服驱动元件的分类 六、关于本课程的学习 1.1 本课程概述 课程地位： 机械专业机电控制方向的专业必修课（36学时） 机械 执行 单元 机械 执行 单元 伺服 驱动 元件 伺服 驱动 元件 控制 策略 控制 策略 检测单元 检测单元 指令 单元 指令 单元 控制理论基础 本课程 机械设计 传感器技术 控制计算机 系统总 成：控 制系统 理论、 课程设 计 本课程的知识结构 电动 液动 气动 课程定位： 机械系统中的典型伺服驱动 × 伺服 伺服（Servo)的理解 伺服，伺候服务，叫 干什么就干什么，不 多干也不少干，干的 越快越好就伺服水平 越高。 在控制系统中，输出 执行输入信号越快越 真实，其伺服控制系 统的水平也越高。 指令和控制结果的近 似达到了一定高的程 度
本课程内容的组成 上活义道大学 1.2动力驱动单元在机械系统 上丽义1大些 元件： 中的地位 ◆同服电机（直流、交流、步进） ◆机械系统离不开动力驱动 ◆液压伺服驱动元件（阀控缸、马达，伺服阀） ◆动力驱动构成了机械产品的核心单元 ◆气压伺服驱动元件 ◆伺服驱动元件的功率放大器 ◆动力驱动单元的品质往往决定了整个机械 产品（或系统）的质量等级：普通级、伺 系统： 服级（注意：精密级不一定就是伺服级） ◆由伺服驱动元件等组成的伺服系统（位置、速度、 力等) 工程案例： 例如1：汽车动力：如混合动力车（发动机 十电动马达) ◆机电一体化系统、实验 例如2：贴片机动力：多自由度伺服驱动 上所义道人步 上产义人皆 1.3开环和闭环 开环与闭环的核心区别？ ◆本课程讨论的动力驱动通常用在闭环系 统中（典型应用场合）。 机电系统 ◆闭环和开环的概念：是否存在反馈。 ◆是否存在传感器 ◆善于确定工程系统采用开环控制还是闭 ◆在线连续检测 环控制是机电一体化设计人员的最基本 ◆在线连续反馈 素质之一。 ◆使输入量与输出量不断进行比较并对控 制信号作即时调节 上屏元1大的 上元且人些 闭环实现的最终效果 系统实例认识 ◆按一定精度、一定响应速度来复现或跟 踪输入指令的机械参数（位置、速度、 ◆五工位模拟加工系统 力等)控制 ◆二级倒立摆系统 ◆达到的精度和响应速度根据不同的实现 ◆大型平板运输车的调平驱动 方式和方法会有所不同 ◆作为例外，特定条件下的开环控制有时 ◆基于开关元件的流量控制 也一定程度上具有闭环的效果，但可靠 性未必保证 2
2 本课程内容的组成 元件： 伺服电机（直流、交流、步进） 液压伺服驱动元件（阀控缸、马达，伺服阀） 气压伺服驱动元件 伺服驱动元件的功率放大器 系统： 由伺服驱动元件等组成的伺服系统（位置、速度、 力等） 工程案例： 机电一体化系统、实验 1.2 动力驱动单元在机械系统 中的地位 机械系统离不开动力驱动 动力驱动构成了机械产品的核心单元 动力驱动单元的品质往往决定了整个机械 产品（或系统）的质量等级：普通级、伺 服级（注意：精密级不一定就是伺服级） 例如1：汽车动力：如混合动力车（发动机 ＋电动马达） 例如2：贴片机动力：多自由度伺服驱动 1.3 开环和闭环 本课程讨论的动力驱动通常用在闭环系 统中（典型应用场合）。 闭环和开环的概念：是否存在反馈。 善于确定工程系统采用开环控制还是闭 环控制是机电一体化设计人员的最基本 素质之一。 开环与闭环的核心区别？ 机电系统 是否存在传感器 在线连续检测 在线连续反馈 使输入量与输出量不断进行比较并对控 制信号作即时调节 闭环实现的最终效果 按一定精度、一定响应速度来复现或跟 踪输入指令的机械参数（位置、速度、 力等）控制 达到的精度和响应速度根据不同的实现 方式和方法会有所不同 作为例外，特定条件下的开环控制有时 也一定程度上具有闭环的效果，但可靠 性未必保证 系统实例认识 五工位模拟加工系统 二级倒立摆系统 大型平板运输车的调平驱动 基于开关元件的流量控制
零件吸 零件提 上丽义1大当 附和抓 升和到 物流 五工位模拟加工系统的讨论 入库 动力驱动的性质： ◆驱动是否存在检测？ ◆开关驱动或连续调节驱动？ ◆属于什么系统？ ◆为什么？ 工和换 五工位摸拟 考虑： 系统中的 关驱动是开环驱 加工系统 还是闭环驱动？ 上酒义点人当 艘转驱动一 二级倒立摆系统的讨论 动力驱动的性质： ◆驱动是否存在检测？ ◆是否在线连续检测？ 旋转服动二 ◆属于什么系统？ 回 考虑，系统中的相 关驱动是开环驱动 二级倒立摆系统 还是闭环驱动？ 上屏元1大的 案例分析 案例分析：基于气动开关阀的流烤 量控制 大型重载(>100吨) ■ 位置传 平板运输车的驱动： 感器 行走驱动、转向驱动、调 平驱动 这里重点关注调平驱动系 统： 要求：车在坡道上行驶时 开关阀1和开关阀2， 平板支撑面能随时保持 管道和阀 同时一开一闭 水平。 实现原理？ 流量传感器) 开环或闭环？ 3
3 零件吸 附和抓 举 零件提 升和到 位 零件加 工和换 位 零件 物流 移位 零件 分类 入库 五工位模拟 加工系统 考虑：系统中的相 关驱动是开环驱动 还是闭环驱动？ 五工位模拟加工系统的讨论 动力驱动的性质： 驱动是否存在检测？ 开关驱动或连续调节驱动？ 属于什么系统？ 为什么？ 二级倒立摆系统 考虑：系统中的相 关驱动是开环驱动 还是闭环驱动？ 旋转驱动一 旋转驱动二 二级倒立摆系统的讨论 动力驱动的性质： 驱动是否存在检测？ 是否在线连续检测？ 属于什么系统？ 案例分析 行走驱动、转向驱动、调 平驱动 这里重点关注调平驱动系 统： 要求：车在坡道上行驶时 平板支撑面能随时保持 水平。 实现原理？ 开环或闭环？ 大型重载（>100吨） 平板运输车的驱动： 案例分析：基于气动开关阀的流 量控制 开关阀1和开关阀2， 同时一开一闭 流量传感器 位置传 感器 管 道 和 阀
上香义道人坐 上所义1大些 开关控制的分析 高速开关控制的实际效果 关注点： ◆信号类型 ◆频率 ◆缺点：只有开和关两种极值控制的选择 阀芯 (没有连续过渡中间量的选择) ◆跟踪响应评价位 ◆开环或闭环？ ◆优点：阀的结构简单、控制方便 ◆如果频率减 小，效果怎样？ 在给阀芯输入位移正弦信号时其 增大呢？ 输出会是什么样的响应效果？ 时间 上所义道人步 上酒义点人当 1.4、机电控制系统的组成和性能 实例一：伺服往复运动平台 进一步的两个实例 直线传感器 实例三：治金行亚自动厚度$ 控制(AGC)系统 入口速度反情 液压AGC系统 光得速 是提高热连轧 钢板板厚精 出口速应 度、控制板 现原 形、提高带材 合格率的重要 技术。 AGC系统的动 △ss 态品质、静态 品质的好坏直 接影响系统的 稳定性，响应 的快速性和控 制精度， 带奢健哥载梵牌务叠宜尚薇紧 4
4 开关控制的分析 缺点：只有开和关两种极值控制的选择 （没有连续过渡中间量的选择） 优点：阀的结构简单、控制方便 在给阀芯输入位移正弦信号时其 输出会是什么样的响应效果？ 高速开关控制的实际效果 阀 芯 位 移 量 时间 关注点： 信号类型 频率 跟踪响应评价 开环或闭环？ 如果频率减 小，效果怎样？ 增大呢？ ······· 1.4、机电控制系统的组成和性能 进一步的两个实例 实例一：伺服往复运动平台 工作台 旋转 直线 转换 器 负载 功 放 驱动电 机 直线传感器 指令 实例二：冶金行业自动厚度 控制（AGC）系统 液压AGC系统 是提高热连轧 钢板板厚精 度、控制板 形、提高带材 合格率的重要 技术。 AGC系统的动 态品质、静态 品质的好坏直 接影响系统的 稳定性，响应 的快速性和控 制精度。 实 现 原 理 带有位置等多种传感器、以液压缸 为驱动执行元件的位置伺服系统
上香义1大学 机电控制系统（设备） 上丽义1大华 机电控制的组成 的常见性能指标 ◆伺服动力驱动 ◆使用寿命 ◆平均无故障工作时间 考惠一下： ◆执行元件和负载 ◆功率与效率 这些性能指 ◆反馈元件 标中哪些是 ◆控制器（硬件） ◆稳态精度（定位精度） 与系统中的 ◆动态性能（稳定裕量、调节时 驱动元件有 ◆控制策略（软件） 间、闭环频宽) 直接紧密关 ◆… ◆最大速度、最小平稳速度 联的？ ◆超调量 上所义道人步 1.5.1驱动源(1) 上源义丝大李 1.5、伺服驱动元件的分类 原始驱动：人力和畜 力驱动（纤夫、骡 黎露、狗拉雪 行走机械的动力驱 动： 汽油、柴油类发动机 驱动、氢发动机、混 d 合动力、变频电机、 液压驱动等 上屏元1大的 上屏我1大步 驱动源(2) 驱动源(3) 其它特殊类： 机械系统中的常见动力驱动： ◆螺线管电磁铁 ◆压电品体微驱动 (高固有频率、高频 ◆普通电机 响、微小位移) ◆伺服电机 ◆液压传动 ◆形状记忆合金 ◆液压伺服驱动 (形状位移驱动随 ◆气压驱动 温度变化，但有较 明显的非线性) J
5 机电控制的组成 伺服动力驱动 执行元件和负载 反馈元件 控制器（硬件） 控制策略（软件） ········· 机电控制系统（设备） 的常见性能指标 使用寿命 平均无故障工作时间 功率与效率 稳态精度（定位精度） 动态性能（稳定裕量、调节时 间、闭环频宽） 最大速度、最小平稳速度 超调量 ·········· 考虑一下： 这些性能指 标中哪些是 与系统中的 驱动元件有 直接紧密关 联的？ 1.5、伺服驱动元件的分类 1.5.1 驱动源（1） 原始驱动：人力和畜 力驱动（纤夫、骡 拉磨、狗拉雪橇 等） 行走机械的动力驱 动： 汽油、柴油类发动机 驱动、氢发动机、混 合动力、变频电机、 液压驱动等 驱动源（2） 机械系统中的常见动力驱动： 螺线管电磁铁 普通电机 伺服电机 液压传动 液压伺服驱动 气压驱动 驱动源（3） 其它特殊类： 形状记忆合金 （形状位移驱动随 温度变化，但有较 明显的非线性） 压电晶体微驱动 （高固有频率、高频 响、微小位移）
上活义道大学 上丽义道大些 1.5.2机电控制的基本类型 1.5.3驱动元件的种类 ◆电气控制系统 ◆开环驱动：普通电机、液压传动、气压 传动 ◆闭环驱动：交直流伺服电机、液压伺 服、气压伺服 ◆液压控制系统 ◆半闭半开：步进电机 ◆气压控制系统 上所义道人步 上产义人皆 1.5.4伺服元件的分类(1) 伺服元件的分类(2) 伺服电机： 流体控制元件（液压、气压）： ◆直流伺服电机 ◆伺服阀 ◆交流伺服电机 ◆比例阀（大功率、快响应场合） ◆步进电机 ◆开关阀（轻捷场合） 上屏我1大步 伺服驱动元件之间的竞争 上屏元大华 1.5.5应用场合 雷达驱 动系统 液压」 各种伺服驱动元 按负载和功率大小排序： 交直流电机 件的特点决定 了其在相应应 气动 用场合的优劣 步进电机 与取舍 金模餐量（成軒）装屏 线圈电磁铁 关注： 电、液、气驱动 按响应的快速性大小排序？ 元件的特点 按价格的高低排序？ 注塑机中的各种驱动 6
6 1.5.2 机电控制的基本类型 气压控制系统 液压控制系统 电气控制系统 1.5.3 驱动元件的种类 开环驱动：普通电机、液压传动、气压 传动 闭环驱动：交直流伺服电机、液压伺 服、气压伺服 半闭半开：步进电机 1.5.4 伺服元件的分类 （1） 伺服电机： 直流伺服电机 交流伺服电机 步进电机 伺服元件的分类（2） 流体控制元件（液压、气压）： 伺服阀 比例阀（大功率、快响应场合） 开关阀（轻捷场合） 伺服驱动元件之间的竞争 各种伺服驱动元 件的特点决定 了其在相应应 用场合的优劣 与取舍 关注： 电、液、气驱动 元件的特点 注塑机中的各种驱动 雷达驱 动系统 1.5.5 应用场合 按负载和功率大小排序： 线圈电磁铁 线圈电磁铁 步进电机 步进电机 气动气动 交直流电机 交直流电机 液压液压 按响应的快速性大小排序？ 按价格的高低排序？
上香义道人坐 上源义道大些 1.6关于本课程的学习(1) 关于本课程的学习(2) ◆从机电控制系统的角度学习，培养利用 知晓伺服元件的数学描述，以便对系统进行合 元件来设计和构建系统的能力 理的分析设计 ◆重点不是设计伺服元件，而是要了解其 原理并应用在系统中。 ◆必要时根据其原理，可对伺服元件作局 数学模型的作用： 部修正 动态特性、稳定性等理论分 析和系统设计综合的基础 上所义道人步 前面的实例：伺服往复 上产义人皆 关于本课程的学习(3) 运动平台肿⑧画 负 工作台 熟悉伺服元件的应用方式或方法、伺服 动力元件参数的合理选用，掌握设计系 统的能力 如：步进电机的应用特点 直线传感器 通过本课程的学习，应解决： ◆可作开环控制，但有闭环效果 ◆选择什么样的驱动？ ◆常作位置控制 ◆驱动元件的功率及其它相关参数？ ◆中小功率场合 ◆能达到什么精度？ ◆有限的分辨率 ◆系统的固有频率？ ◆可预见的系统响应性能？ 本章讨论题 上屏元1大的 本章思考题 上开元且人些 试从不同角度分析、比较、归纳开环和闭环 ◆人是伺服驱动器吗？ 控制系统中动力驱动的各自特点。 ◆动物是伺服驱动器吗？ 开环 闭环 ◆燃烧加热是伺服驱动吗？ 驱动参数（位置、速度、力等） 是否存在检测 驱动参数（位置、速度、力等） 2 是否具有连续调节能力 驱动元件是否存在输出量反馈并 2 连续纠偏调节？ 7
7 1.6 关于本课程的学习（1） 从机电控制系统的角度学习，培养利用 元件来设计和构建系统的能力 重点不是设计伺服元件，而是要了解其 原理并应用在系统中。 必要时根据其原理，可对伺服元件作局 部修正 关于本课程的学习（2） 知晓伺服元件的数学描述，以便对系统进行合 理的分析设计 数学模型的作用： 动态特性、稳定性等理论分 析和系统设计综合的基础 关于本课程的学习（3） 熟悉伺服元件的应用方式或方法 、伺服 动力元件参数的合理选用，掌握设计系 统的能力 如：步进电机的应用特点 可作开环控制，但有闭环效果 常作位置控制 中小功率场合 有限的分辨率 前面的实例：伺服往复 运动平台 工作台 旋转 直线 转换 器 负载 功 放 驱动电 机 直线传感器 指令 通过本课程的学习，应解决： 选择什么样的驱动？ 驱动元件的功率及其它相关参数？ 能达到什么精度？ 系统的固有频率？ 可预见的系统响应性能？ ········· 人是伺服驱动器吗？ 动物是伺服驱动器吗？ 燃烧加热是伺服驱动吗？ 本章讨论题 本章思考题 试从不同角度分析、比较、归纳开环和闭环 控制系统中动力驱动的各自特点。 驱动元件是否存在输出量反馈并 ？ ？ 连续纠偏调节？ ········· ··· ··· 驱动参数（位置、速度、力等） ？ ？ 是否具有连续调节能力 驱动参数（位置、速度、力等） ？ ？ 是否存在检测 开环 闭环
上香义道人坐 上舜义1大些 思考题(1)： ∞形轨道上的两 车系统方案设计 两小车沿∞形轨道以彼此不同的恒速同向 前行，有两种工况：停止或前行。 设计一系统使两车永不碰撞 问：实现原理？ 开环或闭环？ 8
8 思考题(1)： ∞形轨道上的两 车系统方案设计 两小车沿∞形轨道以彼此不同的恒速同向 前行，有两种工况：停止或前行。 设计一系统使两车永不碰撞. 问：实现原理？ 开环或闭环？