0 引言

　　伺服系统对自动化、自动控制、电气技术、电力系统及自动化、机电一体化、电机电器与控制等专业既是一门基础技术，又是一门专业技术，因为它不仅分析各种基本的变换电路，而且结合生产实际，解决各种复杂定位控制问题，如机器人控制、数控机床等。

　　从控制论观点出发，对数控系统的技术要求可归纳为：（1）对滚珠丝杠机械平台的精度，要求它具有摩擦阻力小、传动效率高、运动灵敏、无爬行现象，可进行预紧以实现无间隙运动，传动刚度高，反向时无空程死区等特点。（2）对伺服系统的稳定性、静、动态特性等品质指标的要求，由于一台数控机床的速度和精度等技术指标，在很大程度上由伺服系统的性能所决定，因此，研究伺服系统的动态性能十分重要。

　　在工程上，通常把高阶系统近似于一阶系统或二阶系统。经过研究分析，我们把数控机床位置伺服系统简化为典型的二阶系统，应用控制系统的分析方法来讨论数控机床位置伺服系统的动态性能指标。

1 动态过程分析

　　动态过程是指控制系统在输入作用下从一个稳态向新的稳态转变的过渡过程。位置伺服系统在跟踪加工的连续控制过程中，几乎始终处于动态的过程之中。

　　从控制论可知，通常有给定与扰动两种输入作用于控制系统，理想的控制系统应该对给定输入的变化能够准确地跟踪，同时应该完全不受扰动输入的影响，换句话说，系统应该具有很好的跟随性和很强的抗干扰性。下面主要讨论有关伺服系统的动态指标和性能。

　　1.1  动态性能指标

　　分析系统的动态过程用时域分析法最为直观，因此这里讨论的是属于时域上的性能指标。由于系统在给定输入和扰动输入下，其输出响应具有不同的物理意义，对系统动态过程的评价相应地提出不同的性能指标。

　　（1）给定输入的跟随性能指标对于位置随动系统，由于给定值的变化是主要输入，动态过程将围绕这个变化了的给定值而变化。在r（t）为单位阶跃信号作用下，系统输出c（t）的响应曲线。

　　分析动态跟随响应曲线c（t）的质量时，常用的性能指标：

　　（a）超调量σ%

设系统输出响应在tp时刻到达最大值，其超出稳态值的部分与稳态值的比值称为超调量，通常取百分数形式。

　　（b）调节时间ts

　　首先，若把c（∞）的±（2%或5%）形成的区域称为误差带。那么，调节时间")的定义是：从加上输入量的时刻到输出量c（t）进入而且不再超出误差带为止的一段时间。

　　以上指标中，调节时间ts愈小表明系统快速跟

　　随性能愈好，超调量σ%愈小表明系统在跟随过程中比较平稳，但往往也比较迟钝。显然，作为数控伺服系统，希望都能做到愈小愈好。然而，在实际中快速性和稳定性往往是互相矛盾的。压低了超调量就会延长过渡过程，加快了过渡过程却又会增大超调量。因此，需按照加工工艺的要求在各项性能指标中作一定的选择。

　　（2）对扰动输入的抗扰性能指标抗扰性能是指当系统的给定输入不变时，即给定量为定值时，在受到阶跃扰动后，输出克服扰动的影响自行恢复的能力。

　（a）最大动态速降△n_m%

　　系统抗扰能力的动态指标用的是最大动态变化（降落或上升）和恢复时间。这里以调速系统为例，给出一个调速系统在突加负载时，力矩M（t）与转速n（t）的动态响应曲线。

　　（b）恢复时间".

　　由扰动作用进入系统的时刻到输出量恢复到误差带内（一般也取稳态值的±2%或±5%）所经历的时间，称为恢复时间。

　　一般地说，阶跃扰动下输出的动态变化越小，恢复得越快，说明系统的抗扰能力越强。显然，从要求系统具有抗扰性能好的角度出发，上述两项指标也应该是愈小愈好。

1.2 二阶系统的动态分析

　　在位置闭环控制中，可以把从伺服放大器、伺服电机到位置检测元件取得位置反馈信息整个部分看作伺服控制的调节对象，而把对系统性能按预期的要求进行校正而加入的部分视为调节器。

　　由此可见，表征系统动态性能的参数ζ、wn与系

　　统的结构参数K、T有关。由于时间常数T反映系统惯性的大小，决定于构成系统的元部件的特性。一个系统一旦确定，往往时间常数T就固定下来而不便随意改动，而开环放大倍数的K值就有一个正确选择确定的问题。

　　（2）抗干扰性能分析

　　讨论抗干扰性能时，设R（s）=0，系统的传递函数Gf（s）=C（s）／M（s）。

　　伺服系统的抗干扰性能是系统应能使各种扰动输入对系统跟踪精度的影响减至最小。

　　对于二阶典型系统，当负载扰动输入后，同时做到动态变化与恢复时间两项指标最小，但有时存在矛盾。据分析认为，当调节对象（即负载扰动作用点之后的这部分环节）的时间常数愈大，则输出响应的最大动态变化愈小，而恢复时间愈长。反之，时间常数愈小，动态变化愈大，但恢复时间短。

2 实验结果分析与结论

　　经过以上理论分析，我们在日本安川公司SGDL-08AP交流伺服系统上进行了动态实验，系统突加负载时的电流响应。由此得出结论，如果一个伺服系统在给定输入作用下输出响应的超调量较大、过程时间越短，则它的抗干扰性能就好；而超调量较小，过渡过程时间较长的系统，恢复时间就长（除非调节对象的时间常数很小）。这就是二阶典型系统的跟随性能与抗干扰性能之间存在一定的内在制约和矛盾的地方，也是这类闭环伺服控制系统固有的局限性。