1．設(shè)計伺服系統(tǒng)時，不可忽視動態(tài)綜合的重要任務(wù)
在選擇和設(shè)計伺服系統(tǒng)時，往往是側(cè)重于靜態(tài)性能方面，而它們的動態(tài)性能一般是不能滿足要求的。伺服系統(tǒng)動態(tài)綜合的重要任務(wù)，就是根據(jù)系統(tǒng)的固有特性，找出一種校正裝置，使伺服控制系統(tǒng)能夠達(dá)到給定的性能指標(biāo)。綜合的方法一般有分析法和綜合法。分析法實際上是一種試湊法。設(shè)計者根據(jù)系統(tǒng)固有特性參數(shù)，憑借自己的經(jīng)驗，設(shè)定一個校正裝置，然后分析和鑒定系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。如不滿足要求，則重新修改校正裝置，再分析計算和鑒定系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。如此反復(fù)進(jìn)行，直到系統(tǒng)全面滿足指標(biāo)要求為止，最后的校正裝置即為滿足設(shè)計要求的校正裝置。由此可見，分析法在很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗。綜合法則是根據(jù)系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)，確定出期望特性，然后根據(jù)固有特性，確定出校正裝置，再進(jìn)行指標(biāo)核算；如不滿足，則修改校正裝置，使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)。系統(tǒng)動態(tài)綜合方法很多，常用的有頻域法校正、復(fù)合控制方法、伺服系統(tǒng)干擾補償控制、伺服系統(tǒng)魯棒控制、根軌跡法動態(tài)綜合、狀態(tài)空間法動態(tài)綜合，以及模型參考自適應(yīng)控制器設(shè)計和變結(jié)構(gòu)滑動模型控制器設(shè)計等。究競選用何種校正(補償)形式，在系統(tǒng)設(shè)計時是非常重要的。各種校正裝置的具體設(shè)計方法，都有特定的一套指標(biāo)體系，它們與系統(tǒng)的實際指標(biāo)有著直接或間接的聯(lián)系。另外，每一種設(shè)計計算方法對設(shè)計不同形式的校正形式，其難易程度也大不相同。況且，在線性系統(tǒng)中，當(dāng)引入不同類型的校正裝置時，可以用另一種類型的等效校正裝置來代換。等效性意味著不論將哪種校正裝置連接到系統(tǒng)中，系統(tǒng)的動態(tài)關(guān)系完全相同。也就是說，滿足系統(tǒng)動態(tài)關(guān)系的校正裝置并非是****的。實際中究竟采用哪種校正裝置和設(shè)計方法，通常由技術(shù)實現(xiàn)中如何最方便以及設(shè)計者的經(jīng)驗而決定。
2．伺服系統(tǒng)設(shè)計，不得違背系統(tǒng)的動態(tài)性能要求
設(shè)計伺服系統(tǒng)時，設(shè)計者常常偏重于系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)而忽略對系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)要求。系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)反映了系統(tǒng)處于過渡過程狀態(tài)中的性能，是衡量控制系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。通常，動態(tài)性能指標(biāo)有三種提法：時域指標(biāo)、閉環(huán)頻域指標(biāo)和開環(huán)頻域指標(biāo)。三種提法從不同角度對控制系統(tǒng)提出要求，各有優(yōu)點。時域指標(biāo)最直觀，也易于檢驗；開環(huán)頻域指標(biāo)便于設(shè)計計算；閉環(huán)頻域指標(biāo)能較好地反映系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定程度。時域指標(biāo)用單位階躍作用下系統(tǒng)輸出量的響應(yīng)來衡量，工程上常有下面幾個特征量：延遲時間td、上升時間tr、峰值時間tp過渡過程時間ts、超調(diào)量Mp振蕩次數(shù)N、等。規(guī)定了以上這些指標(biāo)，系統(tǒng)的過渡過程也就大致確定了。不過，在設(shè)計控制系統(tǒng)的開始階段，要同時照顧到這些品質(zhì)指標(biāo)是困難的。實際上最常用的是過渡過程時間ts和超調(diào)量MP，它們更具有典型性和代表性。過渡過程時間ts反映了系統(tǒng)的快速性，超調(diào)量mp則反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性或阻尼程度。利用簡化的動態(tài)指標(biāo)提法，可使控制系統(tǒng)的設(shè)計和綜合變得比較方便。當(dāng)然，有時僅用這兩個指標(biāo)還不能完全確定系統(tǒng)的過渡過程，可能兩個很不相同的過渡過程而具有相同的過渡過程時間和超調(diào)量。因此，其他的指標(biāo)，如上升時間tr、峰值時間tp等可以作為兩個主要動態(tài)指標(biāo)的補充。它們更多地被用于分析和校核控制系統(tǒng)的性能。閉環(huán)頻域動態(tài)性能指標(biāo)是對閉環(huán)幅頻特性的幾個主要特征提出要求。常用以下特征量來加以衡量：閉環(huán)幅頻特性的零頻率值A(chǔ)(O)、表述反應(yīng)低頻輸入信號的帶寬(或稱復(fù)現(xiàn)帶寬)的頻率值ωm、相對諧振峰值Mr、諧振頻率ωr及控制系統(tǒng)的帶寬(0～ωb)等。相對諧振峰值Mr小，系統(tǒng)不容易振蕩；Mr大，則系統(tǒng)振蕩厲害。因此，Mr反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。工程上實用的伺服系統(tǒng)其閉環(huán)諧振峰值M，一般在l 2～1．6之間，****不得超過2，用頻率法分析和綜合伺服系統(tǒng)時，應(yīng)用最多的是直接利用系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，尤其是應(yīng)用對數(shù)頻率特性，這種方法設(shè)計方便。
使用系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性博德圖表示，通常提出系統(tǒng)的剪切頻率ωr、相角裕度y或增益裕量Kg作為開環(huán)頻域指標(biāo)。剪切頻率ωr和閉環(huán)頻帶寬度ωb有著密切的關(guān)系。它同樣反映了系統(tǒng)的快速性，是設(shè)計系統(tǒng)時的重要指標(biāo)。在剪切頻率。，處，使系統(tǒng)達(dá)到臨界穩(wěn)定所需要附加的相位滯后量稱為相角裕度γ，它在一定程度上反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，它和閉環(huán)的諧振峰值MR關(guān)系密切。當(dāng)相角為一l 80°時，對應(yīng)幅值曲線的dB數(shù)值叫做增益裕量Kg，它在一定程度上也反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。由于Kg計算起來不如γ方便，二者反映控制系統(tǒng)的性能類似，因而一般只提γ就可以了。上述三種不同的提法，反映了系統(tǒng)的同樣性能。如ωb、ωr、ts都反映了伺服系統(tǒng)的快速性，而時MPMr、γ和kg則反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，因為這些指標(biāo)之間存在著必然的內(nèi)在聯(lián)系。
3．伺服系統(tǒng)設(shè)計時，不能不注意解決校正網(wǎng)絡(luò)的連接問題
為了改善系統(tǒng)品質(zhì)，需要在系統(tǒng)中串聯(lián)或并聯(lián)校正裝置。這就不能不注意解決校正網(wǎng)絡(luò)連接的幾個具體問題。明確這些問題，將會對設(shè)計與組合系統(tǒng)線路大有裨益。
(1)伺服系統(tǒng)設(shè)計時，不能不考慮校正裝置連接位置的選擇問題校正裝置在系統(tǒng)中如何連接，或者說在系統(tǒng)的哪個位置連接?這不但與系統(tǒng)主通道的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與校正形式有關(guān)。其校正裝置連接位置選擇的基本原則有： 1)并聯(lián)校正裝置連接位置的選擇原則①并聯(lián)校正裝置應(yīng)包圍時間常數(shù)大的慣性環(huán)節(jié)，這樣使包圍后的等效時間常數(shù)減小，從而有效地改善系統(tǒng)品質(zhì)。
�、诓⒙�(lián)校正裝置應(yīng)包圍參數(shù)易變化、易受干擾的部分。因為并聯(lián)負(fù)反饋可以大大削弱被包圍部分參數(shù)變化及干擾對系統(tǒng)性能的影響。
�、蹫榱顺浞职l(fā)揮并聯(lián)負(fù)反饋對于干擾與慣性環(huán)節(jié)的補償作用，被包圍部分一般不宣太小。例如，若用直流測速發(fā)電機與RC網(wǎng)絡(luò)組成速度與加速度負(fù)反饋校正裝置，則負(fù)反饋的加入點可選擇在前置電壓放大器的輸入端，使負(fù)反饋包圍執(zhí)行電動機、功率放大及其前一級的電壓放大。當(dāng)然，被包圍的環(huán)節(jié)越多，則系統(tǒng)的放大倍數(shù)降低的也越多，為了滿足系統(tǒng)精度要求，這就需要提高未被包圍部分的放大倍數(shù)，或采用復(fù)合控制的方法來提高系統(tǒng)精度。
這樣，又使系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜了，因此，并聯(lián)負(fù)反饋到底包圍多少環(huán)節(jié)，需根據(jù)具體系統(tǒng)結(jié)合上述基本原則來確定。
2)串聯(lián)校正裝置連接位置的選擇原則①RC校正網(wǎng)絡(luò)，需要串接在傳遞功率較小的電路中。否則，通過校正網(wǎng)絡(luò)的電流過大，使電阻發(fā)熱，這可能導(dǎo)致校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)發(fā)生變化，并產(chǎn)生較大的功率損耗。因此，RC校正網(wǎng)絡(luò)一般串接在系統(tǒng)主通道的前半部，即串在兩級電壓放大器之間，不能串接在系統(tǒng)的功率放大部分。
�、叽�(lián)校止裝置，必須串在主通道兩個環(huán)節(jié)之間，以不破壞原有環(huán)節(jié)為原則。否則這部分的傳遞函數(shù)必須重新推導(dǎo)，使原有串聯(lián)綜合校正的計算失去意義。
3)直、交流校正網(wǎng)絡(luò)的連接位置。直流校正網(wǎng)絡(luò)只能串接在傳遞直流信號的電路中，交流校正網(wǎng)絡(luò)只能串接在傳遞交流載波信號的電路，決不能倒置。
(2)伺服系統(tǒng)設(shè)計時，不能不注意解決校正網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配問題在通常情況下，設(shè)計給出的各種校正網(wǎng)絡(luò)及其對應(yīng)的傳遞函數(shù)，都是以校正網(wǎng)絡(luò)的輸入信號源內(nèi)阻為零，而輸出負(fù)載阻抗無窮大為前提的。所以，校正網(wǎng)絡(luò)的連接必須特別注意前后的阻抗匹配問題，盡量使輸入信號源內(nèi)阻相對校正網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗來說是很小的，而輸出負(fù)載阻抗相對于校正網(wǎng)絡(luò)的輸出內(nèi)阻來說是很大的。否則，校正網(wǎng)絡(luò)的特性將產(chǎn)生較大變化，達(dá)不到預(yù)期的校正效果。校正裝置連接時的阻抗匹配要求，往往與系統(tǒng)原有環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求是矛盾的，這就需要合理選擇和確定校正網(wǎng)絡(luò)中電阻、電容等元件的具體數(shù)值。必要時，在校正網(wǎng)絡(luò)的輸入或輸出端加入發(fā)射極跟隨器，由于發(fā)射極跟隨器的特點是輸入阻抗很大，而輸出內(nèi)阻很小，所以可利用發(fā)射極跟隨器的“隔離作用”來解決阻抗匹配問題。
(3)伺服系統(tǒng)設(shè)計時，不能不注意解決主控信號與反饋信號的疊加問題 當(dāng)反饋信號與主控信號以電壓量疊加時，二者應(yīng)該串聯(lián)；當(dāng)反饋信號與主控信號以電流量相疊加時，反饋信號輸出端應(yīng)與主控信號輸出端并聯(lián)。需要注意的是，由于一般設(shè)計資料給出的校正網(wǎng)絡(luò)及其傳遞函數(shù)，它的輸出和輸入物理量均是電壓；若要求校正網(wǎng)絡(luò)以電流作為輸出量時，則它的傳遞函數(shù)必須重新推導(dǎo)，不能直接采用原有設(shè)計資料提供的傳遞函數(shù)。
4．要提高系統(tǒng)性能，必須精心選擇和設(shè)計校正裝置，但也要園地制宜，禁忌貪大求全
1)串聯(lián)校正比并聯(lián)校正結(jié)構(gòu)簡單，成本低。串聯(lián)校正無論采用有源還是無源校正網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)都比較簡單且容易實現(xiàn)。并聯(lián)校正一般需要測速機，而且有時還需解調(diào)、濾波、微分等附加電路，因而結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。串聯(lián)校正也比并聯(lián)校正設(shè)計計算和調(diào)整方 便。從校正原理上看，確定串聯(lián)校正的方法比較簡單，計算容易，實驗調(diào)整比較方便；而并聯(lián)校正裝置，無論設(shè)計計算還是實驗調(diào)整，都要復(fù)雜一些。
2)采用串聯(lián)積分校正時，由于積分電容充放電時間較長，因而常常由于某種擾動作用而使系統(tǒng)出現(xiàn)蠕動現(xiàn)象。有時當(dāng)系統(tǒng)由開環(huán)轉(zhuǎn)入閉環(huán)時由于積分電容上可能有初始電壓而放電又較緩慢，加上系統(tǒng)的線性工作范圍較窄，因而系統(tǒng)將在平衡點附近來回振蕩許多次才能穩(wěn)定下來。更為嚴(yán)重的是，有時甚至出現(xiàn)電動機始終朝一個方向不停地轉(zhuǎn)動，從而破壞了系統(tǒng)的正常工作。采用速度微分反饋，它有改善動態(tài)性能的作用，與串聯(lián)積分校正相同，但它沒有上述那些缺點。串聯(lián)微分校正對干擾很敏感，有時會使系統(tǒng)不能可靠地工作。速度反饋雖也相當(dāng)于串聯(lián)微分校正的作用，但它不引進(jìn)附加的干擾。采用串聯(lián)校正時，系統(tǒng)的靈敏度性能不如采用并聯(lián)校正，原因如下：當(dāng)滿足小閉環(huán)的開環(huán)頻率特性幅值大于等于1時，其等效傳遞函數(shù)等于并聯(lián)校正傳遞函數(shù)的倒數(shù)。因此它可以有效地克服系統(tǒng)固有部分持性參數(shù)的不穩(wěn)定和非線性造成的不良影響。所以，采用并聯(lián)校正時，對系統(tǒng)中某些元件的穩(wěn)定性要求可相應(yīng)的降低一些。
3)采用并聯(lián)校正，系統(tǒng)的低速平穩(wěn)比采用串聯(lián)校正時為好。在角度隨動系統(tǒng)中，往往對低速乎穩(wěn)性有比較高的要求，這時宜采用并聯(lián)校正。
4)在設(shè)計穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度都要求很高的伺服系統(tǒng)時，不能只局限于簡單的串并聯(lián)校正。串聯(lián)校正和并聯(lián)校正是伺服系統(tǒng)工程設(shè)計中兩種常用的校正方法，在一定程度上可以使系統(tǒng)滿足給定的性能指標(biāo)要求。但是，如果系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度要求都很高時，則一般的反饋控制校正方法難以滿足要求。目前在工程實踐中，例如在高速、高精度火炮隨動系統(tǒng)中，還廣泛采用一種把前饋和反饋控制有機結(jié)合起來的校正方法，這就是復(fù)合控制。為T減小或消除系統(tǒng)在特定輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，或者采用高型別系統(tǒng)；但是，這兩種方法都將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并會降低系統(tǒng)的動態(tài)性能。此外，通過適當(dāng)選擇系統(tǒng)帶寬的方法，可以抑制高頻擾動，但對低頻擾動卻無能為力；采用比例一積分反饋校正，雖可抑制來自系統(tǒng)輸人端的擾動，但反饋校正裝置的設(shè)計比較困難，且難以滿足系統(tǒng)的高性能要求。如果在系統(tǒng)的反饋回路中加入前饋通路，組成一個前饋控制和反饋控制相結(jié)合的系統(tǒng)，只要參數(shù)選得適當(dāng)，不但可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，極大地減小乃至消除穩(wěn)態(tài)誤差，而且還可以抑制幾乎所有的可測量擾動，其中包括低頻強擾動，即在可測量干擾的不利影響產(chǎn)生之前，通過補償通道對它進(jìn)行補償，來控制和抵消干擾對系統(tǒng)的不利影響，它克服了反饋控制靠誤差調(diào)節(jié)的不足。這樣的系統(tǒng)就是復(fù)合控制系統(tǒng)；相應(yīng)的控制方式稱為復(fù)合控制。從補償原理來看，因為前饋補償實際上是采用開環(huán)控制方式去補償可測量的干擾信號，所以，前饋補償并不改變反饋控制系統(tǒng)的特性。從抑制擾動的角度來看，前饋控制可以減輕反饋控制的負(fù)擔(dān)，所以反饋控制系統(tǒng)的增益可以取得小一些，以有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，采用前饋控制補償擾動信號，是提高伺服系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的有效措施。但是．米用前饋補償，首先要求擾動信號可以測量，其次要求前饋補償裝置在物理上是可實現(xiàn)的，并應(yīng)力求簡單。在實際應(yīng)用中，多采用近似全補償或穩(wěn)態(tài)全補償?shù)姆桨�。一般來說，主要擾動引起的誤差，由前饋控制進(jìn)行全部或部分補償；次要干擾引起的誤差，由反饋控制予以抑制。這樣，在不提高開環(huán)增益的情況下，各種干擾引起的誤差均可得到補償，并可同時兼顧提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的要求。此外，因為前饋控制是一種開環(huán)控制，所以．要求構(gòu)成前饋補償裝置的元部件有較高的參數(shù)穩(wěn)定性，否則將消弱補償效果，并給系統(tǒng)輸出造成新的誤差。
5)設(shè)計伺服系統(tǒng)，并不是校正裝置越復(fù)雜，系統(tǒng)的性能便越好，禁忌貪大求全，盲目設(shè)計，陷入誤區(qū)。串并聯(lián)兩種校正方法各有優(yōu)缺點。在一般情況下，若要求不太高，并且希望結(jié)構(gòu)盡量簡單，則應(yīng)采用串聯(lián)校正。在要求較高的系統(tǒng)，或在某些方面有特殊的要求，例如低速平穩(wěn)性，則采用并聯(lián)校正；或是由于僅用一種方法難以達(dá)到性能指標(biāo)的要求，這時往往需要兩種校正方法的綜合應(yīng)用；有時為了改善小閉環(huán)的穩(wěn)定性，還可在小閉環(huán)加入串聯(lián)校正裝置。但是校正裝置越復(fù)雜，系統(tǒng)的設(shè)計和實驗調(diào)整就越困難，系統(tǒng)的可靠性也會降低。
因此正確的設(shè)計原則是在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡量采用簡單的校正裝置。
誠然，通過精心設(shè)計校正裝置，可以提高系統(tǒng)的性能。但是，并不是校正裝置越復(fù)雜，系統(tǒng)的性能便越高；校正裝置改善系統(tǒng)的作用將受到具體條件的限制，設(shè)計時應(yīng)因地制宜，禁忌貪大求全，盲目設(shè)計，陷入誤區(qū)。
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