电机控制系统 - 波德图和稳定性

设定点反馈控制器什么是控制系统?控制系统将其系统的未来状态改变为更理想的结果。我们经常使用反馈控制系统(也称为闭环控制),其中命令的结果被反馈到控制系统中。特别是我们正在寻找命令和所需响应之间的错误。如果输出状态没有反馈到控制系统,则称为开环系统
我最近在机器人专家论坛上提出了一个关于调整电机和理解波特图的问题。许多电机控制软件包都带有调谐工具,可以执行诸如生成波特图之类的操作。这篇文章主要是我对该问题的回复。
电机控制系统的波特图
仅通过观察电机运动就很难看到系统的频率。系统的频率是您转换时域信号(即,您随时间查看电机运动),并使用傅里叶变换将其转换为频域。将信号转换为频域后,我们可以使用Bode图。波特图帮助我们可视化(传递函数)控制系统响应以验证其稳定性。
随机注意:
假设您知道传递函数,在开环系统中,您可以使用根查找(即找到使等式等于0的值)来检查稳定性(通过确保所有根都是负实数值) 。对于基于反馈的闭环系统,我们可以修改上述内容并用计算机求解(因为数学很难),或者使用波德图来帮助更好地理解控制系统。(我还应该指出你可以使用Routh-Hurwitz来避免复杂的数学运算,这需要另一篇文章...)
通常,Bode图显示输入控制信号的相位和增益(幅度),直到达到频域的输出(命令)。

Bode Plot的部分内容

增益是输入信号和结果命令之间的值的变化。如果你的系统没有增益而且没有损失,那么你将有一条直线水平线,增益为0dB。您通常会在幅度图的右侧看到增益下降(减少)。
频率范围越大,直到它开始下降,表明系统在更多条件下将保持稳定。主曲线中的随机凸起和曲线通常是不稳定的迹象。如果增益增加到无穷大(即大值),这通常是不稳定的迹象,您需要重新考虑控制器设置!如果您有增益峰值,请参阅下面的过滤部分。
快速提醒:从原始时域信号幅度获得dB增益:
分贝= 20 \ LOG_ {10} {B \压裂{signalOutput} {signalOriginal}}
带宽是从曲线顶部开始的区域,直到幅度降低-3dB。所以在上图中你可以看到曲线下降到100Hz左右。所以你的系统带宽大约是100Hz。该工具实际上在图像右下角的框中显示了118.9Hz的精确带宽值。控制过去的118.9Hz会缓慢或反应迟钝。
阶段描述输入信号和输出命令之间的时移。360°的阶段用于单个循环。因此,如果您有一个1KHz(即1000Hz)的命令信号,图表中的每个360度将代表1/1000秒(转换频率到时间)或1毫秒。您可以在相图中看到,一旦超出带宽,所需的输入信号将需要更长的时间才能传输到输出信号。

过滤特定频率

通常应用各种滤波器(低通,陷波等)以消除特定频率的谐振。例如,如果您旋转电机并且您看到特定频率的东西开始剧烈摇晃,您可以添加一个滤波器,以便在该频率下增益降低。通常,您应该在没有滤波器的情况下调整电机,并且只在需要时添加滤波器。

验证控制参数

通过在应用步进命令时查看输出波形(在时域中),可以验证所选增益是否良好; 这有时称为示波器模式。如果在运动开始时有很多初始振铃(不断变化)或过冲,那么你的增益可能会很高。如果初始命令慢慢达到所需输出,则可能需要增加增益。
电机调谐图图显示常见的调整问题,然后是良好的响应曲线。蓝线是命令,红线是实际的电机输出。
在上面的图像中,从左侧开始,我们可以看到:
1。输出运动过冲,当信号稳定到命令时会发出一点信号振铃。稍微超调通常很好,但我们确实尽量减少过冲,同时仍然有一个响应系统。
2.输出响应慢。我们可能希望更快的响应,因此系统将不那么迟缓。当您使系统变得迟钝时,通常会增加过冲和不稳定的可能性。
3.非常不稳定。从一堆振荡开始,接着是命令输出的大量尖峰。我们想避免这个!
最后这个最右边的情节看起来不错。电机输出直接位于指令运动的顶部,具有非常轻微的过冲(如果你看得很近)。

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