陈志佳文献综述0926.doc

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1、军械工程学院研究生文献综述题 目 姓 名 陈志佳 学位层次 硕 士 学 科 通信与信息系统 研究方向 导师（签字） 年 月 日阅读文献共 67 篇，其中中文文献 49 篇，外文文献 18 篇，期刊论文 18 篇，学位论文 29 篇，会议论文 13 篇，专著 6 部。近五年的期刊论文 11 篇，学位论文 23 篇，会议论文 10 篇，专著 5 部。查阅文献的范围和查阅方式、手段：1.查阅范围：期刊文章；论文集；学位论文；专著；会议2.查阅方式：借助图书馆进行网上查阅；借助Internet进行搜索；查阅纸质书刊、杂志阅读文献目录：1 孙建.高精度综合标定转台电控系统研究D.长春理工大学硕士学位论文

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8、ompensation for High Performance PMSM Servo SystemC. IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference.2004:3256-325928 朱震莲,蒋忠瑋,尉贤礼.永磁同步伺服电动机的分析Z.中国航空科技文献,199129 Pragasan Pillay, R.Krishman. Modeling of Permanent Magnet Motor DrivesJ. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS. 1988,35(4):5

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20、Tian, Yanping Gao. Fuzzy Self-adapting PID Control of PMSM Servo SystemC. 2007 IEEE International Electric Machines AND Amp Drives Conference. 2007:860-863新型转台伺服系统设计文献综述1引言转台作为一种高精密设备，广泛应用于运动仿真、火炮、雷达、数控机床、航空拍摄等领域12。在军事领域中，高射炮、导弹发射架的瞄准控制，坦克、军舰的炮塔运动控制，雷达天线的自动瞄准跟踪控制等都是基于对转台的运动控制。例如，在防空系统中，由火控雷达自动跟踪空中目标

21、，同时将目标的距离、方位角、高低角等数据不断地发送给火控计算机，由火控计算机计算出目标的飞行速度、航向、方位，由此得到射击所需的提前量并控制火炮转台伺服系统，带动炮身指向预定的方向对空射击3。调炮的平稳性和反应时间是火炮性能的重要因素4。所以说转台伺服系统性能的优劣直接关系到武器系统精度和性能，在国防建设中具有重要的意义5。伺服系统（Servo-System）也称为随动系统，属于自动控制系统的一种6。它用来控制被控对象的转角或位移，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律789。通常情况下，伺服系统是一种带有负反馈的闭环控制系统，在一些场合中也可以用开环控制系统来实现，或者二者结合共

22、同实现某种功能。它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于本世纪初，到本世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是电力电子技术、计算机技术、现代控制理论、高性能的微处理器、电气与机械信号的检测技术的迅猛发展和飞速进步，伺服技术更是如虎添翼的突飞猛进1011。伺服系统广泛应用于机械制造、冶金工业、交通运输行业、军事等领域中，并发挥着不可替代的重要作用12。伺服系统的种类很多，不同种类的伺服系统的具体组成也是不同的，但基本单元均包含执行电机、驱动模块和检测模块等三部分13，可概括的用图1来表示。图1 伺服系统基本组成检测装置用来检测输入信号和系统

23、的输出有放大装置和执行部件，为使各部件之间有效的匹配并使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿装置14。这仅指信息在系统中传递所必经的各个部分，此外以上各部分都离不开相应的电源设备、保护装置和其他设备15。2 伺服系统的历史和现状伺服系统技术的发展一方面是由于生产需求尤其是军事需求的激励，另一方面与控制理论及控制器件的发展紧密相连。1934年，伺服机构（Servomechanism）这个词被第一次提出。1944年，美国麻省理工学院辐射实验室研制成功世界上第一个伺服系统，这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统16。伺服控制系统至今已有六十多年的发展历史，回顾起发展历程，共经历了三个主要发展

24、阶段8171819：第一阶段（20世纪60年代之前），此阶段伺服系统是由步进电动机驱动的液压伺服系统或者由功率步进电机直接驱动，是液压系统的全盛时期。主要原因是在第二次世界大战期间，由于军事上的需要，武器系统和飞机的控制系统以及加工复杂零件的机床控制系统均提出了大功率、高精度、快响应的系统要求9。到了50年代末、60年代初，有关电液伺服计算的基本理论日趋完善，电液伺服系统被广泛应用于火炮、军舰、航空、航天等军事部门及高精度机床控制。伴随机电伺服系统元气件性能的突破，尤其是1957年可控的大功率半导体器件晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性都表现出明显的优势。液压伺服

25、系统的出现及发展有其自身的优点：体积小、重量轻、可靠性好、输出功率高、定位准确。其缺点是成本较高、加工难度大、抗污染能力差、可维护性不好。第二阶段（20世纪60至70年代），这一阶段直流伺服电动机诞生并快速发展，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。但是直流伺服系统由于受功率开关器件、永磁材料、直流伺服电机和驱动控制技术发展水平的制约，其发展受到了一定程度的限制。第三阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，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

26、波驱动）20、交流伺服电动机（正弦波驱动）等新型电动机。80年代以后，电力电子学、微电子技术、现代电机控制理论和计算机技术的迅速发展引发伺服系统向数字化、高度集成化、智能化和高性能伺服系统方向发展，电-气伺服系统也得到了一定的发展21。控制方式迅速向微机控制方向发展，高速微处理器的出现，为在伺服系统中应用现代控制理论22，实现复杂的控制算法和故障诊断，提高工作的可靠性与柔性提供了强有力的技术手段，并使伺服技术由硬件伺服进入了软件伺服的新时代，在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展，而现代控制理论的日新月异的发展也使智能化的软件伺服也成为伺服控制的一个发展方向。

27、2.2发展趋势现代伺服系统已经有了长足的发展，但是现在的机械工业领域、军事领域、航空航天领域的发展也对伺服系统进一步提出了越来越高的要求。总的来说，整个伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面52324：（1）模拟式伺服系统向全数字伺服系统发展25。采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器（DSP）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化伺服系统，将使原来的硬件伺服控制变成软件伺服控制，并使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法成为可能。具体来说，数字伺服系统具有以下优势:能明显地降低控制器硬件成本；可靠性高、稳定性好；采用微处理器的数字

28、控制使信息的双向传输能力大大增强，容易和上位机通信，可随时改变控制参数；可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计拼装，构成适用于各种应用对象的控制算法以满足不同的用途软件模块，方便地更改或者当实际系统变化时彻底更新；提高了信息的存贮监控诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更易于实现智能化；随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。（2）直流伺服系统向交流伺服系统发展26。从理论上来说，随着电力电子学、微电子技术、现代电机控制理论和计算机技术的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件，使得交流传动逐渐具备了宽调速范围、高

29、稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能，并实现了交流调速装置的产品系列化，由于其良好的技术性能，取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。而在现实中，从目前的国际国内情况来看，几乎所有的新产品都是交流伺服系统。因此，有理由预见，除了某些微型电动机领域外，交流伺服系统将取代大部分直流伺服电动机。（3）采用新型电力电子半导体器件。目前伺服控制系统的输出器件越来越多的采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）等。这些先进器件的应用显著的降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行时的噪声。（4）模块化和集成化。新型伺服系统摒弃将

30、伺服系统划分为速度伺服单元和位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一、高度集成化、多功能的控制单元。只需通过软件设置即可改变其性能，方便的对系统进行调节优化。（5）智能化。智能化是当前一切设备工具的发展趋势，伺服驱动系统也不例外。最新数字化伺服控制单元通常都为智能型的，其智能化特点表现在以下几个方面：首先，都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便；其次，它们都具有故障自诊断与分析功能，可将故障的类型以及引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就降低了维修与调试

31、的复杂性；另外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。（6）网络化。以局域网技术为基础的自动化工程技术在近些年来显示出良好的发展势头并得到飞速发展。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如RS-232、RS-422或RS-485接口等）和专用的局域网（LAN）接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元和其它控制设备间的互联能力，从而与计算机控制系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆

32、或光缆，就可以将数台伺服单元与上位计算机连接成为整个数字控制系统。2.3伺服系统各单元的特点与选择应用前已述及，现代伺服系统实现方式已经逐渐由模拟伺服控制系统转向数字伺服控制系统，影响其精度和相应速度的主要因素为伺服电机、传感器、控制器的性能和控制策略的选择。2.3.1 伺服电动机的比较选择伺服电机诞生以来，在长期的发展中出现了多种形式的电机，但均可包含在以下三种电机之中：步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。（1）步进电动机24。它是独立于直流电机和交流电机的一类电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。电机的转速

33、、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载的影响，即给电动机一个脉冲信号，电动机则转过一定步距角。这一线性关系再加上步进电机只有周期性误差而无积累误差的特点，使得在速度、位置控制等领域用步进电机控制变得简单。但是步进电机存在着自身难以克服的缺点，如低速爬行、有共振区、噪声大、高速扭矩小、起步频率低和驱动器可靠性差等。这些缺点严重制约着步进电机在现代伺服系统中的发展。（2）直流伺服电动机2024。这种电机具有响应速度快、低速平稳性好、调速范围宽等特点，常常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内得到广泛的应用，特别是在火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人

34、控制等场合。尽管目前交流伺服电动机的发展相当迅速，但在某些领域还难以取代直流伺服电动机。但其也存在严重的非线性、转矩小、效率低等缺点。（3）交流伺服电动机27。由于稀土永磁同步电机体积小、重量轻、效率高，在军事、机器人、数控机床等场合已得到广泛的应用28。目前稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统能提供最高水平的动态响应和扭矩密度，所以伺服系统的发展趋势是用交流伺服驱动代替传统的步进和直流伺服驱动系统29。交流伺服驱动可以使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更高的可靠性和更长的寿命。因此现在交流伺服系统越来越广泛的应用在高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路

35、制造、雷达和各种军用武器随动系统等场合，并发挥着不可替代的作用1030。 2.3.2 控制算法 （1）PID（比例-积分-微分）控制9313233。PID控制算法作为一种经典的控制算法，是基于对“过去”、“现在”、“将来”信息估计的简单但却有效的控制算法，是早发展起来的控制策略之一。具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点34353637。现在仍广泛用于如冶金、机械加工和军事领域中。现在控制算法虽然多种多样，但均或多或少保留了经典PID控制的框架383940。然而，在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，PID控制作用不是很好。因此对伺服系统的控制策略进行改进，将会改善

36、伺服系统的性能指标，提高伺服系统的定位精度，具有广泛的应用价值41。（2）基于神经网络的PID控制。人工神经网络（Artificial Neural Network，简称ANN）是由大量简单的处理单元组成的非线性、自适应、自组织系统，它是在现代神经科学研究成果的基础上，试图通过模拟人类神经系统对信息进行加工、记忆和处理的方式，设计出的一种具有人脑风格的信息处理系统42。ANN具有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种处理能力，同时其还具有如下功能：能够充分逼近任意复杂的非线性关系，从而形成非线性动力学系统以表示某些被控对象的模型或控制器模型；能够学习和适应不确定性系统的动态特性；所有定量或定性的

37、信息都分布存储于网络内的各神经单元，从而具有很强的容错性和鲁棒性；采用信息的分布式并行处理可以进行快速大量的计算10。在PID控制时，实际调试中的参数在不断变化，因此可以通过神经网络的自学习、加权系数调整以使神经网络输出对应于某种最优规律控制下的P、I、D参数43。（3）模糊PID控制44454647。模糊控制理论属于智能控制的一个重要分支，是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，其数学基础是模糊集合理论4849。与传统控制方式相比，模糊控制利用人类专家控制经验，对于非线性、复杂对象的控制显示了鲁棒性好、控制性能高的优点到今天模糊理论经历了四十多年的发展，

38、已成为国内国际研究的热点50。模糊控制系统根据受控对象实际的输出，参考现场操作人员的工作经验，就可以实现对系统的实时控制，而不需要建立系统精确的数学模型51。模糊控制的主要特点有:第一，模糊控制是一种模仿人类思维、基于模糊规则的控制方法，依据现场操作人员的经验或专家知识，采用语言型控制规则，不依赖于系统精确的数学模型，控制机理易于理解，设计简单，便于应用，特别适合于复杂系统(或过程)与模糊性控制对象；第二，模糊控制系统的核心是模糊控制器。而模糊控制器是以处理器或计算机为主体，因此它具有计算机控制系统的特点，如具有数字化控制的精确性与软件实现的柔软性等；第三，模糊控制系统的鲁棒性强，外部干扰和系

39、统参数的变化对控制效果的影响被大大减弱，使它非常适合于诸如交流伺服系统这样具有非线性、参数时变性等系统的控制52。（4）专家控制系统53。专家控制系统结合了专家的经验，根据被控对象的特点和要求设计出能够获得理想控制性能指标的算法，并具有一定的智能，解决了单一PID控制无法满足性能指标的要求，如更快的响应时间和无超调现象5。其特点在于其系统结构是基于知识的结构，无需精确地系统模型，并且具有处理不确定性问题的能力：可以进行预测，诊断错误并给出补救方案，保证系统控制性能。通过引入专家系统技术，控制系统更具灵活性、可靠性和处理不确定信息的能力54。（5）H控制555657。1981年，Zames在其论

40、文中引入H范数作为目标函数对系统进行优化设计，标志着H控制理论的诞生。H最优控制就是利用H范数作为目标函数的度量，来进行系统优化设计。在H控制理论中，是指在S右半平面上解析的有理函数阵的最大奇异值；在标量函数情况下，是指幅频特性的极大值。因此，如果使系统扰动至误差的传递函数的H范数最小，则该扰动对系统误差的影响可降低到最低限度。这就是H最优控制的基本思想。现在，H控制理论的研究已拓展到时变系统、非线性系统、分布参数系统（无限维）、广义系统，并取得了不少成果。2.3.3主控制器（1）单片机由微型计算机发展而来，从1974年美国Fairchild公司研制出世界上第一片单片机F8以来，各种类型的单片

41、机层出不穷，单片机发展速度也非常快。其低廉的价格、优越的控制性能和齐全的品种取得了广大的用户的好感，在工业测量、控制领域也得到了广泛的应用585960。（2）嵌入式处理器是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用结合后的产物43。随着人们对工作与生活中所应用的设备的灵活性、智能化要求越来越高，曾经创造过辉煌并给人们的工作与生活带来极大方便的8位单片机已经越来越不能满足人们的设计需求61。高端的16位、32位嵌入式微控制器逐渐走进人们的生活，在军事领域、工业控制、航空航天、网络通信等领域获得了广泛应用62。（3）数字信号处理器简称DSP6364656667，随着DSP的性价

42、比提高以及各个DSP厂商推出针对运动控制的DSP芯片，非常适用于复杂运动控制系统和高性能运动控制系统5。DSP既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如图像处理、工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪表及电机伺服控制系统等12。3总结当前国内外对于伺服系统的研究已经越来越广泛并深入，在执行电机的选型上，由于永磁材料的快速发展，永磁同步电机越来越受人们重视；而DSP和嵌入式处理器的优越性能也受到了人们的关注；在控制策略上也将经典的PID控制与智能控制结合起来，取得了更好的效果。笔者认为现在的发展越来越迅速的交流永磁同步电机能较好的满足现代伺服系统的要求，此外，嵌入式系统的高性能、高速处理速度也为新型伺服系统的设计提供了一定支持。采用智能控制加经典PID控制的控制策略能很好的满足系统的稳态性能和动态性能。在上述器件和理论的支撑下，能够设计出一个精度较高、响应速度快、运行平稳的转台。