转台计算机伺服控制系统

基于频谱响应的伺服转台控制系统设计及改进频谱响应是伺服转台控制系统中的重要指标之一，它反映了系统的频率响应特性。

基于频谱响应的控制系统设计和改进可以提高系统的稳定性和性能。

本文将从控制系统设计的角度出发，讨论基于频谱响应的伺服转台控制系统的设计及改进。

我们需要确定系统的频谱响应要求。

在伺服转台控制系统中，频谱响应通常要求具有较高的增益和相位裕度，以确保系统的稳定性和性能。

增益和相位裕度越大，系统的稳定性越好。

对于一般的伺服转台控制系统，通常需要保证在所需频率范围内，系统的增益不小于某个给定的值，相位裕度不小于某个给定的值。

我们需要选择合适的控制器结构。

常见的控制器结构包括比例控制器、积分控制器、微分控制器和PID控制器等。

根据系统的频谱响应要求，我们可以选择合适的控制器结构。

一般来说，PID控制器是一种常用且有效的控制器结构，它可以根据系统的频谱响应要求来调整控制器的各个参数，以实现系统的稳定性和性能。

然后，我们需要对控制器参数进行优化。

常见的控制器参数优化方法包括试验法、经验法和理论法等。

试验法是一种常见而直接的优化方法，它可以通过实验来调整控制器的参数。

经验法是基于经验的优化方法，它通过对类似系统的调试经验来确定合适的控制器参数。

理论法是通过理论分析来确定控制器的参数，它可以根据系统的频谱响应要求来确定控制器的最佳参数。

我们需要对控制系统进行仿真和实验验证。

仿真和实验验证是评估控制系统设计效果的重要手段。

通过对控制系统进行仿真和实验验证，可以验证系统的频谱响应是否符合要求，以及控制器参数优化是否有效。

如果控制系统设计效果不理想，我们可以进一步改进控制器参数，以达到系统的频谱响应要求。

基于频谱响应的伺服转台控制系统设计及改进是一个复杂而关键的技术问题。

通过合理选择控制器结构、优化控制器参数和进行仿真和实验验证，可以实现系统的稳定性和性能的提升。

伺服控制系统的4种控制方式导语：伺服控制系统的3种控制方式，速度控制和转矩控制，位置控制。

伺服控制系统的3种控制方式，速度控制和转矩控制，位置控制基础知识一、伺服系统组成（自上而下）控制器：plc，变频器，运动控制卡等其他控制设备，也称为上位机；伺服驱动器：沟通上位机和伺服电机，作用类似于变频器作用于普通交流马达。

伺服电机：执行设备，接受来自驱动器的控制信号；机械设备：将伺服电机的圆周运动（或直线电机的直线运动）转换成所需要的运动形式；各类传感器和继电器：检测工业控制环境下的各种信号送给上位机或驱动器做为某些动作的判断标准。

二、伺服控制方式三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。

速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。

▶如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。

▶如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用速度或位置模式比较好。

▶如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。

▶如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。

如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。

如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么做。

一般说驱动器控制的好坏，有个比较直观的比较方式，叫响应带宽。

当转矩控制或速度控制时，通过脉冲发生器给它一个方波信号，使电机不断的正转、反转，不断的调高频率，示波器上显示的是个扫频信号，当包络线的顶点到达最高值的70.7%时，表示已经失步，此时频率的高低，就能说明控制的好坏了，一般电流环能做到1000HZ 以上，而速度环只能做到几十赫兹。

计算机控制伺服电机的原理
计算机控制伺服电机的原理可以分为以下步骤：
1. 位置调节器将位置给定信号与位置反馈信号之差值进行动态校正，然后送至速率调节器和电流调节器。

2. 经过外环、中环、内环三个闭环调节器的校正，由模拟功率接口驱动伺服电动机，实现位置伺服控制。

3. 计算机控制器完成位置信号的设置，根据传感器接口给出的绝对零位脉冲和正、反位置反馈脉冲计算位置偏差。

4. 再由纯软件方法或软件硬件结合的方法实现位置、速率和电流反馈控制，产生PWM脉宽调制信号。

5. 最后由PWM功率开关接口对电动机进行最终的功率驱动。

综上，计算机通过设置和控制伺服电机的各种参数，实现对伺服电机的精确控制，达到所需要的位置精度和速度响应。

如需了解更多详情，建议咨询专业人士。

第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。

在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。

机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。

目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

1.1伺服系统的基本概念1.1.1伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。

伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。

它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。

1.1.3伺服系统性能的基本要求1）精度高。

伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。

2）稳定性好。

稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。

3）快速响应。

响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。

4）调速范围宽。

调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。

5）低速大转矩。

在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

HST的工作原理HST（Hydraulic Servo Turret）是一种用于工业机械设备的液压伺服转台。

它具有高精度、高承载能力和高响应速度的特点，广泛应用于机床、机器人、自动化生产线等领域。

HST的工作原理主要包括液压系统、伺服系统和控制系统三个部份。

1. 液压系统：液压系统是HST的动力来源，它由液压泵、液压缸、液压阀等组成。

液压泵通过驱动机电提供高压液体，经过液压阀控制流量和方向，送入液压缸中。

液压缸的工作介质通常是液压油，其压力和流量可以根据需要进行调节。

2. 伺服系统：伺服系统是HST的核心部份，它通过传感器、伺服阀和伺服机电实现位置和力的控制。

传感器可以实时监测转台的位置和负载情况，将信号传递给伺服阀。

伺服阀根据传感器信号控制液压油的流量和方向，将其送入液压缸，从而实现对转台位置和负载的精确控制。

伺服机电作为执行机构，根据伺服阀的指令，将液压能转化为机械能，驱动转台进行运动。

3. 控制系统：控制系统是HST的大脑，它通过编程控制转台的运动轨迹和工作参数。

控制系统通常由PLC（可编程逻辑控制器）或者CNC（计算机数控）系统组成，它可以接收操作员的指令或者预设程序，并将其转化为伺服系统的控制信号。

控制系统还可以实现对转台的自动化控制，根据工件的要求自动调整转台的位置和负载。

HST的工作原理可以简单概括为：液压系统提供动力，伺服系统实现位置和力的控制，控制系统对转台进行编程控制。

通过这种方式，HST可以实现高精度、高承载能力和高响应速度的工作效果，满足不同工业机械设备的需求。

值得注意的是，HST在工作过程中需要定期保养和维护，以确保其正常运行和延长使用寿命。

液压油的清洁度、液压泵的密封性能、传感器的准确性等都需要定期检查和维护。

此外，操作员也需要接受相关培训，熟悉HST的工作原理和操作规程，以确保安全和高效的工作环境。

总之，HST作为一种液压伺服转台，通过液压系统、伺服系统和控制系统的协同工作，实现了高精度、高承载能力和高响应速度的工作效果。

伺服转台技术说明一、单轴转台1、功能简介单轴转台是一种单轴平台式多功能测试设备。

具有位置、速率、摇摆等功能，能满足惯性系统及惯性元器件的功能测试和实验。

该转台采用工业控制计算机进行操作控制，具有高精度的定位能力、速率平稳、操作失真度小及良好的动态特性。

2、技术指标承载能力：15Kg ；台面尺寸：Φ 320mm ；倾角回转误差：± 10" ；端面跳动：0.015mm ；转角范围：连续无限；工作方式：位置、速率、摇摆；台体重量：约55Kg ；滑环：用户滑道；计算机系统：工控微机、Windows 界面，串口RS-422 ；安全措施：具有超速紧急断电保护；使用环境温度：20 ° C ± 15 ° C ；角位置测量精度：± 10" ；角位置测量分辨率：0. 6" ；角位置测量重复性：±5" ；角位置控制精度：± 5" ；角速度范围：0.001 °～400 ° /s；角速度精度及平稳度：2 × 10 -3(1 °平均) ；最大角加速度：400 ° /s 2 ；摇摆幅度：± 90 °；摇摆周期：5sec ～50sec；控制系统频率：10Hz 。

3、图片二、二轴转台1、功能转台二轴转台是一种二轴自动框架多功能仿真测试设备。

具有位置、速率、摇摆等功能，能满足惯性系统及惯性元器件的功能测试和实验。

该转台采用工业控制计算机进行运动控制，具有高精度的定位能力、速率平稳、波形失真度小等良好的动态特性。

2、技术指标转轴定义：俯仰(内轴)、方位(外轴)运动范围：俯仰-10~110︒、方位0~±120︒位置测量误差：±10″重复度：±20″测量分辨率：7.2″位置控制精度：0.1mrad最小速度：0.01︒/s最大速度：俯仰±110︒/s、方位180︒/s最大加速度：200︒/s2速率精度：1%负载重量：50kg（最大）负载尺寸：Φ520mm倾角回转误差：±10″垂直度：±30″相交度：0.5mm负载安装面跳动：0.005mm；通讯接口：RS4223、图片三、三轴转台1、功能简介三轴转台是一种三轴自动框架式多功能仿真测试设备。

数控转台结构原理
数控转台（NC Machine Tool）是一种自动化机床，通过电子计算机和相关控制系统控制其工作，实现复杂的切削加工操作。

数控转台是由工作台、主轴头、刀库和刀具、伺服电机和控制系统等组成，其中伺服电机和控制系统是整个控制系统的关键部分。

工作台是数控转台的主要部分，它通常采用液压、气动、电机等方式驱动，使其上下左右运动，完成工件的装夹、定位和加工。

主轴头是数控转台的机床核心，旋转主轴可实现工件的加工操作，例如钻孔、铰孔、攻丝、切槽等。

刀具库是数控转台重要的附件，用于存放各种规格的刀具，工作时可以根据需要选择不同的刀具，以适应不同的加工要求。

伺服电机是数控转台的重要部分之一，它负责驱动工作台和主轴头的运动，根据计算机程序指令来控制伺服电机的运动相位和频率，从而精确控制加工过程中的移动速度和位置。

控制系统可以通过计算机控制、伺服系统、编码器和测量传感器等方式，实现工作台和主轴头的精确移动和定位，以便保证加工过程的精确性和质量。

总之，数控转台主要由工作台、主轴头，刀具库，伺服电机和控制系统等部分组成，在工厂生产线的加工中，数控转台具有良好的加工精度、生产效率和可靠性，受到广泛应用。

伺服控制系统特点及应用
伺服控制系统是一种用于控制特定输出位置、速度或加速度的系统。

这类系统通常包括一个伺服电机、传感器和控制器。

以下是伺服控制系统的一些特点和应用：
伺服控制系统的特点：
1. 高精度：伺服系统能够提供非常高的精度，因为它可以实时调整输出以匹配预期的位置或运动。

2. 高性能：伺服控制系统具有快速的响应速度，能够在短时间内实现准确的位置或速度控制。

3. 闭环控制：伺服系统通常采用闭环控制，其中包括反馈机制，通过传感器测量实际输出，并将这些信息反馈给控制器进行调整。

4. 高动态响应：伺服系统能够快速响应变化的输入或负载，适用于需要快速动作的应用。

5. 可编程性：伺服系统通常具有灵活的编程能力，可以适应不同的运动轨迹和控制要求。

6. 稳定性：通过闭环反馈，伺服系统可以提供稳定的运动和输出，即使在面对外部扰动时也能够迅速纠正。

伺服控制系统的应用：
1. 机床和数控机械：伺服系统用于控制机床、切割机、3D打印机等，以实现高精度和高速度的运动。

2. 工业机器人：工业机器人通常采用伺服控制系统，以实现精确的位置和运动控制。

3. 自动化生产线：伺服控制系统广泛应用于生产线上的各种运动控制，例如搬运、装配等。

4. 航空航天：伺服系统用于飞行器和导弹等的姿态控制和精确导航。

5. 医疗设备：在医疗领域，伺服系统用于控制医疗设备的精确位置，如手术机器人和扫描设备。

6. 纺织和印刷机械：伺服系统用于控制纺织机械和印刷机械，以实现高速度和高精度的运动。

总体而言，伺服控制系统在需要高精度、高性能、稳定性和可编程性的应用中发挥着关键作用。

转台计算机伺服控制系统设计飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统，是地面半实物仿真的关键设备，用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿态，包括偏航、滚转和俯仰，实际上是一种电信号到机械运动的转换设备。

把高精度传感器如陀螺仪、导引头等安装于转台之上，将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的三轴机械转动，以使陀螺仪、导引头等敏感飞机的姿态角运动。

“高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。

其中，“高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强；“超低速”反映系统的低速平稳性好；“宽调速”可提供很宽的调速范围；“高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。

1 转台系统介绍图1是国产某型号三轴转台，除外框为音叉式结构外，内、中框均为闭合式结构，三框可连续旋转，驱动均采用电动机。

被测陀螺安装于内框上，其输入输出电信号通过导电环从外框底座引出。

三框的物理定义是：内框代表滚转、中框代表俯仰、外框代表偏航，三框同时动作便可以模拟陀螺仪在三维空间的真实动作和姿态。

图1 三轴模拟转台及其示意图系统的驱动部分为：外框采用一个直流力矩电动机；中框采用两个电气并联同轴连接的直流力矩电动机；内框采用一个直流力矩电动机。

这些电动机由各自的脉冲调宽放大器（PWM）提供可控直流电源。

三框各有一个测速发电机和一个感应同步器，用以实时检测框架的旋转角速度和角位置。

不同用途的测试转台的对性能指标的要求也不同。

一般转台的主要技术指标包含：静态精度（达到千分之几度）、角速度范围（从千分之几度/秒到几百度/秒）、频率响应要求较宽，并具有一定的负载能力要求，且三个框架都具有最大速率的限制。

2 三轴测试转台的总体控制结构转台三个框架的控制是相互独立的，因此转台的控制系统可以采用如图2所示的原理方案。

该系统为上下位机结构的计算机控制系统。

以一台工控机作上位机，实现对伺服系统的监控、检测和管理。

上位机提供操作者的人机界面，实现对整个转台系统的在线检测、安全保护、性能检测和系统的运动管理以及数据处理。

伺服电机控制系统简介伺服电机控制系统是一种能够精确控制转速、位置和加速度等参数的电机控制系统。

它广泛应用于机器人、数控机床、自动化生产线等高精度设备中。

伺服电机控制系统采用了闭环反馈控制原理，通过传感器测量运动参数并与设定值进行比较，控制电机输出的电流、电压和转动角度等。

组成部分伺服电机控制系统主要由以下几个部分组成：电机部分伺服电机是控制系统的核心部分，它能够将电能转换成机械能，实现运动控制。

伺服电机通常采用直流无刷电机或交流电机，输出转矩和角速度等参数。

为了实现更高的精度，通常还配备了编码器，可以精确测量电机角度和转速。

控制器控制器是伺服电机控制系统的大脑，它通过处理运动参数、误差反馈等信息，控制电机输出的电流和电压等参数。

控制器通常采用数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）等芯片，拥有高效的计算能力和精确的定时能力。

传感器传感器是控制系统的感知器，能够测量运动参数、温度等未知参数，并将其转换为电信号反馈给控制器。

传感器包括位置传感器、加速度传感器、温度传感器等，在控制系统中起到非常重要的作用。

软件伺服电机控制系统需要运行软件来实现各项功能，包括速度控制、位置控制、加速度控制、误差检测等功能。

软件通常由厂家提供，也可以由用户自行开发，运行在控制器上。

工作原理伺服电机控制系统采用闭环反馈控制原理，具体工作流程如下：1.传感器测量电机转速、位置等参数，并将数据反馈到控制器。

2.控制器计算当前误差值，并根据预设的控制算法输出电机的电流、电压和转角度等参数。

3.电机根据控制器输出的参数进行转动，同时传感器测量电机实际转速、位置等参数，并将数据反馈给控制器。

4.控制器根据电机反馈的数据重新调整输出参数，并不断迭代，直到误差值达到设定范围。

应用场景伺服电机控制系统广泛应用于各种高精度设备中，例如：1.机器人：机器人需要精确控制关节运动参数，使用伺服电机可以实现高精度控制，提高机器人运动效率和精度。

ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2004年第44卷第8期2004,V o l .44,N o .813 37105421056高精密伺服转台控制系统的设计黄令龙,　郭阳宽,　蒋培军,　李　晟,　李庆祥,　陈张玮(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)收稿日期:2003210227作者简介:黄令龙(19782),男(汉),四川,硕士研究生。

通讯联系人:李庆祥,教授,博士生导师,E 2m ail :liqx @p i m .tsinghua .edu .cn摘　要:该文设计并研制了高精密伺服转台的控制系统。

该控制系统采用圆光栅作为转台位移检测工具,采用了数字位置环和模拟电流环共同组成双闭环随动系统,其中位置控制器是带有速度前馈和加速度前馈的数字P I D 伺服滤波器。

实验结果表明,该转台运行1.148h 过程中位置伺服精度在±1″范围内,控制系统速度阶跃响应时间小于50m s ;运动稳定,速度变化范围小于±10%,满足高精密伺服转台位置伺服的精度要求。

关键词:导航系统;高精密伺服转台;前馈控制;圆光栅中图分类号:V 249.32文献标识码:A文章编号:100020054(2004)0821054203Con trol system for h igh -prec isionturn tableH UANG L ing long ,GUO Ya ngkua n ,J I A NG Pe ijun ,L I S he ng ,L IQ ingxia ng ,CHEN Zha ngw e i(D epart men t of Prec ision I n stru men ts and M echanology ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Chi na )Abstract :H igh 2p recisi on servo turn tables are w idely used in inertial navigati on system s,w here their p recisi on m ainly depends on the contro l system.T h is paper describes a contro l system developed fo r a set of h igh 2p recisi on servo turn tables .T he system has a double clo sed 2loop contro l system w ith a digital po siti oning loop and an analog current loop.A circular grating is used fo r accuratepo siti oning .T he digital singnal p rocesso r (D SP )based po siti oncontro ller com bines a P I D servo w ith velocity feedfo r w ard and accelerati on feedfo r w ard contro l to i m p rove perfo rm ance .T estresults show ed that the po siti oning p recisi on w as w ithin ±1″during stable operati on of 1.148h .T he step response interval is less than 50m s and mo ti on fluctuati ons are less than ±10%,so the system p rovides accurate po siti oning servo contro l .Key words :navigati on system;h igh 2p recisi on servo turn table;feedfo r w ard contro l;circular grating惯性导航系统在现代化技术中,尤其是在国防技术中,占有非常重要的地位。

测试转台伺服分系统方案1．概述：本伺服分系统根据转台系统技术要求，主要完成控制和驱动转台方位连续可调的运动，并能定位在任意方位角。

2．主要技术指标：转台运动范围：0～360°转台定位精度：≤0.2°转台运动速度：0～5°/sec转台运动加速度：0～5°/sec23．系统的主要功能系统的工作方式有待机、手动、连续转动、遥控、外控。

可完成转台的连续转动和定位，手动方式是用机箱面板上的手轮控制转台转动，外控方式是在室外用一个控制盒控制转台转动，遥控方式是其它计算机通过串口控制转台转动。

4．伺服分系统组成伺服分系统由控制单元（ACU）、驱动单元（ADU）、轴角编码单元及安装在转台上的执行元件、测量元件和控保元件组成，如下图1所示。

图1 伺服分系统组成框图伺服分系统可作成一个4U的全密闭机箱。

机箱面板上有操作开关、方位角度显示等。

控制单元ACU是转台控制中心。

它完成转台运动的各种控制，各种控制策略的实时实施。

轴角编码器单元将自整角同步机测到的转台转轴的角度转化为数字量，用于转台的位置显示和位置控制。

驱动单元（ADU）由功率放大、环路控制等组成，主要完成对转台转轴的执行电机进行驱动。

转台转轴的执行电机采用交流伺服电机，因其无电刷磨损问题，可靠性高，寿命长，免维护。

4．1 控制单元控制单元是以单片机为基础，集控制、监视、计算、通讯于一体，对转台实现安全可靠的操控的控制器，它与终端的通讯采用串口通讯。

根据不同的工作方式，ACU产生相应的控制信号，通过驱动单元驱动转台运动，从而使转台转向指定角度。

ACU是操作人员进行操作的中心，具有丰富而简洁的显示和友好的操控界面。

ACU的主要工作方式为：待机，手动，连续转动，遥控，外控等。

4．2 轴角编码器轴角的测量元件采用自整角同步机，这种角度敏感元件较之光电码盘有更高的可靠性和高低温适应能力。

轴角编码器的核心芯片采用大规模集成专用芯片RDC。

什么是伺服控制系统
伺服控制系统是一种智能化电子控制系统，用于实现自动化机械、
设备等的精密控制。

该系统的主要功能是能够将机械、电子和控制技
术等多种技术手段结合起来，以实现对于电机或者其他设备的精准控制，从而达到更高效、更稳定的运转状态。

伺服控制系统的工作原理是利用传感器实时监测设备的运动状态，
并通过微处理器、控制器等计算机硬件设备，在此基础上对于设备的
运动状态进行实时控制，实现设备运动不受外界干扰，运动更加稳定、快速响应、运动路径更加精准。

伺服控制系统可以应用在多种领域，包括但不限于加工机床、自动
化装备、机器人、无人驾驶等。

在工业生产中，伺服控制系统可以提
高生产效率，改善产品质量，降低设备运行成本。

此外，随着技术的不断发展，伺服控制系统的功能从最初的位置控制、速度控制、扭矩控制逐渐向更高级的控制模式上发展，如自适应
控制、智能控制、模糊控制等，此类高级模式能够更好地满足现代工
业对于高精度、高速度、高效率生产的需求。

总结来看，伺服控制系统作为一种高精度、高效率、高可靠性的自
动化控制技术，已经成为了现代工业生产的核心竞争力之一，其应用
前景广阔，未来还将继续在工业生产和汽车工业、电子航空等领域中
得到广泛的应用。

航天返回与遥感第44卷第4期48SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING2023年8月天基空间目标监视中转台伺服控制系统的设计谢妮慧于飞李晓张晗鄢南兴李寅龙（北京空间机电研究所，北京100094）摘要为了实现高精度目标跟踪，研制了一套以数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）为双核心处理器的二维跟踪转台伺服控制系统。

控制算法采用位置环和速度环的双闭环比例积分（Proportional-Integral，PI）控制，通过串联校正改善了开环系统的相角裕度和幅值裕度，提高了闭环系统的带宽，最终实现了二维转台高精度、低速平稳的控制。

机构和控制器联合调试结果表明：对方位轴和俯仰轴分别做最大速度和最大加速度的正弦引导时，方位轴最大跟踪误差为0.006°，误差均方根值为3.25″；俯仰轴最大跟踪误差为0.005°，误差均方根值为3.24″。

测试结果证明该控制系统能够实现二维转台的低速平稳运行，满足大型转台伺服控制系统的性能要求。

关键词天基空间目标监视二维跟踪转台伺服控制矢量控制运动轨迹规划中图分类号: TP311.3文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2023)04-0048-10 DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2023.04.006Space-Based Target Monitoring System Utilizing TurntableServo ControlXIE Nihui YU Fei LI Xiao ZHANG Han YAN Nanxing LI Yinlong（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）Abstract In order to achieve target tracking with high precision, this paper develops a servo control system for the two-dimensional tracking turntable which takes DSP (Digital Signal Processor) and FPGA (Field Programmable Gate Array) as dual core processors. The control algorithm adopts the double closed-loop PI (Proportional-Integral) control algorithm including position and velocity loops. The phase angle and amplitude margins of the system are improved by the cascade compensation. Finally, the two-dimensional tracking turntable is realized with high precision, low speed and stable control. The joint debugging results of the mechanism and electronics show that when the turntable is guided sinusoidally with the maximum speed and the maximum acceleration respectively, the maximum guidance error of the azimuth axis is 0.006° with the root mean square value of 3.25", and the maximum guidance error of the pitch axis is 0.005° with the root mean square value of 3.24". The test results show that the control system can realize low speed and smooth operation for the two- dimensional tracking turntable and meet the performance requirements of large turntable servo control systems.Keywords space-based target monitoring system; two-dimensional tracking turntable; servo control system; motor vector control; motion trajectory planning收稿日期：2022-08-13引用格式：谢妮慧, 于飞, 李晓, 等. 天基空间目标监视中转台伺服控制系统的设计[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(4): 48-57.XIE Nihui, YU Fei, LI Xiao, et al. Space-Based Target Monitoring System Utilizing Turntable Servo Control[J].第4期谢妮慧等: 天基空间目标监视中转台伺服控制系统的设计 490 引言空间目标监视系统的主要任务是对卫星、空间碎片等重要空间目标进行精确探测与跟踪，确定可能对航天系统构成威胁的空间目标的尺寸、形状和轨道参数等重要特性，并对目标特性数据进行归类和分发。

伺服控制系统的优化设计和实现伺服控制系统是机械电子控制领域中非常重要的一种系统，它主要用于精密控制，如机械手臂、飞控系统、机车和机器人等方面的应用。

伺服控制系统的作用是实现对某种流量、力量、角度或位移等精密控制的实现。

本文将围绕着伺服控制系统的优化设计和实现，探讨其基本原理、优化方法及实现方案。

一、伺服控制系统的基本原理伺服控制系统是一种反馈控制系统，其基本结构如下图所示：其中，信号源发出期望信号S目，信号经过比较后，误差信号E输出给控制器，控制器对误差进行相应处理，然后将处理后的信号发送到执行机构，执行机构将机械运动转换为电信号，反馈给比较器，形成闭环控制。

伺服控制系统的关键在于：通过控制器对误差信号进行处理，使执行机构能够更快、更准确地进行控制。

伺服控制系统中最常见的控制器是PID控制器，即比例、积分、微分控制器。

二、伺服控制系统的优化方法伺服控制系统在应用中存在诸多问题，例如：机械结构的精确度、电器元件的性能、控制复杂度等。

因此，在实际应用中，需要对伺服控制系统进行优化。

（一）优化PID参数PID控制器是伺服控制系统中最常用的控制器，也是最容易进行优化的部分。

对于PID控制器的优化，有以下几个方面：1.比例系数Kp：增加Kp可增加系统的响应速度，但若Kp太大，可能会导致系统出现震荡和不稳定的情况。

2.积分时间Ti：增加Ti可使系统更快地消除偏差，但同样存在过度振荡的风险。

3.微分时间Td：增加Td可减少过度振荡，但可能会导致系统变得慢反应。

针对PID控制器的优化，可以根据实际情况，采取多种方法进行调整，建立数学模型并进行优化计算。

（二）优化机械结构伺服控制系统中的机械结构非常重要，其精度与机械运动的响应速度和准确度直接相关。

因此，在实际应用中，需要对机械结构进行优化，例如：1.改进传动系统，使用更精密的减速器和传感器；2.加强机械结构的稳定性，增加支撑和润滑；3.优化机械屏幕的设计，减少机械振动和误差；通过对机械结构的优化，可以提高伺服控制系统的精度和稳定性，从而更加准确地实现控制目标。

转台计算机伺服控制系统设计飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统, 是地面半实物仿真的关键设备, 用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿态, 包括偏航、滚转和俯仰, 实际上是一种电信号到机械运动的转换设备。

把高精度传感器如陀螺仪、导引头等安装于转台之上, 将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的三轴机械转动, 以使陀螺仪、导引头等敏感飞机的姿态角运动。

”高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。

其中, ”高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强; ”超低速”反映系统的低速平稳性好; ”宽调速”可提供很宽的调速范围; ”高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。

1 转台系统介绍图1是国产某型号三轴转台, 除外框为音叉式结构外, 内、中框均为闭合式结构, 三框可连续旋转, 驱动均采用电动机。

被测陀螺安装于内框上, 其输入输出电信号经过导电环从外框底座引出。

三框的物理定义是: 内框代表滚转、中框代表俯仰、外框代表偏航, 三框同时动作便能够模拟陀螺仪在三维空间的真实动作和姿态。

图1 三轴模拟转台及其示意图系统的驱动部分为: 外框采用一个直流力矩电动机; 中框采用两个电气并联同轴连接的直流力矩电动机; 内框采用一个直流力矩电动机。

这些电动机由各自的脉冲调宽放大器( PWM) 提供可控直流电源。

三框各有一个测速发电机和一个感应同步器, 用以实时检测框架的旋转角速度和角位置。

不同用途的测试转台的对性能指标的要求也不同。

一般转台的主要技术指标包含: 静态精度( 达到千分之几度) 、角速度范围( 从千分之几度/秒到几百度/秒) 、频率响应要求较宽, 并具有一定的负载能力要求, 且三个框架都具有最大速率的限制。

2 三轴测试转台的总体控制结构转台三个框架的控制是相互独立的, 因此转台的控制系统能够采用如图2所示的原理方案。

该系统为上下位机结构的计算机控制系统。

以一台工控机作上位机, 实现对伺服系统的监控、检测和管理。

伺服控制系统原理
伺服控制系统原理是一种通过反馈控制的方式，对运动对象进行精确控制的方法。

该系统由三个主要组成部分构成：传感器、执行器和控制器。

传感器负责感知运动对象的位置、速度和加速度等相关参数。

常见的传感器包括光电传感器、编码器和加速度计等。

传感器将实时采集到的数据反馈给控制器。

执行器是伺服控制系统中的执行部件，它通过产生控制信号，将控制器计算出的运动指令转化为实际的运动，从而实现对运动对象位置、速度和加速度的控制。

执行器的种类多种多样，包括伺服电机、气动执行元件和液压缸等。

控制器是伺服控制系统中最为关键的部分，它负责根据传感器反馈的数据以及预设的控制算法，计算出适当的控制信号，并将其送往执行器。

控制器的设计通常基于PID（比例、积分、
微分）控制算法或者其他更高级的控制算法。

PID控制器根据
当前偏差（设定值与实际值之间的差异）、积分项（过去误差累积）和微分项（预测误差变化趋势）来生成输出信号。

伺服控制系统的原理是运用负反馈控制的思想，通过不断地对系统进行测量和调整，使得系统能够准确追踪预设的运动轨迹。

当实际运动与预设值产生偏差时，传感器会感知到这种差异，并将其传递给控制器。

控制器根据传感器反馈的数据计算出适当的控制信号，使执行器作出相应调整，进而对运动对象进行精确控制。

综上所述，伺服控制系统运用传感器、执行器和控制器三个组成部分，通过不断的测量、计算和调整，实现对运动对象的精确控制。

这种基于负反馈控制原理的方法广泛应用于机器人、自动化设备、航空航天等领域。

伺服控制系统的应用领域伺服控制系统是一种自动化控制系统，用于控制和调节电机和运动系统的位置、速度和加速度。

这种控制系统在许多工业和商业应用中很常见，以下就伺服控制系统的应用领域做些讨论。

一、制造业在制造业中，伺服控制系统被广泛应用于机器人、自动化生产线、3D打印机等各种自动化和精密控制设备中。

它们可以监测和调整设备的位置，确保零件加工的精度和质量。

另外，一些需要高速旋转的设备，如钻机、车床和磨床，也需要伺服控制系统来控制电机的速度和精度，让设备能够顺畅地工作且准确地处理工作。

二、电子制造在电子制造业中，伺服控制系统也扮演着非常关键的角色。

例如，在半导体制造和显示器制造中，需要将微小的零件和组件安装在精确的位置上。

伺服控制系统能够精确地控制电机，确保组件的位置精度和组装速度，从而保证产品最终的质量。

三、航空和航天在航空和航天领域中，伺服控制系统也扮演着重要的角色。

例如，它们在飞机、无人机或导弹中用于控制飞行方向和作动器。

此外，伺服控制系统还用于航天载具的控制和航天望远镜在空间中的朝向的控制。

四、生物医疗在生物医疗领域，伺服控制系统被广泛应用于各种设备中，比如医疗机器人、放射治疗设备等。

这些设备需要高精度的运动控制，以确保治疗的准确性和安全性。

五、机器人技术随着机器人技术的快速发展，伺服控制系统的应用也变得越来越广泛。

例如，在制造、医疗、教育和军事等各个领域中都需要机器人帮助人类完成特定任务。

伺服控制系统也可以被应用于机器人中，以帮助机器人完成更准确的运动和更高效的生产及工作。

这些应用包括底盘运动控制、重量支持、手臂运动等等。

总之，伺服控制系统在许多领域都扮演着重要的角色，这些领域包括制造业、电子制造、航空和航天、生物医疗和机器人技术。

随着技术的大力发展与创新，我们相信伺服控制系统所应用的领域将会越来越广泛且更加普及。

第19卷　第3期1998年7月宇　航　学　报JOURNAL OF ASTRONAUT I CS V o l .19N o.3Jul .1998本文于1995年12月1日收到转台伺服系统变模态控制器最优切换状态设置李秋明　冯汝鹏　于　镭　刘升才(哈尔滨工业大学惯导中心・哈尔滨・150001) 摘　要　本文对转台伺服系统变模态控制的切换问题进行了探讨,分析了切换后控制器状态设置问题。

给出了最优切换状态设置方法。

最后,介绍了转台伺服系统数字控制器状态设计的实际算法及结果。

主题词　转台　伺服系统　变模态控制　切换状态OPT I M AL S W ITCH STATE SETT ING OFVARY -MOD EL CONTROLL ER IN THETURNTAB L E ’S SERVO S Y STE ML i Q ium ing Feng R upeng Yu L ei L iu Shengcai(Inertial N avigati on T est Equi pm ent R esearch Center ,H arbin Institute of T echno logy ・H arbin ・150001) Abstract T h is paper had tho rough ly discussed the p roblem of s w itch in the vary 2modelcontro l ,and analyzed the s w itch state setting of the contro ller .Further mo re ,the op ti m al s w itchstate setting m ethod is offered .In conclusi on ,the p ractical state setting w ay and result ofturntable’s digital contro ller is introduced .Key words T urntable Servo system V ary 2model contro l Sw itch state1　引　言随着惯导器件水平的不断发展,对惯导测试转台的要求越来越高。