运动控制系统工程(512)
运动控制系统(第4版)第1章 绪论
第1章 绪论
• 信号转换和处理包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等，对 于计算机数字控制系统而言，必须将传感器输出的模拟或数 字信号变换为可用于计算机运算的数字量。数据处理的另一 个重要作用是去伪存真，即从带有随机扰动的信号中筛选出 反映被测量的真实信号，去掉随机的扰动信号，以满足控制 系统的需要。 • 常用的数据处理方法是信号滤波，模拟控制系统常采用模拟 器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟 滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。
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n——转子的机械转速（r/min），
60 m n . 2
第1章 绪论
• 运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直 线电动机来说就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2） 可知，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电 磁转矩Te，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩 控制是运动控制的根本问题。 • 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁心，在一定的电 流作用下进可能产生最大的电磁转矩，以加快系统的过渡过 程，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。因为当 磁通（或磁链）很小时，即使电枢电流（或交流电机定子电 流的转矩分量）很大，实际转矩仍然很小。何况由于物理条 件限制，电枢电流（或定子电流）总是有限的。因此，磁链 控制与转矩控制同样重要，不可偏废。通常在基速（额定转 速）以下采用恒磁通（或磁链）控制，而在基速以上采用弱 磁控制。
第1章 绪论
• 1.2 运动控制系统的历史与发展
• 直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在19世纪中叶先后诞 生（1866年德国人西门子制成了自激式的直流发电机；1890年 美国西屋电气公司利用尼古拉· 特斯拉的专利研制出第一台交流 同步电机；1898年第一台异步电动机诞生），在20世纪前半叶， 约占整个电力拖动容量80%的不可调速拖动系统采用交流电动机， 只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。20世纪后半 叶，电力电子技术和微电子技术带动了带动了新一代的交流调速 系统的兴起与发展，逐步打破了直流调速系统一统高性能拖动天 下的格局。进入21世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已 成为不争的事实。 • 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。其换向器与电刷
数控机床简介
床型号 YK2215 制造厂商 上海延海机电有限公司
Siemens Factory Automation Engineering Ltd. (SFAE)
西门子工厂自动化工程有限公司是西门子在中国自动化领域投资的第一家运营公司， 也是专业的西门子自动化与驱动服务中心、西门子低压电柜产品的制造商和西门子 自动化工程解决方案的提供商。
从 1993 年创建至今，SFAE 一直本着以客户为先、零距离服务客户的原则，在全国设立了 21 个办事机构，已为数控机床改造、 港口机械 / 起重机、石油钻机、钢铁冶金、测试台系统、汽车制造、生产执行系统 (MES)、运动控制信息系统 (MCIS)、生产机 械等领域的 4000 多家企业提供了西门子专业的自动化工程解决方案、低压电柜产品和服务。SFAE 于 2006 年及 2007 年连获中 国电气工业 100 强，排名更是从第 93 位跃升至第 74 位。 SFAE 在应用技术、项目管理及技术支持等方面拥有高素质且极具行业项目经验的工程技术队伍，成功的知识管理使得员工拥有 全面的行业知识、业务知识和客户知识；严格的质量管理确保产品和服务满足客户所需；成熟的项目管理有力地保障了每个项目 的高效计划、组织、控制和执行。这三大管理体系始终贯穿于 SFAE 的工作流程，保证公司管理高效、运营顺畅，确保对客户服 务质量的最优化和工程项目的优质高效。 SFAE 不仅致力于向市场提供最新的技术和服务，还秉承西门子作为优秀企业公民的传统，对西门子春蕾小学坚持不断的援助， 以爱心回报社会。 SFAE 全体员工将秉承诚信、务实、创新、共赢的企业精神，遵循优质高效、顾客满意、持续改进、行业领先的质量方针，与广 大的中国客户共同致力于中国自动化技术的发展和应用。
LANDIS、SCHAUDT 和 SAIMP 曲轴磨床等； ● 加工中心的改造：如 MANDELLI、STAMA、MAHO、CINCINNATI 和 SCHARMANN 加工
系统工程理论基础课件
•2024/5/3
•系统工程理论基础
•13
信息论
信息论的产生与发展
于20世纪40年代末产生，其主要创立者是美国的数学 家申农和维纳。
狭义信息论：即申农信息论。主要研究消息的信息量、 信道（传输消息的通道）容量以及消息的编码问题。
一般信息论：主要研究通信问题，但还包括噪声理论、 信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。
•系统工程理论基础
•20
信息熵与物理学中熵在计算公式上仅差一个负号。熵是系 统紊乱程度的表征，而信息是表示系统不定性的减少。
一个系统所获信息量越大，系统就越有序，熵就越小。反 之，所获信息量越小，系统就越无序，熵就越大。
“信息量是一个可以看作几率量的对数之负数，它实质上 就是负熵。”
“熵的获得永远意味着信息的丢失，而不是别的。”
•2024/5/3
•系统工程理论基础
•6
①一切有生命、无生命系统都是信息系统。无论是 机器还是生物，都存在着对信息进行接收、存取 和加工的过程。
②一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系 统一定有它的特定输出功能，必须有相应的一套 控制机制。
控制论的发展经历了三个时期. 从20世纪40年代 末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。 控制论发展的第二个时期为20世纪60年代，即现 代控制理论时期。20世纪70年代以后是第三个时 期，即大系统控制理论时期。
内容。消息是信息的“外壳”，信息是消息的“内核”。 从实用角度看，信息是指能为人们所认识和利用的，但事
先又不知道的消息、情况等。 维纳则认为：信息不是物质也不是能量，在信息与物质、
能量之间划了一条界限；信息是系统的组织性的量度。
•2024/5/3
•系统工程理论基础
运动控制系统课程教学突出工程实际应用性研究
是 涵盖 知识 面广 、工程应 用性强 。结合教 学实践，分析 存在 的问题 ，探讨 运动控 制 系统教 学要 立足 建立卓越 工程 师培养 目标 的教 学模 式，提 出使 学生达到 能真刀真枪解决 实际 问题 的教 学思路 。 关键词：运动控制 系统；教学模式 ；工程师培养；工程应 用性
Ｄ ：０ ９ ９ ．ｓ ． ７ —０ ３２ １．３０３ ＯＩ１． ６／ｉ ｎ１ ４５ ４ ．０ １ ．２ ３ ｊｓ ６ ０
教 学过 程 中 ，过 多注 重 理 论分 析 ，实 际系 统 讲解 的少 ；学 生学 习 了课程 后 还 不 清 楚如 何 进行 实 际系 统 设 计 ，② 任 课 教师 缺 乏工 程 实 践经 验 。很多 教师 是 从学 校 门出又进 学 校 门，没 有 在 实 际中 干过 ，没 有实 际
系 统 设计 、 安装 调 试 经 验 ，理 论 教 学 和 实 际脱 节 ， 导致 学 生 毕 业 后 也 很 难 真 刀 真 枪 地解 决工 作 中 的 问 题 。③ 学 生 学 习缺 乏主 动 性 。如 在 做 实验 时 ，实 验设 备模 块 化插 孔 式 接 线 ，学 生只 注 意 哪个 孔和 哪个 孔 相连 ，不考 虑 为什 么 ；课 程 内容 涉 及很 多前 面课 程 的 知识 ，学 生不 注 意 复 习前 面 学过 的知识 ，不 能把 学
中图分类号 ： ４ ． Ｇ６ ２０ 文 献标志码 ：Ｂ 文章编号： １７ —０ ３２ １ ）３０ ８ —３ ６４５ ４ （０ １ ．０ ８０ ０
运 动 控制 系 统 作 为 自动 化 的一个 重 要 应用 领 域 ，广 泛应 用 于 国 民经 济 生产 的各 行 各 业 自动 控 制设 备
中 。多 数高校 的运 动控 制 系统 课程 主要 研 究 电动 机调 速系 统 ，本课程 内容涉 及 多 门前面 学 习的课程 知识 ， 主 要有 电机 及拖动 基础 、微机 原 理 、单 片机 原 理及应 用 、数据通 信 技术 、检 测 技术 、 电力 电子技术 、 自动 控 制原 理和 计算机 控制 技 术等 。作 为－ ｆ对 所 学知识 综合 运用 的课 程 ， 由于涵 盖 的课程 多 、知识面 广 ，并 － ］
伺服控制系统工程师(高科技板块)岗位职责
伺服控制系统工程师（高科技板块）岗位职责
伺服控制系统工程师（高科技板块）是负责设计和开发伺服控制系统的专业人员。
其职责主要包括：
1. 负责伺服控制系统的设计与开发，包括伺服电机、驱动器、编码器、控制器等的选型、参数调试及程序编写等工作；
2. 开展系统测试、调试、验证和优化，确保系统性能达到设计要求，包括运动控制精度、速度响应、稳定性等指标；
3. 负责独立开展系统故障排查与维修，解决系统运行中出现的问题，确保系统的稳定运行；
4. 参与项目组的技术研究、方案讨论和技术攻关，为产品技术发展提供专业支持；
5. 完成系统设计文档及测试报告的编写，提供系统设计的技术支持和培训。
以上是伺服控制系统工程师（高科技板块）的主要职责。
为了胜任这个职位，需要具备以下技能和能力：
1. 掌握电气控制原理、运动控制、伺服控制器等相关知识；
2. 具备较强的电路设计及调试能力，熟悉电路仿真软件（如Altium Designer, EAGLE等）的使用；
3. 熟练掌握C/C++等编程语言及运用，具备嵌入式系统开发经验；
4. 具备较强的项目管理和沟通能力，能够快速适应项目开发的多变环境；
5. 具备一定的英语阅读、写作和口语能力，能够阅读和理解相关技术文献和国际标准。
综上所述，伺服控制系统工程师（高科技板块）是一项技术性颇高的岗位，需要较高的学习经验和实践经验，同时需要具有比较强的团队协作和沟通能力。
在这个领域成长，需要不断学习新的技术和知识，掌握最新的电气控制和运动控制技术，提高自身技能和竞争力。
《运动控制系统》课程教学大纲
《运动控制系统》课程教学大纲课程名称：运动控制系统课程代码：学分/学时：3学分/51学时开课学期：秋季学期（大四上）适用专业：机械工程及自动化、核科学与工程、航空航天工程等相关专业的本科生与研究生先修课程：高等数学（常微分方程，积分变换），模型、分析与系统控制，电工与电子技术，机械测试技术及其应用后续课程：开课单位：机械与动力工程学院一、课程性质和教学目标运动控制系统包括电机、驱动器、控制器和传感器。
通过这门课程的学习，能够设计和开发所需的运动控制系统，驱动机械机构完成规定的动作。
用于运动控制的电机主要为交流电机，包括感应电机、永磁同步电机、直流无刷电机步进电机。
驱动器将电网固定的电压、频率改变为可控的电压、频率、电流供给电机，控制电机的转矩、速度、位置、加速度。
控制器将特定的工艺要求转变成控制命令，以数字、模拟等信号形式控制驱动器。
传感器将物理量转变成特定要求的电压或电流，供控制器感知系统的状态，修正控制命令。
这门课程的学习应把握基本原理、器件、算法及三者的内在联系。
基本原理包括上述各种电机的基本原理、电机的控制理论。
器件包括常用的传感器、功率器件、微控制器及电子元件。
算法是基本原理和器件的结合，将抽象的理论具体化，零散的器件集成化，程序模块化。
(A4, A5, B1, B2, B4, C3, C4)二、课程教学内容及学时分配（含实践、自学、作业、讨论等的内容及要求）第1章运动控制系统的构成与控制结构（3学时/课堂教学）(A5.1)内容：了解运动控制系统由执行器、驱动器、控制器和传感器等部件组成；掌握各组成部件在系统中的作用；了解现有的执行器种类，如气缸、电机、压电陶瓷等，并了解各类执行器的固有特性、适用的应用范围及常用的应用场合；了解传感器的种类及其原理，如光栅尺、码盘、激光干涉仪、电容传感器等，学习各类传感器的特性及适用范围。
了解适用matlab中的simulink模块搭建运动控制系统的仿真程序。
电气工程及其自动化专业必读书目
完成必读书目隐性学分的要求：从以下49本必读书目中，可任选四门,每门读书笔记不得少于3000字。
1、智能控制刘金琨电子工业出版社2、自动控制原理及应用高等教育出版社3、现代控制工程绪方胜彦（日) 电子工业出版社4、智能控制蔡自兴电子工业出版社5、电机控制贺益勇浙江大学出版社6、电路分析基础（上、下）第四版李瀚林高等教育出版社7、模拟电子技术基础(第四版）童诗白高等教育出版社8、数字电子技术基础（第五版)闫石高等教育出版社9、微机原理及应用徐晨高等教育出版社10、现代检测技术周杏鹏高等教育出版社11、单片机原理及应用张毅刚高等教育出版社12、电气工程概念范瑜高等教育出版社13、运动控制系统李宁等高等教育出版社14、电力系统分析孟祥萍高等教育出版社15、信号与系统郑君里高等教育出版社16、信号与系统第三版管侄中高等教育出版社17、信号与线性系统曾黄麟重庆大学出版社18、信号与线性系统分析第二版吴大正高等教育出版社19、计算机网络第四版特南鲍姆（美) 清华大学出版社20、计算机网络高传善人民邮电出版社21、计算机组成原理将本珊清华大学出版社22、计算机组成原理与汇编语言程序设计第二版徐洁电子工业出版社23、电气控制与可编程控制器技术史国生化学工业出版社24、小型可编程控制器使用技术王兆义机械工业出版社25、单片机与可变成控制器应用技术陈富安电子工业出版社26、数字信号处理斯瑞尼娃山著王凤文译北京邮电大学出版社27、数字信号处理基础及MATLAB实现周辉、董正宏中国林业出版社28、电力系统分析陈怡中国电力出版社29、电力系统分析与设计(英文版第三版）J.邓肯。
格洛弗提高性、拓展性阅读书籍30、自适应控制理论与应用吴振顺哈尔滨工业大学出版社31、神经网络控制徐丽娜哈尔滨工业大学出版社32、神经网络设计戴葵机械工业出版社33、模糊系统与模糊控制王立新清华大学出版社34、遗传算法原理与应用周明国防工业出版社35、模糊控制技术廉小亲中国电力出版社36、智能优化算法及其应用王凌清华大学出版社37、遗传算法及其应用陈国良人民邮电出版社38、线性系统理论第二版郑大钟清华大学出版社39、模式识别第二版边肇祺清华大学出版社40、过程识辨方崇智清华大学出版社41、系统工程概论夏绍慧清华大学出版社42、过程计算机控制方崇智清华大学出版社43、信息理论基础常迥清华大学出版社44、线性控制系统的能控性和能观测性关肇直科学出版社45、系统与控制理论中的线性代数黄琳科学出版社46、矩阵论戴华科学出版社47、最优化理论与算法（第二版）陈宝林清华大学出版社48、IBM—PC汇编语言程序设计沈美明清华大学出版社49、线性多变量系统的分析与设计国防工业出版社。
运动控制系统习题集解(直流部分)
习题二转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2-1 在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节什么参数改变转速调节器的放大倍数Kn行不行改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行改变转速反馈系数α行不行若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数答：①在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：转速给定电压U*n，因为转速反馈系统的转速输出服从给定。
②改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡过程，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。
因此，不能通过改变转速调节器的放大倍数Kn，来改变转速③改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡过程，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。
因此，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速④改变转速反馈系数α，能改变转速。
转速反馈系数α的影响不在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。
因此，可以通过改变转速反馈系数α来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。
⑤若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反馈系数α等，因为它们都在电流环之外。
2-2 在转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少为什么答：在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，转速调节器退饱和，PI的作用使得转速调节器的输入偏差电压为0，转速调节器的输出电压由于维持在U*im（n*）。
在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，电流调节器不饱和，PI的作用使得电流调节器的输入偏差电压为0，形成一个电流随动子系统，力图使I d尽快跟随其给定U*i. 电流调节器的输出电压U C又后面的环节决定。
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电火花发出强电磁干扰信号， 影响给定或反馈信号的电源。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
2、正常运行时转速不稳 如果是旧的调速器，可能的原因是： ①电动机碳刷接触不良。 ②速度给定电位器磨损。 3、对于旧的调速器，如果负载 不变，但电枢电流增加。 ①电动机电枢绕组有匝间短路 现象。（CM变小） ②励磁磁场达不到额定值。 （φ变小）
本节主要介绍了处理这类故障 的几种常见方法和技巧；本节所指的直流调速器故障不包括由于操作、 设置错误而引起的故障。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
直流调速器维修的关键问题是 能找出故障发生的原因，当通用直 流调速器发生故障时，如果所发生 的故障在通用直流调速器的使用手 册上无法查到处理方法或指出的原 因与事实不符时，如何排除这类故 障呢？
②保护好出故障的“现场”（在没有找出故障发生的原因之前，不 要 清扫直流调速器内部）。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
1、调速器有故障显示，但实际上并没有发生此故障
一般情况下此类故障原因可能是：故障检测元件出问题或故障信息处 理系统出问题；直流调速器故障自诊断系统所指示的“故障”元件的周围
其二，操作面板失效。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
5、调速器通电后无任何显示
调速器通电后无任何显示。此类 故障一般是调速器控制电路的开关电 源不工作，影响开关电源工作状态的 可能原因是：开关电源的起振条件损 失；在开关电源内起开关作用的大功 率开关管损坏 。
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第512讲
本讲主要内容： 第5.3节 直流调速器常见故障的处理
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第512讲
本讲主要内容： 5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
直流调速器维修的关键问题是 能找出故障发生的原因，当通用直 流调速器发生故障时，如果所发生 的故障在通用直流调速器的使用手 册上无法查到处理方法或指出的原 因与事实不符时，如何排除这类故 障呢？
2、正常运行时转速不稳
如果是新的调速器，可能的原因是： ①速度调速器参数优化不理想。 ②平波电抗器的参数选择不合适。 ③速度给定或转速反馈受干扰。 常见干扰是：接地不良、动力线和控制线混合走一个线槽。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
2、正常运行时转速不稳 如果是旧的调速器，可能的原因是： ①电动机碳刷接触不良。
器 件、导线和焊盘受损或接触不良或受电磁干扰。
例如某直流调速器接通电源后显示电源缺相，并进入保护状态，使用
复位键无效。经实测检查，没有发现有电源缺相问题。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例 电感量较小时电枢电流周期 2、正常运行时转速不稳性的波动过大导致系统的输出转 速周期性的波动过大。
本节主要介绍了处理这类故障 的几种常见方法和技巧；本节所指的直流调速器故障不包括由于操作、 设置错误而引起的故障。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
在维修有故障的直流调速器之 前，应具有如下两个条件：
①要对调速器工作原理和结构要 有深入的了解，做到有针对性地替 换和修复被损坏的部件。特别是对 于大电流、高电压的设备，修复过 程的必要保护是必不可少的先决条 件。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
6、调速器使用若干年后，电动机出现带负载能力下降，电枢电流 和励磁电流同时出现异常波动的现象
此类故障的一般原 因是：调速器的励磁电 源工作不正常。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
6、调速器使用若干年后，电动机出现带负载能力下降，电枢电流 和励磁电流同时出现异常波动的现象
如果是新的调速器，可能的原因是： ①速度调速器参数优化不理想。 ②平波电抗器的参数选择不合适。 ③速度给定或转速反馈受干扰。 常见干扰是：接地不良、动力线和控制线混合走一个线槽。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
2、正常运行时转速不稳
如果是新的调速器，可能的原因是： ①速度调速器参数优化不理想。 ②平波电抗器的参数选择不合适。 ③速度给定或转速反馈受干扰。 常见干扰是：接地不良、动力线和控制线混合走一个线槽。
此类故障的一般原 因是：调速器的励磁电 源工作不正常。
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课间休息
2020/障的维修方法及实例
4、调速器通电后无故障显示，但不能工作
通用调速器通电后无故障显示，无论使 用面板操作方式，还是端子操作方式，调速 器至少在一种操作方式下不能工作。发生此 类故障原因一般有如下两种可能性：
其一，端子控制信号没有或者没有送入 给定输入端；
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例
2、正常运行时转速不稳
如果是新的调速器，可能的原因是： ①速度调速器参数优化不理想。 ②平波电抗器的参数选择不合适。 ③速度给定或转速反馈受干扰。 常见干扰是：接地不良、动力线和控制线混合走一个线槽。
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5.1.5 直流调速器常见故障的维修方法及实例