运动控制系统
运动控制系统概述
性能测试与评价：研究控制系统或控制元件在不同负载工况下的静动态 特性试验测试方法，以及性能评价与故障诊断等。
1.2、运动控制系统基本组成原理
系统静动态性能测试、 故障诊断和性能评价
控制器与控 制方法
驱动器
电力驱动元件、 驱动技术
扰动 执行机构
电动、液压、气动
负载
反馈元件
二、运动控制系统分类及特点
2.2 运动控制系统特点
运动控制系统运动规律复杂、速度响应快（大约在几～ 几十毫秒内）、负载变化大等。 对于电机驱动的运动控制系统特点：传输方便、速度高。 低速性能差、滞回和非线性较大。 对于液动伺服系统的特点：功率密度大、负载能力强、响 应快、低速平稳。泄漏、传输不方便。 对于气动伺服系统的特点：便于实现直线运动、比液压系 统传输方便。负载能力差、精度低、响应慢。
三、运动控制系统的应用与发展
3.1 应用 运动控制系统应用非常广泛：武器装备、机器人、工业
加工机床、冶金轧钢、交通工具、民用等各个领域。 3.2 发展 特种执行器（压电、人工肌肉、热敏、超音速电机、DDR 直驱电机、直线电机） 高功率密度执行机构（新材料，新结构、体积小、重量轻、 功率大） 非线性、滞回、死区控制方法 强耦合、过驱动复杂运动控制 超大功率驱动控制
传感器采集与 信号处理
二、运动控制系统分类及特点
2.1 运动控制系统分类 （1）按照执行机构的类型分：
电动、液动和气动
（2）按照被控物理量分： 位置（角位置）、速度（角速度）、力（力矩、压力）
（3）按照运动规律分：
点位控制系统、轨迹控制控制系统、随动控制系统
（4）按照控制器类型分：
模拟控制系统、数字控制系统
《运动控制系统》课件
闭环控制系统包含反馈回路，通过负反馈来自动调节系统的输出量，使其达到预定的目标值。
闭环控制系统的优点是精度高，抗干扰能力强，能够自动修正误差，适用于对精度要求较高的复杂系统。
闭环控制系统的缺点是结构复杂，设计难度较大，需要具备一定的稳定性分析和调整能力。
03
反馈控制原理的实现需要具备一定的传感器和控制器技术，以及对系统的数学建模和仿真分析能力。
01
反馈控制原理是通过比较系统的输入与输出信号，将输出信号的差值用于控制执行机构，以实现系统的自动调节。
02
反馈控制原理广泛应用于各种运动控制系统，能够提高系统的稳定性和精度。
04
运动控制系统的应用
运动控制系统能够精确控制机器人的动作和位置，实现自动化生产线的连续作业，提高生产效率和产品质量。
控制器的种类繁多，根据应用需求可以选择不同的控制器，如单片机、PLC、运动控制卡等。
执行器是运动控制系统的输出部分，负责将驱动器的电压或电流信号转换为机械运动。
执行器的种类也很多，常见的有步进电机、伺服电机、直线电机等。
执行器的选择要根据实际应用需求来决定，如需要高精度定位、快速响应等。
传感器的种类也很多，常见的有光电编码器、旋转变压器、霍尔元件等。
自动化决策
智能化运动控制系统将具备自适应学习能力，能够根据不同环境和工况自动调整控制策略，以适应各种复杂和动态的运动需求。
自适应控制
远程监控与控制
通过网络技术，实现对运动控制系统的远程监控和控制，方便对设备进行远程调试、故障诊断和远程维护。
数据共享与协同工作
通过网络化实现多设备之间的数据共享和协同工作，提高生产效率和设备利用率。
运动控制系统
知识创造未来
运动控制系统
运动控制系统是指利用电子设备和软件来实现运动控制的一种系统。
它可以用于控制机械设备、机器人、汽车等进行运动控制。
运动控制系统通常包括以下几个部分：
1. 传感器：用于检测实际运动的位置、速度、加速度等参数，并将
其转换为电信号。
2. 控制器：负责接收传感器的信号，并根据预设的控制算法，计算
出相应的控制命令。
3. 执行器：根据控制命令，进行相应的机械运动，如电机、气缸等。
4. 软件系统：包括控制算法、运动规划、通信协议等，用于实现运
动控制的逻辑和功能。
运动控制系统的主要功能包括位置控制、速度控制和力控制等。
通
过调整控制器的参数和算法，可以达到不同的控制效果。
运动控制系统广泛应用于各个领域，如工业自动化、机器人、航空
航天、医疗器械等。
它可以提高设备的精度、稳定性和生产效率，
实现自动化生产和操作。
1。
运动控制系统的组成
运动控制系统的组成运动控制系统是指通过控制电机、伺服电机、步进电机等执行器，实现机械运动的系统。
它由多个组成部分构成，下面将逐一介绍。
1. 控制器控制器是运动控制系统的核心部分，它负责接收来自传感器的反馈信号，计算出控制信号，再将信号发送给执行器。
控制器的种类有很多，常见的有PLC、单片机、DSP等。
2. 传感器传感器是用来感知机械运动状态的装置，它可以将机械运动转化为电信号，再通过控制器进行处理。
常见的传感器有编码器、光电开关、压力传感器等。
3. 电机电机是运动控制系统中最常用的执行器，它可以将电能转化为机械能，实现机械运动。
常见的电机有直流电机、交流电机、步进电机、伺服电机等。
4. 驱动器驱动器是用来控制电机运动的装置，它可以将控制信号转化为电能，再通过电机实现机械运动。
常见的驱动器有直流电机驱动器、交流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等。
5. 机械结构机械结构是运动控制系统中最基础的部分，它由各种机械零件组成，用来实现机械运动。
常见的机械结构有滑动轨道、旋转轴、传动装置等。
6. 人机界面人机界面是用来与运动控制系统进行交互的装置，它可以显示机械运动状态、控制参数等信息，同时也可以接收操作者的指令。
常见的人机界面有触摸屏、键盘、鼠标等。
7. 通信接口通信接口是用来与其他设备进行数据交换的装置，它可以将控制信号、反馈信号等信息传输给其他设备，同时也可以接收其他设备的指令。
常见的通信接口有串口、以太网口、CAN总线等。
运动控制系统由控制器、传感器、电机、驱动器、机械结构、人机界面和通信接口等多个组成部分构成。
每个部分都有其独特的功能和作用，只有将它们合理地组合起来，才能实现高效、稳定的机械运动。
运 动 控 制 系 统
基于稳态模型的交流调速系统动态性能无法与直
流调速系统相比；基于动态模型的交流调速系统 （矢量控制系统，直接转矩控制系统）动态性能 良好，取代直流调速系统。 同步电动机交流调速系统 同步电动机的转速与电源频率严格保持同步， 机械特性硬。 电力电子变频技术的发展，成功地解决了阻碍同 步电动机调速的失步和启动两大问题。
负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负 载的具体情况加以分析。 1、 恒转矩负载 负载转矩的大小恒定，称作 恒转矩负载 TL 常数 a）位能性恒转矩负载 b) 反抗性恒转矩负载
图1-3 恒转矩负载
2、 恒功率负载
负载转矩与转速成反比， 而功率为常数，称作恒功 率负载
TL
m
PL
信号检测
电压、电流、转速和位置等信号 信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理 信号滤波
二、运动控制系统的历史与发展
电力电子技术和微电子技术的兴起与发展，使交流
调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实。 直流调速系统 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。 换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电 流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。 交流调速系统 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单。 但动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质， 比直流电动机复杂得多。
1、电动机—— 运动控制系统的控制对象
从类型上分
直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机） 和交流同步电动机。 从用途上分 用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的伺服 电动机。 2、 功率放大与变换装置 半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展 分立的器件向具有复合功能的功率模块发展
电力拖动实现了电能和机械能之间 的能量转换。 运动控制系统的任务 是：通过控制电机的电压、 电流、频率等输入量来改 变工作机械的转矩、速度、 位移等机械量，使各种工 作机械按人们期望的要求 运行，以满 足生产工艺及 其他应用要求。
运动控制系统
1运动控制系统组成：电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器任务：通过控制电动机电压、电流、频率等输入量来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
20 抑制电流脉动的措施：增加整流电路相数或采用多重化技术，设置电感量足够大的平波电抗器。
2转速控制的要求：（1）调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速（2）稳速：在一定的精度所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量（2）加减速：频繁启动、制动的设备要求加速减速尽量快以提高生产率，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求启动制动尽量平稳。
3 直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两个部分：静态主要性能指标有调速范围D、静差率s、ΔnN。
动态性能指标分成跟随性能指标和抗扰性能指标。
给定控制信号作用下的动态性能指标有上升时间tr、超调量σ和峰值时间tp和调节时间ts。
扰动信号作用下的动态性能指标有动态降落ΔCmax和恢复时间tv。
3稳态性能指标：调速范围、静差率。
调速范围是最高转速nmax与最低转速nmin之比，静差率是指当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Δn N与理想空载n0之比。
D=n N s /Δn N(1-s) Δn N =RId/Ce4反馈控制系统的作用：抵抗扰动，服从给定。
5比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够调高调速范围，为此需设置电压放大器和转速检测装置。
（1）闭环系统静特性比开环系统机械特性要硬的多（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
6开环系统的转速降落Δn op=RId/Ce。
闭环系统的转速降落Δn cl=RId/Ce(1+K)。
调速范围开环D op=n N s/Δn op(1-s)，D cl=n N s/Δn cl (1-s)。
《运动控制系统》课程教学大纲
《运动控制系统》课程教学大纲一、教学内容本节课的教学内容来自于《运动控制系统》课程的第五章，主要讲述运动控制系统的组成、原理及其应用。
具体内容包括：1. 运动控制系统的组成：包括控制器、执行器和传感器等基本组成部分，以及它们之间的相互作用。
2. 运动控制系统的原理：包括控制算法、反馈控制和开环控制等基本原理。
3. 运动控制系统的应用：包括在工业、数控机床和电动汽车等领域的应用实例。
二、教学目标1. 使学生了解运动控制系统的组成、原理及其应用，掌握基本概念和知识点。
2. 培养学生运用运动控制系统的基本原理解决实际问题的能力。
3. 提高学生对运动控制技术在现代工业和科技领域的重要性的认识。
三、教学难点与重点1. 教学难点：运动控制系统的原理和应用。
2. 教学重点：运动控制系统的组成及其在工作中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：多媒体教学设备、投影仪、白板等。
2. 学具：教材、笔记本、彩色笔等。
五、教学过程1. 实践情景引入：以工业为例，介绍运动控制系统在实际工作中的应用。
2. 知识点讲解：讲解运动控制系统的组成、原理及其应用。
3. 例题讲解：分析运动控制系统在实际工作中的应用案例，引导学生理解并掌握运动控制系统的原理。
4. 随堂练习：让学生结合所学内容，分析并解决实际问题。
5. 课堂讨论：引导学生探讨运动控制系统在现代工业和科技领域的重要性。
6. 板书设计：对本节课的主要知识点进行板书，方便学生复习和巩固。
7. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、作业设计1. 题目：分析下列运动控制系统的应用案例，并说明其工作原理。
（1）数控机床；（2）电动汽车；（3）工业。
2. 答案：（1）数控机床：数控机床是一种采用数字控制技术进行运动的机床。
通过控制器预设机床的运动轨迹，执行器按照控制器的指令进行运动，实现对工件的加工。
（2）电动汽车：电动汽车采用电动机作为动力来源，通过控制器调节电动机的转速和扭矩，实现车辆的运动控制。
运动控制系统
Shanghai university
电力拖动自动控制系统
第
1
篇
直流拖动控制系统
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直流调速方法
根据直流电动机转速方程
U IR n K eΦ
式中 n — U— I — R— — Ke— （1-1）
转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。
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1.1.1 旋转变流机组（G-M系统）
Ward-Leonard系统
图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图
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• G-M系统特性
正向制动
n
正向电动
n1 n2
n0
-TL
O TL Te
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绪论
一。什么是运动控制系统？
运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力 拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive） 运动控制系统－－通过对电动机电压、电流、频率等 输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位 移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行， 以满足生产工艺及其他应用的需要。工业生产和科学 技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求， 同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。
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6．控制理论－－系统分析和设计的依据
控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系统分 析和设计的依据。控制系统实际问题的解决常常能推 动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性 控制、自适应控制、智能控制等，又为研究和设计各 种新型的运动控制系统提供了理论依据。
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第一章1. 电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科2. 信号检测：电压、电流、转速和位置等信号信号转换：电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理：信号滤波3. 转矩控制是运动控制的根本问题要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。
4. 磁链控制同样重要为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。
5. 恒转矩负载：位能性、反抗性第二章1.2. 三种调节电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压； 主要 （2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。
3. 直流调速系统用的可控直流电源：a. 晶闸管整流器-电动机系统 V-Mb. 直流PWM 变换器-电动机系统晶闸管整流器-电动机系统 V-M4. 在理想情况下，U d 和U c 之间呈线性关系：（2-1）式中， U d ——平均整流电压， U c ——控制电压， K s ——晶闸管整流器放大系数。
5. 抑制电流脉动的措施：（1）增加整流电路相数，或采用多重化技术； （2） 设置电感量足够大的平波电抗器。
6. 当电流波形连续时，V-M 系统的机械特性方程式 式中，C e ——电动机在额定磁通下的电动势系数7. 在电流连续区，显示出较硬的机械特性；在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。
8. 电流断续区与电流连续区的分界线是 的曲线，当 时，电流便开始连续了。
9. 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数Φ-=e K IR U n c s d UK U =N e d d d e K R I R I U C n φ-=-=0d 0U )(1Ne e K C φ=32πθ=32πθ=ssond U U T t U ρ==◆ 在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节， ◆ 得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。
放大系数Ks10. 晶闸管整流器运行中存在的问题 （1）晶闸管是单向导电的。
（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt 与di/dt 都十分敏感。
（3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。
直流PWM 变换器-电动机系统11. 脉宽调制变换器（PWM ）的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。
12. PWM 变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。
（可不可以向电网回馈） 13. 简单的不可逆PWM 变换器-直流电动机系统电路原理图 电压和电流波形描述电路运行（简答）⏹ 在一个开关周期T 内，⏹ 当 时，U g 为正，VT 饱和导通，电源电压U s 通过VT 加到直流电动机电枢两端。
⏹ 当 时， U g 为负， VT 关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD 续流，直流电动机电枢电压近似等于零。
14. 直流电动机电枢两端的平均电压为改变占空比 ，即可实现直流 电动机的调压调速。
令 为PWM 电压系数，则在不可逆PWM 变换器中 .15. 右图a 为有制动电流通路的不可逆PWM 变换器-直流电动机系统，分析工作的三种状态 cd s U U K ∆∆=on t t <≤0T t t on <≤()10≤≤ρρs dU U =γργ=● 一般电动状态（右图为电压、电流波形）◆在一般电动状态中，i d 始终为正值（其正方 向示于图2-11(a)中）。
◆在0≤t<t on 期间，VT 1导通，VT 2关断。
电流 i d 沿图中的回路1流通。
◆在t on ≤t<T 期间，VT 1关断，i d 沿回路2经二 极管VD 2续流。
◆VT 1和VD 2交替导通，VT 2和VD 1始终关断。
● 制动状态（右图为电压、电流波形）◆ 在t on ≤t<T 期间，V g2为正，VT 2导通，在感应电动势E 的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。
◆ 在T≤t<T+t on （即下一周期的0≤t<t on ）期间， V g2 为负， VT 2关断，-i d 沿回路4经VD 1续流，向电源回馈能量。
◆VT 2和VD 1交替导通， VT 1和VD 2始终关断。
● 轻载电动状态（右图为电流波形）◆在VT 1关断后，i d 经VD 2续流。
◆还没有到达周期T ，电流已经衰减到零， ◆在t =t 2时刻，VT 2导通，使电流反向，产 生局部时间的制动作用。
◆轻载时，电流可在正负方向之间脉动， 平均电流等于负载电流，一个周期分成四个 阶段。
t0i t on4123Tt 2t 416. 对于调速系统转速控制的要求：（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳 17．1、调速范围⏹ 生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比称为调速范围，用字母D 表示，即（2-27）⏹ n max 和n min 是电动机在额定负载时的最高和最低转速，⏹ 对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。
2、静差率s⏹ 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比：3. （简答）调速范围、静差率和额定速降之间的关系⏹ 对于同一个调速系统，Δn N 值是定值。
⏹ 要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围D 也越小。
⏹ 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
18.例题2-1 （选择、填空、会改数）某直流调速系统电动机额定转速为n N =1430r/min ，额定速降Δn N =115r/min ，当要求静差率s ≤30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s ≤ 20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解 在要求s ≤ 30%时，允许的调速范围为若要求s ≤ 20%，则允许的调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是19.例题2-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW ，220V ，305A ，1000r/min ，采用V-M 系统，主电路总电阻R =0.18Ω，电动机电动势系数C e =0.2V min/r 。
如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降Δn N 最多能有多少？解: 当电流连续时，V-M 系统的额定速降为开环系统在额定转速时的静差率为minmax n n D =0n n s N ∆=)1(s n s n D N N -∆=3.5)3.01(1153.01430)1(=-⨯⨯=-∆=s n s n D N N 1.3)2.01(1152.01430=-⨯⨯=D %6.44446.011510143011510==⨯+⨯=∆+∆=N N N n D n n D s 3050.18=275r/min 0.2dN N eI R n C ⨯∆==2750.21621.6%N n s ∆====如要求 ， ，即要求20. 开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系⏹ 开环机械特性为式中， 表示开环系统的理想空载转速， 表示开环系统的稳态速降。
⏹ 比例控制闭环系统的静特性为式中， 表示闭环系统的理想空载转速， 表示闭环系统的稳态速降。
（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多 在同样的负载扰动下， 开环系统的转速降落 它们的关系是闭环系统的转速降落（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多 闭环系统的静差率为 当 时，开环系统的静差率为（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围 如果电动机的最高转速都是n N ，最低速静差率都是s ，可得开环时，闭环时，比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用 21.例题2-3 在例题2-2中，龙门刨床要求D =20，s ≤5%，已知 K s =30,α= 0.015Vmin/r ，C e =0.2Vmin/r ，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？ 解: 开环系统额定速降为 =275 r/min ，闭环系统额定速降须为 2.63 r/min ，由式（2-48）可得 则得 即只要放大器的放大系数等于或大于46。
22. 反馈控制规律（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统 （2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定 （3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 20=D %5≤s 10000.052.63/min(1)20(10.05)N N n s n r D s ⨯∆=≤=-⨯-opop ed e n s p e d d n n C RI CU K K C R I Un ∆-=-=-=0*0op n 0op n ∆clcl e d e n s p n n K C RI K CU K K n ∆-=+-+=0*)1()1(0cl n cl n ∆e d op C RI n =∆)1(K C RI n e d cl +=∆cl clcl n n s 0∆=opop op n n s 0∆=cl op n n 00=)1(s n sn D opN op -∆=)1(s n sn D cl N cl -∆=op cl D K D )1(+=op n ∆≤∆cl n 6.103163.22751=-≥-∆∆=cl op n n K 462.0/015.0306.103/=⨯≥=e s p C K K K α闭环调速系统的给定作用和扰动作用24. 比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。
25. 微机数字控制系统的两个特点：信号的离散化、数字化26.香农（Shannon）采样定理：如果模拟信号的最高频率为f max，只要按照f>2f max采样频率进行采样，取出的样品序列就可以代表（或恢复）模拟信号。
27.M法测速适用于高速，T法测速适用于低速28.习题集第三章1.2. 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析起动过程分析-----P63 ⏹ 电流I d 从零增长到I dm ，然后在一段时间内维持其值等于I dm 不变，以后又下降并经调节后到达稳态值I dL 。