运动控制系统第8章运动控制系统应用实例
运动控制系统
运动控制系统的简介摘要: 本文介绍了运动控制的定义，产生背景，发展与应用历程，以及与其他学科的联系。
对其某些控制手段和方式进行简单介绍，其中矢量控制篇幅较多。
关键词运动控制；控制方式；矢量控制；直接转矩控制1.运功控制背景运动控制起源于早期的伺服控制。
“伺服”(Servo)一词最早出现在1873年法国工程师Farcot的一本书《Le Servo-Motor on Moteur Asservi》，描述了在轮船引擎上由蒸汽驱动的伺服马达的工作原理。
H.Hazen完成了伺服控制理论的基础研究并发表在1934年9月的Franklin Institute 杂志上。
1940年G.S. Brown在MIT创立了世界上第一个伺服机构实验室，并在1952研制出了世界上第一台数控铣床。
1958年Kearney &Trecker开发了NC加工中心，同年，日本富士通和牧野 FRAICE公司开发成功NC铣床。
1961 年G. Devol研制成功世界第一台机器人。
随后被称为机器人之父的G.T. Engeleberger将其商业化成立了世界第一家机器人公司Unimation。
1968年日本Kawasaki公司从Unimation 买进技术。
机器人技术体现了运动控制和驱动传感器以及运动机构一体化的新思想。
日本安川公司的工程师把这叫做机电一体化技术。
自1973 年的石油危机以后，电气伺服成为市场主导，随着微电子技术和微型计算机技术的发展，交流伺服日趋成熟，为适应市场的多品种小批量的需求，以计算机控制为核心的FMS (Flexible Manufacturing System) CIMS 和 FA (Factory Automation)技术应运而生(1975)。
为适应电子芯片制造的需求，机电一体化技术和运动控制技术被广泛应用。
由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987年，美国空军在美国政府资助下发表了著名的NGC下一代控制器研究计划，该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念,其内容之一便是提出了开放系统体系结构标准规格(OSACA)。
运动控制系统的课程设计
运动控制系统的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解运动控制系统的基本概念、组成和分类。
2. 学生能掌握运动控制系统中常见传感器的原理和应用。
3. 学生能描述运动控制系统的执行机构工作原理及其特点。
4. 学生了解运动控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。
技能目标：1. 学生具备运用所学知识分析和解决实际运动控制问题的能力。
2. 学生能设计简单的运动控制系统，并进行仿真实验。
3. 学生能熟练使用相关软件和工具进行运动控制系统的调试与优化。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对运动控制系统相关技术的兴趣，激发学习热情。
2. 学生养成合作、探究的学习习惯，培养团队协作精神。
3. 学生认识到运动控制系统在工程实际中的应用价值，增强社会责任感。
课程性质：本课程为电子信息工程及相关专业高年级学生的专业课程，旨在帮助学生掌握运动控制系统的基本原理、设计方法和实际应用。
学生特点：学生已具备一定的电子、电气和控制系统基础，具有较强的学习能力和实践操作能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调学生的动手能力和创新能力培养。
通过本课程的学习，使学生具备运动控制系统设计、调试和应用的能力。
教学过程中，关注学生的个体差异，因材施教，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 运动控制系统概述- 运动控制系统的基本概念、组成和分类- 运动控制系统的发展及应用领域2. 运动控制系统传感器- 常见运动控制传感器的工作原理、特性及应用- 传感器的选型及接口技术3. 执行机构- 电动伺服电机、步进电机、液压气动执行机构的工作原理及特点- 执行机构的控制策略及性能分析4. 运动控制算法- PID控制算法原理及其在运动控制中的应用- 模糊控制、神经网络等其他先进控制算法介绍5. 运动控制系统设计- 系统建模、控制器设计及仿真- 硬件在环（HIL）仿真与实验- 运动控制系统调试与优化6. 运动控制系统实例分析- 分析典型运动控制系统的设计过程及解决方案- 案例教学，培养学生的实际操作能力教学内容安排与进度：- 第1周：运动控制系统概述- 第2-3周：运动控制系统传感器- 第4-5周：执行机构- 第6-7周：运动控制算法- 第8-9周：运动控制系统设计- 第10周：运动控制系统实例分析教材章节关联：本课程教学内容与教材中第3章“运动控制系统”相关内容相衔接，涵盖第3章中的3.1-3.5节。
运动控制系统 第九讲 运动控制系统应用实例
4．工作流程
• 无人驾驶汽车的工作流程是：1、由使用者 根据自己需求在行车电脑或者智能终端 (APP)上设定目的地；2、行车电脑或者智 能APP导航软件依据车辆现有位置与即将 前去的位置，把GIS与GPS相结合，生成可 能的运行轨迹，使用者按照自身的情况， 选择规划路径轨迹，并把选择的轨迹作为 行车电脑的输入设定轨迹；3、行车电脑依 据实时感知路况信息，开始对车辆经行控 制操纵。图9-4所示的就是一个无人驾驶汽 车的操控流程。
• 1．问题提出 • 2．功能分析
1．问题提出
• 高速电子锯是剪裁设备的一种类型，用于 各类固体板材的切割分离。图9-5所示的就 是一个实用型高速电子锯。本节将通过四 幅切割流程图对整个高速电子锯的应用进 行一个完全的解析。
2．功能分析
• 高速电子锯是一个典型的运动系统。从所实现的 任务功能看，其根据客户或者实际生产的需要裁 剪木板，木板的几何长度可根据要求输入给控制 器。图9-5所示的是高速电子锯的整体结构图，由 图可以看出高速电子锯的运动是由以下几个运动 组成的。首先，建立一个运动坐标系xyz，其方向 如图9-5所示。V0为木板运动的速度，方向从左 向右（y轴方向），由输送带负责实现。V1为高 速电子锯锯刀沿着x轴方向运动的速度，以实现高 速电子锯进刀裁切木板和切完退刀归位，由二维 平面工作台负责实现。
图9-5
(9-1) (9-2)
图9-9
4．系统组成
• 如图9-10所示，灌装生产线主要是由9大部 件组成，分别是：①输送带，其功能是输 送空瓶至灌装工作位，并把灌装之后的产 品送到下一工作位；②主编码器，其功能 是对输送带的运行速度进行检测，并反馈 到运动控制器，运动控制器按照输送带主 编码器的反馈值，对灌装工作头灌装态时 的速度V2进行同步控制；
精品文档-自动控制原理(王春侠)-第八章
8.2 描 述 函 数 法 8.2.1 描述函数的基本概念
设非线性环节的输入为 x(t)＝A sinωt
一般情况下，非线性环节的稳态输出y(t)是非正弦周期信号。 将y(t)用傅氏级数表示为
y t A0 An cos nt+Bn sin nt =A0 Yn sin nt+n
n =1
n =1
kx，
x ≤a
y Msignx， x ＞a
2
图8-1 饱和非线性特性
3
2． 死区特性
死区又称不灵敏区，如图8-2所示。其输入与输出之间关
系的表达式为
0，
x ≤Δ
y k x Δsignx， x ＞Δ
式中，Δ为死区范围； k为线性段的斜率。
当输入信号小于Δ时，对系统来说，虽然有输入但无输
出，只有当|x|＞Δ时才有输出，这时，输出与输入之间为
第八章 非线性控制系统分析
8.1 非线性系统的基本概念 8.2 描述函数法 8.3 相平面法 8.4 Matlab应用实例
1
8.1 非线性系统的基本概念 8.1.1 典型非线性特性
控制系统中含有本质非线性环节，如果这些本质非线性特 性能用简单的折线来描述，则称为典型非线性特性。
1. 饱和特性 饱和特性是一种常见的非线性特性，如图8-1所示。其数 学表达式为
最后指出，这种方法只适用于单个的非线性元件，如果有 两个以上的非线性元件，则必须把它们合并为一个模块，否则 第二个元件的输入就不会是正弦波。
22
8.2.2 典型非线性特性的描述函数 1． 死区特性 在具有死区的元件中，当输入在死区的幅值范围内时
就没有输出。图8-6所示为死区非线性特性及其输入、输出波 形。
第8章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版)阮毅
反映了机械特性的线性段。
串级系统调速原理
降低调制度M ，按式（8-8）将提高逆变 器的输入电压 ，在动态中首先反映的是减 少电流 Id的，使电磁转矩减小，迫使电动 机转速降低，实现调速。与此同时，转差 率s增大，从而恢复 与负载电流平衡，使 串级调速系统恢复到新的稳态。
图8-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
有附加电动势时的转子相电流：
如图8-1所示，绕线转子异步电动机在外 接附加电动势时，转子回路的相电流表达 式
Ir
sEr0 Eadd Rr 2 (sX r0 )2
(8-3)
转子附加电动势的作用
1. Er 与 Eadd 同相
当 Eadd ，
M
3~
sPm
CU1
sEr0
T1 CU 2
图8-3 转子电路连接可馈出或馈入电功率的双PWM交-直-交变频器
8.2 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基本 工况
本节摘要
电机在次同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作发电运行 电机在次同步转速下作发电运行
Pm
(1 s)P m
(d )
T e
sPm
CU
(1 s)Pm
10
(a)
sPm
CU Te
图8-4 绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 c)超同步速发电状态 b)超同步速电动状态 d)次同步速发电状态 CU——功率变换单元
1. 电机在次同步转速下作电动运行
Ud0 Ui0 Id R 整流电压输出
自动控制原理-第8章非线性控制系统
8非线性控制系统前面几章讨论的均为线性系统的分析和设计方法，然而，对于非线性程度比较严重的系统，不满足小偏差线性化的条件，则只有用非线性系统理论进行分析。
本章主要讨论本质非线性系统，研究其基本特性和一般分析方法。
8.1非线性控制系统概述在物理世界中，理想的线性系统并不存在。
严格来讲，所有的控制系统都是非线性系统。
例如，由电子线路组成的放大元件，会在输出信号超过一定值后出现饱和现象。
当由电动机作为执行元件时，由于摩擦力矩和负载力矩的存在，只有在电枢电压达到一定值的时候，电动机才会转动，存在死区。
实际上，所有的物理元件都具有非线性特性。
如果一个控制系统包含一个或一个以上具有非线性特性的元件，则称这种系统为非线性系统，非线性系统的特性不能由微分方程来描述。
图8-1所示的伺服电机控制特性就是一种非线性特性，图中横坐标u为电机的控制电压，纵坐标为电机的输出转速，如果伺服电动机工作在A1OA2区段，则伺服电机的控制电压与输出转速的关系近似为线性，因此可以把伺服电动机作为线性元件来处理。
但如果电动机的工作区间在B1OB2区段•那么就不能把伺服电动机再作为线性元件来处理，因为其静特性具有明显的非线性。
8.1.1控制系统中的典型非线性特性组成实际控制系统的环节总是在一定程度上带有非线性。
例如，作为放大元件的晶体管放大器，由于它们的组成元件（如晶体管、铁心等）都有一个线性工作范围，超出这个范围，放大器就会出现饱和现象；执行元件例如电动机，总是存在摩擦力矩和负载力矩，因此只有当输入电压达到一定数值时，电动机才会转动，即存在不灵敏区，同时，当输入电压超过一定数值时，由于磁性材料的非线性，电动机的输出转矩会出现饱和；各种传动机构由于机械加工和装配上的缺陷，在传动过程中总存在着间隙，等等。
实际控制系统总是或多或少地存在着非线性因素，所谓线性系统只是在忽略了非线性因素或在一定条件下进行了线性化处理后的理想模型。
常见典型非线性特性有饱和非线性、死区非线性、继电非线性、间隙非线性等。
自动控制原理第8章_非线性控制系统分析
B1 1 3 2 N ( A) A A 2 16
8.2.3 典型非线性特性得描述函数
1.饱和特性的描述函数
X(t) X(t)
kA sin t 0 ω t 1 x(t ) ka b ω t 1 2
X(t)是单值奇函数，所以A1=0
非线性环节的描述函数总是输入信号幅值A的函数， 一般也是频率的函数，因此，描述函数一般记为
N ( A, j )
非线性元件的描述函数或等效幅相频率特性与输入 的正弦振荡的振幅A有关，这是非线性特性本质的反 映。它与线性环节的情况正好相反，线性环节的幅 相特性（频率特性）与正弦输入的幅值无关。
8.2.2描述函数
4 B1 [ kA sint sinω td (ω t ) ka sinω td (ω t )] π
1
e(t)
0
4kA 4ka sin2 d π π
1
2
1
0
4kA 1 1 4ka ( sin 2 1 ) cos 1 2 4
2k a a a A[arcsin( ) 1 ( )2 ] A A A
8.1.4
继电器特性
8.1.4
继电器特性
(t ) 0 m a e(t ) a, e 0 , 0 , (t ) 0 a e ( t ) m a , e x(t ) bsign[e(t )], e(t ) a b , e(t ) m a, e (t ) 0 (t ) 0 b , e(t ) m a, e
（6）气动或液压滑阀的搭接段。 放大器的输出饱和或输出限幅
8.1.3
运动控制系统设计与实现
运动控制系统设计与实现随着工业自动化的发展，运动控制系统在控制技术方面的应用越来越广泛。
它不仅可以提高工作效率和品质，而且可以节约人力、物力和时间。
在各种应用方面，运动控制技术已成为现代自动化的关键技术之一。
一、运动控制系统概述运动控制系统是将运动控制程序运行在工业控制器上，通过对控制器输出的运动指令的控制，实现对运动物体的控制。
运动控制系统包括控制器、驱动器、电机、模块和传感器等部件组成。
其中，控制器是整个运动控制系统的核心，它通过与人机接口和外部设备的通信，接收、处理、输出指令来实现系统的功能。
驱动器是连接电机和控制器的中间部件，它起到控制电机转速和角度的作用。
电机是运动控制系统的执行部件，它转动从而实现控制目的。
模块可以增加系统的功能，如通信模块、模拟量模块、数字量模块等。
传感器可以对控制对象采集实时数据并反馈，实现对控制对象的准确定位、速度和加速度的控制。
二、运动控制系统设计流程1.需求分析在运动控制系统的设计中，首先需要进行的是需求分析。
需要了解用户的需求、物体的运动要求、工作环境以及其他相关因素，以确定运动控制系统的基本功能与性能指标。
2.技术方案选择针对需求分析结果，可以选择适合的运动控制器、驱动器、电机、模块和传感器等部件，确定运动控制系统的技术方案。
3.硬件电路设计根据运动控制系统的技术方案，设计出硬件电路，包括一些关键电路的原理图和PCB板图等。
硬件电路设计与实现是运动控制系统设计的重要环节。
4.软件程序设计软件程序设计是运动控制系统设计的另一重要环节。
根据确定的技术方案和硬件电路设计，编写程序源代码，通过编译、链接等步骤生成可执行的程序。
软件程序设计是实现运动控制系统功能的关键。
5.系统调试在运动控制系统的设计和实现过程中，系统调试是必不可少的，它包括硬件调试、软件调试、系统运行调试和参数优化等过程。
系统调试过程需要对系统每项性能指标进行检测、分析和调整，以达到优化系统性能的目的。
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PLC接线图如图8-5所示。S1和S2为上、下限位开关，力传感器送来的 模拟信号由A+输入，PLC与步进电动机驱动器的连接未详细画出，参 见图8-6。由Q0.0输出脉冲，Q0.2控制方向。
多通道转换器是将测微计和百分表输出的数字信号转换为PLC可以接 收的RS-485接口信号。为了防止系统失控时滑套移到上下允许的极限 造成机构损坏，配置了上、下两个限位开关。
图 8-2 勾心刚度测试仪电气控制系统方框图
2. 步进电动机的选择与控制
1）步进电动机的选择 根据机械计算，电动机慢速正转时最大负载转矩为0.3N·m左右，快速
图 8-3 57BGY060矩频特性
2）步进电动机驱动器选择与接线
步进电动机都有与其型号配套的 驱动器，选型时还要考虑精度、 最高输入脉冲频率、供电电源要 求、安装尺寸等因素。本装置选 用各项指标都较好的SH2034D型 驱动器，它采用微细分、全电流 PWM电流控制技术，电动机低 速运行噪音低，无高频声和杂音， 振动小，温升低。其接线图如图 8-4所示。使用时根据驱动器外 壳上拨位开关表将相电流设定为 2.0A，细分倍数最大可设为256。
支架作为滑套和电动机等部件的支承，必须十分稳固，不过由于勾心 长度不一，支架是可以左右调节的，以保证顶杆都能处于前端规定的 位置。当支架左右移动时，百分表可以测出位置的变化，将其输出送 给控制器就能间接算出臂长。触摸屏是人机交互界面。
测微计 滑套
力传感器 夹紧螺母 水平调节 螺母 夹具 电气箱
螺杆 转轴
支架 触摸屏
顶杆 勾心
百分表
图 8-1 勾心刚度测试仪机械结构示意图
3）电气控制系统方案
从测试原理和机械设计要求，本装置主要是要测出力、形变和臂长，其核心部 件滑套需要电机拖动，考虑到负载力矩较小和形变测量精度要求很高的特点， 可以采用步进电动机拖动。控制器可以采用单片机、PC机或可编程控制器 PLC，考虑到整机体积、抗干扰性能和操作方便，本装置选用PLC。电气控制 系统方框图如图8-2所示。
反转时负载转矩为0.08N·m左右。选择步进电动机时，其静转矩应该大 于最大负载转矩50%以上，且矩频特性满足高低速时的转矩要求，本 装置对温升、噪声等没有特殊要求。表8-1系型号为57BYG060混合式 步进电动机主要参数表，图8-3为其矩频特性，可见该型号电动机能符 合本装置要求。
表 8-1 57BYG060步进电动机参数表
后将2N力移去，再施加4N的力测量，重复同样的方法测量a3、a4。然后按下
式计算纵向刚度
S FL3 103
3a
（8-1）
一般取F为2N，此时按下式得到最精确的值
1 a 10 (3a4 a3 a2 3a1 )
（8-2）
2）结构组成
本装置机械结构示意图见图8-1。勾心被夹紧在夹具上，调整水平调节 螺母可以使勾心的前后端处于水平线上。滑套、力传感器和顶杆装配 成一体，可以上下移动。转轴与步进电动机经同步带连接传动。当步 进电动机正转时，转轴和螺杆随之正转，带动滑套向下移动，通过顶 杆将力施加于勾心前端，力传感器同时测出所施加的力并送给控制器。 此时勾心产生形变，上方的测微计（精度0.001mm）可以准确地测出 微小的形变并送给控制器。
图 8-4 SH2034D接线图
3）PLC选型与接线
本系统输入输出及通信口要求如下： 一路模拟量输入通道，用于输入来自力传感器的0~10V电压信号； 两个数字量输入点，接上、下限位开关； 一个数字量输出点，输出DIR方向信号； 一个高速脉冲输出点，输出步进电动机驱动器所需的CP脉冲； 两个RS-485通信口，一个连接多通道转换器，一个连接触摸屏。
第8章 运动控制系统应用实例
本章教学要求与目标 掌握运动控制系统工程设计思路 熟悉运动控制系统工程应用方法 了解运动控制系统调试方法和注意事项
8.1 步进电动机在勾心刚度测试仪中的应用
鞋勾心是用于加固鞋底及腰窝部位的条状钢质零件，其纵向刚度对鞋 类质量有重要影响。所以，生产厂家和质量监督部门均需对勾心纵向 刚度进行检测。为此，国家质检总局和标准化委员会发布了国家标准 GB/T 3903.34—2008/ISO 18896:2006《鞋类 勾心试验方法 纵向刚度》， 国家轻工业局发布了轻工行业标准QB/T 1813—2000《皮鞋勾心纵向刚 度试验方法》。本勾心刚度测试仪就是按照这两个标准的要求而设计。
这是一个步进电动机开环控制系统。触摸屏（HMI）用于设定测试模式、输 入测试参数、监控测试过程并显示测试结果，当操作者在触摸屏上按下测试启 动按钮，PLC就发出低频脉冲信号和正转信号给驱动器，驱动器就带动步进电 动机正转，滑套缓慢下移，勾心前端受力慢慢增大，同时力传感器不断测量顶 杆所施加的力，测微计不断测量形变大小。当受力分别达到2N、4N、6N、8N 时，PLC记录下相应的形变a1、a2、a3、a4，然后就可以计算出纵向刚度值。 按照标准的规定，在上述力值点可能需要把力移去，那么步进电动机就要反转， 这时PLC应输出反转信号和高频脉冲且脉冲数与正转时发出体设计
1）测试原理
将勾心的后端固定，在它的前端加载，使其产生悬臂梁式的弯曲变形，测量勾
心的弯曲挠度，据此计算其纵向抗弯刚度。它取决于勾心金属材质和横截面而
不是长度。
测试时向勾心的头部均匀缓和地施加向下的力，在力为2N、4N、6N、8N时分
别测量对应的勾心垂直形变长度a1、a2、a3、a4。两个标准规定的测试方法有 所不同，一种是施加的力持续加大到8N；另一种是力加到2N时停住，测量完
据此选择西门子S7-200型PLC，CPU模块224XP DC/DC/DC，无需扩 展。它具有14个数字量输入点，10个数字量输出点（其中Q0.0和Q0.1 可以输出频率最高为100kHz的脉冲），2路模拟量输入（分辨率11位， 加1个符号位），1路模拟量输出，两个RS-485通信口，编程指令丰富， 能够实现各种功能。可见完全能够满足系统要求。