几种运动控制系统的比较
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 (2)
运动控制系统简介运动控制系统是指用于控制运动装置的设备和软件系统。
它的主要功能是监测和控制物理运动过程，以实现精准的位置控制、速度控制和加速度控制。
运动控制系统广泛应用于机械工业、交通运输、航空航天等领域。
组成部分运动控制系统通常由以下几个主要组成部分组成：1.运动控制器：负责接收外部输入信号并生成相应的控制指令，控制运动装置的运动。
2.传感器：用于检测运动装置当前的位置、速度等参数，并将其转换为电信号输入给运动控制器。
3.驱动器：将运动控制器生成的控制指令转换为电流或电压信号，驱动马达或液压系统实现运动。
4.运动装置：通过驱动器进行控制的装置，如马达、液压系统等。
5.人机界面：为用户提供与运动控制系统进行交互的方式，包括显示器、键盘、触摸屏等。
工作原理运动控制系统的工作原理可以概括为以下几个步骤：1.传感器感知：传感器感知运动装置的当前状态，如位置、速度等参数，并将其转换为电信号。
2.控制指令生成：运动控制器接收传感器的电信号，根据预设的控制算法生成相应的控制指令。
3.控制指令传递：运动控制器将控制指令传递给驱动器，驱动器根据指令转换为适当的信号来驱动运动装置。
4.运动实现：驱动器通过输出的信号驱动运动装置实现预设的运动控制，如位置控制、速度控制等。
5.反馈控制：传感器继续感知运动装置的状态，并将其反馈给运动控制器，实现闭环控制。
应用领域运动控制系统广泛应用于各个领域，下面介绍其中几个典型的应用领域。
1.工业自动化：运动控制系统在机械工业中广泛应用，如印刷、包装、机械加工等领域。
它可以实现自动化生产线的高精度运动控制，提高生产效率和产品质量。
2.交通运输：运动控制系统在交通运输领域的应用包括船舶、飞机和汽车等。
它可以实现对交通工具的准确操控，提高运输安全性和效率。
3.医疗器械：运动控制系统在医疗器械领域的应用包括手术机器人、医疗影像设备等。
它可以实现高精度的运动控制，帮助医生进行精确的手术操作和诊断。
总线型运动控制系统
总线型运动控制系统传统运动控制系统中常以脉冲和模拟量作为控制信号，并将控制信号发送到电机驱动器中，再由电机驱动器驱动电机运行。
得益于总线技术的发展，运动控制器厂家将总线技术应用运动控制器中。
上位机通过总线将运动参数传送至电机驱动器，再由电机驱动器驱动电机运行。
常见的总线技术有ProfiNet，ProfiBus，EhertCA T，RTEX，CCLINK等等。
总线型运动控制系统相对传统的运动控制系统有诸多优点。
1.接线简化。
在传统运动控制系统中，上位机与电机驱动器通过大量的数字量或者模拟量IO连接，以发送控制信号和接受反馈信号。
这样会使接线数量增加，接线出错的几率比较大，线材成本上升，布线时间长而复杂。
在总线型运动控制系统中，上位机的总线通讯接口可以通过线性拓扑方式连接多个支持总线通讯的电机驱动器。
2.拥有故障自诊断特性。
传统型运动控制系统中的上位机与电机控制器的信息交换是通过有限的IO进行的。
能获取的信息是极有限。
总线型运动控制系统拥有多种诊断功能。
可以实时监控电机的运行状态，实时获取运行状态的信息。
如果电机运行有异常，其相应的电机驱动器可通过总线向上位机发送异常信息。
如线缆短路或短路、接头接触不良，电压异常等物理层诊断。
3.方便调试。
总线型运动控制系统，可以通过上位应用软件监控和调整各电机驱动器节点的参数。
不用通过各电机驱动器的显示面板调整参数。
4.可靠性高传统运动控制系统的中脉冲信号和模拟量信号，容易受到电磁干扰，可导致信号失真。
总线型运动控制系统数字式通讯方式，无信号漂移问题。
总线型运动控制系统应用示例：3S总线控制系统通过EherCAT总线控制7轴运动。
3S 总线系统可以控制多达128个轴，支持复杂插补运算；可控制多达10台不同类型的机器人；提供多达8192点数字量或模拟扩展功能；可接入视觉系统实现定位功能。
运动控制系统讲解
1绪论电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。
L1前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统儿乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。
单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。
1.1直流电机的调速方法和可控直流电源直流调速系统是自动调速系统的主要形式，它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，尽管直流调速系统中的直流电动机不如交流电动机］那样结构简单、制造和维护方便、价格便宜。
但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。
但是就LI前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设备、雷达设备，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它乂是交流调速系统的基础。
因此，本书先着重讨论直流调速系统。
1.2课程设计目的课程设讣是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。
运动控制系统课程设汁，要求学主更多的完成软硕结合的动手实践方案，解决LI前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象.《运动控制系统课程设计》是继《电子技术》、《电力电子技术》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其U的和任务是训练学生综合运用已学课程电子技术基础、电力电子技术、运动控制系统的基本知识，独立进行运动控制系统应用技术和开发 工作,掌握运动控制系统设讣、调试和应用电路设计、分析及调试检测。
运动控制复习资料整理
运动控制复习资料整理运动控制是机械工程领域中一个重要的研究方向，它涉及到控制系统和机械系统的结合，用于实现精确的运动控制。
具体而言，运动控制涵盖了运动控制算法、控制器设计、运动控制系统模型、传感器和执行器选择以及运动规划等方面的内容。
本文将从这些方面对运动控制的基础知识进行复习资料的整理，帮助读者回顾和加深对运动控制的理解。
一、运动控制算法1. PID控制算法：PID控制算法是最常用的一种运动控制算法，它通过比较设定值和实际值的误差，计算出一个控制量来调节系统的输出。
PID控制算法包括比例项、积分项和微分项，它们分别用来调节系统的静态响应、消除误差累积和改善动态响应。
2. 模糊控制算法：模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的控制算法，它能够处理系统模型不确定或复杂的情况。
模糊控制算法通过定义模糊集合和相应的规则，实现对系统状态的模糊描述和控制决策。
3. 最优控制算法：最优控制算法是一种通过优化目标函数，寻找系统最优控制策略的算法。
最优控制算法包括动态规划、最优化和线性二次型控制等方法，它们能够在满足系统限制条件的前提下，最大化或最小化目标函数。
二、控制器设计1. 传统控制器设计：传统控制器设计通常基于数学模型和系统理论，通过建立数学模型和分析系统特性，设计出合适的控制器参数。
传统控制器设计方法包括根轨迹法、频域法和状态空间法等。
2. 自适应控制器设计：自适应控制器设计是一种根据系统的变化自动调整控制器参数的方法，它能够应对系统参数变化、外界干扰和建模误差等情况。
自适应控制器设计方法包括模型参考自适应控制和模型无关自适应控制等。
三、运动控制系统模型1. 开环模型：开环模型是指没有反馈控制的运动控制系统模型，它只根据输入信号直接控制输出信号，缺乏对系统误差的修正。
2. 闭环模型：闭环模型是指具有反馈控制的运动控制系统模型，它通过对输出信号进行反馈比较，根据误差信号调节控制量，使得输出信号稳定在设定值附近。
运动控制简介介绍
服务机器人
随着人工智能技术的发展，服务机器人也开 始广泛应用。运动控制技术使得服务机器人 能够实现精确的定位、导航、抓取和操作， 为医疗、餐饮、家庭等服务行业提供便利。
详细描述
智能化运动控制通过引入人工智能和机器学习算法，能够实现自适应、自主学习和决策，提高运动控制的精度和 效率。智能化运动控制能够根据不同的环境和条件自动调整参数，优化运动轨迹和控制策略，以满足复杂和多变 的任务需求。
网络化
总结词
随着物联网和通信技术的发展，运动控 制正朝着网络化方向发展。
VS
详细描述
控制器的性能决定了整个运动控制系 统的性能，常见的控制器有PID控制器 、模糊控制器、神经网络控制器等。
驱动器
驱动器是将控制器的控制信号转换为能够驱动执行器的能量，常见的驱动器有电 机驱动器、液压驱动器等。
驱动器的性能对执行器的运动性能有很大影响，因此需要根据执行器的特性和控 制要求选择合适的驱动器。
06
运动控制案例分析
运动控制案例分析
• 运动控制是自动化领域中的核心技术之一，它涉及到如何精 确地控制机器或系统的位置、速度和加速度等运动参数。随 着工业自动化水平的不断提高，运动控制在各个领域中的应 用越来越广泛。
THANKS
谢谢您的观看
汽车制造
焊接控制
汽车制造过程中，焊接是关键的工艺环节。通过运动控 制技术，可以实现高效率、高精度的焊接加工，提高汽 车产品质量。
涂装控制
涂装是汽车外观质量的重要保障。通过运动控制技术， 可以实现涂装的精确喷涂和烘干，提高汽车外观质量。
《运动控制系统》吴贵文(习题参考答案)
《运动控制系统》习题参考答案1-1 简述运动控制系统的类型及其优缺点。
答：运动控制系统主要有三种类型：液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统，它们各自优缺点如下：液压传动具有如下优点：1）能方便地实现无级调速，调速范围大。
2）运动传递平稳、均匀。
3）易于获得很大的力和力矩。
4）单位功率的体积小，重量轻，结构紧凑，反映灵敏。
5）易于实现自动化。
6）易于实现过载保护，工作可靠。
7）自动润滑，元件寿命长。
8）液压元件易于实现通用化、标准化、系列化、便于设计制造和推广使用。
但也有一系列缺点：1）由于液压传动的工作介质是液压油，所以无法避免会有泄漏，效率降低，污染环境。
2）温度对液压系统的工作性能影响较大。
3）传动效率低。
4）空气的混入会引起工作不良。
5）为了防止泄漏以及满足某些性能上的要求，液压元件的制造精度要求高，使成本增加。
6）液压设备故障原因不易查找。
气压传动的优点是：1）气动装置结构简单、轻便，安装维护简单；压力等级低，故使用安全。
2）工作介质是空气，取之不尽、用之不竭，又不花钱。
排气处理简单，不污染环境，成本低。
3）输出力及工作速度的调节非常容易，气缸工作速度快。
4）可靠性高，使用寿命长。
5）利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应；可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。
在一定条件下，可使气动装置有自保护能力。
6）全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。
与液压方式比较，气动方式可在高温场合使用。
7）由于空气流动压力损失小，压缩空气可集中供气，较远距离输送。
气压传动的缺点是：1）由于空气具有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化影响。
2）气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例比较大，气缸的低速稳定性不如液压缸。
3）虽然在许多应用场合气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。
电气传动系统具有控制方便、体积紧凑、噪声小、节能、容易实现自动化、智能化、网络化等优点，不过其控制线路复杂，对软硬件要求较高，维修较困难。
运动控制系统转速闭环控制的直流调速系统
n(s)
U
* n
(s)
(Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)
1
(Ts
s
K p Ks /
1)(TmTl s2
Ce Tms
1)
K p Ks / Ce (Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)
K
K p Ks
Ce (1 K )
TmTlTs s3 Tm (Tl Ts ) s2 Tm Ts s 1
图2-30 闭环系统中PI调整器旳输入和输出动态过程
(s)
Uc (s) U n (s)
K
p
（2-42）
电力电子变换器旳传递函数
Ws
(s)
Ks Ts s
1
(2-33)
测速反馈旳传递函数
W fn
(s)
Un (s) n(s)
(2-43)
他励直流电动机在额定励磁下旳等效电路
假定主电路电流连续，动态电压方程为
Ud0
RId
L dId dt
E
(2-34)
scl
ncl n0cl
开环系统旳静差率为
sop
nop n0op
当 n0op n0cl 时，
scl
sop 1 K
（2-49）
（3）假如所要求旳静差率一定，则 闭环系统能够大大提升调速范围
假差如率电都动是机s，旳可最得高转速都是nN，最低速静
开环时，
Dop
nN s nop (1
s)
闭环时，
图2-23 转速反馈控制直流调速系统旳动态构造框图
转速反馈控制旳直流调速系统旳开环传递函数
W (s) Un(s)
K
Un (s) (Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)
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运动控制的实现方法
1、以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统
早起的运动控制系统一般采用运算放大器等分离器件以硬接线的方式构成，这种系统的优点：
（1）通过对输入信号的实时处理，可实现系统的高速控制。
（2）由于采用硬接线方式可以实现无限的采样频率，因此，控制器的精度较高并且具有较大的带宽。
然而，与数字化系统相比，模拟系统的缺陷也是很明显的：
（1）老化与环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大。
（2）构成系统所需的元器件较多，从而增加了系统的复杂性，也使得系统最终的可靠性降低。
（3）由于系统设计采用的是硬接线的方式，当系统设计完成之后，升级或者功能修改几乎是不可能的事情。
（4）受最终系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更加先进的复杂控制算法。
模糊控制系统的上述缺陷使它很难用于一些功能要求比较高的场合。
然而，作为控制系统最早期的一种实现方式，它仍然在一些早期的系统中发挥作用；
另外，对于一些功能简单的电动机控制系统，仍然可以采用分立元件构成。
2、以微处理器为核心的运动控制系统
微处理器主要是指以MCS-51、MCS-96等为代表的8位或16位单片机。
采用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器，所构成的系统具有以下的优点：（1）使电路更加简单。
模拟电路为了实现逻辑控制需要很多的元器件，从而使电路变得复杂。
采用微处理器以后，大多数控制逻辑可以采用软
件实现。
（2）可以实现复杂的控制算法。
微处理器具有较强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有大容量的存储器，因此有能力实现较复杂的控制算
法。
（3）灵活性和适应性强。
微处理器的控制方式主要是由软件实现，如果需要修改控制规律，一般不需要修改系统德硬件电路，只需要对系统的
软件进行修改即可。
（4）无零点漂移，控制精度高。
数字控制系统中一般不会出现模拟系统中经常出现的零点漂移问题，控制器的字节一般可以保证足够的控制精
度。
（5）可以提供人机界面，实现多机联网工作。
然而，绝大多数的微处理器一般采用冯-诺依曼总线结构，处理器的速度有限，处理能力也有限；另外，单片机系统比较复杂，软件编程的难度较大。
同时，一般单片机的集成度较低，片上不具备运动控制系统所需的专用外设，如PWM （脉冲宽度调制Pulse Width Modulation）产生电路等。
因此，基于微处理器构成的电动机控制系统仍然需要较多的元器件，这就增加了系统电路板的复杂性，降低了系统的可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现先进控制算法，比如预测控制、模糊控制等等。
3、在通用计算机上用软件实现的运动控制系统
在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、与计算机进行信号交换的接口板，就可以构成一个运动控制系统。
这种实现方法利用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法；同时，控制软件的修改也比较方便。
然而，这种实现方式的一个缺点在于系统德体积过大，难以应用到工业现场中；而且，由于计算机本身的限制，难以实现实时性要求较高的信号处理算法。
4、利用专用芯片实现的运动控制系统
为了简化电动机模拟控制系统的电路，同时保持系统的快速响应能力，一些公司推出了专用电动机控制芯片，如TI公司直流无刷电动机控制芯片UCC3626、UCC2626等。
利用专门电动机控制芯片构成的运动控制系统保持了模拟控制系统和以微处理器为核心的运动控制系统两种实现方式的长处，具有响应速度快、系统集成度高、使用元器件少、可靠性能好等优点；同时，专用电动机控制芯片便宜，进一步降低了最终系统的成本。
这也是目前应用最广泛的一种运动控制系统实现方法。
然而，受专用控制芯片本身的限制，这种系统的缺点也是很明显的，主要包括：
（1）由于已经将软件固化在芯片内部，虽然可以保证较高的系统响应
速度，但是降低了系统的灵活性，不具有扩展性。
（2）受芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用控制芯片中所实现的算法一般都是比较简单的。
（3）由于用户不能对专用芯片进行编程，因此，很难实现系统的升级。
（4）受芯片本身算法的控制，这种系统的控制精度一般都较低，难以应用于那些高性能、高精度的场合。
5、以可编程逻辑器件为核心构成的运动控制系统
由于FPGA/CPLD等可编程逻辑器件的发展，人们可以利用ALTERA、XILINX等公司提供的产品，使用这些公司提供的开发软件或者VHDL（）等开发语言，通过软件编程实现某种运动的控制算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而以硬件的方式实现最终的运动控制。
利用可编程逻辑器件实现的运动控制系统具有以下的优点：
（1）系统的主要功能都可在单片FPGA/CPLD器件中实现，减少了所需元件个数，缩小了系统的体积。
（2）可编程逻辑器件一般具有系统可编程的特点，因此，以这个为基础构成的目标系统具有较好的扩展性和可维护性，通过修改软件并重新下
载到目标上的相应器件中，就可以实现系统的升级。
（3）由于系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。
（4）开发工具齐全，容易掌握，通用性强。
然而，这种系统实现方法的缺点也是很明显的，例如，尽管可编程逻辑器件可实现任意复杂的控制算法，但算法越复杂，可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。
按照目前的芯片制造工艺，可编程逻辑器件的门数越多，价格也越昂贵。
因此，考虑到目标系统的成本，一般采用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成较简单的运动控制系统。
6、以可编程DSP控制器为核心构成的运动控制系统
为了满足世界范围内运动控制系统的需要，TI公司推出了它的TMS320x24x 系列DSP控制器。
x24x系列DSP控制器将一个高性能的DSP核、大容量的片上存储器和专用的运动控制外设电路（16通道模拟数字转换单元、串行通信接口、CAN控制器模块等）集成在单芯片上，保持了传统微处理器可编程、集成
度高、灵活性/适应性好、升级方便等优点；同时，其内部的DSP核可提供更高的运算速度、运算精度和处理大量运算数据的能力。
x24x系列DSP控制器采用改进的哈佛结构，分别用独立的总线访问程序和数据存储空间，配合片内的硬件乘法器、指令的流水线操作和优化的指令集。
DSP控制器可较好的满足系统的实时性要求，实现复杂的控制算法如Kalman滤波、模糊控制、神经元控制等。
基于DSP控制器构成的电动机控制系统事实上是一个单片系统，因为整个电动机控制所需要的各种功能都是有DSP控制器来是实现的。
因此，可大幅度的减小目标系统的体积，减少外部元器件的个数，增加系统的可靠性。
另外，由于各种功能都可以通过软件来实现，因此，目标系统升级容易、扩展性、可维护性都很好。
同时，DSP控制器的高性能使最终的系统既可以满足那些要求较低的系统，更可以满足那些对系统性能和精度要求较高的场合的需求。
通过上面各种方法的对比，可以得出以下结论：
（1）基于DSP控制器构成的运动控制系统可以满足任意场合的需要，将是运动控制系统发展的方向。
（2）可以采用新型微处理器来实现一些功能复杂、要求较高的运动控制系统，然而，与同样性能的DSP控制器相比，这些新型微处理器的价
格往往比较昂贵。
（3）在一些简单、性能要求不高的场合，可以采用专用控制芯片、微处理器、可编程逻辑控制器、可编程逻辑器件来构成运动控制系统。
（4）在一些工作环境良好的大型系统中，可考虑采用通过计算机、公用计算机来构成运动控制系统。
（5）多种系统实现方式应互相配合使用，以达到更好的效果和更高的性价比。