运动控制系统
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。
GD2 4gJ ;
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
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》教案
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 理解运动控制系统的概念和组成2. 掌握运动控制系统的分类和原理3. 了解运动控制系统在实际应用中的重要性二、教学内容1. 运动控制系统的概念和组成1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的组成要素2. 运动控制系统的分类和原理2.1 模拟运动控制系统2.2 数字运动控制系统2.3 位置控制、速度控制和加速度控制3. 运动控制系统在实际应用中的重要性3.1 运动控制系统在工业生产中的应用3.2 运动控制系统在技术中的应用3.3 运动控制系统在自动驾驶技术中的应用三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的概念、分类和原理，引导学生理解并掌握相关知识。
2. 案例分析法：分析运动控制系统在实际应用中的重要性，帮助学生了解运动控制系统的应用价值。
3. 讨论法：组织学生探讨运动控制系统的发展趋势和挑战，培养学生的创新思维和问题解决能力。
四、教学资源1. 教材：《运动控制系统》2. 多媒体课件：PPT、动画、视频等3. 网络资源：相关论文、案例、新闻报道等五、教学评价1. 课堂参与度：评估学生在课堂讨论、提问等方面的积极性。
2. 课后作业：布置相关练习题，评估学生对运动控制系统知识的理解和掌握程度。
3. 小组项目：组织学生团队合作完成一个运动控制系统的应用案例，评估学生的实践能力和问题解决能力。
六、教学安排1. 课时：共计32课时，每课时45分钟2. 教学计划：第1-4课时：运动控制系统的概念和组成第5-8课时：运动控制系统的分类和原理第9-12课时：运动控制系统在实际应用中的重要性第13-16课时：运动控制系统的的发展趋势和挑战七、教学步骤1. 引入：通过一个实际应用案例，引出运动控制系统的重要性，激发学生的学习兴趣。
2. 讲解：讲解运动控制系统的概念、分类和原理，引导学生理解并掌握相关知识。
3. 案例分析：分析运动控制系统在实际应用中的重要性，帮助学生了解运动控制系统的应用价值。
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。
【PPT】什么是运动控制系统.
从电能的转换及传递(传输)角度来看，把电力拖动称为电 力传动，把电力拖动控制系统称为电力传动控制系统。由于 这类系统的基本任务是通过控制和调节电动机的旋转速度或 转角来实现工作机械对速度或位移的要求，因此把电力拖动 控制系统又称为运动控制系统。 电力拖动控制系统按被控制量的不同分为两大类： 以电动机的转速为被控制量的系统叫做调速系统； 以工作机械的角位移或直线位移为被控制量的系统叫做位 置伺服系统，又叫做位置随动系统。 电力拖动控制系统还有其他多种类型，如张力控制系统， 多电动机同步控制系统等。虽然电力拖动控制系统种类很多， 但是，各种电力拖动控制系统都是通过控制电动机转速来工 作的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
0.3 运动控制系统的发展过程及应用
纵观运动控制的发展历程，交、直流两大电气传动并 存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使它 们所处的地位、所起的作用不同，但它们始终是随着工 业技术的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展， 在相互竞争、相互促进中，不断完善并发生着变化。由 于历史上最早出现的是直流电机，所以19世纪80年代以 前，直流电气传动是惟一的电气传动方式。直到19世纪 末，出现了交流电，且解决了三相制交流电的输送和分 配问题，并制成了经济适用的鼠笼异步电机，这就使交 流电气传动在工业中逐步地得到广泛的应用。由于大量 使用异步电机，严重影响到电网的功率因数，同步电机 的诞生和使用大大缓解了功率因数问题。在20世纪的大 部分时间里，基本形成直流调速、交流不调速的格局。
运动控制系统的共同特点(续)
(7)可以控制单台电机运行，也可多台协调控制运行， 只是控制方法略有不同而已。 (8)只要合理地选择控制方案，几乎可以适用于任何 传动场合。 由于上述特点，运动控制系统被广泛地用于相关行 业的各个实际需求中。据统计，我国电动机的装机容 量约为4亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的 60%一70％，如何合理、有效、经济地利用好这一 部分电能，提高劳动生产率，运动控制系统的设计者 们对此有着不可推卸的责任。
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》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。
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RI d n n0cl ncl （2-2） Ce (1 K ) Ce (1 K ) 它的开环机械特性为
Ud0 Id n Ce
* K p K sU n
Ce
RId n0op nop Ce
* 在开环与闭环中的取值不同 Un
（2-3）
nop
n0op
因为条件是 n0cl n0op，所以 sop （2-5） scl 1 K
调速范围的比较
（3）在相同的静差率约束下，闭环系统的调速范围 为开环系统的（1+K）倍。 当系统的最高转速是电动机额定转速 nN ，所要 求的静差率为s时，
nN Dcl ncl ( 1 s )
nN Dop nop ( 1 s )
由式（2-4）得到
Dcl ( 1 K )Dop
（2-6）
从上述三点可见， 闭环系统的静特性比开环系统的 机械特性要硬得多， 在保证一定静差率的要求下，闭 环系统能够扩大调速范围。
系统调节过程
n n04 n03 n02 n01 n0cl A A’ B C D Ud04 Ud03 Ud02 Ud01 0 Id1 Id2 Id3 Id4 Id
稳态结构图
IdR Un*
ΔUn
Un
Kp
Uc
Ks
Ud0
E
1 Ce
n
α
图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
只考虑给定作用时的闭环系统
1 Ce
n
U n*
Kp
Ks
α
图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
-IdR
只考虑扰动作用时的闭环系统
1 Ce
n
Ks
Kp
α
图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
U c K p U n
U n n
U d 0 K sU c
直流电动机
U d 0 I dR n Ce
以上各关系式中新出现的系数为： K p——比例调节器的比例系数； ——转速反馈系数（V· min/r） U d 0——电力电子变换器理想空载输出 电压（V）（变换器内阻已并入电枢回 路总电阻R中）。
Un经过放大器 A，产生电力电 子变换器UPE的控制电压Uc ，用 以控制电动机转速 n。 闭环控制系统和开环控制系统的 主要差别就在于转速经过测量元 件反馈到输入端参与控制。
闭环调速系统中各环节的稳态关 系
电压比较环节
* U n U n Un
比例调节器
测速反馈环节 电力电子变换器
系统工作原理
~
Id Un* Un
TG
ΔUn
A
Uc
UPE
Ud
M n
Utg
图2-1
带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
在反馈控制的闭环直流调速系统 中，与电动机同轴安装一台测速 发电机 TG ，从而引出与被调量 转速成正比的负反馈电压Un ， Un与给定电压 U*n 相比较后，得 到转速偏差电压 Un ，
静特性方程式
RI d n Ce (1 K p K s / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
* K p K sU n Id R * K p K sU n
（2-1）
式中: K
K p K s Ce
闭环系统的开环 放大系数
系统静特性分析
闭环系统的静特性方程式为
ΔnN
Ud2
0
TeN
Te
n n04 n03 n02 n01 n0cl
开环机械特性
闭环静特性
A A’ B C D Ud04 Ud03 Ud02 Ud01
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
内 容 提 要
转速单闭环直流调速系统 转速、电流双闭环直流调速系统 调节器的设计方法
本节课要解决的问题
2.1.1转速单闭环直流调速系 统的控制规律
将系统的被调节量作为反馈量引入 系统中，使之与给定量进行比较，用 比较后的差值对系统进行控制，可以 有效地抑制直至消除扰动造成的影响， 而维持被调节量很少变化或不变，这 就是反馈控制的基本思想。
基于负反馈（输入量与输出量相 减）基础上的“检测误差，用以 纠正误差”这一原理组成的系统， 对于输出量反馈的传递途径有一 个闭合的环路，因此被称作闭环 控制系统。
运动控制系统 第2章
闭环控制的直流调速 系统
图1－17 开环调速系统的原理图
静差率与调速范围：
D
nN s nN ( 1 s )
U d 0 RId K sU c RId 开环调速系统静特性方程：n Ce Ce Ce
n
负载 控制电压
电枢电流 电枢电压
n01
ΔnN
U d1
n02
RI d nop Ce
它们的关系是
ncl
nop
1 K
（2-4）
n
n0
1 2
Δncl Δnop
0
IL
Id
图2-3 闭环系统静特性与开环系统机械特性
转速静差率的比较
（2）在相同的理想空载转速条件下，闭环系统的转速 1 静差率也仅为开环系统的 。
1 K
s cl
ncl
n0 cl
sop
开环机械特性
ห้องสมุดไป่ตู้
闭环静特性
图2-4 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
开环系统 I d n 例如：在图2-4中工作点从A A′ 闭环系统 Id n Un Un
n Ud0 Uc 例如：在图2-4中工作点从A B
最终从A点所在的开环机械特性过渡 到B点所在的开环机械特性，电枢电 压由 U d 01 增加至 U d 02 。
载转速； ncl 和nop 分别表示闭环和开环系统的稳态速 降。
n0 cl 和 n0op分别表示闭环和开环系统的理想空
分析比较
负载转速降落、静差率、调速范围
式中
稳态速降的比较
（1）在相同的负载扰动下，闭环系统的负载降落 1 仅为开环系统转速降落的 1 K 。
RI d ncl Ce ( 1 K )
给出单闭环直流调速系统的原理框图、介绍工 作原理；利用稳态结构框图分析系统的静特性； 对静特性改善加以物理过程分析；利用反馈控 制规律对该调速系统的抗扰性能、系统设计需 要注意的问题加以分析（2.1.1） 在原有转速单闭环基础上引入电流截止负反馈， 对其静特性进行分析；给出实现方式（2.1.2） 分析单闭环单闭环直流调速系统的动态数学模 型，对系统的稳定性加以分析（2.1.3）