运动控制系统第2章开环运动控制系统
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。
《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。
开环控制的工作原理
开环控制的工作原理
开环控制是一种基本的控制系统方法，其工作原理是通过设定一个固定的控制输入，使系统按照预定的路径和速度运行，而不考虑系统的实际输出情况。
具体来说，开环控制由以下几个步骤组成：
1. 设定目标：首先确定所需的目标值，即系统需要达到的状态或输出。
2. 设定控制输入：根据系统的特性和目标值确定适当的控制输入。
控制输入可以是电压、电流、力矩等，具体取决于被控制的系统类型。
3. 运行系统：将设定的控制输入应用到系统中，使系统开始运行。
4. 无反馈监测：在开环控制中，没有反馈机制用于监测和调整系统的实际输出，而仅仅依靠预设的控制输入。
尽管开环控制方法简单直接，但由于缺乏反馈，系统不能对外部干扰或内部变化做出实时调整，容易引起系统误差和不稳定。
因此，开环控制常常被用于简单的系统或者作为其他更高级控制方法的预处理。
总之，开环控制是基于预设输入和目标值的一种控制方法，通过固定的控制输入来驱动系统运行，但缺乏对系统实际输出的监测和调整。
运动控制系统 复习知识点总结
1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、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。
（运动控制系统框图）2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，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。
因此，转矩控制是运动控制的根本问题。
第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2.晶闸管可控整流器的特点（1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。
（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。
晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。
在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。
需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。
3.V-M系统机械特4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。
5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。
（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）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时电动机转速的变化率，称为静差率s。
电力拖动自动控制系统-运动控制系统(_阮毅_陈伯时)课后思考题答案 (2)
int i,j;
for(i=0;p1[i];i++); for(j=0;p2[j];j++) p1[i++]=p2[j];
p1[i]='\0'; 注意：这三个是填空题 答案
if(t%2==0) x=10*x+t; n=n/10;
注意这两个是改成题答案 *t = 0; if (d%2 != 0) 2. 请编写函数fun,其功能是:计算并输出当x<0.97时下列多项式的值, 直到｜Sn-S(n-1)｜<0.000001为止。Sn=1+0.5x+0.5(0.51)/2!x(2)+...+ 0.5(0.5-1)(0.5-2) .....(0.5-n+1)/n!x(n) 输入0.21后,则输出为s=1.100000。 double s1=1.0,p=1.0,sum=0.0,s0,t=1.0; int n=1; do {s0=s1; sum+=s0; t*=n; p*=(0.5-n+1)*x; s1=p/t;n++;}while(fabs(s1-s0)>1e-6); return sum; t = x; t *= (-1.0)*x/n; while (fabs(t) >= 1e-6);
一、可以作为填空题或简答题的 2-1 简述直流电动机的调速方法。 答：直流调速系统常以（调压调 速）为主，必要时辅以（弱磁调速） ，以（扩大调速范围） ， 实现 （额定转速以上调速） 。
2-2 直流调压调速主要方案有（G-M 调速系统，V-M 调速系统，直流 PWM 调速系统） 。 2-3 V-M 调速系统的电流脉动和断续是如何形成的？如何抑制电流脉 动？ 11-12 答：整流器输出电压大于反电动势时，电感储能，电流上升，整 流器输出电压小于反电动势 时，电感放能，电流下降。整流器输出电 压为脉动电压，时而大于反电动势时而小于，从而导 致了电流脉动。 当电感较小或电动机轻载时，电流上升阶段电感储能不够大，从而导致 当电流下降时， 电感已放能完毕、电流已衰减至零，而下一个相却尚 未触发，于是形成电流断续。 2-4 看 P14 图简述 V-M 调速系统的最大失控时间。 14 答：t1 时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为α1，在 t2>t1 时刻，控制电压发生变 化，但此时晶闸管已导通，故控制电压 的变化对它已不起作用，只有等到下一个自然换向点 t3 时刻到来时， 控制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角α2 后导 通。t3-t2 即为失控时间，最大失控时间即为考虑 t2=t1 时的失控时 间。 2-5 简述 V-M 调速系统存在的问题。16 答：整流器晶闸管的单 向导电性导致的电动机的不可逆行性。 整流器晶闸管对过电压过电流 的敏感性导致的电动机的运行不可靠性。 整流器晶闸管基于对其门极 的移相触发控制的可控性导致的低功率因数性。 2-6 简述不可逆 PWM 变换器 （无制动电流通路与有制动电流通路） 各个工作状态下的导通 器件和 电流通路。17-18 2-7 调速时一般以电动机的（额定转速）作 为最高转速。 2-8 （调速范围）和（静差率）合称调速系统的（稳态 性能指标） 。 2-8 一个调速系统的调速范围，是指（在最低转速时还 能满足所需静差率的转速可调范围） 。 2-9 简述转速反馈控制的直流 调速系统的静特性本质。 答：在闭环系统中，每增加（或减少）一点 负载，就相应地提高（或降低）一点电枢电压， 使电动机在新的机械 特性下工作。因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环机械特性上各 取 一个相应的工作点连接而成的。 2-10 简述比例反馈控制的规律。 答：比例控制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统； 反馈 控制系统的作用是（抵抗前向通道的扰动，服从给定） ； 反馈1.编写 一个函数fun,它的功能是:实现两个字符串的连接(不使用库函数 strcat),即把p2所指的字符串连接到p1所指的字符串后。 实现两个字符串连接
运动技能学习与控制（作业）解析
第一章1.简述运动技能的四个特征（1）指向目标，即动作技能都有操作目标；（2）动作技能的操作具有随意性；（3）动作技能需要身体、头、和/或肢体的运动来实现任务目标；（4）为了实现技能的操作目标，需要对动作技能进行学习或再学习；2.在金泰尔的分类法中，动作技能分类的两个纬度分别是什么？（1）操作的环境背景特征：①调节条件②尝试间变化（2）表征技能的动作功能：①身体定向②操纵3.在金泰尔的分类系统中调节条件是指什么？调节条件是指技能操作中必然存在并影响操作者运动特征的环境背景。
第二章1.什么是操作结果测量、操作过程测量？两者的差异？根据两者测量的方法举出三至四个运动教学中运动技能测量的例子。
（1）操作结果测量：指为了说明动作技能操作结果而进行测量。
（2）操作过程测量：为了说明在动作操作过程中运动控制系统某些方面的操作状态而进行的一种动作技能操作测量。
差异：①操作结果测量没有提供产生操作结果前肢体或身体行为的任何信息；②没有关于运动过程中参与工作的肌肉系统的活动信息；举例：操作结果测量：①一英里跑或打一个字所用的时间；②从发令枪响到起跑动作开始的时间；③垂直纵跳的高度；操作过程测量：①动作过程中肢体经过的高度；②动作过程中肢体运动速度；③运动中加速或减速的模式；2.简述简单反应时、选择反应时和辨别反应时及区别。
（1）简单反应时：指测试情景中只包含单一刺激并要求被试者做出单一反应动作，这时所测的反应时称为简单反应时。
（2）选择反应时：指测试情景中包含两个或两个以上的信号，每个信号需要特定的反应形式，这时测得的反应时为选择反应时。
（3）辨别反应时：指测试情景中包含两个或两个以上的信号，但被试者只需对其中的一个做出反应，对其他信号不做反应，这时测得的反应时为辨别反应时。
区别：①从刺激信号的数量来判断是不是简单反应时；②从做出的反应的信号数量来判断是不是辨别反应时。
3.将反应时分段的含义是什么？（1）在刺激信号发出和肌肉活动开始之间存在一个时间间隔，这个间隔便是反应时的第一部分，称为前动作时（pre-motor time）；（2）第二部分是从肌肉活动增加到外显肢体动作真正开始之间的时距，称为动作时（motor time）。
电力拖动自动控制系统-运动控制系统课后参考答案第二章
第二章作业思考题：2-1直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？1.电枢回路串电阻调速特点：电枢回路的电阻增加时，理想空载转速不变，机械特性的硬度变软。
反之机械特性的硬度变硬。
2.调节电源电压调速特点：电动机的转速随着外加电源电压的降低而下降，从而达到降速的目的。
不同电源电压下的机械特性相互平行，在调速过程中机械特性的硬度不变，比电枢回路串电阻的降压调速具有更宽的调速范围。
3.弱磁调速特点：电动机的转速随着励磁电流的减小而升高，从而达到弱磁降速的目的。
调速是在功率较小的励磁回路进行，控制方便，能耗小，调速的平滑性也较高。
2-2简述直流 PWM 变换器电路的基本结构。
IGBT，电容，续流二极管，电动机。
2-3直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？直流电压2-4为什么直流PWM变换器-电动机系统比V-M系统能够获得更好的动态性能？直流PWM变换器-电动机系统比V-M系统开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
2-5在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流。
电路中无电流，因为电动机处已断开，构不成通路。
2-6直流PWM变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？反并联二极管是续流作用。
若没有反并联二极管，则IGBT的门极控制电压为负时，无法完成续流，导致电动机电枢电压不近似为零。
2-7直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？不是越高越好，因为太高的话可能出现电容还没充完电就IGBT关断了，达不到需要的输出电压。
《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。
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稳态性能指标
调速范围 生产机械要求电动机在额定负载下能达到的最高转速和最
低转速之比称为调速范围，用D表示，即
静差率用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度，它 与机械特性的硬度有关，在同一理想空载转速下，特性越 硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
稳态性能指标
一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的， 如图2-1中的特性a和b，两者的硬度相同，额定速降相等， 但它们的静差率却不同，因为理想空载转速不一样。由 于 n0a n，0b 所以 sa 。sb
D nN s 1430 0.3 5.3
nN (1 s) 115 (1 0.3)
若要求s≤ 20%，则允许的调速范围只有
D 1430 0.2 3.1 115 (1 0.2)
若调速范围达到10，则静差率只能是
s
DnN nN DnN
10 115 1430 10 115
例题2-1 某直流调速系统电动机额定转速为nN =1430r/min，额定速降 ΔnN=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
第2章 开环运动控制系统
本章教学要求与目标 掌握调速方法和性能指标 了解各种可控直流电源 掌握开环直流调速系统组成原理和分析方法
2.1 直流电机拖动的运动控制系统基本问题
直流调速的主要方法
根据直流电动机的基础知识可知，直流电动机的稳态转速 与电动机其它参量的关系为
n U IR
图2-1
稳态性能指标
（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速 作为最高转速，若额定负载下的转速降落为ΔnN，则按照 上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低转速时的静 差率，即
s nN nN n0 min nmin nN
跟随性能指标
从自动控制原理可知，系统输出除了系统结构参数外还与 输入信号有关。通常以输出量的初始值为零，给定信号阶 跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，
动态性能指标
此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。图2-2表示 阶跃响应的跟随过程。
图2-2
动态性能指标
常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节 时间。
于是，最低转速为
nmin
nN
s
nN
(1 s)nN
s
稳态性能指标
则
D nNs
nN (1 s)
上式就是调速范围、静差率和额定速降三者之间的关系。
对于同一个调速系统，ΔnN值一定，所以如果对静差率要 求越严，即要求s值越小时，系统允许的调速范围也越小。
一个调速系统的调速范围，是指在最低转速时还能满足所 需静差率的转速可调范围。
1）上升时间 tr
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升 到稳态值所需的时间。它表示动态响应的快速性。
2）超调量σ与峰值时间 tp
阶跃响应在tp时达到最大值Cmax，然后回落。tp称为峰值 时间，Cmax超过稳态值C∞的百分数称作超调量，即
σ
CmaΒιβλιοθήκη C C100 0 0 0.446 44.6 00
思考：计算结果说明了什么？
动态性能指标
稳定的调速系统在静止状态输入启动信号或在稳态运行时 输入信号发生变化或系统受到扰动，经历一段动态过程后， 能达到新的稳态。
除了稳态指标外，在动态过程中输出量如何变化？在多长 时间内能恢复稳定运行？这些要用动态性能指标来衡量， 具体指标有以下几个方面：
级调速，且不易构成自动控制系统，当电机低速运行时， 电枢外串电阻上的功耗大，系统效率低，较少采用。
调节电枢电压U——降压调速。可以构成无级调速，且调 速范围大、控制性能好。
减弱励磁磁通Φ——弱磁调速。可以构成无级调速，但只 能在电动机额定转速以上做小范围升速，一般只是配合调 压方案。
由于现代电力电子技术的发展，使得直流电源输出电压能 够非常容易地实现连续可调，降压调速是直流调速系统的 主导方案。
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性 越好。
动态性能指标
3）调节时间 ts 又称为过渡过程时间，指从加输入量的时刻起，到输出量
进入偏离稳态值允许误差带内并从此不再超出该误差带所 需的时间。允许误差带一般取稳态值的±5%或±2%。 调节时间即反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。
2.1.2 转速控制的要求和调速性能指标
运动控制系统在对转速进行控制时，一般来讲主要有以下 三个方面要求：
调速。即在一定的转速范围内，可以连续地调节转速快慢。
稳速。可以在系统所要求的转速精度上稳定运行，在各种 扰动作用下不允许有过大的转速波动。
加、减速。经常起、制动或频繁正反转的设备要求过渡过 程尽量短，以满足系统快速性的要求。
K eΦ
n——转速（r/min）；
U——电枢电压（V）；
I ——电枢电流（A）；
R——电枢回路总电阻（）；
Φ——励磁磁通（Wb）；
Ke——由电动机结构决定的电动势常数。
2.1.1 直流调速的主要方法
从上式可以看出，直流电动机的调速方法有以下三种: 改变电枢回路的电阻R——电枢回路串电阻调速。只能有
D nmax nm in
对于少数长期工作于轻载的机械，和也可用实际负载时的 最高和最低转速来表示。
稳态性能指标
静差率
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定
值时所对应的转速降落与理想空载转速之比，称为静差率，
即
s nN
n0
或用百分数表示，即
s
nN
n0
100 0 0