青島科技大學(xué) 運(yùn)動控制課件 第1章

1、運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)Motion Control Systems 第第1章章 緒論緒論(Introduction)自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)（automatic control systems）是在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其他過程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)按被控對象的工藝過程分類按被控對象的工藝過程分類運(yùn)動控制系統(tǒng)：運(yùn)動控制系統(tǒng)： 過程控制系統(tǒng)：過程控制系統(tǒng)： 對機(jī)械運(yùn)動部件的對機(jī)械運(yùn)動部件的位置位置(或姿態(tài)或姿態(tài))、速度或轉(zhuǎn)矩、速度或轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行控制，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)等進(jìn)行控制，使其按照預(yù)期的運(yùn)動軌跡和規(guī)定的運(yùn)動

2、參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動。動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動。它使用通稱為伺服機(jī)構(gòu)的一些設(shè)它使用通稱為伺服機(jī)構(gòu)的一些設(shè)備如液壓泵、線性執(zhí)行機(jī)、電動機(jī)等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。備如液壓泵、線性執(zhí)行機(jī)、電動機(jī)等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 以表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。“過程過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度力、流量、液位、成分、濃度等。電力拖動電力拖動 在自動控制系統(tǒng)中，對生產(chǎn)機(jī)械的控制對生產(chǎn)機(jī)械的控制是相當(dāng)普遍的是相當(dāng)普遍的，如各類機(jī)器人、自動裝配生產(chǎn)線、各種加工機(jī)床、電動機(jī)車、磁懸浮、紡織機(jī)、起重機(jī)、水泵等

3、。這些設(shè)備都需要對機(jī)械裝置的運(yùn)動速度或位移進(jìn)行控制對機(jī)械裝置的運(yùn)動速度或位移進(jìn)行控制。要使生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動動力動力 水力、風(fēng)力、熱力、電力電力等水車、水磨、水輪機(jī)風(fēng)帆、風(fēng)車（風(fēng)力機(jī)）、風(fēng)磨熱力發(fā)動機(jī)包括蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)(汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等)、熱氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動機(jī)等。電力拖動電力拖動 電能是最普遍的能源，以電機(jī)為動力拖以電機(jī)為動力拖動生產(chǎn)機(jī)械的拖動動生產(chǎn)機(jī)械的拖動電力拖動電力拖動水力、風(fēng)力、熱力、電力電力等 通過控制通過控制電動機(jī)的電壓、電流、頻率電動機(jī)的電壓、電流、頻率等輸?shù)容斎肓?，來改變工作機(jī)械的入量，來改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移轉(zhuǎn)矩、速度、位移等等機(jī)械量，使各種工作機(jī)

4、械按照人們期望的要求機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按照人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝和其它工藝的要求。運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝和其它工藝的要求。一、電力拖動自動控制系統(tǒng)一、電力拖動自動控制系統(tǒng) 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng) 現(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)以現(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)以電動機(jī)電動機(jī)為控制對象，以為控制對象，以計算計算機(jī)機(jī)和其它電子裝置為控制手段，以和其它電子裝置為控制手段，以電力電子裝置電力電子裝置為弱為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，以電控制強(qiáng)電的紐帶，以自動控制理論自動控制理論和和信息處理理論信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以為理論基礎(chǔ)，以計算機(jī)數(shù)字仿真計算機(jī)數(shù)字仿真和和計算機(jī)輔助設(shè)計計算機(jī)輔助設(shè)計為為研究和開發(fā)的工具。研究和開發(fā)

5、的工具。交叉綜合學(xué)科交叉綜合學(xué)科運(yùn)動運(yùn)動控制控制電力電電力電子技術(shù)子技術(shù)電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)微電子微電子技術(shù)技術(shù)信號檢信號檢測與處測與處理技術(shù)理技術(shù)控制理控制理論論計算機(jī)計算機(jī)控制技控制技術(shù)術(shù)現(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)現(xiàn)代運(yùn)動控制技術(shù)已成為電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互多門學(xué)科相互交叉的綜合學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。運(yùn)動控制系統(tǒng)的種類運(yùn)動控制系統(tǒng)的種類（1 1）按被控物理量分）按被控物理量分: :（伺服系統(tǒng)）（伺服系統(tǒng)）（2 2）按驅(qū)動電機(jī)的類型分）按驅(qū)動電機(jī)的類型分: :（3 3）按控制器的類型分）按控制器的類型分: : 二、運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)二、運(yùn)

6、動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)信號檢測與數(shù)據(jù)處理控制器控制器功率放大功率放大與變換與變換電網(wǎng)電網(wǎng)+- 信號處理信號處理傳感器傳感器控制理論電力電子技術(shù)電機(jī)與拖動基礎(chǔ)運(yùn)動控制系統(tǒng)的主要組成運(yùn)動控制系統(tǒng)的主要組成 控制器控制器按照給定值和實(shí)際運(yùn)行的反饋值之差，按照給定值和實(shí)際運(yùn)行的反饋值之差，調(diào)節(jié)控制量。調(diào)節(jié)控制量。 功率驅(qū)動裝置功率驅(qū)動裝置一方面按控制量的大小將電一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用于電動機(jī)上，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩網(wǎng)中的電能作用于電動機(jī)上，調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，另一方面按電動機(jī)的要求把恒壓恒頻的電大小，另一方面按電動機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電動機(jī)所需的交流電或直流電。網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電

7、動機(jī)所需的交流電或直流電。（功率變換；性質(zhì)變換功率變換；性質(zhì)變換） 電動機(jī)電動機(jī)則按供電大小拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。直則按供電大小拖動生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。直流電動機(jī)、交流電動機(jī)。流電動機(jī)、交流電動機(jī)。 信號檢測與處理信號檢測與處理反饋電壓、電流、轉(zhuǎn)速和反饋電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號。位置等信號。三、運(yùn)動控制系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用三、運(yùn)動控制系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用及發(fā)展趨勢及發(fā)展趨勢1、發(fā)展過程、發(fā)展過程19世紀(jì)世紀(jì)80年代前年代前直流電氣傳動是唯一的電直流電氣傳動是唯一的電氣傳動方式。氣傳動方式。19世紀(jì)末世紀(jì)末交流電交流電鼠籠式異步電動機(jī)鼠籠式異步電動機(jī) 交流電氣傳動得到廣泛應(yīng)用。交流電氣傳動得到廣泛應(yīng)用。20世

8、紀(jì)世紀(jì)30年代年代直流調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)世紀(jì)70年代以后年代以后交流調(diào)速得到迅速發(fā)展交流調(diào)速得到迅速發(fā)展目前，交流調(diào)速已占主導(dǎo)地位。目前，交流調(diào)速已占主導(dǎo)地位。l電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和和微電子技術(shù)微電子技術(shù)帶動了新一代帶動了新一代交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，打破了直流交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動天下的格局。調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動天下的格局。l進(jìn)入進(jìn)入21世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭的事實(shí)。調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭的事實(shí)。運(yùn)動控制系統(tǒng)應(yīng)用運(yùn)動控制系統(tǒng)應(yīng)用連軋機(jī)連軋機(jī)切削機(jī)切削機(jī)床床造紙造紙機(jī)機(jī)紡織紡織機(jī)機(jī)家

9、用電器家用電器軍用軍用航空航天航空航天工業(yè)、農(nóng)業(yè)工業(yè)、農(nóng)業(yè)冰箱、空調(diào)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電腦洗衣機(jī)、電腦抽水泵抽水泵2、應(yīng)用、應(yīng)用例例1 轉(zhuǎn)盤速度控制轉(zhuǎn)盤速度控制+-例例：計算機(jī)磁盤驅(qū)動器計算機(jī)磁盤驅(qū)動器-+ft10第二層第二層 tz纜繩纜繩皮帶皮帶 tv計算機(jī)命令計算機(jī)命令 tt,例例2 2 電梯控制電梯控制0e電梯控制系統(tǒng)組成+-aRaLt0 tv0 tv1y 卷紙張力控制卷紙張力控制例3 卷紙張力控制例例4 4 機(jī)器人機(jī)器人太空探測機(jī)器人太空探測機(jī)器人) 3)(1(1 ss火火星星漫漫游游車車控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)KR(s)r(t)=t,t0+D(s)+-Y(s)1997年7月4日，美國“火

10、星探路者”飛抵火星考察?！盎鹦翘铰氛摺鄙蠄?zhí)行火星探測使命的索杰納火星車索杰納火星車，有如一臺微波爐一樣大小，質(zhì)量10.4千克，是一個有6個輪子的小機(jī)器人。 例5 灌裝流水線速度控制)(sG)(1(1pss+-R(s)Y(s)例6 電動汽車電動汽車由底盤、車身、蓄電池組、電動機(jī)、控制器和輔助設(shè)施六部分組成底盤、車身、蓄電池組、電動機(jī)、控制器和輔助設(shè)施六部分組成。由于電動機(jī)具有良好的牽引特性，因此蓄電池汽車的傳動系統(tǒng)不需要離合器和變速器。車速控制由控制器通過調(diào)速系統(tǒng)改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)。蓄電池向電動機(jī)提供電能來驅(qū)動汽車。在制動或減速時，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)來回收能量。電動汽車具有零排放、低噪音、加速

11、性能好、怠速零能耗等特點(diǎn)，性能優(yōu)勢逐漸凸顯。例7 線路板裝配機(jī)器人 3D3D打印機(jī)打印機(jī)例8me L m mddJ TTDKt 3D 打印關(guān)鍵技術(shù)3D 打印需要依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)：信息技術(shù)：信息技術(shù)： 要有先進(jìn)的設(shè)計軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并且根據(jù)模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向。精密機(jī)械：精密機(jī)械： 3D 打印以每層的疊加為加工方式。要生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品，必須對打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求。材料科學(xué)：材料科學(xué)： 用于3D 打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。

12、3 3、發(fā)展趨勢、發(fā)展趨勢 高頻化：高頻化：在功率驅(qū)動裝置中，低頻的半控器件晶閘管在中小功率范圍將被高頻的全控器件P-MOSFET、IGBT等所代替，這樣既可以提高系統(tǒng)性能，又可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 交流化：交流化：交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。 網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)化：運(yùn)動控制系統(tǒng)正在由簡單的單機(jī)控制系統(tǒng)走向多機(jī)多種控制過程協(xié)調(diào)的系統(tǒng)集成階段。四、運(yùn)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律四、運(yùn)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動方程式基本運(yùn)動方程式mmddtmmJ2機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量（k g m ）； 轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度（r a d / s ） 轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角（r a d ）LTTDKe-電 磁

13、轉(zhuǎn) 矩 （ N m） ；-負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 （ N m）阻 轉(zhuǎn) 矩 阻 尼 系 數(shù) ；扭 轉(zhuǎn) 彈 性 阻 尼 系 數(shù) 。2eLd3 7 5 dGDnTTt忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，得簡化的基本運(yùn)動方程式：簡化的運(yùn)動控制系統(tǒng)簡化的運(yùn)動控制系統(tǒng)基本運(yùn)動方程式基本運(yùn)動方程式meLddJTTtgJGD42mmJ2機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量（k g m ）； 轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度（r a d / s ） 轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角（r a d ）或國際單位工程單位制2( Nm)轉(zhuǎn)動慣量（飛輪力矩）m602n轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速（r/min)運(yùn)動控制的核心問題運(yùn)動控制的核心問題gJGD42運(yùn)動控制任務(wù)：運(yùn)動控制任務(wù)：控

14、制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動控制的核心問題是運(yùn)動控制的核心問題mmJ2機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量（k g m ）； 轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度（r a d / s ） 轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角（r a d ）要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機(jī)的機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化律變化 為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵芯，在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的芯，在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時也控制磁電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時也控制磁通（或磁

15、鏈）。通（或磁鏈）。磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要五、生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性五、生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 對于運(yùn)動控制系統(tǒng)來說，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩是一個必然存在的不可控擾動輸入擾動輸入。幾種典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性：幾種典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性： 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 恒功率負(fù)載特性 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性1. 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)LT 常 數(shù)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載LLmmPT常 數(shù)2. 恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載特性特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，功率為常數(shù)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，功率為常數(shù)LL602PTnn常數(shù)或或0TL,nm3.

16、 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比22mLnT NoImage教教 材材 電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)( (第第4 4版）版）阮毅阮毅 陳伯時陳伯時 主編主編20102010年年1 1月月l本書適用于高等院校電氣工程與自動化、本書適用于高等院校電氣工程與自動化、電氣工程及其自動化、自動化專業(yè)電氣工程及其自動化、自動化專業(yè)本科本科“運(yùn)動控制系統(tǒng)運(yùn)動控制系統(tǒng)”或或“電力拖動自動控制電力拖動自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)”課程教學(xué)。課程教學(xué)。l可作為電力電子與電力傳動、工業(yè)自動化可作為電力電子與電力傳動、工業(yè)自動化等相關(guān)學(xué)科碩士研究生用書，還可供從事等相關(guān)學(xué)科碩士研究生用書，還可供從事電力拖動控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。電力拖動控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。主要章節(jié)主要章節(jié)l 第第1篇篇 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第4章章 可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可逆控制和弱磁