運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課件：第1章 緒論(Introduction)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)MotionControlSystems第1章緒論(Introduction)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史、發(fā)展及應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（automaticcontrolsystems）是在無(wú)人直接參與下可使生產(chǎn)過(guò)程或其它過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)

按被控對(duì)象的工藝過(guò)程分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：

過(guò)程控制系統(tǒng)：對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置(或姿態(tài))、速度或轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行控制，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。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(dòng)機(jī)等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

以表征生產(chǎn)過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)?！斑^(guò)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(guò)程。表征過(guò)程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。電力拖動(dòng)

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的控制是相當(dāng)普遍的，如各類機(jī)器人、自動(dòng)裝配生產(chǎn)線、各種加工機(jī)床、電動(dòng)機(jī)車、磁懸浮、紡織機(jī)、起重機(jī)、水泵等。這些設(shè)備都需要對(duì)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)速度或位移進(jìn)行控制。要使生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)力水力、風(fēng)力、熱力、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(dòng)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(dòng)機(jī)等。電力拖動(dòng)電能是最普遍的能源，以電機(jī)為動(dòng)力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)電力拖動(dòng)水力、風(fēng)力、熱力、電力等通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、頻率等輸入量，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(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。一、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以計(jì)算機(jī)和其它電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，以自動(dòng)控制理論和信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為研究和開(kāi)發(fā)的工具。交叉綜合學(xué)科運(yùn)動(dòng)控制電力電子技術(shù)電機(jī)學(xué)微電子技術(shù)信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合學(xué)科。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類（1）按被控物理量分:調(diào)速系統(tǒng);位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）（2）按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分:直流傳動(dòng)系統(tǒng)；交流傳動(dòng)系統(tǒng)（3）按控制器的類型分:

模擬控制系統(tǒng);數(shù)字控制系統(tǒng)（4）按控制原理的不同分：PID控制系統(tǒng)；自適應(yīng)控制系統(tǒng)；智能控制系統(tǒng)等

二、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理給定控制器功率放大與變換電動(dòng)機(jī)及生產(chǎn)機(jī)械電網(wǎng)+-

信號(hào)處理ω,θ或T傳感器控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)電力電子技術(shù)電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成控制器——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。功率驅(qū)動(dòng)裝置——一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用于電動(dòng)機(jī)上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電。（功率變換；性質(zhì)變換）電動(dòng)機(jī)——?jiǎng)t按供電大小拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)。信號(hào)檢測(cè)與處理——反饋電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào)。三、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用

及發(fā)展趨勢(shì)1、發(fā)展過(guò)程19世紀(jì)80年代前——直流電氣傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。19世紀(jì)末——交流電——鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)

——交流電氣傳動(dòng)得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)30年代——直流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代以后——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。電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)帶動(dòng)了新一代交流調(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(dòng)天下的格局。進(jìn)入21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(zhēng)的事實(shí)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用連軋機(jī)切削機(jī)床造紙機(jī)紡織機(jī)家用電器軍用航空航天工業(yè)、農(nóng)業(yè)冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電腦抽水泵2、應(yīng)用例1轉(zhuǎn)盤速度控制控制裝置放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)直流電機(jī)對(duì)象轉(zhuǎn)臺(tái)傳感器轉(zhuǎn)速計(jì)預(yù)定速度(電壓)+-偏差測(cè)量速度(電壓)實(shí)際速度(b)框圖模型例：計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器直流放大器-+電池速度設(shè)置(a)轉(zhuǎn)臺(tái)速度控制的閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速計(jì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)速度turntable電梯第一層第二層第三層電梯支撐纜繩皮帶馬達(dá)計(jì)算機(jī)命令例2電梯控制電梯控制系統(tǒng)組成放大器整流器+-卷進(jìn)軸電機(jī)電機(jī)卷開(kāi)軸線性偏差轉(zhuǎn)換器

卷紙張力控制例3卷紙張力控制例4機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人食品包裝機(jī)器人裝配機(jī)器人太空探測(cè)機(jī)器人火星漫游車控制系統(tǒng)K漫游車R(s)r(t)=t,t≥0++D(s)+-Y(s)車的位置1997年7月4日，美國(guó)“火星探路者”飛抵火星考察?！盎鹦翘铰氛摺鄙蠄?zhí)行火星探測(cè)使命的索杰納火星車，有如一臺(tái)微波爐一樣大小，質(zhì)量10.4千克，是一個(gè)有6個(gè)輪子的小機(jī)器人。

例5灌裝流水線速度控制控制器電機(jī)和螺旋機(jī)構(gòu)+-R(s)Y(s)速度例6電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車由底盤、車身、蓄電池組、電動(dòng)機(jī)、控制器和輔助設(shè)施六部分組成。由于電動(dòng)機(jī)具有良好的牽引特性，因此蓄電池汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)不需要離合器和變速器。車速控制由控制器通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)。蓄電池向電動(dòng)機(jī)提供電能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。在制動(dòng)或減速時(shí)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)來(lái)回收能量。電動(dòng)汽車具有零排放、低噪音、加速性能好、怠速零能耗等特點(diǎn)，性能優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。例7

線路板裝配機(jī)器人

3D打印機(jī)例8美國(guó)研發(fā)3D打印術(shù)：24小時(shí)造出232平米樓房。3D打印關(guān)鍵技術(shù)3D打印需要依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)：信息技術(shù)精密機(jī)械材料科學(xué)未來(lái)3D打印關(guān)鍵技術(shù)突破將主要集中在精度、效率、材料三個(gè)方面。3、發(fā)展趨勢(shì)高頻化：在功率驅(qū)動(dòng)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：交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。數(shù)字化：以DSP控制器構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以滿足任意場(chǎng)合的要求，是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。網(wǎng)絡(luò)化：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正在由簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng)走向多機(jī)多種控制過(guò)程協(xié)調(diào)的系統(tǒng)集成階段。四、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，得簡(jiǎn)化的基本運(yùn)動(dòng)方程式：簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本運(yùn)動(dòng)方程式或國(guó)際單位工程單位制——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（飛輪力矩）——轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速（r/min)運(yùn)動(dòng)控制的核心問(wèn)題運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)：控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的核心問(wèn)題要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化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)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。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

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入。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)載特性特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載2.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)或0TL,nωm例如：各種薄膜的卷取機(jī)械、機(jī)床主軸等——在不同的轉(zhuǎn)速下,負(fù)載的功率基本恒定，轉(zhuǎn)矩大體與轉(zhuǎn)速成反比。3.風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比教材電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版）阮毅陳伯時(shí)主編2010年1月本書(shū)適用于高等院校電氣工程與自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)本科“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”或“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)。可作為電力電子與電力傳動(dòng)、工業(yè)自動(dòng)化等相關(guān)學(xué)科碩士研究生用書(shū)，還可供從事電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。主要章節(jié)第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第3章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)第4章可逆控