運動控制系統(tǒng)課件

緒論緒論一。什么是運動控制系統(tǒng)？

運動控制系統(tǒng)（MotionControlSystem）也可稱作電力拖動控制系統(tǒng)（ControlSystemsofElectricDrive）運動控制系統(tǒng)－－通過對電動機電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應用的需要。工業(yè)生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展對運動控制系統(tǒng)提出了日益復雜的要求，同時也為研制和生產(chǎn)各類新型的控制裝置提供了可能。一。什么是運動控制系統(tǒng)？二.機電運動控制必要性—體現(xiàn)在對機電運動系統(tǒng)的調(diào)速和控制上1.滿足生產(chǎn)過程及生產(chǎn)工藝要求例1:車床粗加工(毛坯):速度低,吃力大控制驅(qū)動電機運行在低速,大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)精加工(光刀):速度高,吃力淺控制電機運行在高速,小轉(zhuǎn)矩狀態(tài)二.機電運動控制必要性—體現(xiàn)在對機電運動系統(tǒng)的調(diào)速和控制上例2:電動車輛(電動汽車.輕軌電車,電力機車等)上坡:低速,大轉(zhuǎn)矩(恒轉(zhuǎn)矩運行)平路:高速,小轉(zhuǎn)矩(恒功率運行)下坡:再生(動能回饋)制動(非機械抱閘)結論:提出了對電機實施電動/發(fā)電運行恒轉(zhuǎn)矩/恒功率運行例2:電動車輛(電動汽車.輕軌電車,電力機車等)例3:軋鋼機穩(wěn)態(tài)時,速度n穩(wěn)定“咬剛”時,動態(tài)速降小,恢復時間短(提高生產(chǎn)效率),要求轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應快.能正/反轉(zhuǎn),電動/制動運行—四象限運行結論:提出了轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制,四象限運行要求,高性能機電運動控制.例3:軋鋼機穩(wěn)態(tài)時,速度n穩(wěn)定2.調(diào)速節(jié)能—風機/水泵類負載驅(qū)動

2.調(diào)速節(jié)能—風機/水泵類負載驅(qū)動

常規(guī)調(diào)節(jié)流量Q方式:電機恒速n=c

風機—調(diào)節(jié)擋風板開度水泵---調(diào)節(jié)閥門開工節(jié)能調(diào)節(jié)方式:取消閥門,擋板(全開),調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)流量耗能調(diào)節(jié)方式.常規(guī)調(diào)節(jié)流量Q方式:電機恒速n=c耗能調(diào)節(jié)方式.結論:(1)風機/水泵類調(diào)轉(zhuǎn)速調(diào)流量時可節(jié)能.(2)節(jié)能率達30~20%額定功率(3)是一種改變運行方式的”調(diào)速節(jié)能”,比提高電機設計效率更有效.結論:二。運動控制及其相關學科

現(xiàn)代運動控制已成為電機學、電力電子技術、微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科二。運動控制及其相關學科

現(xiàn)代運動控制已成為電機學、電力電1．電機學－－電動機是運動控制系統(tǒng)的控制對象 電動機的結構和原理決定了運動控制系統(tǒng)的設計方法和運行性能，新型電機的發(fā)明就會帶出新的運動控制系統(tǒng)。2．電力電子技術－－以電力電子器件為基礎的功率放大與變換裝置是弱電控制強電的媒介，是運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行手段。在運動控制系統(tǒng)中作為電動機的可控電源，其輸出電源質(zhì)量直接影響運動控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性能。新型電力電子器件的誕生必將產(chǎn)生新型的功率放大與變換裝置，對改善電動機供電電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)運行性能，起到積極的推進作用。1．電機學－－電動機是運動控制系統(tǒng)的控制對象3．微電子技術－－控制基礎 微電子技術的快速發(fā)展，各種高性能的大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路層出不窮，方便和簡化了運動控制系統(tǒng)的硬件電路設計及調(diào)試工作，提高了運動控制系統(tǒng)的可靠性。高速、大內(nèi)存容量、多功能的微處理器或單片微機的問世，使各種復雜的控制算法在運動控制系統(tǒng)中的應用成為可能，并大大提高了控制精度。4．計算機控制技術－－系統(tǒng)控制核心

(1)計算機控制

(2)計算機仿真

(3)計算機輔助設計3．微電子技術－－控制基礎計算機具有強大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計算和處理、信息傳輸?shù)饶芰?，能進行各種復雜的運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律，達到模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)的控制功能和效果。計算機控制技術的應用使對象參數(shù)辨識、控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定和自學習、智能控制、故障診斷等成為可能，大大提高了運動控制系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)的可靠性。在工程實際中，對于一些難以求得其精確解析解的問題，可以通過計算機求得其數(shù)值解，這就是計算機數(shù)字仿真。計算機數(shù)字仿真具有成本低，結構靈活，結果直觀，便于貯存和進行數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點。計算機輔助設計(CAD)是在數(shù)字仿真的基礎上發(fā)展起來的，在系統(tǒng)數(shù)學模型基礎上進行仿真，按給定指標尋優(yōu)進行計算機輔助設計，已成為運動控制系統(tǒng)常用的分析和設計工具。計算機具有強大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計算和處理、信息傳輸?shù)饶芰Γ苄盘枡z測與處理技術－－控制系統(tǒng)的“眼睛”運動控制系統(tǒng)的本質(zhì)是反饋控制，即根據(jù)給定和輸出的偏差實施控制，最終縮小或消除偏差，運動控制系統(tǒng)需通過傳感器實時檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，構成反饋控制，并進行故障分析和故障保護。由于實際檢測信號往往帶有隨機的擾動，這些擾動信號對控制系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不利的影響，嚴重時甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證系統(tǒng)安全可靠的運行，必須對實際檢測的信號進行濾波等處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，傳感器輸出信號的電壓、極性和信號類型往往與控制器的需求不相吻合。所以，傳感器輸出信號一般不能直接用于控制，需要進行信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。信號檢測與處理技術－－控制系統(tǒng)的“眼睛”6．控制理論－－系統(tǒng)分析和設計的依據(jù) 控制理論是運動控制系統(tǒng)的理論基礎，是指導系統(tǒng)分析和設計的依據(jù)。控制系統(tǒng)實際問題的解決常常能推動理論的發(fā)展，而新的控制理論的誕生，諸如非線性控制、自適應控制、智能控制等，又為研究和設計各種新型的運動控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。6．控制理論－－系統(tǒng)分析和設計的依據(jù)

經(jīng)典控制理論—PID調(diào)節(jié)技術現(xiàn)代控制理論---模型參考自適應控制,滑模變結構控制.

智能控制理論----模糊控制,專家系統(tǒng),人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制經(jīng)典控制理論—PID調(diào)節(jié)技術運動控制系統(tǒng)課件三。運動控制系統(tǒng)及其組成

三。運動控制系統(tǒng)及其組成

1．電動機－－運動控制系統(tǒng)的控制對象（1）直流電動機－－結構復雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的轉(zhuǎn)速與容量。優(yōu)點：易于控制。（2）交流異步電動機－－結構簡單、制造容易，無需機械換向器，其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動機。（3）同步電動機－－轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，具有機械特性硬，在恒頻電源供電時調(diào)速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動機的調(diào)速，還解決了其起動和失步問題，有效地促進了同步電動機在運動控制中的應用。2．功率放大與變換裝置－－執(zhí)行手段

電力電子器件組成電力電子裝置。1．電動機－－運動控制系統(tǒng)的控制對象電力電子器件：第一代：半控型器件，如SCR，方便地應用于相控整流器(AC→DC)和有源逆變器(DC→AC)，但用于無源逆變(DC→AC)或直流PWM方式調(diào)壓（DC→DC）時，必須增加強迫換流回路，使電路結構復雜。第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等。此類器件用于無源逆變(DC→AC)和直流調(diào)壓（DC→DC）時，無須強迫換流回路，主回路結構簡單。另一個特點是可以大大提高開關頻率，用脈寬調(diào)制（PWM）技術控制功率器件的開通與關斷，可大大提高可控電源的質(zhì)量。電力電子器件：第三代：特點是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動、保護功能的復合功率模塊，提高了使用的安全性和可靠性。3．控制器：(1)模擬控制器

:模擬控制器常用運算放大器及相應的電氣元件實現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點，其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。(2)數(shù)字控制器

:硬件電路標準化程度高、制作成本低、而且不受器件溫度漂移的影響?？刂埔?guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改起來靈活方便。此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器無法實現(xiàn)的功能。第三代：特點是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動、保護功能的復合功4．信號檢測與處理－傳感器

運動控制系統(tǒng)中常用的反饋信號是電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置，為了真實可靠地得到這些信號，并實現(xiàn)功率電路（強電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應的傳感器。

精度－信號傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統(tǒng)的準確性。 濾波－信號濾波，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構成的濾波電路，而計算機數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計算機軟件數(shù)字濾波相結合的方法。4．信號檢測與處理－傳感