运动控制系统
运动控制系统概述
性能测试与评价：研究控制系统或控制元件在不同负载工况下的静动态 特性试验测试方法，以及性能评价与故障诊断等。
1.2、运动控制系统基本组成原理
系统静动态性能测试、 故障诊断和性能评价
控制器与控 制方法
驱动器
电力驱动元件、 驱动技术
扰动 执行机构
电动、液压、气动
负载
反馈元件
二、运动控制系统分类及特点
2.2 运动控制系统特点
运动控制系统运动规律复杂、速度响应快（大约在几～ 几十毫秒内）、负载变化大等。 对于电机驱动的运动控制系统特点：传输方便、速度高。 低速性能差、滞回和非线性较大。 对于液动伺服系统的特点：功率密度大、负载能力强、响 应快、低速平稳。泄漏、传输不方便。 对于气动伺服系统的特点：便于实现直线运动、比液压系 统传输方便。负载能力差、精度低、响应慢。
三、运动控制系统的应用与发展
3.1 应用 运动控制系统应用非常广泛：武器装备、机器人、工业
加工机床、冶金轧钢、交通工具、民用等各个领域。 3.2 发展 特种执行器（压电、人工肌肉、热敏、超音速电机、DDR 直驱电机、直线电机） 高功率密度执行机构（新材料，新结构、体积小、重量轻、 功率大） 非线性、滞回、死区控制方法 强耦合、过驱动复杂运动控制 超大功率驱动控制
传感器采集与 信号处理
二、运动控制系统分类及特点
2.1 运动控制系统分类 （1）按照执行机构的类型分：
电动、液动和气动
（2）按照被控物理量分： 位置（角位置）、速度（角速度）、力（力矩、压力）
（3）按照运动规律分：
点位控制系统、轨迹控制控制系统、随动控制系统
（4）按照控制器类型分：
模拟控制系统、数字控制系统
《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。
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。
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
1运动控制系统组成：电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器任务：通过控制电动机电压、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的需要。
20 抑制电流脉动的措施：增加整流电路相数或采用多重化技术，设置电感量足够大的平波电抗器。
2转速控制的要求：（1）调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速（2）稳速：在一定的精度所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量（2）加减速：频繁启动、制动的设备要求加速减速尽量快以提高生产率，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求启动制动尽量平稳。
3 直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两个部分：静态主要性能指标有调速范围D、静差率s、ΔnN。
动态性能指标分成跟随性能指标和抗扰性能指标。
给定控制信号作用下的动态性能指标有上升时间tr、超调量σ和峰值时间tp和调节时间ts。
扰动信号作用下的动态性能指标有动态降落ΔCmax和恢复时间tv。
3稳态性能指标：调速范围、静差率。
调速范围是最高转速nmax与最低转速nmin之比，静差率是指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所对应的转速降落Δn N与理想空载n0之比。
D=n N s /Δn N(1-s) Δn N =RId/Ce4反馈控制系统的作用：抵抗扰动，服从给定。
5比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够调高调速范围，为此需设置电压放大器和转速检测装置。
（1）闭环系统静特性比开环系统机械特性要硬的多（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
6开环系统的转速降落Δn op=RId/Ce。
闭环系统的转速降落Δn cl=RId/Ce(1+K)。
调速范围开环D op=n N s/Δn op(1-s)，D cl=n N s/Δn cl (1-s)。
《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。
运动控制系统
Shanghai university
电力拖动自动控制系统
第
1
篇
直流拖动控制系统
Shanghai university
直流调速方法
根据直流电动机转速方程
U IR n K eΦ
式中 n — U— I — R— — Ke— （1-1）
转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。
Shanghai university
1.1.1 旋转变流机组（G-M系统）
Ward-Leonard系统
图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图
Shanghai university
• G-M系统特性
正向制动
n
正向电动
n1 n2
n0
-TL
O TL Te
Shanghai university
绪论
一。什么是运动控制系统？
运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力 拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive） 运动控制系统－－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。工业生产和科学 技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求， 同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。
Shanghai university
6．控制理论－－系统分析和设计的依据
控制理论是运动控制系统的理论基础，是指导系统分 析和设计的依据。控制系统实际问题的解决常常能推 动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性 控制、自适应控制、智能控制等，又为研究和设计各 种新型的运动控制系统提供了理论依据。
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案第一章：运动控制系统概述1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的作用1.3 运动控制系统的发展历程1.4 运动控制系统的应用领域第二章：运动控制系统的组成2.1 控制器2.2 执行器2.3 传感器2.4 驱动器2.5 运动控制器与执行器的接口第三章：运动控制算法3.1 PID控制算法3.2 模糊控制算法3.3 神经网络控制算法3.4 自适应控制算法3.5 预测控制算法第四章：运动控制系统的性能评估4.1 动态性能评估4.2 静态性能评估4.3 稳态性能评估4.4 鲁棒性评估4.5 节能性能评估第五章：运动控制系统的应用案例5.1 运动控制5.2 数控机床运动控制5.3 电动汽车运动控制5.4 无人机运动控制5.5 生物医学运动控制第六章：运动控制系统的建模与仿真6.1 运动控制系统的数学建模6.2 运动控制系统的计算机仿真6.3 仿真软件的选择与应用6.4 系统建模与仿真的实际案例6.5 建模与仿真在运动控制系统设计中的应用第七章：运动控制系统的故障诊断与容错控制7.1 运动控制系统的常见故障及诊断方法7.2 故障诊断算法及其在运动控制系统中的应用7.3 容错控制策略及其在运动控制系统中的应用7.4 故障诊断与容错控制在提高运动控制系统可靠性方面的作用7.5 故障诊断与容错控制的实际案例分析第八章：运动控制系统的优化与调整8.1 运动控制系统的性能优化方法8.2 控制器参数的整定方法8.3 系统调整过程中的注意事项8.4 优化与调整在提高运动控制系统性能方面的作用8.5 运动控制系统优化与调整的实际案例第九章：运动控制系统在工业中的应用9.1 运动控制系统在制造业中的应用9.2 运动控制系统在自动化生产线中的应用9.3 运动控制系统在技术中的应用9.4 运动控制系统在电动汽车技术中的应用9.5 运动控制系统在其他工业领域中的应用第十章：运动控制系统的发展趋势与展望10.1 运动控制系统技术的发展趋势10.2 运动控制系统在未来的应用前景10.3 我国运动控制系统产业的发展现状与展望10.4 运动控制系统领域的研究热点与挑战10.5 面向未来的运动控制系统教育与人才培养重点和难点解析重点一：运动控制系统的作用和应用领域运动控制系统在现代工业和科技领域中起着至关重要的作用。
运动控制系统
一、运动控制系统的定义与分类定义：以机械运动的驱动设备－－电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。
分类：（1）按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统叫随动系统（或伺服系统）。
（2）按驱动电动机的类型分：用直流电动机带动生产机械的为直流传动系统，用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统。
（3）按控制器的类型分：用模拟电路构成控制器的系统为模拟控制系统，用数字电路构成控制器的系统为数字控制系统。
二、直流调速方法答：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻R。
三、常用的可控直流电源答：（1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压四、三种调速方法的性能与比较答：对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
五、V-M系统的特点答：晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级, 这将大大提高系统的动态性能六、V-M系统的问题答：（1）由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的d V/d t与d i/d t 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。
（3）由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 了解运动控制系统的概念、组成和作用。
2. 掌握运动控制系统的分类及其原理。
3. 熟悉运动控制系统的应用领域和发展趋势。
4. 培养学生对运动控制系统的兴趣和创新能力。
二、教学内容1. 运动控制系统概述运动控制系统的定义运动控制系统的组成运动控制系统的功能2. 运动控制系统的分类开环运动控制系统闭环运动控制系统混合运动控制系统3. 运动控制系统的原理位置控制原理速度控制原理力控制原理4. 运动控制系统的应用领域工业数控机床电动汽车航空航天5. 运动控制系统的发展趋势智能化网络化绿色化三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的基本概念、原理和应用。
2. 案例分析法：分析具体运动控制系统的实例，加深学生对运动控制系统的理解。
3. 讨论法：引导学生探讨运动控制系统的发展趋势及其在我国的应用前景。
4. 实践操作法：安排实验室参观或动手实践，让学生亲身体验运动控制系统的工作原理。
四、教学安排1. 第1-2课时：运动控制系统概述2. 第3-4课时：运动控制系统的分类和原理3. 第5-6课时：运动控制系统的应用领域4. 第7-8课时：运动控制系统的发展趋势5. 第9-10课时：实验室参观或实践操作五、教学评价1. 课堂问答：检查学生对运动控制系统基本概念的理解。
2. 课后作业：巩固学生对运动控制系统知识的掌握。
3. 小组讨论：评估学生在探讨运动控制系统发展过程中的创新能力。
4. 实践报告：评价学生在实验室参观或实践操作中的表现。
六、教学资源1. 教材：《运动控制系统》2. 课件：运动控制系统的基本概念、原理、应用和趋势3. 视频资料：运动控制系统的实际应用案例4. 实验室设备：的运动控制系统实验装置5. 网络资源：关于运动控制系统的相关论文和新闻七、教学过程1. 导入：通过一个运动控制系统的实际应用案例，引发学生对运动控制系统的兴趣。
2. 讲解：结合教材和课件，详细讲解运动控制系统的基本概念、原理、应用和趋势。
运动控制系统的概念
运动控制系统的概念
运动控制（Motion Control）是自动化技术中的部分内容，是指让系统中的可动部分以可控制的方式移动的系统或子系统。
运动控制系统包括运动控制器（Motion Controller）、驱动器（Driver）、电机（Motor），可以是没有反馈信号的开环控制，也可以带有反馈信号的闭环控制，闭环控制也分为全闭环和半闭环控制。
控制器是可以产生控制目标（理想的输出或运动曲线），或是闭环控制系统中需要根据反馈信号运算调整执行速度和位置的器件。
驱动器是可以将控制器的控制信号转换为提供给电机能量的器件。
电机是实际使物体移动的装置，是运动控制的执行端。
执行端还包含编码器、减速机、导轨丝杆等机械装置。
分类
1、开环控制系统
控制器传输信号给驱动器，驱动器驱动电机运动，驱动器和控制器都无法知道电机是否达到预期的动作，典型的步进电机和风扇控制系统，是属于开环控制。
2、半闭环控制系统
对控制要求更准确的系统，在电机侧增加测量器件（如旋转编码器)，反馈信号进入驱动器和控制器中，让驱动器或控制器根据反馈调整电机的动作，使实际与命令的误差降到最小，如普通伺服电机控制系统。
3、全闭环控制系统
需要比半闭环更精准的运动系统，在执行端增加直线编码器，直接测量运动的实际位置，使执行更加准确，如直线电机控制系统。
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 了解运动控制系统的概念、组成和作用。
2. 掌握运动控制系统的常见类型及其原理。
3. 学会分析运动控制系统的性能指标。
4. 能够运用运动控制系统的基本原理解决实际问题。
二、教学内容1. 运动控制系统概述运动控制系统的定义运动控制系统的组成运动控制系统的应用领域2. 运动控制系统的类型模拟运动控制系统数字运动控制系统单片机运动控制系统计算机运动控制系统3. 运动控制系统的原理位置控制原理速度控制原理加速度控制原理4. 运动控制系统的性能指标稳态性能指标动态性能指标系统误差指标5. 运动控制系统的硬件组成控制器执行器反馈元件辅助元件三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的基本概念、原理和性能指标。
2. 案例分析法：分析实际运动控制系统的应用案例，加深学生对运动控制系统的理解。
3. 实验法：安排实验室实践环节，让学生亲自动手操作运动控制系统。
4. 小组讨论法：分组讨论运动控制系统的设计和优化方法。
四、教学资源1. 教材：《运动控制系统》2. 课件：运动控制系统的图片、图表、动画等。
3. 实验室设备：运动控制系统实验装置。
4. 网络资源：相关学术论文、企业案例等。
五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、实验报告等。
2. 考试成绩：期末考试，包括选择题、填空题、计算题和论述题。
3. 实践能力：实验室操作运动控制系统的表现。
4. 综合素质：小组讨论、课堂提问、问题解答等。
六、教学安排1. 课时：本课程共计32课时，包括16次课堂讲授，8次实验操作，8次小组讨论。
2. 授课方式：课堂讲授与实验操作相结合，小组讨论与个人作业相辅相成。
3. 进度安排：按照教材和课件内容，依次讲解各个章节，安排实验和小组讨论。
七、实验环节1. 实验目的：通过实际操作，让学生深入了解运动控制系统的原理和应用。
2. 实验内容：包括运动控制系统的搭建、调试和性能测试。
八、小组讨论1. 讨论主题：运动控制系统的设计与优化。
运动控制系统教学教案
运动控制系统教学教案一、教学目标1. 让学生了解运动控制系统的概念、组成和作用。
2. 使学生掌握运动控制系统的核心技术和应用领域。
3. 培养学生的动手实践能力和团队协作精神。
二、教学内容1. 运动控制系统概述运动控制系统的定义运动控制系统的组成运动控制系统的分类2. 运动控制系统的核心技术与原理位置控制技术速度控制技术力控制技术3. 运动控制系统的应用领域工业数控机床电动汽车生物医疗设备4. 运动控制系统的硬件组成控制器执行器传感器5. 运动控制系统的软件设计与编程软件设计流程编程语言与工具程序调试与优化三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的基本概念、原理和应用。
2. 案例分析法：分析实际应用中的运动控制系统案例，加深学生对知识的理解。
3. 实验法：引导学生动手实践，培养实际操作能力。
4. 小组讨论法：分组讨论问题，培养团队合作精神。
四、教学准备1. 教材：运动控制系统相关教材。
2. 课件：制作精美的课件，辅助教学。
3. 实验设备：运动控制系统实验装置。
4. 编程软件：运动控制系统编程软件。
五、教学评价1. 课堂表现：考察学生的出勤、发言、讨论等参与程度。
2. 课后作业：布置相关练习题，检验学生对知识的掌握。
3. 实验报告：评估学生在实验过程中的操作技能和问题解决能力。
4. 期末考试：全面测试学生的运动控制系统知识水平和应用能力。
六、教学安排1. 课时：本课程共32课时，包括16次课，每次2课时。
2. 授课方式：理论课与实验课相结合，各占一半课时。
3. 授课顺序：先讲解基本概念和原理，进行案例分析，进行实验操作。
七、教学案例1. 案例一：工业关节运动控制学习目标：了解工业的运动控制系统及其编程。
案例内容：分析工业的关节运动控制原理，学习相关编程指令。
2. 案例二：数控机床速度控制学习目标：掌握数控机床的速度控制方法。
案例内容：探讨数控机床速度控制的技术要点，分析实际应用中的问题。
八、实验环节1. 实验一：运动控制系统基本原理验证实验目的：验证运动控制系统的原理和功能。
运动控制系统总结
• 电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外 环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环 为典型II型系统。
图3-26 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性 I——电流内环 n——转速外环
（3）内、外环开环对数幅频特性的比较 • 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控
• 准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2 计算出来的，即 Tt M2/ f0，
• 电动机转速为
n 60 60 f0 ZTt ZM2
（2-80）
• T(M法2-测1)速时的转分速辨的率变定化义量为，时钟脉冲个数由M2变成
Q 6f0 0 6f0 0 6f0 0 Z(M 21 ) Z2 MZ2 M (M 21 )
h
3
4
5
6
7
Hale Waihona Puke 89 1052.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3%
tr / T 2.4 2.65 2.85 3.0 3.1 3.2 3.3 3.35
ts / T 12.15 11.65 9.55 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20
异步电动机传递的电磁功率
Pm
3I
'2 r
Rr'
s
机械同步角速度
m1
1
np
异步电动机的机械特性
异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）
Te
Pm
m1
3np
1
Ir'2
Rr' s
1Rs
3npUs2Rr' /s
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，以满足生产工艺与其他应用的需要。
（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。
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 了解运动控制系统的概念、组成和作用。
2. 掌握运动控制系统的分类及其特点。
3. 熟悉运动控制系统的主要组成部分及其功能。
4. 理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与组成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与特点2.1 模拟运动控制系统2.2 数字运动控制系统2.3 现代运动控制系统3. 运动控制系统的主要组成部分及其功能3.1 控制器3.2 执行器3.3 传感器3.4 反馈环节4. 运动控制系统在实际应用中的重要性4.1 运动控制系统在工业生产中的应用4.2 运动控制系统在交通运输中的应用4.3 运动控制系统在生物医学中的应用三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的概念、组成、分类、特点及应用。
2. 案例分析法：分析实际应用中的运动控制系统案例，加深学生对运动控制系统的理解。
3. 讨论法：组织学生就运动控制系统相关问题进行讨论，提高学生的思考能力。
四、教学准备1. 教材：《运动控制系统》相关章节。
2. 课件：制作涵盖教学内容的课件。
3. 案例材料：收集运动控制系统在实际应用中的案例。
五、教学过程1. 导入：简要介绍运动控制系统的基本概念，激发学生兴趣。
2. 讲解：详细讲解运动控制系统的组成、分类、特点及应用。
3. 案例分析：分析实际应用中的运动控制系统案例，让学生理解运动控制系统的作用。
4. 讨论：组织学生就运动控制系统相关问题进行讨论，提高学生的思考能力。
6. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、教学评估1. 课堂问答：通过提问方式检查学生对运动控制系统概念、组成、分类和应用的理解。
2. 练习题：布置课后练习题，评估学生对运动控制系统知识的掌握程度。
3. 案例分析报告：评估学生在案例分析环节的思考深度和分析能力。
七、教学拓展1. 介绍运动控制系统领域的最新研究成果和技术发展动态。
运动控制系统
(1). 跟随性能指标： 在给定信号或参考输入信号的作用下， 系统输出量的变化情况可用跟随性能指 标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指 标有 tr — 上升时间 — 超调量 ts — 调节时间
• 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标
C
N
C 1
±5%（或±2%） Cb
N
Cmax
C2
一.运动控制系统概述
运动控制系统的发展趋势：
驱动的交流化 驱动系统的高速化和超小、超大型化 高转速－－上万转／分钟 超小型化－－应用于微型机器人、微型飞行器 超大型化－－数MKW 系统的集成化 控制的数字化、智能化和网络化
二.控制系统的计算机仿真
控制系统计算机仿真的基本概念 1.计算机仿真是用来帮助设计人员进行设计的一种新技术，它 包含控制系统分析、综合、设计、检验等多方面的计算机处 理。计算机仿真是基于计算机的高速而精确的计算，来实现 各种功能的。 2.自动控制系统的计算机仿真，是一门涉及到计算机技术、计 算数学与控制理论、系统辨识、控制工程以及系统科学的综 合性学科。他为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以 及自动控制的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学以及 有效的手段. 3.应用MATLAB的TOOLBOX工具箱及其SIMULINK仿真集 成环境作仿真工具，这就是MATLAB仿真。它是控制系统 计算机仿真一个特殊软件工具的子集.
调速系统静态指标
调速范围： 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之 比叫做调速范围，用字母 D 表示，即
nmax D nmin
（1-31）
其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转 速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床， 也可用实际负载时的转速。
《运动控制系统》期末复习资料
第1章绪论1.什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。
运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。
2.运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。
3.运动控制系统的基本运动方程式：第2章转速反馈控制的直流调速系统1.晶闸管-电动机（V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。
2.V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。
3.稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。
D =??(1-??)，额定速降??，D =????，s =????04.闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5.反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。
积分控制规律：t 0n cd 1tU U 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6.有静差、无静差的主要区别：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
比例积分放大器的结构：PI 调节器7.数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。
8.电流截止负反馈的原理：采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。
电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9.脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。
10.直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
运动控制系统的简介摘要: 本文介绍了运动控制的定义，产生背景，发展与应用历程，以及与其他学科的联系。
对其某些控制手段和方式进行简单介绍，其中矢量控制篇幅较多。
关键词运动控制；控制方式；矢量控制；直接转矩控制1.运功控制背景运动控制起源于早期的伺服控制。
“伺服”(Servo)一词最早出现在1873年法国工程师Farcot的一本书《Le Servo-Motor on Moteur Asservi》，描述了在轮船引擎上由蒸汽驱动的伺服马达的工作原理。
H.Hazen完成了伺服控制理论的基础研究并发表在1934年9月的Franklin Institute 杂志上。
1940年G.S. Brown在MIT创立了世界上第一个伺服机构实验室，并在1952研制出了世界上第一台数控铣床。
1958年Kearney &Trecker开发了NC加工中心，同年，日本富士通和牧野 FRAICE公司开发成功NC铣床。
1961 年G. Devol研制成功世界第一台机器人。
随后被称为机器人之父的G.T. Engeleberger将其商业化成立了世界第一家机器人公司Unimation。
1968年日本Kawasaki公司从Unimation 买进技术。
机器人技术体现了运动控制和驱动传感器以及运动机构一体化的新思想。
日本安川公司的工程师把这叫做机电一体化技术。
自1973 年的石油危机以后，电气伺服成为市场主导，随着微电子技术和微型计算机技术的发展，交流伺服日趋成熟，为适应市场的多品种小批量的需求，以计算机控制为核心的FMS (Flexible Manufacturing System) CIMS 和 FA (Factory Automation)技术应运而生(1975)。
为适应电子芯片制造的需求，机电一体化技术和运动控制技术被广泛应用。
由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987年，美国空军在美国政府资助下发表了著名的NGC下一代控制器研究计划，该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念,其内容之一便是提出了开放系统体系结构标准规格(OSACA)。
1996年开始，美国几个大的科研机构对NGC计划分别发表了相应的研究内容，由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了OMAC开放式模块化体系结构控制器，其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。
2.运动控制的定义动控制系统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。
3.运动控制系统组成4.运动控制手段运动控制研究的是对电机转速的控制，即对电机进行调速。
电机的速度变化是在某条机械特性下，由于负载改变而引起的，而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。
一般，有三种调节电动机转速的方法：调节电枢供电电压、改变电枢回路电阻、减弱励磁磁通，其调速特点分别如下：4.1调压调速工作条件是保持励磁Φ和电阻R不变，调节过程：改变电压UN→U↓→n↓，n0↓。
这种调节方式的调速特性是转速下降，机械特性曲线平行下移。
4.2调阻调速工作条件保持励磁Φ和电压U不变，调节过程：增加电阻Ra→R↑→n↓，n0不变，这种调节方式的调速特性是转速下降，机械特性曲线变软。
4.3调磁调速工作条件是保持电压U和电阻不变，调节过程为：减小励磁Φn →Φ↓→ n↑，n0↑，这种调节方式的调速特性是转速上升，机械特性曲线变软。
三种调速方法的性能与比较：改变电阻只能有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上作小范围的弱磁升速，调压调速能在较大的范围内无级平滑调速5.开环与闭环运动控制方式5.1开环控制和闭环控制系统开环控制是没有反馈控制的方式，闭环控制是通过反馈作用，通过偏差调节，最终消除偏差的控制方式。
反馈控制系统的规律是，一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。
5.2开环控制和闭环控制比较在工作原理上，开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差。
控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。
合闭环控制系统不管外部扰动或系统内部变化，只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。
控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。
因此，一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些场合。
在结构组成上，开环系统没有检测设备，组成简单，但选用的元器件要严格保证质量要求。
闭环系统具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。
在稳定性的要求上，开环控制系统的稳定性比较容易解决。
闭环系统中反馈回路的引入增加了系统的复杂性。
6.运动控制的双闭环调速方式由于开环调速系统无法满足人们期望的性能指标，转速单闭环调速系统能够提高调速系统的稳态性能，但动态性能仍不理想。
因此，采用转速、电流双闭环调速系统。
转速、电流双闭环调速系统的组成是把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
在负载电流小于I dm时表现转速负反馈起主要调节作用，当负载电流达到I dm后，转速调节器饱和，电流调节器起调节作用，电流调节器ACR的作用。
转速调节器ASR的作用一是它使转速n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差，即速度调节。
二是其输出限幅值决定电机允许的最大电流，即限制电机最大电流。
一是作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化，即跟随作用。
二是对电网电压的波动起及时抗扰的作用，即抗扰作用。
三是在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程，即加快动态过程。
四是当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的，即过流自动保护作用7.矢量控制产生由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。
7.1矢量控制实现的基本原理矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
7.2基于转差频率控制的矢量控制方式基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。
基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。
早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。
7.3无速度传感器的矢量控制方式无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。
实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。
它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。
7.4矢量控制方式的效果采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。
目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。
为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。
以异步电动机的矢量控制为例：首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的．一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流．然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度．最后，再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能．8.直接转矩控制直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。
和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。
8.1直接转矩控制方法直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。