运动控制系统(第4版)第1章 绪论
电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章绪论
随着环保意识的提高，电力拖动 自动控制系统将更加注重节能减 排和资源循环利用，实现绿色环 保的生产方式。
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提高产品质量
自动化控制能够减少人为误差，提高 产品加工精度和一致性，从而提高产 品质量。
提升工业安全
自动化控制能够减少人工操作，降低 操作风险，提升工业安全。
电力拖动自动控制系统在工业中的应用案例
数控机床
自动化生产线
电力拖动自动控制系统用于数控机床的进 给轴、主轴等部分，实现高精度、高效率 的加工。
重要性
在现代工业生产中，电力拖动自动控制系统已成为不可或缺的重要技术手段， 它能够提高生产效率、降低能耗、保证产品质量和生产安全，对于实现工业自 动化和智能化具有重要意义。
电力拖动自动控制系统的历史与发展
历史
电力拖动自动控制系统的发展可以追溯到20世纪初，随着电力技术和控制理论的 发展，电力拖动自动控制系统经历了从简单到复杂、从手动到自动的演变过程。
重要性
在现代工业自动化生产中，运动控制 系统扮演着至关重要的角色，它能够 提高生产效率、降低能耗、提升产品 质量，是实现自动化生产的关键技术 之一。
运动控制系统的基本组成
控制器
用于接收输入信号，根据控制 算法计算输出信号，并输出到
执行机构。
执行机构
根据控制器输出的信号，驱动 电动机转动，实现运动控制。
特性。
交流电力拖动系统
采用交流电动机作为动力源，具有 结构简单、价格低廉、维护方便等 优点。
伺服电力拖动系统
采用伺服电动机作为动力源，具有 高精度、高响应速度和高稳定性的 特点，常用于精密控制领域。
电力拖动系统的基本特性
调速性能
1 运动控制系统及其组成
21
传感技术：检测技术
对电机中涉及的电流、电压、转速、
磁感应强度、电涡流等信号进行提取 和放大 滤波器的实现
22
控制算法实现平台：微电子技术
模拟控制器和滤波器：模拟电子技术 数字控制器滤波器：信号与系统、
数字信号处理、计算机控制、嵌入式 系统（单片机、DSP、FPGA）、C 语言
30
思考
对磁场进行测量可以采用什么原理的
传感器 DSP与普通单片机的区别
31
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第1章
绪论
1
1 运动控制系统及其 组成
2
1.1 现代运动控制系统实例
直流电机调速系统
3
无刷直流电机控制系统
4
交流电机变频调速系统
5
超声电机控制系统
6
超声电机控制器
7
相机用超声电机
8
直线型超声电机
9
大功率异步电机控制系统
10
1.2 运动控制系统及其组成
电力拖动自动控制系统运动控制系统第1章绪论11运动控制系统及其组成211现代运动控制系统实例直流电机调速系统3?无刷直流电机控制系统4?交流电机变频调速系统5?超声电机控制系统6?超声电机控制器7?相机用超声电机8?直线型超声电机9?大功率异步电机控制系统1012运动控制系统及其组成图12运动控制系统及其组成11现代运动控制技术电机学电力电子技术微电子技术计算机控制技术控制理论信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科
以matlab中的simulink为主
要仿真工具
29
主要参考资料
电机学：《电机及拖动基础》顾绳谷第四 版 自动控制：自动控制原理(胡寿松5版) 电力电子：电力电子技术（王兆安第4版） 《电力电子应用技术的MAtlab仿真》 林飞 《电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB仿真》 洪乃刚 2006年
绪 论
绪论0.1飞行控制系统简史1912年美国的Eimper Sperry和他的儿子Lawrence Sperry制成了世界上第一台自动驾驶仪。
该装置由两个双自由度陀螺、磁离合器以及用空气涡轮驱动的执行机构组成，用它可保持飞机稳定平飞。
早期飞机的自动控制就是用自动驾驶仪稳定飞机的角运动。
二次大战期间，美国制造了功能完善的电气式自动驾驶仪，其敏感元件是电动陀螺，采用电子管放大器和电动舵机。
二次大战后期，德国制造了V-1（飞航式）和V-2（弹道式）导弹，这种全自动飞行武器上的自动驾驶仪不仅可以稳定导弹飞行，而且更重要的是与弹上或地面其他装置耦合完成战斗任务。
二次大战后，飞机自动驾驶仪逐渐与机上其他装置耦合以控制航迹（定高或自动下滑），它既能稳定飞机，又能全面地控制飞机，直至全自动着陆。
50年代前自动驾驶仪主要用于运输机和轰炸机的平飞。
歼击机突破音障及飞行包线扩大后，飞机自身稳定性恶化，要求在机上安装飞行控制系统以改善飞机的稳定性。
于是从50年代起，歼击机安装上了阻尼器，利用速率陀螺测出飞机的振荡角速度，采用反馈控制增加飞机自身的阻尼，来阻止飞机的振荡，以消除飞机高空高速飞行时，由于阻尼性差而引起的机头摆动。
在阻尼器的基础上，引入更多的反馈，形成了增稳系统，它不仅能改善阻尼而且能改善飞机静稳定性。
由于阻尼、增稳系统在一定程度上削弱了飞机操纵反应的灵敏度，为解决稳定性与操纵性的矛盾，在50年代中期又出现了控制增稳系统。
这种系统除了反馈以外，还引入前馈。
控制增稳系统除具有增稳功能外，还增加了一个与机械操纵链并行工作的电气操纵链，因此它不仅改善了飞机的稳定性，还改善了操纵性。
60年代控制增稳系统全权限地操纵飞机时，它就发展成为电传操纵系统。
这时机械操纵系统已完成它的历史使命而退居到备用，甚至被取消的地位。
电传飞行控制系统在50年代就已出现，但由于电子、电气设备的可靠性不如机械系统，所以当时并未付诸使用。
60年代末随着电子技术的发展和集成电路的广泛使用，另外余度技术和容错技术的应用也逐渐成熟，使飞行控制系统在安全可靠性方面能与机械系统相比甚至有所超过。
运动控制系统专业选修课教学大纲
《运动控制系统》课程教学大纲Motion Control Systems适用于四年制本科电气工程及其自动化专业学分：2.5 总学时：40 理论学时：36 实验/实践学时：4 /0一、课程作用与目的本课程（运动控制系统）是电气工程及其自动化专业的一门专业选修课，在学生学习过多门专业基础课的基础上开设，是对电气工程及其自动化本科阶段所学知识的总结和提高。
课程涵盖知识的内容多，范围广，难度大，实用性强，能够培养学生对知识融会贯通的能力，提高学生综合应用理论知识解决实际问题的能力。
二、课程基本要求1. 第一篇（直流调速系统）重点在于掌握以直流电动机为对象组成的运动控制系统，包括单闭环调速系统、多环调速系统、可逆调速系统和直流脉宽调速系统的基本组成和控制规律、静态、动态性能分析及工程设计方法；2. 第二篇（交流调速系统）重点在于掌握以交流电动机为对象组成的运动控制系统，包括调压调速系统、串级调速系统和变频调速系统的基本组成、工作原理和性能特点及系统设计方法；并了解国内国际自动控制领域的前沿科技。
三、教材及主要参考书1. 使用教材《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》（第四版），机械工业出版社，阮毅.2010.2. 参考书[1]李宁.运动控制系统. 北京:高等教育出版社,2004[2]宋书中. 交流调速系统. 北京:机械工业出版社,2002[4]王成元. 现代电机控制技术. 北京:机械工业出版社,2009四、教学内容第一章绪论主要内容：运动控制系统的组成，运动控制系统的历史与发展，转矩控制规律，生产机械的负载转矩特性。
重点和难点：转矩控制规律。
第二章转速反馈控制的直流调速系统主要内容：直流调速的基本类型，直流调速系统用的可控直流电源，反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计，动态分析和设计，比例积分控制规律和无静差调速系统。
重点和难点：掌握反馈控制系统的稳态和动态分析与设计。
第三章转速、电流反馈控制的直流调速系统主要内容：双闭环直流调速系统的组成，静特性，数学模型和动态性能分析，调节器1的工程设计方法，按工程设计方法设计双闭环系统调节器，按离散控制系统设计数字控制器。
绪论
运动控制系统的控制器
两者系统特特点： 模拟控制器 并行运行，控制器的滞后时间小。 微处理器数字控制器 串行运行方式，其滞后时间比模拟控制 器大得多，在设计系统时应予以考虑。
运动控制系统的信号检测与处理
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
运动控制系统的控制器
模拟控制器 物理概念清晰、控制信号流向直观 控制规律体现在硬件电路 线路复杂、通用性差 控制效果受到器件性能、温度等因 素的影响
运动控制系统的控制器
以微处理器为核心的数字控制器
硬件电路标准化程度高 控制规律体现在软件上，修改灵活方便 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能
为了有效地控制电磁转矩，充分利 用电机铁芯，在一定的电流作用下 尽可能产生最大的电磁转矩，必须 在控制转矩的同时也控制磁通（或 磁链）。
1.4 生产机械的负载转矩特性
生产机械的负载转矩是一个必然存
在的不可控扰动输入。 归纳出几种典型的生产机械负载转 矩特性，实际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。
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式
d m J Te TL D m K m dt d m m dt
机械转动惯量、转子的机械角速度、电磁转矩、 机械转矩、阻转矩阻尼系数、扭转弹性转矩系数
1.3 运动控制系统的转矩控制规律
忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运
恒转矩负载
负载转矩的大小 恒定，称作恒转 矩负载 a）位能性恒 转矩负载 b) 反抗性恒转 矩负载
TL 常数
图1-3 恒转矩负载
《运动控制系统》课程教学大纲
《运动控制系统》教学大纲课程代码：ABJD0420课程中文名称：运动控制系统课程英文名称：MotionContro1System课程类型：限选课程学分数：2.5学分课程学时数：40学时适用专业：自动化专业先修课程：自动控制原理电力电子学电机与拖动基础等一、课程简介本课程的目的是综合运用自动控制元件、电力电子技术和自动控制原理等专业基础知识，通过学习运动控制系统的相关知识，使学生掌握运动控制系统的组成和控制规律；使学生掌握静动态特性以及控制系统的工程设计方法；使学生掌握分析、研究和设计各类运动控制系统的能力。
本课程秉承理论与实际相结合的理念，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计问题，以转矩和磁链（或磁通）控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序深入，论述系统的静动态性能。
着重培养学生的系统综合分析能力和解决工程实际问题的能力。
通过课程的学习，使学生掌握现代交、直流电动机控制理论和基本方法，获得运动控制系统的分析和设计计算能力。
二、教学基本内容和要求1 .绪论一运动控制系统基本知识课程教学内容：运动控制系统的组成、分类、主要应用领域及其发展历史，转矩与磁链控制规律，课程特点及学习意义。
课程的重点、难点：运动控制系统的组成部分。
课程教学要求：掌握运动控制系统的定义、结构、及其分类；理解运动控制的必要性；理解转矩与磁链控制规律；了解运动控制的主要应用领域；了解运动控制系统的发展历史及趋势2 .闭环控制的直流调速系统课程教学内容：直流调速系统用的可控直流电源；V-M系统的特殊问题；脉宽调制变换器及调速系统的特殊问题；反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计；反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计；比例积分控制规律和无静差调速系统；电压反馈、电流补偿控制的调速系统。
课程的重点、难点：反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计；反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计课程教学要求：掌握直流电动机的调速方法和调速系统结构特点；理解反馈控制规律；掌握晶闸管触发整流环节、PWM控制与变换器环节的数学模型；掌握闭环直流调速系统的静特性和稳态性能指标；掌握转速反馈控制直流调速系统的稳态结构图和稳态参数计算；掌握带电流截止反馈环节的调速系统静特性3 .转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法课程教学内容：转速、电流双闭环直流调速系统及其静态特性，∙双闭环调速系统的数学模型及其动态性能分析；调节器的工程设计方法；按工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器；转速超调的抑制一转速微分负反馈；弱磁控制的直流调速系统课程的重点、难点：双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器的工程设计方法课程教学要求：掌握转速、电流双闭环直流调速系统及其静态特性；掌握转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型与动态性能分析；掌握控制系统的动态性能指标和调速系统中调节器的工程设计方法4 .直流调速系统的数字控制课程教学内容：微型计算机数字控制的主要特点；微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件；数字测速；数字P1调节器课程的重点、难点：微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件设计课程教学要求：了解微型计算机数字控制的主要特点；掌握微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件；掌握M/T数字测速方法；理解数字P1调节器的设计方法及其饱和限幅作用5 .可逆直流调速系统和位置随动系统课程教学内容：可逆直流调速系统；位置随动系统。
电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章绪论
03 电力拖动系统基础知识
电力拖动系统概述
电力拖动系统的定义
利用电动机将电能转换为机械能，实 现对机械运动过程的控制。
电力拖动系统的组成
电力拖动系统的分类
根据电动机类型、传动方式和控制要 求等不同，可分为直流电力拖动系统 和交流电力拖动系统。
包括电动机、传动机构、控制设备和 电源等部分。
直流电机与交流电机原理及应用
插补功能
根据预设轨迹生成中间点，实 现平滑运动。
输入输出处理
接收外部信号并处理，输出控 制信号给执行器。
传感器与执行器
传感器类型
包括光电编码器、磁编码器、霍尔传感器等。
传感器与执行器的匹配
根据被控对象和控制要求选择合适的传感器 和执行器。
执行器类型
包括直流电机、交流电机、步进电机、伺服 电机等。
性能参数
为了提高跟踪精度和响应速度，常采 用先进的控制算法，如自适应控制、 滑模变结构控制等。
关节控制系统通过接收来自上位控制器的指 令，驱动伺服电机或步进电机等执行机构， 实现关节的精确角速度或角位移跟踪。
包装机械中物料传输线速度调节
包装机械中的物料传输线负责 将待包装物品传输到包装工位， 其速度调节对于保证包装效率 和质量至关重要。
智能化、网络化的发展推动了运 动控制系统的变革和升级，但同 时也需要解决相关的技术难题和
安全问题。
未来研究方向和热点问题探讨
新型传感器和执行器的研发与应用
探索新型传感器和执行器的原理、结构、制造工艺等关键技术，提高 其性能、可靠性和寿命。
先进控制策略的研究与优化
针对复杂非线性系统，研究更为先进的控制策略，提高系统的控制精 度和稳定性。
性能指标定义及分类
《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 =n N s∆n N (1−s) ，额定速降 ∆n N ，D =n maxn min ，s =∆n N n 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：⎰∆=t0n c d 1t U U τ 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。
电力拖动自动控制系统--运动控制系统第4版_思考题答案_2
电力拖动自动控制系统--运动控制系统第4版_思考题答案_2电力拖动自动控制系统--运动控制系统第4版_思考题答案习题解答(供参考)习题二2.2 系统的调速范围是1000~100rmin，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少, 解:系统允许的静态速降为2.04rpm。
2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为，最低转速特性为，带额定负载时的速度降落，且在不同转速下额定速降不变，试问系统能够达到的调速范围有多大,系统允许的静差率是多少,解:1)调速范围均指额定负载情况下)2) 静差率2.4 直流电动机为PN=74kW,UN=220V，IN=378A，nN=1430r/min，Ra=0.023Ω。
相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。
采用降压调速。
当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。
如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少,, 解:0.1478Vrpm2.5 某龙门刨床工作台采用V-M调速系统。
已知直流电动机，主电路总电阻•min/r,求:(1)当电流连续时，在额定负载下的转速降落为多少,(2)开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率SN多少,(3)若要满足D=20,s?5%的要求，额定负载下的转速降落又为多少?解:2.6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压、比例调节器放大系数、晶闸管装置放大系数、反馈系数γ=0.7。
求:(1)输出电压Ud;(2)若把反馈线断开，Ud为何值,开环时的输出电压是闭环是的多少倍,(3)若把反馈系数减至γ=0.35，当保持同样的输出电压时，给定电压Uu 应为多少,解:(1)(开环输出电压是闭环的22倍2.7 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min~150r/min，要求系统的静差率，那么系统允许的静态速降是多少,如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大,解: 1)2)2.8 某闭环调速系统的开环放大倍数为15时，额定负载下电动机的速降为8 r/min，如果将开环放大倍数提高到30，它的速降为多少,在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍,解:如果将开环放大倍数提高到30, 则速降为:在同样静差率要求下，D可以扩大倍2.9 有一V-M调速系统:电动机参数PN=2.2kW, UN=220V, IN=12.5A, nN=1500 r/min，电枢电阻Ra=1.5Ω，电枢回路电抗器电阻RL=0.8Ω，整流装置内阻Rrec=1.0Ω,触发整流环节的放大倍数Ks=35。
工业机器人课后答案
工业机器人课后答案【篇一：工业机器人技术习题答案.pdf】>一、填空1、自由度2、操作机、控制器、示教器、末端执行器、操作机、控制器、示教器3、点位运动（ptp）、连续路径运动（cp）、cp4、正向二、选择1、d2、d 三、判断2、示教再现机器人、感知机器人、智能机器人3、日系、欧系二、选择1、d2、d3、c 三、判断第一章绪论第二章工业机器人的机械结构和运动控制第三章手动操纵工业机器人一、填空 1、机器人轴、基座轴、基座轴、外部轴 2、工具 3、点动二、选择1、d2、d 三、判断表手动移动机器3-6 人要领一、填空 1、示教、程序、再现 2、跟踪 3、离线编程二、选择1、b 2、d 3、d三、判断四、综合应用表4-6第四章初识工业机器人的作业编程直线轨迹作业示教第五章搬运机器人的作业编程一、填空 1、龙门式搬运机器人、悬臂式搬运机器人、侧壁式搬运机器人、摆臂式搬运机器人 2、吸附式、夹钳式、仿人式 3、机器人控制柜、示教器、气体发生装置、气吸附手爪二、选择1、d2、d三、判断1、√2、√3、√四、综合应用略取式、组合式 3、第六章码垛机器人的作业编程一、填空 1、龙门式码垛机器人、摆臂式码垛机器人 2、吸附式、夹板式、抓操作机、机器人控制柜、示教器、真空发生装置、气体发生装置4、一进一出、一进两出、两进两出二、选择1、a2、a三、判断一、填空 1、关节式 2、c型、伺服3、弧焊、示教器、焊枪、操作机、弧焊电源4、双、双、h 二、选择1、b2、d3、d 四、综合应用略第七章焊接机器人的作业编程三、判断（2）略2、1、√ √ 3、√ 四、综合应用（1）表 7-圆弧轨迹作业13 示教【篇二：工业机器人考点大全--习题答案】p class=txt>答：工业机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可编程动作来完成各种任务并具有编程能力的多功能机械手。
智能机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
运动控制系统电子教案
运动控制系统电子教案运动控制系统1《运动控制系统》教案运动控制系统绪论(1学时)教学目的、建议：本节主要了解课程的性质、任务、特点以及自动控制系统中的一些基本概念教学方式：使用多媒体课件。
教学设计：最初接触这一门课程，首先介绍课程的性质、解决任务、工程中的地位以及本课程的特点。
讲解清楚教材的特点，选用教材的依据以及教师的讲解思路。
初步使学生建立起本门课程的知识框架，用实际的工程事例激发学生的学习兴趣。
一、课程的性质、任务、特点、分类及工程应用性质：理论与课堂教学紧密结合的、自动化专业学生必修课程的专业技术课。
任务：研究自动控制系统的掌控规律、研究交直流的各种变频方式。
特点：1）综合性弱:牵涉至的课程较多电子技术、变流、电拖、自控原理等；2）实践性弱:与工程实际二者联系；3）通用性强:研究系统的控制规律，如社会、经济、生物等。
1、2、3、4章直流调速运动控制系统交流调速6、7、8章控制系统的分类过程控制系统、计算机控制系统工程应用实例：机床的控制、家用电器、电力拖动实验三个共8学时，其中6学时为必搞实验，2学时为Suippes实验。
其特点：实践性弱，时间挤占较长。
二、讲课方式：多媒体讲解、黑板上讲解、课堂讨论、自学。
讲授方法存有：传统式、启发式、逆向式、讨论式、探究式，展现最新科学技术等方式。
三、参考文献：孙树朴等，《电力电子技术》，中国矿大出版社，2000，北京。
张明达，《电力拖动自动控制系统》，冶金工业出版社，1983，北京。
贺益康等《电力电子技术》，浙江大学出版社；四、考核方式：笔试70分，实验10分，科技论文10分，作业及课堂整体表现10分后，科技活动奖励5分后。
五、电力拖动自控系统一般概念（自动控制原理中已经学过）1、开环系统2运动控制系统2）闭环系统增设了控制及反馈装置，利用量测的参数做为意见反馈信息量，与原先预设的指令相比较，以顺利完成自动调节作用。
3）综合自动化掌控4）系统的性能指标一）系统的稳定性。
运动控制系统总结
tr / T ts / T k
14.20
1
以h=5的动态跟随性能比较适中。
表3-5 典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 （控制结构和扰动作用点如图3-15所示，参数关系符合 M r min准则） h 3 4 5 6 7 8 9 10
Cmax/Cb 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8% tm / T tv / T
1 0 4 t4 ton
2 t2 3
(d) 轻载电动状态的电流波形
T
t
U s RId E RId Ce n
直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性
转速控制的要求和稳态调速性能指标
调速范围
nmax D nmin
静差率s
n N s 100% n0
静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准
《电力拖动自动控制系统》复习要点
阮毅、陈伯时《电力拖动自动控制系统（第4版）》复习要点第一章绪论1、运动控制系统的组成2、运动控制系统的基本运动方程式me L d JT T dt ω=-mm d dtθω=3、转矩控制是运动控制的根本问题。
4、负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。
a ）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载。
5、负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。
6、负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。
直流调速系统第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速：e U IR n K -=Φ2、调节直流电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。
3、V-M系统原理图4、触发装置GT 的作用就是把控制电压U c 转换成触发脉冲的触发延迟角α。
改变触发延迟角α可得到不同的U d0，相应的机械特性为一族平行的直线。
5、脉宽调制变换器的作用：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。
6、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比。
7、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所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比。
8、调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)N N n s D n s =∆-N N ND n s n D n ∆=+∆(1)N N n s n D s ∆=-9、转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图10、直流电动机的动态结构11、开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；（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。
12、当负载转矩增大，闭环调速系统转速自动调节的过程：TL ↑→I d ↑→n ↓→U n ↓→∆U n ↑→U c ↑→U d0↑→n ↑13、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。
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第1章 绪论
• 信号转换和处理包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等，对 于计算机数字控制系统而言，必须将传感器输出的模拟或数 字信号变换为可用于计算机运算的数字量。数据处理的另一 个重要作用是去伪存真，即从带有随机扰动的信号中筛选出 反映被测量的真实信号，去掉随机的扰动信号，以满足控制 系统的需要。 • 常用的数据处理方法是信号滤波，模拟控制系统常采用模拟 器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟 滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。
GD2 4gJ ;
n——转子的机械转速（r/min），
60 m n . 2
第1章 绪论
• 运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直 线电动机来说就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2） 可知，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Te，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。 • 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁心，在一定的电 流作用下进可能产生最大的电磁转矩，以加快系统的过渡过 程，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。因为当 磁通（或磁链）很小时，即使电枢电流（或交流电机定子电 流的转矩分量）很大，实际转矩仍然很小。何况由于物理条 件限制，电枢电流（或定子电流）总是有限的。因此，磁链 控制与转矩控制同样重要，不可偏废。通常在基速（额定转 速）以下采用恒磁通（或磁链）控制，而在基速以上采用弱 磁控制。
第1章 绪论
• 1.2 运动控制系统的历史与发展
• 直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在19世纪中叶先后诞 生（1866年德国人西门子制成了自激式的直流发电机；1890年 美国西屋电气公司利用尼古拉· 特斯拉的专利研制出第一台交流 同步电机；1898年第一台异步电动机诞生），在20世纪前半叶， 约占整个电力拖动容量80%的不可调速拖动系统采用交流电动机， 只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。20世纪后半 叶，电力电子技术和微电子技术带动了带动了新一代的交流调速 系统的兴起与发展，逐步打破了直流调速系统一统高性能拖动天 下的格局。进入21世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已 成为不争的事实。 • 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。其换向器与电刷
第1章 绪论
• 高性能的运动控制系统需要转速闭环控制，但速度传感器的 机械安装要求高，调试工作量大，有时由于场地及空间的限 制，根本不允许安装速度传感器，无速度传感器控制的调速 系统正好能弥补这些不足。无速度传感器控制的基本方法是 实时检测定子电压和电流，再依据电动机模型或合适的算法 对转速进行估算，用估算的值进行反馈控制。但这种方法受 电机参数影响大，对测量噪声敏感。如何提高转速估算精度， 是进一步发展无速度传感器控制系统的关键。 • 近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的应用，使运动控 制系统向智能化的方向发展。在现代运动控制系统中，常使 智能控制与传统PI控制互相结合，取长补短，既保证了系统 的控制精度，又增加了系统的自学习、自调整及决策能力， 提高了系统的鲁棒性。
第1章 绪论
• 第二代电力电子器件是全控型器件，通过门极既可以使器件 开通，也可以使它关断，例如MOSFET、IGBT、GTO等。 此类器件用于无源逆变（DC→AC）和直流调压（DC→DC） 时，无须强迫换流回路，主电路结构简单。第二代电力电子 器件的另一个特点是可以大大提高开关频率，用PWM技术 控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。 • 第三代电力电子器件的特点是由单一的器件发展为具有驱动、 保护等功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可变换装置 • 功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等，现 在多用电力电子型的。电力电子器件经历了由半控型向全控 型、由低频开关向高频开关、由分立的器件向具有复合功能 的功率模块发展的过程。电力电子技术的发展，使功率放大 与变换装置的结构趋于简单、性能趋于完善。 • 晶闸管（SCR）是第一代电力电子器件的典型代表，属于半 控型器件，通过门极只能使晶闸管开通，而无法使它关断。 该类器件可方便地应用于相控整流器（AC→DC）和有源逆变 器（DC→AC），但用于无源逆变（DC→AC）或直流PWM （脉宽调制）方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回 路，使电路结构复杂。
第1章 绪论
• 的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。1960年以来，晶 闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发 展，对直流拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工 程设计方法。 • 交流电动机（尤其是笼型异步电动机）具有结构简单等诸多 优点，但其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。早期交流调速系统的控制方法是基 于交流电动机稳态数学模型的，其动态性能无法与直流调速 系统相比。 • 20世纪70年代德国工程师F· Blaschke和W· Flöter等人提出 “感应电机磁场定向控制原理”，P.C.Custman和A.A.Clark 提出“定子电压坐标变换控制”，这都是矢量控制的基本设 想。1980年日本难波江章教授等人提出转差型矢量控制，进 一步简化了系统结构。1980年，德国W.Leonhard教授等用 微机
第1章 绪论
• 何时刻只能执行一条指令，属于串行运行方式，其滞后时间 比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以考虑。
• 1.1.4 信号检测与处理
• 运动控制系统中常需要电压、电流、转速和位置的反馈信号， 为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和 控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器。电压、 电流传感器的输出信号多为连续的模拟量，而转速和位置传 感器的输出信号因传感器的类型而异，可以是连续的模拟量， 也可以是离散的数字量。由于控制系统对反馈通道上的扰动 无抑制能力，所以，信号传感器必须有足够高的精度，才能 保证控制系统的准确性。
第1章 绪论
• 1.3 运动控制系统的转矩控制规律
• 运动控制系统的基本运动方程式为：
d m J Te TL D m K m dt d m m dt
• 式中 •
2 J——机械转动惯量 (kg m ) ；
(1 - 1)
•
• • • •
ωm—— 转子的机械角速度（rad/s)； θm—— 转子的机械转角（rad）； Te—— 电动机的电磁转矩（N· m）； TL—— 负载转矩（N· m）； D——阻转矩阻尼系数； K——扭转弹性转矩系数。
第1章 绪论
• 图1-3 恒转矩负载特性 • a) 位能性恒转矩 b）反抗性恒转矩负载
第1章 绪论
• 1.4.2 恒功率负载
• 恒功率负载的特征是负载转矩与转 速成反比，而功率为常数，即
TL
或
m
PL
常数
m
(1- 5)
60PL 常数 TL 2n n
式中 PL——机械功率。 横功率负载的特性如图1-4所示。
第1章 绪论
• 实现矢量控制系统的数字化，大大简化了系统的硬件结构， 经过不断的改进和完善，形成现在通用的高性能矢量控制系 统。1985年，德国鲁尔大学Depenbrock教授提出直接转矩 控制，1987年把它推广到弱磁调速范围，其控制结构简单， 是一种高动态响应的交流迢速系统。 • 同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬。 电励磁同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁 来调节它的功率因数，使功率因数达到1.0，甚至产生超前的 功率因数角。但同步电动机由电网直接供电时，存在起动困 难与失步问题。电力电子变频技术的发展，成功地解决了阻 碍同步电动机调速发展的这两大问题，而永磁同步电动机和 直流无刷电动机等新型同步电动机的问世，犹如猛虎添翼， 使同步电动机调速得到飞速的发展。
第1章 绪论
• 若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则运动控制系统的基本运 动方程式可简化为： d m J Te TL dt d m m (1 - 2) dt 若采用工程单位制，则式（1-2）的第1行应改写为： GD 2 dn Te TL (1 - 3) 375 dt
2 2 式中 GD ——转动惯量，习惯称飞轮力矩 ( N m ) ,
图1-4 恒功率负载特性
第1章 绪论
• 1.4.3 风机、泵类负载特性
第1章 绪论
• 1.4 生产机械的负载转矩特性
• 对运动控制系统而言，生产机械的负载转矩是一个必然存在 的不可控扰动输入，生产机械的负载转矩特性直接影响运动 控制系统控制方案的选择和系统的动态性能。为了对运动控 制系统作全面的了解，便于系统设计和调试，常归纳出几种 典型的生产机械负载转矩特性。 • 1.4.1 恒转矩负载特性 • 负载转矩TL的大小恒定，与ωm或n无关，称做恒转矩负载， • TL = 常数 （1-4） • 恒转矩负载有位能性和反抗性两种。位能性恒转矩负载由重 力产生，具有固定的大小和方向，如图1-3a所示。反抗性恒 转矩负载的大小不变，方向则始终与转速反向，如图1-3b。
第1章 绪论
• 1.1.3 控制器 • 控制器分模拟控制器和数字控制器两类，也有模数混合的控 制器，现在已越来越多地采用数字控制器。 • 模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物 理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在 硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差、控制 效果受到器件性能、温度等因素的影响。 • 以微处理器为核心的数字控制器的硬件电路标准程度高、制 作成本低，而且没有器件的温度漂移的问题。控制规律体现 在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息储存、数 据通信和故障诊断等模拟控制器难以实现的功能。 • 然而，模拟控制器的所有运算能在同一时刻并行运行，控制 器的滞后时间很小，可以忽略不计；而一般的微处理器在任
第1章 绪论
• 重点介绍运动控制系统的组成及发展概况， 包括4节内容。 • 1.1 运动控制系统及其组成 • 1.2 运动控制系统的历史与发展 • 1.3 运动控制系统的转矩控制规律 • 1.4 生产机械的负载转矩特性