运动控制系统课件第4章第3节
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第四章感觉系统对运动控制的作用
感觉
感觉的概念 感觉的分类 感觉的作用
感觉统合
是指人脑将各种感觉器官传来的感 觉信息进行多次分析、综合处理， 并作出合理应答，使个体在外界环 境的刺激中和谐有效地运作。
闭环系统
Adams闭环控制系统理论提出，人在 做长时间、持续、慢速的动作时，具 有反馈这一环节，身体中的感觉如视 觉、听觉等都可参与反馈。
在体育教学和运动训练中，应该充 分发挥听觉信息的反馈作用。
12
第四节 本体感觉与运动控制
1、本体感受器及其信息传输
在此录入上述图表的描述说明，在此 录入上述图表的描述说明，在此录入 上述图表的描述说明。
2、本体感觉反馈
在此录入上述图表的描述说明，在此 录入上述图表的描述说明，在此录入 上述图表的描述说明。
可侵犯薄束，下半身深部感觉障碍 可侵犯楔束，上半身深部感觉障碍
动态平衡测试本体感受性
本体感觉的传导通路：
• 意识性本体感觉通路——三级神经元 • 第1：脊神经节细胞——（脊髓） • 第2：薄束核、楔束核内——（延髓） • 第3：腹后外侧核——（丘脑）
• 非意识性本体感觉通路——二级神经元 • 第1：脊神经节细胞 • 第2：
• 胸核、腰骶节段V～VII层——下肢和躯干 • 颈膨大第VI、VII层和延髓的楔束副核——上肢和颈部
专门为运动的视觉提供知觉信息
• 什么是视觉流？ • 视觉流具有什么作用？ • 视觉流与触前时间的关系？ • 思考：跳远运动员如何才能在助跑市准确踏板？跳高运动员何时准确起跳？
本体感觉
• 本体感觉——感受器主要分布在肌腱、韧带及关节囊上。 • 人体的平衡、协调及技巧性运动与本体感觉的正确反馈密切相关。运动是本
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本体感觉反馈
《运动控制系统》课件第1章
第1章 绪论
自从微处理器出现以后，在绕线转子异步电动机串级调 速、无换向器电动机调速、笼型异步电动机的矢量控制以及 PWM技术方面都已经获得了重大突破与发展，并已进入工 业应用阶段。目前，以大功率半导体器件、大规模集成电路 为基础的交流电动机调速系统已具备了较宽的调速范围、较 高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率以及可以 四象限运行等优异性能，其静、动态特性均可以与直流电动 机调速系统相媲美。而这时，直流电动机和交流电动机相比 其缺点也日益显露出来。例如，直流电动机存在换向问题， 其最大供电电压受到限制，机械强度也限制了转速的进一步 提高，结构的影响使其不适于腐蚀性、易爆性和含尘气体的 特殊场合。
第1章 绪论
1.4 自动控制系统仿真基本概念
系统仿真作为一种特殊的试验技术，在20世纪30年代到 90年代的半个多世纪中经历了飞速发展，到今天已经发展成 为一种真正的、系统的试验科学。伴随着第一台电子管电子 计算机的诞生和以相似理论为基础的模拟技术的应用，仿真 作为一种研究和发展新产品、新技术的科学手段，在航空、 航天、造船、兵器等与国防科研相关的行业中首先发展起来， 并显示了巨大的社会效益和经济效益。
第1章 绪论
因此，交流电动机越来越受到人们的重视，可以说，交 流调速逐步取代直流调速已成为明显的发展趋势。特别是节 能型交流调速技术，已得到很快发展。在过去大量应用的所 谓不变速拖动系统中，有相当一部分是风机、水泵等拖动系 统，这类负载约占工业电力拖动总量的一半。其中有些并不 是真的不需要变速，只是由于过去的交流电动机不能调速， 因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗掉大量 的电能。如。从各方面来看，改造恒速电动机为交流调 速电动机，每台月节能20％以上，总体的节能效益是可观的。
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”。
Simotion D V4.0 快速入门
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2．按图 325 顺序操作，确认控制优先级。
图 325 3. 按图 326 所示顺序操作、设置参数，电机可以运行。 ①．使能“Axis_1”。 ②．选择一种运行方式。 ③．启动轴（Axis_1）运行。 ④．停止轴（Axis_1）运行。 ⑤．退出控制面板。 如果通过测试面板进行轴的运行功能测试，轴的运行正常则证明前面轴的配置正确，否则检查 轴配置。作为实际应用，还需根据实际对轴（Axis）的“Machanics”、“default”、 “Limits”、“Homing”进行设置。
在 SCOUT 基本软件包中已经了包含简单的凸轮文本编辑器，此外作为可选软件包， CamTool 还可以为 SCOUT 提供全图形化的凸轮编辑及优化工具，可以集成在 SCOUT 的 图形化用户接口中。
2. 系统要求
对于安装软件最低要求： • Windows 2000 SP3 • Windows XP Professional SP2 • SIMATIC STEP 7 V5.4 • 若需安装 protool 应为 Protool/Pro RT V6.0+SP3 详细信息请参看 Scout CD 中的文件 \ScoutV4002_CD4\1_Important\English\Compatibility\Compatibility_SIMOTION_V40.pdf 硬件要求：
图 304
9
4. 打开 NetPro 画面，配置 PG/PC 的 IP 地址（应与 simotion 在同一网段）并分配通讯节点。 观察 PG/PC 与网络的连线应变成黄色，此时路由功能激活，如图 305。
图 305 5.设置通讯接口 选择“option\Set PG/PC interface”命令，设置 PG/PC 接口与所上面选择的一致，如图 305A。
2．按图 325 顺序操作，确认控制优先级。
图 325 3. 按图 326 所示顺序操作、设置参数，电机可以运行。 ①．使能“Axis_1”。 ②．选择一种运行方式。 ③．启动轴（Axis_1）运行。 ④．停止轴（Axis_1）运行。 ⑤．退出控制面板。 如果通过测试面板进行轴的运行功能测试，轴的运行正常则证明前面轴的配置正确，否则检查 轴配置。作为实际应用，还需根据实际对轴（Axis）的“Machanics”、“default”、 “Limits”、“Homing”进行设置。
在 SCOUT 基本软件包中已经了包含简单的凸轮文本编辑器，此外作为可选软件包， CamTool 还可以为 SCOUT 提供全图形化的凸轮编辑及优化工具，可以集成在 SCOUT 的 图形化用户接口中。
2. 系统要求
对于安装软件最低要求： • Windows 2000 SP3 • Windows XP Professional SP2 • SIMATIC STEP 7 V5.4 • 若需安装 protool 应为 Protool/Pro RT V6.0+SP3 详细信息请参看 Scout CD 中的文件 \ScoutV4002_CD4\1_Important\English\Compatibility\Compatibility_SIMOTION_V40.pdf 硬件要求：
图 304
9
4. 打开 NetPro 画面，配置 PG/PC 的 IP 地址（应与 simotion 在同一网段）并分配通讯节点。 观察 PG/PC 与网络的连线应变成黄色，此时路由功能激活，如图 305。
图 305 5.设置通讯接口 选择“option\Set PG/PC interface”命令，设置 PG/PC 接口与所上面选择的一致，如图 305A。
运动控制系统(4)_ppt课件
(1-51)
传递函数
在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电 压与电流间的传递函数 1 Id(s) R (1-52) Ud0(s) E(s) T s 1 l
电流与电动势间的传递函数
E ( s ) R Id( s ) IdL ( s ) T s m
(1-53)
动态结构图
Ud0
4). 系统设计要求 在实际系统中，动态稳定性不仅必 须保证，而且还要有一定的裕度，以防 参数变化和一些未计入因素的影响。在 伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定 裕度的指标是：相角裕度 和以分贝表 示的增益裕度 GM。一般要求： = 30°－ 60°； GM > 6dB 。
保留适当的稳定裕度，是考虑到实际 系统各环节参数发生变化时不致使系统 失去稳定。 在一般情况下，稳定裕度也能间接反 映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大， 意味着动态过程振荡弱、超调小。
5). 设计步骤
系统建模——首先应进行总体设计，选择基
本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基 本的闭环控制系统，或称原始系统。 系统分析——建立原始系统的动态数学模型， 画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态 性能。 系统设计——如果原始系统不稳定，或动态 性能不好，就必须配置合适的动态校正装置， 使校正后的系统全面满足性能要求。
U s) n( W s) fn( n (s)
（1-55）
4). 闭环调速系统的动态结构图
IdL (s) R (Tl s+1) U * n ( s)
+
Uct (s) U n ( s)
KP
Ks
Ud0 (s) +
1/Ce TmTl s2+Tms+1
第四章 运动技能学习
第四章 运动技能学习
第一节 学习理论与运动技能学习
二、运动技能的特性与分类
运动技能的特征： （一）后天习得的； （二）在时空结构上具有不变性； （三）运用时主要由任务所始动； （四）熟练程度越高，越自动化，越完善。
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第四章 运动技能学习
第一节 学习理论与运动技能学习
二、运动技能的特性与分类
A：动作技能 与B：心智技 能有何区别 和联系呢？
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第四章 运动技能学习
第一节 学习理论与运动技能学习
二、运动技能的特性与分类
A：动作技能与B：心智技能的关系： 区别：A是外显的骨骼肌的操作活动， B是内隐的思维操 作活动。 联系：A是B形成的最初依据，也是经常的体现者；B是 组成A的必要环节，也是他的调节者；A与B是某项技能完成 的必不可缺少的两大因素。 运动技能——是在体育运动这种特定条件下以完善、合 理的方式，通过运知觉系统，借助于中枢神经系统和机体运 动反应系统，成功有效地完成各种肌肉活动。它是动作技能 15 的一种特殊表现形式，它是完成体育运动的心理特征。
形成运动技能训练系统的影响因素： ①内部因素：旧知识经验、习惯性的错误动作、各种心理定 势、情绪、思维、注意、心理状态等 。 ②外部因素：教师发出的信息（正、误）场地、器材。
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第四章 运动技能学习
第二节 运动技能学习过程
二、形成运动表象与掌握动作概念
12
第四章 运动技能学习
第一节 学习理论与运动技能学习
二、运动技能的特性与分类
概念界定：
动作：是指在学习活动、体育运动和生产劳动中表现出来 的种种实际动作。如写字、演奏、体操等。 技能（skill）：是人们在活动中运用知识经验经过练习而获 得的完成某种任务的动作方式或心智活动方式。（张力为） 感知、思维等和肌肉运动是组成技能的必要环节。 技巧是技能的高级阶段。
第4章 第1讲直流PWM可逆直流调速系统
ρ=
Uc ∈ [0,1] U t max
是双极型PWM调制原理， 调制原理， 图 (c)是双极型 是双极型 调制原理 占空比和控制电压的关系为
1+
ρ=
Uc U t max ∈ [0,1] 2
PWM变换电源
PWM-M系统的机械特性 系统的机械特性
变换电源供电的直流电动机调速系统简称为PWM-M系统。 系统。 由PWM变换电源供电的直流电动机调速系统简称为 变换电源供电的直流电动机调速系统简称为 系统 其机械特性，一般不考虑电流断续的情况。 其机械特性，一般不考虑电流断续的情况。 PWM-M系统的四象限机械特性如图所示。 系统的四象限机械特性如图所示。 系统的四象限机械特性如图所示
双极式控制方式的不足之处是： 双极式控制方式的不足之处是： 在工作过程中， 个开关器件可能都处于开关状态 个开关器件可能都处于开关状态， 在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态， 开关损耗大，而且在切换时可能发生上、 开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的 事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间， 事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间， 应设置逻辑延时。 应设置逻辑延时。
图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹
4.1.2 直流 直流PWM可逆直流调速系统转速反 可逆直流调速系统转速反 向的过渡过程
右图是正向起动、 右图是正向起动、正向制动和反向 起动过程中的时域波形示意图。 起动过程中的时域波形示意图。这 个过程分阶段分析如下： 个过程分阶段分析如下：
时刻， 在t=0时刻，正向起动 时刻 转速给定指令阶跃上升到U 即 转速给定指令阶跃上升到 n*,即 Un*=UnN, 与正向额定转速相对应 与正向额定转速相对应. 由于电枢的惯性使得误差电压∆ 由于电枢的惯性使得误差电压∆Un 阶跃上升. 阶跃上升 很大的∆ 很快使转速调节器ASR 很大的∆Un很快使转速调节器 输出饱和， 输出饱和，即Ui*=Uim . 此后电流调节器ACR快速调节使 此后电流调节器 快速调节使 电枢电流I 跟随U 维持在最大电 电枢电流 d 跟随 i*维持在最大电 枢电流I 这个电枢电流产生一个 枢电流 dm.这个电枢电流产生一个 恒定的加速转矩,使转速 恒速上升. 使转速n恒速上升 恒定的加速转矩 使转速 恒速上升
运动技能学习与控制课件第四章感觉系统对运动控制的作用
• 肌腱振动技术：振动器
– 本体感觉反馈失真。
动物手术：切断神经传导
精度明显不如从前， 但依然具有完成技 能的能力
肌腱振动技术：
二、本体感觉的作用
• 影响运动的准确性
– 对肢体错误位置的反馈提供了纠错的基础。
• 影响动作指令的开始时间
– 例如，伸直食指同时提踵。
• 肢体协调
第五节 前馈对动作控制的影响
第四章 感觉系统对 运动控制的作用
学习目标
通过本章内容的学习，理解： 1.各种感觉信息在动作控制中的作用及意义 2.闭环控制系统的动作控制 3.视觉在动作控制中的重要作用
关键概念 闭环控制系统 (closed-loop control system) 反馈（feedback） 动作视觉（vision for action） 知觉视觉（vision for perception） 触前时间（time to contact,TC） 前馈（feedforward）
前馈
• 在动作产生前，进行预测并采取措施，使可能出现的偏 差可以事先解决的控制方法叫做前馈控制。
任务是被试触摸几块粗糙程度不同的砂纸，闭上眼睛根据食指感受的粗细程度对它们 先，在砂纸上主动用手摸，随后由其他人拿着你的手以相同的方式在纸上摸，即被试 会发现在被动条件下手对砂纸的感知能力会下降很多。
optical flow
眼球
移動目標 固定目標
一、视觉信息
网球击球时，何时开始动作，何时球拍与球接触，这些信息的获得离不开视 觉信息。 当球接近人时，球距离越近，视网膜上的投影的变化率越大。通过这种信息 可以判断物体接触到视网膜的时间，即触前时间Tc.
一、视觉信息
运动员运用视觉信息来 准确起跳。 接近40%的调整都发生 在最后一步。
– 本体感觉反馈失真。
动物手术：切断神经传导
精度明显不如从前， 但依然具有完成技 能的能力
肌腱振动技术：
二、本体感觉的作用
• 影响运动的准确性
– 对肢体错误位置的反馈提供了纠错的基础。
• 影响动作指令的开始时间
– 例如，伸直食指同时提踵。
• 肢体协调
第五节 前馈对动作控制的影响
第四章 感觉系统对 运动控制的作用
学习目标
通过本章内容的学习，理解： 1.各种感觉信息在动作控制中的作用及意义 2.闭环控制系统的动作控制 3.视觉在动作控制中的重要作用
关键概念 闭环控制系统 (closed-loop control system) 反馈（feedback） 动作视觉（vision for action） 知觉视觉（vision for perception） 触前时间（time to contact,TC） 前馈（feedforward）
前馈
• 在动作产生前，进行预测并采取措施，使可能出现的偏 差可以事先解决的控制方法叫做前馈控制。
任务是被试触摸几块粗糙程度不同的砂纸，闭上眼睛根据食指感受的粗细程度对它们 先，在砂纸上主动用手摸，随后由其他人拿着你的手以相同的方式在纸上摸，即被试 会发现在被动条件下手对砂纸的感知能力会下降很多。
optical flow
眼球
移動目標 固定目標
一、视觉信息
网球击球时，何时开始动作，何时球拍与球接触，这些信息的获得离不开视 觉信息。 当球接近人时，球距离越近，视网膜上的投影的变化率越大。通过这种信息 可以判断物体接触到视网膜的时间，即触前时间Tc.
一、视觉信息
运动员运用视觉信息来 准确起跳。 接近40%的调整都发生 在最后一步。
运动控制系统基础PPT课件
Servo Drive
Position Feedback To
Motion Controller
9
第9页/共43页
伺服电机——抱闸的概念
伺服电机可以选择带有抱闸装置。 例如在垂直负载应用中，为了防 止在电机失电的情况下自由落体 状况的发生。 通常，在抱闸线圈通电的时候， 弹簧压紧，抱闸处于打开状态； 而当电机失电，抱闸在弹簧作用 下关闭，防止轴的坠落。 在其他需要的场合，也需要使用 抱闸电机。
Motor Power ( 3 phase) •Motor Current •Motor Voltage
−115VAC −230VAC −460VAC
Typical Servo Drive Line
Voltage
Servo Drive
•100-240VAC (Single Phase) •100-240VAC (3-Phase)
Motion Controller
Motion Software
8
第8页/共43页
伺服电机——反馈的概念
Servo Motor Feedback 伺服电机反馈设备通常安装在电机上，用来提供实际位置 反馈给控制器，以确保位置精度。反馈类型的选择则取决于实际应用和用户需求。 目前有很多不同的反馈检测技术和产品可供选择。
Motor with Feedback
Motor Power
Position Feedback
Servo Drives 伺服驱动 接受运动控制器的指令信号，控制电机所提 供的速度和扭矩（电流），要完成这些，驱动器需要将主进线电能 转换成电机所需要的电压和电流，以完成营工控制要求。
Plant Power
伺服电机 驱动器 执行和传动机构 电机电流 电机电压 运动控制器 运动控制软件 行程限位 回零 抱闸
智能车辆控制基础 第四章 车辆垂向及综合运动控制
图4-8 控制策略分类框图
4.2 车辆防侧翻控制
4.2.1 影响车辆侧翻的参数
图4-16 影响车辆侧翻的参数
(图中:CGu为簧下质量重心,CGs为簧上质量重心。)
4.2.2 车辆防侧翻系统控制
防侧翻系统控制不仅考虑垂向控制,也引入了转向和制动控制,实际上是车辆的横向、纵向和垂 向的综合控制,如图4-17所示。在控制过程中当车辆处于侧翻临界点以内,也就是意味着只要|R|在阈 值 之内,紧急制动控制和紧急转向控制就不会被激活,其中阈值取侧翻系数R的最大值。当|R|临近 阈值 时,即当汽车有侧翻趋势时,从式(4-36)可以看到,要想减小侧翻的风险,必须减小侧翻加速度, 而车辆在稳态转弯时的横向加速度ay,s=ρυ2,其中ρ为轨道曲率。所以减小侧翻加速度则可以通过减小 转向曲率ρ或车速υ来实现。此时紧急制动系统启动,通过给制动力fx,d来减小车辆的速度,同时转向控 制系统也启动,它的作用是调节曲率ρ(如适当减小转弯半径)从而减小R值,来实现防侧翻系统控制。
式中,n为空间频率;n0=0.1m-1为参考空间频率;Gq(n0)为路面不平度系数;w为频率指数,通常取值为2。 车辆行驶时不仅需要考虑路面不平度,还要考虑车速带来的影响,因此需要使用时间频率来代
替空间频率。
使用u表示车速,则空间频率n和时间频率f之间的关系,可以表为 则可将式(4-26)改写为时间谱密度Gq(f),其表达式为
2.主动悬架的控制算法 主动悬架研发主要包括悬架结构设计和控制算法设计。悬架结构设计必须与控制匹配才能达
到其最佳性能,因此,主动悬架的控制算法变得尤为重要。目前主动悬架控制算法包括模糊控制、神 经网络控制、鲁棒控制、自适应控制、遗传算法控制、最优控制及复合控制等,控制策略分类框图如 图4-8所示。
4.2 车辆防侧翻控制
4.2.1 影响车辆侧翻的参数
图4-16 影响车辆侧翻的参数
(图中:CGu为簧下质量重心,CGs为簧上质量重心。)
4.2.2 车辆防侧翻系统控制
防侧翻系统控制不仅考虑垂向控制,也引入了转向和制动控制,实际上是车辆的横向、纵向和垂 向的综合控制,如图4-17所示。在控制过程中当车辆处于侧翻临界点以内,也就是意味着只要|R|在阈 值 之内,紧急制动控制和紧急转向控制就不会被激活,其中阈值取侧翻系数R的最大值。当|R|临近 阈值 时,即当汽车有侧翻趋势时,从式(4-36)可以看到,要想减小侧翻的风险,必须减小侧翻加速度, 而车辆在稳态转弯时的横向加速度ay,s=ρυ2,其中ρ为轨道曲率。所以减小侧翻加速度则可以通过减小 转向曲率ρ或车速υ来实现。此时紧急制动系统启动,通过给制动力fx,d来减小车辆的速度,同时转向控 制系统也启动,它的作用是调节曲率ρ(如适当减小转弯半径)从而减小R值,来实现防侧翻系统控制。
式中,n为空间频率;n0=0.1m-1为参考空间频率;Gq(n0)为路面不平度系数;w为频率指数,通常取值为2。 车辆行驶时不仅需要考虑路面不平度,还要考虑车速带来的影响,因此需要使用时间频率来代
替空间频率。
使用u表示车速,则空间频率n和时间频率f之间的关系,可以表为 则可将式(4-26)改写为时间谱密度Gq(f),其表达式为
2.主动悬架的控制算法 主动悬架研发主要包括悬架结构设计和控制算法设计。悬架结构设计必须与控制匹配才能达
到其最佳性能,因此,主动悬架的控制算法变得尤为重要。目前主动悬架控制算法包括模糊控制、神 经网络控制、鲁棒控制、自适应控制、遗传算法控制、最优控制及复合控制等,控制策略分类框图如 图4-8所示。
机器人学基础第4章
可得：
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
④求θ5。 由机械臂关节位姿矩阵推导可知:
由于前文已经求解出θ1 ~ θ3, 可以求解出 则根
据
可以求解出 的数值。令:
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
得
解得
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
下面分两种情况讨论θ4 和θ6 的解法。 当θ5≠0°时: ⑤求θ4 。 根据前文得：
4. 6 逆运动学对机器人的设计约束
根据4. 1 节的内容可以知道, 对于6 自由度机器人来 说, 当存在几个正交关节轴或者有多个αi 为0°或90°, 可能得到解析解。所以当设计6 自由度机械臂时, 通常 会有3 根相交轴, 并尽量使αi 为0°或90°。
此外, 为了使机械臂有更大的灵巧工作空间, 通常将机 械臂的末端连杆设计得短一些。
令式(4 -1) 和式(4 -2) 相等, 可以得到: 解得：
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
当θ2≠0 时, 可以解得:
当θ2 =0 时, 可以化作如下形式:
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
即:
可以解得: 同理当θ2 = π 时, 可以解得:
4. 3 逆运动学的几何解法
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
逆运动学没有通用的求解算法, 通常将机器人的逆运动学解法 分为数值解法和解析解法两类。数值解法是指通过迭代的方 法对运动学方程进行求解, 此种方法求解速度较慢, 且不能保 证求出全部的解。解析法是指通过代数或者几何的方法, 得到 关节角的数学表达式, 本课程主要讨论解析解法。解析法中几 何法与代数法并不完全区别, 几何法中可以引入代数描述, 代 数法可以通过几何性质来简化求解过程, 二者仅是求解过程不 同。
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
④求θ5。 由机械臂关节位姿矩阵推导可知:
由于前文已经求解出θ1 ~ θ3, 可以求解出 则根
据
可以求解出 的数值。令:
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
得
解得
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
下面分两种情况讨论θ4 和θ6 的解法。 当θ5≠0°时: ⑤求θ4 。 根据前文得：
4. 6 逆运动学对机器人的设计约束
根据4. 1 节的内容可以知道, 对于6 自由度机器人来 说, 当存在几个正交关节轴或者有多个αi 为0°或90°, 可能得到解析解。所以当设计6 自由度机械臂时, 通常 会有3 根相交轴, 并尽量使αi 为0°或90°。
此外, 为了使机械臂有更大的灵巧工作空间, 通常将机 械臂的末端连杆设计得短一些。
令式(4 -1) 和式(4 -2) 相等, 可以得到: 解得：
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
当θ2≠0 时, 可以解得:
当θ2 =0 时, 可以化作如下形式:
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
即:
可以解得: 同理当θ2 = π 时, 可以解得:
4. 3 逆运动学的几何解法
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
逆运动学没有通用的求解算法, 通常将机器人的逆运动学解法 分为数值解法和解析解法两类。数值解法是指通过迭代的方 法对运动学方程进行求解, 此种方法求解速度较慢, 且不能保 证求出全部的解。解析法是指通过代数或者几何的方法, 得到 关节角的数学表达式, 本课程主要讨论解析解法。解析法中几 何法与代数法并不完全区别, 几何法中可以引入代数描述, 代 数法可以通过几何性质来简化求解过程, 二者仅是求解过程不 同。
运动控制系统总结ppt课件
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图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
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AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性，
IBdC<I段dm是, nA=nS0R。调 节器饱和时的 静n<特n0。性，Id=Idm,
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
48
根据各调节器的给定与反馈值计算有关的 反馈系数：
特性a和b的硬 度相同，
特性a和b额定 速降相同，
特性a和b的静 差率不相同。
图2-14 不同转速下N (1 s)
28
n
K pKsUn* Id R
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K pKs / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
29
30
31
图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c)直流电动机的动态结构
框图
32
33
34
当为被1，测则转该速测由速n方1变法为的n分2时辨，率引是起记数值增量
Q n2 n1
转速实际值和测量值之差与实际值之比定义 为测速误差率
再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态 性能指标要求确定电流调节器的参数。
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。
64
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
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数
47
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性，
IBdC<I段dm是, nA=nS0R。调 节器饱和时的 静n<特n0。性，Id=Idm,
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
48
根据各调节器的给定与反馈值计算有关的 反馈系数：
特性a和b的硬 度相同，
特性a和b额定 速降相同，
特性a和b的静 差率不相同。
图2-14 不同转速下N (1 s)
28
n
K pKsUn* Id R
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K pKs / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
29
30
31
图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c)直流电动机的动态结构
框图
32
33
34
当为被1，测则转该速测由速n方1变法为的n分2时辨，率引是起记数值增量
Q n2 n1
转速实际值和测量值之差与实际值之比定义 为测速误差率
再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态 性能指标要求确定电流调节器的参数。
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。
64
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
运动心理学第四章 运动活动的思维过程[精]
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（二）比较与分类：
1、比较是在头脑里把各种对象和现象加以对比，确定它们的相同 点、不同点及其关系。 2、分类是在头脑里根据事物属性的异同，把事物分为不同的种类。 （技能的分类）
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㈠ 问题： 问题是指不能直接用已有知识处理，必须间接地用已有知识解决的情
境。 ㈡ 问题解决的基本阶段：
1、发现问题：认识到问题的存在，并产生解决问题的需要和动机。 2、分析问题：弄清问题的要求是什么，哪些是已知条件，已知条件与要 求之间有什么联系，把握问题的实质，确定问题解决的方向。 3、提出假设：指出解决问题的途径、原则和方法，即要凭借已有的知识 经验来推测解决问题的可能途径。 4、检验假设：通过一定的方法确定所提出的假设是否符合实际，是否与
5、酝酿效应
有时人反复探索一个问题的解决而毫无结果时，把问题暂时搁 置几个小时、几天或几个星期，然后再回过头来解决，这时常常 可能很快找到解决办法。（项链实验）
6.无关信息干扰
继续
高
作 业 效 率
一般任务
低
最佳
0
动机强度
∞
简单任务
高
复杂任务
高
低
0 主页
最佳
低 最佳 ∞0
返∞ 回
用一笔画成相连的四条线段，并穿过方阵中的九个点。
3、根据思维的独创性 （1）常规思维。就是运用已获得的知识经验，按现成的方案进行 问题解决的思维。 （2）创造思维。是产生新的思维成果的思维，具有独创性。
二、思维的过程和形式：
主页
（一）分析与综合：
1、分析是指在头脑中把事物整体分解为各个部分，各方面或各特 征。（武术动作：欣赏、教学） 2、综合是在头脑中把事物的各个部分、各个特征、各种属性综合 起来，了解它们之间的联系和关系，形成一个整体。此问题解决体 现了综合方式
1、比较是在头脑里把各种对象和现象加以对比，确定它们的相同 点、不同点及其关系。 2、分类是在头脑里根据事物属性的异同，把事物分为不同的种类。 （技能的分类）
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㈠ 问题： 问题是指不能直接用已有知识处理，必须间接地用已有知识解决的情
境。 ㈡ 问题解决的基本阶段：
1、发现问题：认识到问题的存在，并产生解决问题的需要和动机。 2、分析问题：弄清问题的要求是什么，哪些是已知条件，已知条件与要 求之间有什么联系，把握问题的实质，确定问题解决的方向。 3、提出假设：指出解决问题的途径、原则和方法，即要凭借已有的知识 经验来推测解决问题的可能途径。 4、检验假设：通过一定的方法确定所提出的假设是否符合实际，是否与
5、酝酿效应
有时人反复探索一个问题的解决而毫无结果时，把问题暂时搁 置几个小时、几天或几个星期，然后再回过头来解决，这时常常 可能很快找到解决办法。（项链实验）
6.无关信息干扰
继续
高
作 业 效 率
一般任务
低
最佳
0
动机强度
∞
简单任务
高
复杂任务
高
低
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最佳
低 最佳 ∞0
返∞ 回
用一笔画成相连的四条线段，并穿过方阵中的九个点。
3、根据思维的独创性 （1）常规思维。就是运用已获得的知识经验，按现成的方案进行 问题解决的思维。 （2）创造思维。是产生新的思维成果的思维，具有独创性。
二、思维的过程和形式：
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（一）分析与综合：
1、分析是指在头脑中把事物整体分解为各个部分，各方面或各特 征。（武术动作：欣赏、教学） 2、综合是在头脑中把事物的各个部分、各个特征、各种属性综合 起来，了解它们之间的联系和关系，形成一个整体。此问题解决体 现了综合方式
运动控制 可控直流电源—电动机系统
2018年10月29日8时40分
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运动控制系统
22
《 运 动 控 制 系 统 》 课 件
1.3.2 晶闸管触发和整流装置的数学模型 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和 整流装置当作系统中的一个环节来看待。进行分析或设计时， 须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。 （1）晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算
六相半波 2U 2 6 1.35U 2 cos
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U2 —整流变压器二次侧额定相电压的有效值。 Um —交流电源线电压峰值（V）；
m—交流电源一周内整流电压脉波数。
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2018年10月29日8时40分
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《 运 动 控 制 系 统 》 课 件
1.2.2
电流脉动及其波形的连续与断续:
n n0 nN n1 n2 n3
Ra R1 R2 R3
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O
IL
调阻调速特性曲线
I
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（3）调磁调速
工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升， 机械特性曲线变软。
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可控直流电源—电动机系统
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第一章
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（3）调磁调速
工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升， 机械特性曲线变软。
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（4-20）
的比值。T取2 不同m值，可计算出相应的动态过程曲线。
为消除系统参数对抗扰性能指标的影响，输出 量的最大动态降落ΔCmax用基准值Cb的百分数 表示,取开环系统输出值作为基准值，即
Cb=FK2
(4-24)
考虑到在电流环中电机的电磁时间常数T2 是不 变的，因此在计算抗扰性能中把T2 作为基准，
上升时间 tr 峰值时间 tp
相角稳定裕度 截止频率c
1.0
0.8 0.707
0.6
0 % 1.5% 4.3 % 9.5 %
6.6T 4.7T 3.3T
8.3T 6.2T 4.7T
76.3° 69.9° 65.5° 59.2 °
0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T
0.5 16.3 %
1
以h=5的动态跟随性能比较适中。
（2）动态抗扰性能指标
Wcli (s)是电流环的闭环传递函数 图4-16 转速环在负载扰动作用下的动态结构框图
（2）动态抗扰性能指标
在扰动作用点前后各有一个积分环节，用 Kd 作为一个扰动作用点之前的控制对象，
Ts 1
图4-17 典型Ⅱ型系统在一种扰动作用下的动态结构图 (a)一种扰动作用下的结构
计截算止得频率（按ts准 确3n关系6T计算）
（4-16）
1
相角稳定裕度c n[ 4 4 1 2 2 ]2
（4-17）
arctg
2
1
（4-18）
[ 4 4 1 2 2 ]2
表4-1 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系KT
0.25 0.39
0.5
0.69
1.0
阻尼比 超调量
1/20
9.27% 0.19 0.741
1/30
6.45% 0.134 1.014
抗扰性能分析结论: 当控制对象的两个时间常数相距较大时，动态
降落减小，恢复时间的变化不是单调的，在 时恢复时间最短。
m 1 20
2.典型Ⅱ型系统
典型Ⅱ型系统的开环传递函数表示为
K (s 1)
W (s) s 2 (Ts 1)
52.6% 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
k
3
2
2
1
1
1
Hale Waihona Puke 1常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。
动态降落 恢复时间
图4-10 突 加扰动的动 态过程和抗 扰性能指标
3. 频域性能指标和伯德图
（1）中频段以-20dB/dec的斜率穿越零分贝线， 而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的 稳定性好。
（2）截止频率 （或称剪切频率） 越高，则系 统的快速性越好。
电压扰动作用点前后各有一个一阶惯性环节，
W ACR (s)采用PI调节器
图4-14 电流环校正成一类典型Ⅰ型系统在一种扰动作用下的动态结构图 (a)一种扰动作用下的结构 (b)等效结构图
在只讨论抗扰性能时， 令输入变量R=0，
将输出量写成ΔC
T1 Ts
T2
T2 Tl
在阻尼系数 一定时，典Ⅰ
此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。 常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、
超调量和调节时间。
图4-9 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标
超调量σ
Cmax C 100 %
C
上升时间
峰值时间
调节时间
2．抗扰性能指标
在调速系统中主要扰动来源于负载扰动和电网 电压波动。
当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量 降低（或上升）的扰动量F之后，输出量由降 低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是 一个抗扰过程。
（4-22）
惯性环节往往是系统中必定有的，时间常数T是控制对
象固有的，分子上的比例微分环节用以保证系统稳定，
因而待定的参数有两个： K 和 。
定义中频宽： h 2 T 1
(4-23)
中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与 性能指标紧密相关的参数。
2.典型Ⅱ型系统
图4-15 典型Ⅱ型系统 (a)闭环系统结构图 (b)开环对数频率特性
在选定KT=0.5时，
Ts 1
阶跃扰动后输C出(s变) 化(量T2s的2动1F)(态K22T过T2(s程T2s函21数T)s为1)
（4-19）
C(t)
2m
2FK 2m 2 2m
[(1 1
m
)e
t /T2
(1 m)et/2T
cos t 2T
met/2T
sin t ] 2T
式中 m T1 1 为时间常数与大时间常数
只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是 稳定的。 只包含开环增益K和时间常数T两个参数，时间常数T往往是 控制对象本身固有的，唯一可变的只有开环增益K 。设计 时，需要按照性能指标选择参数K的大小。
图4-12 典型Ⅰ型系统 (a)闭环系统结构图 (b)开环对数频率特性
典型Ⅰ型系统的对数幅频特性的幅值为
1，过阻尼的单调特性；
= 1，临界阻尼。
过阻尼动态响应较慢，一般把系统设计成欠阻尼，即 0<
< 1。
（2）动态跟随性能指标
超调量 上升时间
峰值时间
e( / 1 2 ) 100%
tr
tp
n
2T 1 2
1 2
(
arccos )
（4-13） （4-14） （4-15）
当调节时间在 0.9、误差带为 5% 的条件下可近似
超调多大？
能准确跟随 给定？
Uc
0
超调多大？
需要多长 时间？
Id IdL 0 t tt
0 12
-Idm n
t
t 3
t 4
t
0
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
IV t
4.3.2 调节器的工程设计方法
工程设计方法： 在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用
现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。 调节器工程设计方法所遵循的原则是： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记； （3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。
2h2T 2
R(s)
2h2 T 1h 1
3s3
hTs 1 2h2 T 2 s 2 h 1
hTs
1
s
C(s)
hTs 1
s[ 2h2 T 3s3 2h2 T 2 s 2 hTs 1]
h 1
h 1
表4-4 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标 (按Mrmin准则确定参数关系)
h
3
4
5
6
7
8
9
10
（控制结构和扰动作用点如图4-17所示，参数关系符合M
r
m
准则）
in
h
3 4 56
7 8 9 10
Cmax/Cb 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8% tm / T 2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40 tv / T 13.60 10.45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85
2.4T 3.2T 51.8 ° 0.786/T
（2）动态抗扰性能指标
影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗扰 性能指标之间的关系，
典型Ⅰ型系统已经规定了系统的结构，分析它 的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，
某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的 扰动作用点。
（2）动态抗扰性能指标
图4-13 电流环的在电压扰动作用下的动态结构图
2.典型Ⅱ型系统
K 1c
(4-25)
改变K相当于使开环对数幅频特性上下平移， 此特性与闭环系统的快速性有关。
系统相角稳定裕度为
arctan c arctan cT
τ比T大得越多，系统的稳定裕度就越大。
采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则， 可以找到两个参数之间的一种最佳配合。
关系
C(s)
2h2
2h2 h 1
F
K2T
2
(Ts
1)
T 3s3 2h2 T 2s2 hTs 1
h 1
h 1
（4-36）
为了使动态降落只与h有关，且最大动态降落指
标落在100%以内，取2T时间内开环输出累加值
作为基准值。
Cb = 2FK2T
（4-37）
表4-5 典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
允许误差带为±5%Cb时的恢复时间tv也用T2 的
倍数表示。
表4-2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
KT 0.5 Cb FK2
m T1 T T2 T2
Cmax 100% Cb
tm /T2
1/5
27.78% 0.566
tv /T2
2.209
1/10
16.58% 0.336 1.478
典型系统的选择
控制系统的开环传递函数都可以表示成
m
K(is 1)
W ( s ) i1 n
（4-9）
s r ( T j s 1 )
j 1
分母中的sr项表示该系统在s= 0处有r重极点，或者说，系