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(jī)電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對運動控制系統(tǒng)提出了日益復(fù)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(jī)電運動控制必要性—體現(xiàn)在對機(jī)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(jī)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(jī)運行在高速,小轉(zhuǎn)矩狀態(tài)二.機(jī)電運動控制必要性—體現(xiàn)在對機(jī)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(jī)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(jī)械抱閘)結(jié)論:提出了對電機(jī)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(jī)車等)例3:軋鋼機(jī)穩(wěn)態(tài)時,速度n穩(wěn)定“咬剛”時,動態(tài)速降小,恢復(fù)時間短(提高生產(chǎn)效率),要求轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快.能正/反轉(zhuǎn),電動/制動運行—四象限運行結(jié)論:提出了轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制,四象限運行要求,高性能機(jī)電運動控制.例3:軋鋼機(jī)穩(wěn)態(tài)時,速度n穩(wěn)定2.調(diào)速節(jié)能—風(fēng)機(jī)/水泵類負(fù)載驅(qū)動

2.調(diào)速節(jié)能—風(fēng)機(jī)/水泵類負(fù)載驅(qū)動

常規(guī)調(diào)節(jié)流量Q方式:電機(jī)恒速n=c

風(fēng)機(jī)—調(diào)節(jié)擋風(fēng)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(jī)恒速n=c耗能調(diào)節(jié)方式.結(jié)論:(1)風(fēng)機(jī)/水泵類調(diào)轉(zhuǎn)速調(diào)流量時可節(jié)能.(2)節(jié)能率達(dá)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(jī)設(shè)計效率更有效.結(jié)論:二。運動控制及其相關(guān)學(xué)科

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

現(xiàn)代運動控制已成為電機(jī)學(xué)、電力電1．電機(jī)學(xué)－－電動機(jī)是運動控制系統(tǒng)的控制對象 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理決定了運動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法和運行性能，新型電機(jī)的發(fā)明就會帶出新的運動控制系統(tǒng)。2．電力電子技術(shù)－－以電力電子器件為基礎(chǔ)的功率放大與變換裝置是弱電控制強(qiáng)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(jī)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(jī)供電電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)運行性能，起到積極的推進(jìn)作用。1．電機(jī)學(xué)－－電動機(jī)是運動控制系統(tǒng)的控制對象3．微電子技術(shù)－－控制基礎(chǔ) 微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種高性能的大規(guī)模或超大規(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(shè)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(jī)的問世，使各種復(fù)雜的控制算法在運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能，并大大提高了控制精度。4．計算機(jī)控制技術(shù)－－系統(tǒng)控制核心

(1)計算機(jī)控制

(2)計算機(jī)仿真

(3)計算機(jī)輔助設(shè)計3．微電子技術(shù)－－控制基礎(chǔ)計算機(jī)具有強(qiáng)大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計算和處理、信息傳輸?shù)饶芰?，能進(jìn)行各種復(fù)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(dá)到模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)的控制功能和效果。計算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用使對象參數(shù)辨識、控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定和自學(xué)習(xí)、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(jī)求得其數(shù)值解，這就是計算機(jī)數(shù)字仿真。計算機(jī)數(shù)字仿真具有成本低，結(jié)構(gòu)靈活，結(jié)果直觀，便于貯存和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點。計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)是在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，按給定指標(biāo)尋優(yōu)進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)計，已成為運動控制系統(tǒng)常用的分析和設(shè)計工具。計算機(jī)具有強(qiáng)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(shù)－－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(gòu)成反饋控制，并進(jìn)行故障分析和故障保護(hù)。由于實際檢測信號往往帶有隨機(jī)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(yán)重時甚至?xí)茐南到y(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(jìn)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(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。信號檢測與處理技術(shù)－－控制系統(tǒng)的“眼睛”6．控制理論－－系統(tǒng)分析和設(shè)計的依據(jù) 控制理論是運動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)系統(tǒng)分析和設(shè)計的依據(jù)?？刂葡到y(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(yīng)控制、智能控制等，又為研究和設(shè)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(shè)計的依據(jù)

經(jīng)典控制理論—PID調(diào)節(jié)技術(shù)現(xiàn)代控制理論---模型參考自適應(yīng)控制,滑模變結(jié)構(gòu)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(luò)控制經(jīng)典控制理論—PID調(diào)節(jié)技術(shù)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(jī)－－運動控制系統(tǒng)的控制對象（1）直流電動機(jī)－－結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)－－結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，無需機(jī)械換向器，其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動機(jī)。（3）同步電動機(jī)－－轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，具有機(jī)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(jī)的調(diào)速，還解決了其起動和失步問題，有效地促進(jìn)了同步電動機(jī)在運動控制中的應(yīng)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(jī)－－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(yīng)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(qiáng)迫換流回路，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)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(qiáng)迫換流回路，主回路結(jié)構(gòu)簡單。另一個特點是可以大大提高開關(guān)頻率，用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)控制功率器件的開通與關(guān)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(hù)功能的復(fù)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(yīng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)功能的復(fù)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(qiáng)電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應(yīng)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(zhǔn)確性。 濾波－信號濾波，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構(gòu)成的濾波電路，而計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計算機(jī)軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。4．信號檢測與處理－傳感