运动控制系统绪论.ppt

运动控制系统 电话 QQ 课程的性质 本课程属于专业必修课 主要以系统设计为主 本课程主要涉及到自动控制理论 电力电子技术和电机与拖动基础三门专业课 课程的概述 运动控制系统是以电动机为对象 以电力电子技术功率变换器为弱电控制强电的媒质 以自动控制理论为分析和设计基础 以电子线路或计算机为控制手段 掌握运动控制系统的控制规律及设计方法 电能 机械能 课程在本专业培养中的地位与作用 本课程是自动化专业的核心课程 既有完整的理论体系 又有很强的实践性 是一门把理论基础和工具应用到工程实践中去的典范课程 本课程不但能培养系统的概念 还能培养应用基本理论与方法进行工程设计的能力 课程在本专业培养中的地位与作用 学习本课程有利于建立以下几个观点 形成正确的认识 系统的观念工程的观念科技进步的观念创新的观念 课程在本专业培养中的地位与作用 系统的观念 一个电路从信号输入 中间的处理到最后的输出 各级之间的增益分配 参数设置 逻辑关系都是相互协调 相互制约的 只有通盘考虑 全面调试才能获得理想效果 运动控制系统 课程特别有利于学生系统集成的能力 综合应用能力 仿真能力的培养 课程在本专业培养中的地位与作用 工程的观念 数学 物理的严格论证及精确计算到工程实际之间往往有很大差距 运动控制系统 中的 工程设计 方法能引导学生的思维更切合工程实际 因而特别有利于学生工程观念的培养 课程在本专业培养中的地位与作用 科技进步的观念 运动控制系统 的发展 电子器件的换代 比其它任何技术都快 学习 运动控制系统 可以让人深刻地体会到 在科学技术飞速发展的时代 只有不断更新知识 才能不断进步 课程在本专业培养中的地位与作用 创新的观念 在阐述电子器件的产生背景 电路构思 应用场合等问题时特别具有启发性 课程将控制理论与实际工程系统的分析 设计紧密结合 相互促进 能够充分发挥学生的想象力和创造力 因而特别有利于创新意识和创新能力的培养 考试方法 平时成绩20 包括出勤 作业 实验20 包括实验操作 实验报告 期末笔试开卷60 电力拖动自动控制系统 运动控制系统 第1章绪论 内容提要 运动控制系统及其组成运动控制系统的历史与发展运动控制系统转矩控制规律生产机械的负载转矩特性 0 1运动控制及其相关学科 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 图0 1运动控制及其相关学科 1 电机学 电动机是运动控制系统的控制对象电动机的结构和原理决定了运动控制系统的设计方法和运行性能 新型电机的发明就会带出新的运动控制系统 2 电力电子技术 以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介 是运动控制系统的执行手段 在运动控制系统中作为电动机的可控电源 其输出电源质量直接影响运动控制系统的运行状态和性能 新型电力电子器件的诞生必将产生新型的功率放大与变换装置 对改善电动机供电电源质量 提高系统运行性能 起到积极的推进作用 3 微电子技术 控制基础微电子技术的快速发展 各种高性能的大规模或超大规模的集成电路层出不穷 方便和简化了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作 提高了运动控制系统的可靠性 高速 大内存容量 多功能的微处理器或单片微机的问世 使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能 并大大提高了控制精度 4 计算机控制技术 系统控制核心 1 计算机控制 2 计算机仿真 3 计算机辅助设计 在工程实际中 对于一些难以求得其精确解析解的问题 可以通过计算机求得其数值解 这就是计算机数字仿真 计算机数字仿真具有成本低 结构灵活 结果直观 便于贮存和进行数据分析等优点 计算机辅助设计 CAD 是在数字仿真的基础上发展起来的 在系统数学模型基础上进行仿真 按给定指标寻优进行计算机辅助设计 已成为运动控制系统常用的分析和设计工具 计算机具有强大的逻辑判断 数据计算和处理 信息传输等能力 能进行各种复杂的运算 可以实现不同于一般线性调节的控制规律 达到模拟控制系统难以实现的控制功能和效果 计算机控制技术的应用使对象参数辨识 控制系统的参数自整定和自学习 智能控制 故障诊断等成为可能 大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性 5 信号检测与处理技术 控制系统的 眼睛 运动控制系统的本质是反馈控制 即根据给定和输出的偏差实施控制 最终缩小或消除偏差 运动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状态 构成反馈控制 并进行故障分析和故障保护 由于实际检测信号往往带有随机的扰动 这些扰动信号对控制系统的正常运行产生不利的影响 严重时甚至会破坏系统的稳定性 为了保证系统安全可靠的运行 必须对实际检测的信号进行滤波等处理 提高系统的抗干扰能力 此外 传感器输出信号的电压 极性和信号类型往往与控制器的需求不相吻合 所以 传感器输出信号一般不能直接用于控制 需要进行信号转换和数据处理 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 0 2运动控制系统及其组成 图0 2运动控制系统及其组成 运动控制系统的控制对象 电动机 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 电动机 运动控制系统的控制对象 1 直流电动机 结构复杂 制造成本高 电刷和换向器限制了它的转速与容量 优点 易于控制 2 交流异步电动机 结构简单 制造容易 无需机械换向器 其允许转速与容量均大于直流电动机 3 同步电动机 转速等于同步转速 具有机械特性硬 在恒频电源供电时调速较为困难 变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速 还解决了其起动和失步问题 有效地促进了同步电动机在运动控制中的应用 运动控制系统的功率放大与变换装置 电力电子型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 功率放大与变换装置 执行手段电力电子器件组成电力电子装置 电力电子器件 第一代 半控型器件 如SCR 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 第二代 全控型器件 如GTO BJT IGBT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 主回路结构简单 另一个特点是可以大大提高开关频率 用脉宽调制 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 特点是由单一的器件发展为具有驱动 保护功能的复合功率模块 提高了使用的安全性和可靠性 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 运动控制系统的控制器 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 信号检测与处理 传感器运动控制系统中常用的反馈信号是电压 电流 转速和位置 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 信号检测与处理 传感器精度 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 滤波 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 0 3运动控制系统的历史与发展 电力电子技术和微电子技术带动了新一代交流调速系统的兴起与发展 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 0 3运动控制系统的历史与发展 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 0 3运动控制系统的历史与发展 交流调速系统交流电动机 尤其是笼型感应电动机 结构简单交流电动机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 交流调速系统 基于稳态模型的交流调速系统转速开环的变压变频调速转速闭环的转差频率控制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 0 3运动控制系统的历史与发展 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 忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩 运动控制系统的简化运动方程式 0 4运动控制系统的转矩控制规律 机械转动惯量 转子的机械角速度 转子的机械转角 运动控制的目的 控制电动机的转速和转角 对于直线电动机来说是控制速度和位移 运动控制系统的基本运动方程式 转矩控制是运动控制的根本问题要控制转速和转角 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 0 4运动控制系统的转矩控制规律 电磁转矩 磁链控制同样重要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 0 4运动控制系统的转矩控制规律 磁通 0 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 负载转矩 恒转矩负载 负载转矩的大小恒定