运动控制系统（第二版）课件 1 运动控制系统基础知识

《运动控制系统》尚丽

电子信息工程学院

1）了解运动控制系统的概念、分类及组成。

2）了解运动控制系统的基本控制方式及控制原理。

3）了解定位控制的概念及定位控制方式。

4）了解交直流调速系统的特点。

5）了解MATLAB/Simulink仿真技术。主要知识点与学习要求:第一章运动控制基础知识1.1运动控制系统概述（定义、分类、组成、控制方式、发展趋势等）

1.2交、直流调速系统的特点

1.3MATLAB/Simulink仿真技术

1.4本课程的任务

本章主要内容:IntroductionHow?SomeQuestionsWhy?What?学习前提关于运动控制系统你了解多少？1.举例常见的运动控制系统；汽车、飞机电动车、高铁、、潜艇、航母、机器人、雷达等钻铣床、冲床、塑膜剪切机、报纸印刷机等空调、洗衣机、电饭煲、热水器等运动控制举例2.运动控制系统发展趋势？更小体积（单位空间内放置更多的控制部件）1更少接线（运动控制总线技术）2

更少部件（集成化发展）3

更强控制、更易用4

大数据和云计算（物联网和智能网络）5主要涉及步进电机、伺服电机的控制未来：智能化1.1.1运动控制系统定义及分类运动控制系统（MotionControlSystem）也可称作电力拖动控制系统（ControlSystemsofElectricDrive）狭义）。定义：运动控制系统（MotionControlSystem）是以电动机为控制对象、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”的指导下组成的一种自动控制系统。1.1运动控制系统概述功率放大与变换装置是执行手段，目前常用可控电力电子器件组成电力电子装置；控制器有模拟控制器和数字控制器两类；常见的反馈信号是电压、电流、转速和位置（位移）。直流调速系统

交流调速系统按照原动机分控制系统分类：经典控制系统

现代控制系统按照控制理论分直流电动机

交流异步电动机电动机

同步电动机（1）单片机构成的运动控制系统适用于运动控制系统的功能较简单、产品批量较大，且单片机系统开发经验较丰富的用户。（2）PC机+运动控制卡构成的运动控制系统能充分利用计算机资源，可用于运动过程、运动轨迹都比较复杂且柔性比较强的机器和设备。（3）PLC构成的运动控制系统主要用于运动过程不是特别复杂、运动轨迹相对固定的设备。（4）专用运动控制系统主要是指专用的数控系统，一般都是针对专用设备，如数控车床、数控铣床等。按控制器类型分：1.1.2运动控制系统组成图1运动控制系统及其组成运动控制系统亦称：电力拖动控制系统（改变物理量：转矩、速度、位移等）涉及领域较广1.1.3运动控制基本控制方式一、开环控制特点:在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。按给定值操作

按干扰补偿开环控制分类二、闭环控制正反馈控制（反馈量为正）

负反馈控制（反馈量为负）闭环控制图1-2按偏差调节的闭环控制系统原理方框图（1）一般为负反馈系统，按照给定和反馈之间的偏差信号进行自动调节，维持系统恒定；（2）但是，控制系统的参数需要匹配，否则系统会无法正常工作。注意：例1-1：

一个简单的水位控制系统如图1-5所示，试分析系统的工作原理，并画出系统的原理方框图。1.1.4定位控制方式用限位开关实现的定位控制这种定位方式简单，仅需要限位开关即可，缺点是精度极差，由于断电后自由滑行，停止时间由惯性决定。即使添加制动装置用于提高定位精度，但仍不能满足要求，并且维护也不方便。变频器双速控制实现定位控制利用变频器的多段速功能在低速时停止，系统惯性大大降低，位置精度也有了很大的提高。变频器减速停止定位精度可达±0.5-±5mm1.1.4定位控制方式PLC编码器高速计数实现定位控制编码器将位移信号转换成脉冲信号送入PLC的高速计数口，PLC就可以通过程序实现高、中、低速切换，使用十分方便。1.1.4定位控制方式1.2交直流调速系统特点直流调速的发展过程从简单到复杂，从开环到闭环、从单环到多环、从不可逆调速到可逆调速、数字化调速（智能化）等；目前直流调速系统的研究及应用已很成熟；直流调速系统响应速度快、超调量小、系统稳定性好，抗干扰性也较强，起、制动性能好，可实现平滑调速。应用场合：在调速要求较高的场合，仍用直流调速，比如：轧钢厂、海上钻井平台、提升机、电梯控制等。1.2.1直流调速系统特点1.2.2交流调速系统特点（1）交流电动机体积小、重量轻、没有电刷和换向器、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、易于维修等优点，但是控制比较复杂。（2）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项限运行等优异性能，其静、动态特性均可以与直流电动机调速系统相媲美。永磁电动机1．MATLAB的特点

（1）五大基本组成部分：开发环境、数学函数库、MATLAB语言、绘图功能、应用程序接口。（2）

典型应用：数学计算、科学算法开发、数据采集和信号处理、建模及原型仿真、数据分析和数据可视化、科学与工程绘图、应用程序开发。1.3MATLAB/Simulink仿真技术命令行窗口历史命令窗口工作空间浏览器当前目录浏览器命令行提示符2、MATLAB的桌面环境3．Simulink的特点

（1）Simulink是MATLAB软件的扩展，是实现动态系统建模和仿真的软件包。它与MATLAB的区别在于，其与用户的接口是基于Windows的模型化图形输入，用户主要是构建系统的模型，而非是语言的编程。（2）典型应用：Simulink应用领域包括汽车、航空、工业自动化、大型建模、复杂逻辑、物理逻辑，信号处理等方面。4．Simulink操作环境建模系统模型时：需要根据需要选择相应领域的仿真库及模块函数。Simulink中的模块函数1.4本课程任务与适用对象1）掌握转速负反馈单闭环直流调速系统组成和工作原理；2）掌握转速、电流双闭环直流调速系统组成和工作原理及转速环和电流环的工程设计方法；3）掌握PWM控制原理及双闭环PWM直流调速系统组成及工作原理；4）了解交流电动机电压——频率协调控制机械特性；5）掌握交流电动机变频调速系统工作原理；课程任务课程任务6）了解交流异步电动机矢量控制调速系统的组成及工作原理；7）了解变频器应用技术；8）了解伺服电机控制系统；