《运动控制技术》课件-1.1.1初识运动控制系统

运动控制系统安装与调试主讲：仲济艳1.1.1初识运动控制系统运动的世界11.1.1初识运动控制系统自动控制系统分类2分为：运动控制系统（Motioncontrolsystem）和过程控制系统（Processcontrolsystem）。例如：啤酒发酵控制、化工提炼控制、锅炉控制等为过程控制，而轧钢控制、数控机床控制、高速电钻控制、现代交通控制等为运动控制。轧钢控制全自动丝网印刷1.1.1初识运动控制系统比如机器人的控制，汽车火车的运动控制等。现阶段，运动控制与过程控制的主要区别是被控量及控制目标不同，运动控制主要是解决“电能

机械能”中的控制问题，但是许多应用同时具有这两种控制，相互融合。1.1.1初识运动控制系统根据执行机构的类型，运动控制分为电动、气动与液压3种。电机运动控制（以下称运动控制）技术是最活跃和应用最广泛的电动运动控。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，在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。1.1.1初识运动控制系统运动控制定义3以机械运动的驱动设备——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电气传动自动控制系统称为运动控制系统。这类系统通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现机械设备的运动要求。运动控制(MotionControl)是20世纪90年代在国际上兴起的一个多学科交叉的研究领域，是自动化技术的一个重要分支，运动控制起源于早期的伺服控制。综合运用力学、机械、电子、计算机、信息和自动化等有关技术，采用适当的控制原理、方法，在硬件或软件平台上实现满足精度、响应速度和其它要求的执行装置的位置、速度、加速度、转矩或力的控制。

什么是运动控制（MotionControl）

？1.1.1初识运动控制系统运动控制定义3常用的电动机包括：直流电动机、交流电动机、步进电动机、伺服电动机1.1.1初识运动控制系统系统构成4

运动控制系统根据运动需求，通过运动控制器、驱动器、执行器，并辅助以速度或位置反馈单元（闭环控制系统中才有）完成运动控制任务。构成如图1-9所示。

常见的控制算法主要为：PID控制（单环,多环），自适应控制，模糊控制，智能控制，矢量控制，直接转矩控制等1.1.1初识运动控制系统（1）运动控制器控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差，调节控制量。运动控制器作为运动控制系统的核心，对运动控制系统的性能起着关键的作用。由于实际运动系统的种类和被控对象要求千变万化，为了适应实际系统的需要，运动控制器必须要做到通用性和专用性兼顾，功能系统化，使用简单化。（2）驱动器运动控制器与驱动器之间的连接通道是“控制”通道，它把运动控制器的指令转换为对驱动控制单元的控制信号。驱动器部分主要包括：开关器件、可控整流，直流斩波，逆变等。（3）执行器执行器在运动控制系统中主要是指电动机，包括直流电机、交流电机、步进电机等。驱动器与执行器之间是“驱动”通道，驱动器是功率放大单元，它通过“驱动”通道完成机电控制转换。反馈单元由“检测”通道把执行器的执行结果送回运动控制器，从而实现闭环运动控制过程。在开环控制系统中，则没有此部分。1.1.1初识运动控制系统转矩控制规律5运动控制系统的任务就是控制电动机的转速或转角，对于直线电动机则是控制速度或位移。根据牛顿力学定律，运动控制系统的旋转运动基本方程式为：——电磁转矩(N·m)——负载转矩(N·m)；——阻转矩阻尼系数——转子的机械角速度(rad/s)——转子的机械转角(rad)——机械转动惯量(kg·m2)——扭转弹性转矩系数1.1.1初识运动控制系统若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则此运动方程式可简化为:表明，运动控制系统的转速变化（即加速度）由电动机的电磁转矩与生产机械的负载转矩之间的关系决定。即系统处于静态或稳态。系统处于加速状态。系统处于减速状态。可见，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转矩控制是运动控制的根本问题。为了有效地控制电动机的电磁转矩，应充分利用铁心，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，在控制转矩的同时也控制磁通(或磁链)。1.1.1初识运动控制系统运动控制系统分类6（1）按被控量分1）调速系统。是指以转速为被控量的系统。2）位置随动(伺服)系统。是指以角位移或直线位移为被控量的系统。位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪，被控制量（输出量）一般是负截的空间位移，当给定量变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量。（2）按驱动电机的类型分1）直流传动系统。是指采用直流电机带动生产机械的控制系统。直流传动系统以直流电机为动力，直流电机虽不像交流电动机那样结构简单、制造方便、维修容易、价格便宜等，但具有良好的调速性能，可在很宽的范围内平滑调速。但直流电机具有电刷和换相器，必须经常检查维修，换向火花使直流电机的应用环境也受到限制，换向能力限制了直流电机的容量和速度。1.1.1初识运动控制系统2）交流传动系统。是指采用交流电机带动生产机械的控制系统。到20世纪60-70年代，随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机控制技术的发展，高性能交流调速系统应运而生。交流调速系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。（3）按控制器类型分1）模拟控制系统。系统采用模拟电路构成的控制器。模拟控制系统是对有关模拟量参数进行连续闭环控制，使被控模拟量参数值维持在设定范围或按预期目标变化的自动控制系统的总称。2）数字控制系统。系统采用数字电路构成的控制器。数字控制系统是指采用数字技术实现各种控制功能的自动控制系统。其是以计算机为核心的控制系统，主要类型包括计算机监控系统、直接数字控制系统、计算机多级控制系统和分散控制系统。（4）按有无反馈分1）开环系统。系统无反馈单元，系统的输出量不被引回，不对系统的控制部分产生影响，信号由给定值至被控量单向传递。1.1.1初识运动控制系统2）闭环系统。系统具有反馈单元，如图1-9所示。系统的输出信号沿反馈通道又回到系统的输入端，构成闭合通道。运控控制系统特点7（1）传动功率范围大。传动的功率能从小至几毫瓦，大到几百兆瓦。（2）调速范围宽。传动比能达到1：10000；转速小至每小时几转，大到每分钟几十万转；调速的过渡过程快，能达到秒级或毫秒级。（3）具有较高的动、静态特性。静态特性（响应）也称稳态特性（响应），指控制系统在激励（偏差、给定、指令等变化）后无穷时间（实际上可以是达到规定状态的时间）后的系统状态。动态特性（响应）指控制系统在激励（偏差、给定、指令等变化）后无穷时间（实际上可以是达到规定状态的时间）之间的系统状态。1.1.1初识运动控制系统在定值或随动自动控制的阶跃响应分析中:

静态特性指标有：稳态误差；

动态特性指标有：延迟（滞后）时间，上升时间，峰值时间，调节时间等。

上述参数在阶跃响应函数h(t)曲线中的含义如图1-10所示。详见项目二的任务二1.1.1初识运动控制系统（4）四相限运行，具有能量回馈，方便多机协调的优点。