运动控制系统（第2版新形态版）课件 第1章绪论

1运动建模与控制系统设计

第一章绪论1Ch.1IntroductionMotionModelingandControlSystemDesign2学时2

目录2运动的基本概念与分类运动控制系统的组成

运动控制系统的特点331.1运动的基本概念与分类自然界的一切都处于运动状态，静止只是相对的状态。对自然界物体的运动进行有效的控制，也就成了科学技术研究的重要内容。441.1运动的基本概念和分类广义的运动：机械运动、物理运动、化学运动、生物运动和社会运动。其中机械运动是最基础的运动模式。机械运动：物体的空间维坐标随时间维坐标的变化。运动控制系统：利用自动控制技术对物体的运动进行调节，从而使运动轨迹符合人类需要的理想要求。55运动空间距离：局部运动、全局运动和空间运动。前两者的运动范围基本在人眼可是范围内。空间运动特指外太空的运动，如空间站、火星探测机器人、月球探测机器人等。运动的控制方式：可分为全自主控制、半自主控制、遥控和遥操作等。1.1运动的基本概念和分类66运动机构本身的物理特性：刚体的运动、柔性体的运动、刚柔混合系统的运动。运动参量变化的程度：普通的运动控制系统和伺服运动控制系统。所谓伺服运动即运动的位置、速度和角速度变换范围广、变化剧烈、响应要求快、精度要求高的运动控制。目前伺服运动控制是本领域的研究方向和热点。1.1运动的基本概念和分类77从科学的角度研究运动：对运动进行定义和量化分析，主要包含运动的数学描述、运动学模型、动力学模型以及运动的形式与常见的运动机构等。坐标系系统--客观、合理描述运动，并研究坐标系之间的转换关系。运动学模型--明确运动的各个主动驱动部分与末端执行器之间的运动关系。动力学模型--明确各个驱动器如何驱动运动。1.1运动的基本概念和分类81.2运动控制系统的组成9随着运动的复杂性增加和控制难度增大，需要分层递阶运动控制系统。包含上层控制器、中层控制器和底层控制器。上层控制器需要计算能力强，智能程度高，知识粒度粗，但往往响应速度慢。底层控制器需要响应速度快，但往往智能程度低，知识粒度细。中层控制器主要完成运动的协调，计算能力和响应速度介于上层和底层之间。

1.2运动控制系统的组成10传动方式用于将驱动运动转变成人们所需要的各种作业场合下的运动形式。感知方式是为控制系统提供及时、准确的运动量反馈信息。主要有传感器、变送器和必要的算法组成，可安装在反馈的多个环节。控制方式包含控制算法以及实现控制算法的控制器硬件。1.2运动控制系统的组成111.2运动控制系统的组成脉冲触发器可控硅功放EUrRwDMiLI负载指令输出执行机构控制器12开环系统的特点：结构简单,系统建造容易;对被控制量不进行测量和反馈;不具有自行修正误差的能力；控制精度由元件和抗干扰措施来解决；当被控制量难以直接测量时可以考虑开环1.2运动控制系统的组成131.2运动控制系统的组成脉冲触发器可控硅功放EUrRwDMiILCFK1<SDUpU1△UUCFi1输出反馈元件指令控制器执行机构负载-+14闭环控制系统的特点：由于采用负反馈，被控制量对于外部和内部的干扰都不甚敏感，对元件精度要求不高；系统复杂，建造困难；有稳定性问题。用于当系统的扰动量无法事先预计时1.2运动控制系统的组成15按照运动目标量的变换情况，可分为调节系统和随动系统（伺服系统）。调节系统：若反馈系统的控制量取常值或缓慢变化，在一段时间内维持一个稳定值，从而要求其被控制量也保持在相应的常值上，则称这类系统为恒值控制系统。1.3运动控制系统的性能161.3运动控制系统的性能17随动系统：就反馈系统来说，设其控制信号r（t）为任意时间函数，其变化规律很难预测，若要求系统准确复现这样的控制信号，则称这类反馈控制系统为随动系统，或伺服系统。

1.3运动控制系统的性能181.3运动控制系统的性能位移/mm时间/s

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26810121402040608010012019显然随动系统的控制比调节系统复杂。如果调解系统的响应时间小于或接近随动系统中目标值变化率，则可“认为”随动系统就是目标值不断变化的调节系统。。

1.3运动控制系统的性能20运动控制系统要求：稳定性好；精度高；响应快与过程控制系统相比：相同点：控制对象复杂，多为非线性系统，多为多变量控制系统，多输入多输出控制系统（MIMO）。不同点：过程控制的被控量变化缓慢、精度要求没有运动量高、对象较为分布，常使用的离散控制系统理论；运动控制的被控量变化剧烈，精度要求较高，多个控制量之间的耦合强，常使用连续控制系统理论。1.3运动控制系统的性能21本章描述了运动的基本概念和运动控制系统的基本组成，及其要求，重点是认识运动控制系统的组成，并以典