1、緒論緒論一。什么是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一。什么是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)？ 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（Motion Control System）也可稱作電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)（Control Systems of Electric Drive） 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過對電動(dòng)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(yùn)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了日益復(fù)雜的要求，同時(shí)也為研制和生產(chǎn)各類新型的控制裝置提供了可能。二.機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制必要性體現(xiàn)在對機(jī)電運(yùn)動(dòng)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(

2、毛坯):速度低,吃力大 控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)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(yùn)行在高速,小轉(zhuǎn)矩狀態(tài)例2: 電動(dòng)車輛(電動(dòng)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(yùn)行)平路:高速,小轉(zhuǎn)矩(恒功率運(yùn)行)下坡:再生(動(dòng)能回饋)制動(dòng)(非機(jī)械抱閘)結(jié)論:提出了對電機(jī)實(shí)施電動(dòng)/發(fā)電運(yùn)行 恒轉(zhuǎn)矩/恒功率運(yùn)行例3: 軋鋼機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí),速度n穩(wěn)定 “咬剛”時(shí),動(dòng)態(tài)速降小,恢復(fù)時(shí)間短(提高生產(chǎn)效率),要求轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快.能正/反轉(zhuǎn),電動(dòng)/制動(dòng)運(yùn)行四象限運(yùn)行結(jié)論:提出了轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制,四象限運(yùn)行要求,高性能機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制.2. 調(diào)速節(jié)能風(fēng)機(jī)/水泵類負(fù)載驅(qū)動(dòng)n常規(guī)調(diào)節(jié)流量Q方式:電機(jī)恒速

3、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n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.n結(jié)論:n(1)風(fēng)機(jī)/水泵類調(diào)轉(zhuǎn)速調(diào)流量時(shí)可節(jié)能.n(2)節(jié)能率達(dá)3020%額定功率n(3)是一種改變運(yùn)行方式的”調(diào)速節(jié)能”,比提高電機(jī)設(shè)計(jì)效率更有效.二。運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科二。運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制已成為電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)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 1電機(jī)學(xué)電動(dòng)機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對象電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理決定了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行性能，新型電機(jī)的發(fā)明就會(huì)帶出新的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。2電力電子技術(shù)以電力

4、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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行手段。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中作為電動(dòng)機(jī)的可控電源，其輸出電源質(zhì)量直接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)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(dòng)機(jī)供電電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能，起到積極的推進(jìn)作用。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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及調(diào)試工作，提高了運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)控制技

5、術(shù)系統(tǒng)控制核心(1) 計(jì)算機(jī)控制(2) 計(jì)算機(jī)仿真 (3) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)n計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計(jì)算和處理、信息傳輸?shù)饶芰Γ苓M(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)算，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)的控制功能和效果。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用使對象參數(shù)辨識(shí)、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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)的可靠性。n在工程實(shí)際中，對于一些難以求得其精確解析解的問題，可以通過計(jì)算機(jī)求得其數(shù)值解，這就是計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真。計(jì)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(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上

6、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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，已成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)常用的分析和設(shè)計(jì)工具。 信號(hào)檢測與處理技術(shù)控制系統(tǒng)的“眼睛”n運(yùn)動(dòng)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(shí)施控制，最終縮小或消除偏差，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需通過傳感器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的運(yùn)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)。n由于實(shí)際檢測信號(hào)往往帶有隨機(jī)的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)信號(hào)對控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重時(shí)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(yùn)行，必須對實(shí)際檢測的信號(hào)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(hào)的電壓、極性和信號(hào)類型往往與控制器的需求不相吻合。所

7、以，傳感器輸出信號(hào)一般不能直接用于控制，需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。6控制理論系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù) 控制理論是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù)。控制系統(tǒng)實(shí)際問題的解決常常能推動(dòng)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(jì)各種新型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。 經(jīng)典控制理論P(yáng)ID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)控制三。三。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對象（1）直流電動(dòng)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

8、容量。 優(yōu)點(diǎn)：易于控制。（2）交流異步電動(dòng)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(dòng)機(jī) 。（3）同步電動(dòng)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(shí)調(diào)速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，還解決了其起動(dòng)和失步問題，有效地促進(jìn)了同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)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。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(ACDC)和有源逆變器(DCAC) ，但用于無源逆變(DCAC)或直流PWM方式調(diào)壓（DCDC）時(shí)，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，

9、如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等 。此類器件用于無源逆變(DCAC) 和直流調(diào)壓（DCDC）時(shí)，無須強(qiáng)迫換流回路，主回路結(jié)構(gòu)簡單。另一個(gè)特點(diǎn)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。第三代 ：特點(diǎn)是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動(dòng)、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(yùn)算放大器及相應(yīng)的電氣元件實(shí)現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，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)

10、準(zhǔn)化程度高、制作成本低、而且不受器件溫度漂移的影響。控制規(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(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器無法實(shí)現(xiàn)的功能。4信號(hào)檢測與處理傳感器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的反饋信號(hào)是電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置，為了真實(shí)可靠地得到這些信號(hào)，并實(shí)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(hào)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(hào)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計(jì)算機(jī)軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。 五。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類五。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類直流電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)（異步電機(jī)（異步電機(jī)*、同步電、同步電機(jī)）機(jī)）速度控速度控制制直流調(diào)速系直流調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)*交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)*位置控位置控制制直流伺服系直流伺服系統(tǒng)統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)六。課程性質(zhì)及要求六。課