青島科技大學(xué) 運(yùn)動(dòng)控制課件 第1章

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)Motion Control Systems 第第1章章 緒論緒論(Introduction)自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（automatic control systems）是在無(wú)人直接參與下可使生產(chǎn)過(guò)程或其他過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)按被控對(duì)象的工藝過(guò)程分類按被控對(duì)象的工藝過(guò)程分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)： 過(guò)程控制系統(tǒng)：過(guò)程控制系統(tǒng)： 對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置位置(或姿態(tài)或姿態(tài))、速度或轉(zhuǎn)矩、速度或轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行控制，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)等進(jìn)行控制，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)

2、參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。它使用通稱為伺服機(jī)構(gòu)的一些設(shè)它使用通稱為伺服機(jī)構(gòu)的一些設(shè)備如液壓泵、線性執(zhí)行機(jī)、電動(dòng)機(jī)等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。備如液壓泵、線性執(zhí)行機(jī)、電動(dòng)機(jī)等作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 以表征生產(chǎn)過(guò)程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)?！斑^(guò)程過(guò)程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過(guò)程。表征過(guò)程的主要參量有溫度、壓溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度力、流量、液位、成分、濃度等。電力拖動(dòng)電力拖動(dòng) 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的控制對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的控制是相當(dāng)普遍的是相當(dāng)普遍的，如各類機(jī)器人、自動(dòng)裝配生產(chǎn)線、各種加工機(jī)床、電動(dòng)機(jī)車、磁懸浮、紡織機(jī)、起重機(jī)、水泵等

3、。這些設(shè)備都需要對(duì)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)速度或位移進(jìn)行控制對(duì)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)速度或位移進(jìn)行控制。要使生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)力動(dòng)力 水力、風(fēng)力、熱力、電力電力等水車、水磨、水輪機(jī)風(fēng)帆、風(fēng)車（風(fēng)力機(jī)）、風(fēng)磨熱力發(fā)動(dòng)機(jī)包括蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)(汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等)、熱氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)等。電力拖動(dòng)電力拖動(dòng) 電能是最普遍的能源，以電機(jī)為動(dòng)力拖以電機(jī)為動(dòng)力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)電力拖動(dòng)電力拖動(dòng)水力、風(fēng)力、熱力、電力電力等 通過(guò)控制通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、頻率電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、頻率等輸?shù)容斎肓?，?lái)改變工作機(jī)械的入量，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移轉(zhuǎn)矩、速度、位移等等機(jī)械量，使各種工作機(jī)

4、械按照人們期望的要求機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按照人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝和其它工藝的要求。運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝和其它工藝的要求。一、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以為控制對(duì)象，以計(jì)算計(jì)算機(jī)機(jī)和其它電子裝置為控制手段，以和其它電子裝置為控制手段，以電力電子裝置電力電子裝置為弱為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，以電控制強(qiáng)電的紐帶，以自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論和和信息處理理論信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為為研究和開(kāi)發(fā)的工具。研究和開(kāi)發(fā)

5、的工具。交叉綜合學(xué)科交叉綜合學(xué)科運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制控制電力電電力電子技術(shù)子技術(shù)電機(jī)學(xué)電機(jī)學(xué)微電子微電子技術(shù)技術(shù)信號(hào)檢信號(hào)檢測(cè)與處測(cè)與處理技術(shù)理技術(shù)控制理控制理論論計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)控制技控制技術(shù)術(shù)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)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(cè)與處理技術(shù)等多門(mén)學(xué)科相互多門(mén)學(xué)科相互交叉的綜合學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類（1 1）按被控物理量分）按被控物理量分: :（伺服系統(tǒng)）（伺服系統(tǒng)）（2 2）按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分）按驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分: :（3 3）按控制器的類型分）按控制器的類型分: : 二、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)二、運(yùn)

6、動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理控制器控制器功率放大功率放大與變換與變換電網(wǎng)電網(wǎng)+- 信號(hào)處理信號(hào)處理傳感器傳感器控制理論電力電子技術(shù)電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成 控制器控制器按照給定值和實(shí)際運(yùn)行的反饋值之差，按照給定值和實(shí)際運(yùn)行的反饋值之差，調(diào)節(jié)控制量。調(diào)節(jié)控制量。 功率驅(qū)動(dòng)裝置功率驅(qū)動(dòng)裝置一方面按控制量的大小將電一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用于電動(dòng)機(jī)上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩網(wǎng)中的電能作用于電動(dòng)機(jī)上，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電大小，另一方面按電動(dòng)機(jī)的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電。網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換成電

7、動(dòng)機(jī)所需的交流電或直流電。（功率變換；性質(zhì)變換功率變換；性質(zhì)變換） 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)則按供電大小拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。直則按供電大小拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)。流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)。 信號(hào)檢測(cè)與處理信號(hào)檢測(cè)與處理反饋電壓、電流、轉(zhuǎn)速和反饋電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào)。位置等信號(hào)。三、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用三、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)1、發(fā)展過(guò)程、發(fā)展過(guò)程19世紀(jì)世紀(jì)80年代前年代前直流電氣傳動(dòng)是唯一的電直流電氣傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。氣傳動(dòng)方式。19世紀(jì)末世紀(jì)末交流電交流電鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī) 交流電氣傳動(dòng)得到廣泛應(yīng)用。交流電氣傳動(dòng)得到廣泛應(yīng)用。20世

8、紀(jì)世紀(jì)30年代年代直流調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)世紀(jì)70年代以后年代以后交流調(diào)速得到迅速發(fā)展交流調(diào)速得到迅速發(fā)展目前，交流調(diào)速已占主導(dǎo)地位。目前，交流調(diào)速已占主導(dǎo)地位。l電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和和微電子技術(shù)微電子技術(shù)帶動(dòng)了新一代帶動(dòng)了新一代交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，打破了直流交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動(dòng)天下的格局。調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動(dòng)天下的格局。l進(jìn)入進(jìn)入21世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用連軋機(jī)連軋機(jī)切削機(jī)切削機(jī)床床造紙?jiān)旒垯C(jī)機(jī)紡織紡織機(jī)機(jī)家

9、用電器家用電器軍用軍用航空航天航空航天工業(yè)、農(nóng)業(yè)工業(yè)、農(nóng)業(yè)冰箱、空調(diào)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、電腦洗衣機(jī)、電腦抽水泵抽水泵2、應(yīng)用、應(yīng)用例例1 轉(zhuǎn)盤(pán)速度控制轉(zhuǎn)盤(pán)速度控制+-例例：計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器-+ft10第二層第二層 tz纜繩纜繩皮帶皮帶 tv計(jì)算機(jī)命令計(jì)算機(jī)命令 tt,例例2 2 電梯控制電梯控制電梯控制系統(tǒng)組成+-0eaRaL t0 tv0 tv1y 卷紙張力控制卷紙張力控制例3 卷紙張力控制例例4 4 機(jī)器人機(jī)器人太空探測(cè)機(jī)器人太空探測(cè)機(jī)器人火火星星漫漫游游車車控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)K)3)(1(1ssR(s)r(t)=t,t0+D(s)+-Y(s)1997年7月4日，美國(guó)“火星

10、探路者”飛抵火星考察?！盎鹦翘铰氛摺鄙蠄?zhí)行火星探測(cè)使命的索杰納火星車索杰納火星車，有如一臺(tái)微波爐一樣大小，質(zhì)量10.4千克，是一個(gè)有6個(gè)輪子的小機(jī)器人。 例5 灌裝流水線速度控制)(sG)(1(1pss+-R(s)Y(s)例6 電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車由底盤(pán)、車身、蓄電池組、電動(dòng)機(jī)、控制器和輔助設(shè)施六部分組成底盤(pán)、車身、蓄電池組、電動(dòng)機(jī)、控制器和輔助設(shè)施六部分組成。由于電動(dòng)機(jī)具有良好的牽引特性，因此蓄電池汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)不需要離合器和變速器。車速控制由控制器通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)。蓄電池向電動(dòng)機(jī)提供電能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。在制動(dòng)或減速時(shí)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)來(lái)回收能量。電動(dòng)汽車具有零排放、低噪音、加速性

11、能好、怠速零能耗等特點(diǎn)，性能優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。例7 線路板裝配機(jī)器人 3D3D打印機(jī)打印機(jī)例83D 打印關(guān)鍵技術(shù)3D 打印需要依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)：信息技術(shù)：信息技術(shù)： 要有先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計(jì)人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并且根據(jù)模型自動(dòng)分析出打印的工序，自動(dòng)控制打印器材的走向。精密機(jī)械：精密機(jī)械： 3D 打印以每層的疊加為加工方式。要生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品，必須對(duì)打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求。材料科學(xué)：材料科學(xué)： 用于3D 打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結(jié)合起來(lái)，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。3 3、發(fā)展趨勢(shì)、發(fā)展趨勢(shì) 高頻化：高

12、頻化：在功率驅(qū)動(dòng)裝置中，低頻的半控器件晶閘管在中小功率范圍將被高頻的全控器件P-MOSFET、IGBT等所代替，這樣既可以提高系統(tǒng)性能，又可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 交流化：交流化：交流調(diào)速取代直流調(diào)速已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。 網(wǎng)絡(luò)化：網(wǎng)絡(luò)化：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正在由簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng)走向多機(jī)多種控制過(guò)程協(xié)調(diào)的系統(tǒng)集成階段。四、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律四、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式基本運(yùn)動(dòng)方程式meLmmddJTTDKtmmddtmmJ2機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg m ）； 轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度（rad/s） 轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角（rad）LTTDKe-電磁轉(zhuǎn)矩 （N m）；-負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （N

13、 m）阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；扭轉(zhuǎn)彈性阻尼系數(shù)。忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，得簡(jiǎn)化的基本運(yùn)動(dòng)方程式：簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基本運(yùn)動(dòng)方程式基本運(yùn)動(dòng)方程式2eLd375dGDnTTtmeLddJTTtmmddt或國(guó)際單位工程單位制gJGD42轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（飛輪力矩）2(N m )m602n轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速（r/min)運(yùn)動(dòng)控制的核心問(wèn)題運(yùn)動(dòng)控制的核心問(wèn)題meLddJTTt運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)：運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)：控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的核心問(wèn)題是運(yùn)動(dòng)控制的核心問(wèn)題mmddt要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)

14、的機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化律變化 為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵芯，在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的芯，在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。通（或磁鏈）。磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要五、生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性五、生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入擾動(dòng)輸入。幾種典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性：幾種典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性： 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

15、恒功率負(fù)載特性 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性1. 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載LT 常數(shù)2. 恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載特性特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，功率為常數(shù)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，功率為常數(shù)LLmmPT常數(shù)或或LL602PTnn常數(shù)0TL,nm3. 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載特性特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比特點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比22mLnT教教 材材 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)( (第第4 4版）版）阮毅阮毅 陳伯時(shí)陳伯時(shí) 主編主編20102010年年1 1月月l本書(shū)

16、適用于高等院校電氣工程與自動(dòng)化、本書(shū)適用于高等院校電氣工程與自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化專業(yè)本科本科“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”或或“電力拖動(dòng)自動(dòng)控制電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)”課程教學(xué)。課程教學(xué)。l可作為電力電子與電力傳動(dòng)、工業(yè)自動(dòng)化可作為電力電子與電力傳動(dòng)、工業(yè)自動(dòng)化等相關(guān)學(xué)科碩士研究生用書(shū)，還可供從事等相關(guān)學(xué)科碩士研究生用書(shū)，還可供從事電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的工程技術(shù)人員參考。主要章節(jié)主要章節(jié)l 第第1篇篇 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第4章章 可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)l 第