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1、运动控制系统运动控制系统第一章第一章 绪论绪论1.1 什么是什么是“运动控制系统运动控制系统”1.2 运动控制系统应用及其发展运动控制系统应用及其发展1.3 课程的特点、要求及教学安排课程的特点、要求及教学安排 1.1 什么是运动控制系统运动控制系统（运动控制系统（运动控制系统（运动控制系统（motion control systemmotion control system）：）：）：）：控制控制机械运动机械运动(速度，加速度，位移等机械量速度，加速度，位移等机械量)的的自动控自动控制系统制系统。（。（解决“电能机械能”中的控制问题）1）认识运动控制系统认识运动控制系统2）运动控制的必要性）
2、运动控制的必要性-体现在运动系统调速体现在运动系统调速与控制上与控制上n满足生产过程与工艺要求满足生产过程与工艺要求 例一：车床例一：车床粗加工（毛坯件）：速度低，吃刀深粗加工（毛坯件）：速度低，吃刀深=控制电控制电机工作在低速、大力矩状态机工作在低速、大力矩状态 精加工：速度高，吃刀浅精加工：速度高，吃刀浅=控制电机工作在控制电机工作在高速、小转矩状态高速、小转矩状态 结论：对电机转速、转矩控制要求结论：对电机转速、转矩控制要求n例二：例二：电气牵引（轻轨），电气牵引（轻轨），电动汽车电动汽车,磁悬浮等磁悬浮等上坡：低速、大转矩上坡：低速、大转矩平路：高速、恒转矩平路：高速、恒转矩下坡：再生
3、（动能回馈）制动（非机械抱闸）下坡：再生（动能回馈）制动（非机械抱闸）n例三：轧钢机例三：轧钢机稳态时，稳态时，转速稳定转速稳定（钢材金属（钢材金属结晶结构好）结晶结构好）咬钢时咬钢时动态速降要小，恢复时动态速降要小，恢复时间短间短（提高生产效率），要求（提高生产效率），要求转矩动态响应快转矩动态响应快能正能正/反转，电动反转，电动/制动运行制动运行-四四象限运行象限运行n调速节能调速节能-风机水泵类负载风机水泵类负载n负载特性：负载特性：n常规调流量方式：电机恒速常规调流量方式：电机恒速n=C 风机利用挡板调流量风机利用挡板调流量 泵类利用阀门调流量泵类利用阀门调流量n节能调结方式：取消挡板
4、，阀门，调节转速节能调结方式：取消挡板，阀门，调节转速调节流量调节流量n节能率达节能率达20%-30%n调速节能调速节能-风机水泵类负载风机水泵类负载-体量非常大！体量非常大！n风机主要应用于风机主要应用于冶金冶金、石化石化、电力电力、城市轨道交通城市轨道交通、纺纺织织、船舶船舶等国民经济各领域以及各种场所的通风换气等国民经济各领域以及各种场所的通风换气n在我国，风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分在我国，风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的别占全国用电量的104、209、94和和6。n从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总从全球范围看，电动机的用电量平均占世
5、界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的用电量的一半以上，占工业用电量的70左右。左右。运动控制关键运动控制关键-对电能对电能-机械能转换过程进行机械能转换过程进行有效控制有效控制必须实现：必须实现：1.给机电运动系统提供所须形态电能给机电运动系统提供所须形态电能n “电能形态电能形态”：电的类型，参数：电的类型，参数n 电能形态变化称电能形态变化称“变流变流”-电力电子技术电力电子技术2.对机电系统实施控制对机电系统实施控制-所需运动特性所需运动特性n被控制对象为电机被控制对象为电机-电机理论电机理论n控制以闭环、解耦为核心控制以闭环、解耦为核心-控制理论控制理论 PID控制控制,模糊控
6、制模糊控制,矢量控制等等；矢量控制等等；运动控制的实现与分析、设计（1）运动控制系统运动控制系统构成构成以电机为控制对象，以电机为控制对象，以控制器为核心（借助计算机和其他电子装置实现）以控制器为核心（借助计算机和其他电子装置实现）以功率变换装置为执行机构，以功率变换装置为执行机构，以以自自动动控控制制理理论论和和信信息息处处理理理理论论为为理理论论基基础础设设计计组组成成的自动控制系统的自动控制系统。图图1-2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成2）知识体系）知识体系电机学、电机学、电力电子技术电力电子技术微电子技术、微电子技术、计算机控制技术、计算机控制技术、控制理论、控制理论、信号
7、检测与处理技术信号检测与处理技术图图1-1运动控制及其相关学科运动控制及其相关学科3 运动控制系统的分类运动控制系统的分类l按电机分：直流系统，交流系统；按电机分：直流系统，交流系统；l按被控量分：调速系统按被控量分：调速系统,位置随动系统位置随动系统,转矩转矩控制系统；控制系统；l按控制器的类型分：模拟型，数字型；按控制器的类型分：模拟型，数字型；l按控制原理分：按控制原理分：PID控制控制,模糊控制模糊控制,矢量控矢量控制等等；制等等；l按闭环数分：单环，双环，多环系统，可交按闭环数分：单环，双环，多环系统，可交叉：如数字式双闭环叉：如数字式双闭环直流调速系统直流调速系统4 电力拖动运动控
8、制系统的特点电力拖动运动控制系统的特点n传动功率范围大：几毫瓦到几百兆瓦；n调速范围宽：1：10000，每小时几转到每分钟几十万转；过渡过程快，秒级或毫秒级；n具有较高的动、静态性能；n四象限运行，能量回馈，多机协调；n合理地选择系统方案几乎可以适用任何电气传动场合的要求;1.3 运动控制系统应用及其发展1 历史历史n十九世纪末，交流电机出现，经济实用的鼠笼机，功率因数高的同步机；n二十世纪中，形成直流调速，交流不调速的格局；n二十世纪八十年代以前，只有直流传动；n二十世纪后期，交流调速兴起，原来格局打破。n二十一世纪，交流调速系统应用范围不断扩大，伺服系统应用越来越多2 运动控制的主要应用领
9、域运动控制的主要应用领域n机器人n工业:机械加工，冶金，造纸，机械手,机械运输等。n军事装备:随动系统（兵器，雷达）n交通工具:电力机车,电动汽车,舰船的电驱动系统n民用:电梯,医疗设备,娱乐,家电3 运动控制系统发展的助推器运动控制系统发展的助推器n微处理器微处理器,SOC(System on Chip),SOC(System on Chip)的的发展发展n电力电子器件电力电子器件的发展的发展n控制理论的控制理论的发展发展 经典经典控制方法：反馈控制，控制方法：反馈控制，PIDPID 现代控制理论现代控制理论：多变量，状态观测：多变量，状态观测n电机控制理论的发展（矢量控制等）4 现代的运动
10、控制系统n驱动的交流化和超高速、超大型化、超驱动的交流化和超高速、超大型化、超小型化小型化 n系统实现集成化系统实现集成化 n控制数字化、智能化和网络化控制数字化、智能化和网络化（2)2)课程的核心内容：课程的核心内容：n一一个主题：运动控制系统（直流个主题：运动控制系统（直流=交流）；交流）；n主线：不断改进系统以提高系统性能，从提高静态主线：不断改进系统以提高系统性能，从提高静态性能到追求动态性能性能到追求动态性能研究控制系统时要关注：研究控制系统时要关注：n稳定性，动静态特性；稳定性，动静态特性；n系统的分析方法、控制方法和设计方法；系统的分析方法、控制方法和设计方法；n与系统的实现相关
11、的电力电子技术、控制理论、计与系统的实现相关的电力电子技术、控制理论、计算机技术、信号处理等相关理论与技术。算机技术、信号处理等相关理论与技术。n特点特点:综合性,工程性,理论与实践相结合.n前期课程前期课程:电力电子技术，电机拖动基础，控制理论,电路原理,电磁学，系统仿真 1.3 运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律 p运动控制系统的基本运动方程式运动控制系统的基本运动方程式1.3 运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律 p忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式动控制系统的简化运动方程式1.3 运动控制系统转矩控制规律运动
12、控制系统转矩控制规律 p转矩控制是运动控制的根本问转矩控制是运动控制的根本问题题 要控制转速和转角，唯一的途径就要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。变化率按人们期望的规律变化。1.3 运动控制系统转矩控制规律运动控制系统转矩控制规律 p磁链控制同样重要磁链控制同样重要 为了有效地控制电磁转矩，充分利为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，在一定的电流作用下用电机铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。
13、磁链）。1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性p生产机械的负载转矩是一个必然存生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入。在的不可控扰动输入。p归纳出几种典型的生产机械负载转归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性，实际负载可能是多个典型矩特性，实际负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负载的具负载的组合，应根据实际负载的具体情况加以分析。体情况加以分析。恒转矩负载恒转矩负载 p负载转矩的大小恒定，负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载称作恒转矩负载a）位能性恒转矩负载）位能性恒转矩负载 b)反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载图1-3 恒转矩负载恒功率负载恒功率负载p负载转矩与转速
14、负载转矩与转速成反比，而功率成反比，而功率为常数，称作恒为常数，称作恒功率负载功率负载图1-4 恒功率转矩负载 风机、泵类负载风机、泵类负载 p负载转矩与转速的平负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、方成正比，称作风机、泵类负载泵类负载图1-5 风机、泵类负载直流电动机复习n思考直流电动机是怎样转动起来的？拖动恒转矩思考直流电动机是怎样转动起来的？拖动恒转矩负载时稳态？负载时稳态？直流电动机的稳态特性直流电动机的稳态特性式中式中 n转速（转速（r/min）;U电枢电压（电枢电压（V）；）；I电枢电流（电枢电流（A）；）；R电枢回路总电阻电枢回路总电阻(）；）；励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）；K
15、e 由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势常数。调节直流电动机转速的方法调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压；）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。主。2.3 稳态调速性能指标和稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n对于调速系统转速控制的要求：对于调速系统转速控制的要求：（1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范围在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；内调节转速；（2）稳速）稳速以一定的精度在所需
16、转速上稳定运以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。求起、制动尽量平稳。2.3.1转速控制的要求和稳态调速性能指标转速控制的要求和稳态调速性能指标1、调速范围、调速范围n生产机械要求电动机提供的最高转速生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最和最低转速低转速nmin之比称为调速范围，用字母之比称为调速范围，用字母D表示，表示，即即（2-31）n
17、nmax和和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低是电动机在额定负载时的最高和最低转速，转速，n对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。的最高和最低转速。2、静差率、静差率sn当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落增加到额定值所对应的转速降落nN与理想空与理想空载转速载转速n0之比：之比：（2-32）n用百分数表示用百分数表示（2-33）n特性特性a和和b的硬度的硬度相同，相同，n特性特性a和和b额定速额定速降相同，降相同，n特性特性a和和b的静差的静差率不相同。率
18、不相同。图2-18 不同转速下的静差率调速系统的静差率指标应以调速系统的静差率指标应以最低速时最低速时所能达到的数值为准。所能达到的数值为准。3.调速范围、静差率和额定速降之间的关系（2-34）n对于同一个调速系统，对于同一个调速系统，nN值是定值。值是定值。n要求要求s值越小时，系统能够允许的调速范围值越小时，系统能够允许的调速范围D也也越小。越小。n一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。能满足所需静差率的转速可调范围。例题例题2-1 n某直流调速系统电动机额定转速为某直流调速系统电动机额定转速为nN=1430r/mi
19、n，额定速降，额定速降nN=115r/min，当要求静差率当要求静差率s30%时，允许多大的调速时，允许多大的调速范围？范围？如果要求静差率如果要求静差率s 20%，则调速范围是多，则调速范围是多少？少？如果希望调速范围达到如果希望调速范围达到10，所能满足的静，所能满足的静差率是多少？差率是多少？解解 在要求在要求s 30%时，允许的调速范围为时，允许的调速范围为 若要求若要求s 20%，则允许的调速范围只有，则允许的调速范围只有 若调速范围达到若调速范围达到10，则静差率只能是，则静差率只能是2.3.2开环直流调速系统的性能和存在的问题开环直流调速系统的性能和存在的问题n开环调速系统，即无
20、反馈控制的直流调速系统。开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。n调节控制电压调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。就可以改变电动机的转速。例题例题2-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用，采用V-M系统，主电路总电阻系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电动势系，电动机电动势系数数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围。如果要求调速范围D=20，静差率，静差率s5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降系统的额定速降nN最多能有多少？最多能有多少？解解:当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的额定速降为系统的额定速降为开环系统在额定转速时的静差率为开环系统在额定转速时的静差率为如要求如要求 ，即要求，即要求