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1、 Motion Control System 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院 Nanjing University of Science & Technology Department of Automation 運動控制系統(tǒng) 教 師：蘇少鈺 辦公室：自動化系樓 313室 聯(lián)系電話： 025-84315872-313 Motion Control System 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院 Nanjing University of Science & Technology Department of Automation 緒論 Motion Control System 第 0章 緒論 1、運動控制系統(tǒng)是

2、 什么 ？ 2、 為什么 要學(xué)習(xí)？ 3、本課程有 什么特點 ？ What？ Why？ How? Listen To Me! Motion Control System 第 0章 緒論 1、什么 是運動控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng) Motion Control System 第 0章 緒論 控制系統(tǒng) 人工控制 Motion Control System 第 0章 緒論 Motion Control System 第 0章 緒論 自動控制系統(tǒng) 1）液位自動控制動畫 2）自動控制定義 所謂自動控制，是指在 沒有人直接參與 的情況下， 利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或 控制器 ），

3、使機(jī) 器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱 被控對象 ）的某個工作狀態(tài) 或參數(shù)（即被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 例如：數(shù)控車床按照預(yù)定程序自動地切削工件；化 學(xué)反應(yīng)爐的溫度或壓力自動地維持恒定；無人飛機(jī)按照 預(yù)定航跡自動升降和飛行等等 . Motion Control System 第 0章 緒論 運動控制系統(tǒng) 電動機(jī) 為控制對象，以 控制器 為核心，以 電 力電子功率變換裝置 作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在 自動控制 理論 的指導(dǎo)下組成的自動控制系統(tǒng)。 典型運動控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 控制器 驅(qū)動器 電動機(jī) 生產(chǎn)機(jī)械 測量反饋裝置 給定量 - 電網(wǎng) Motion Control System 第 0章 緒論 運動控

4、制系統(tǒng)的分類 按 驅(qū)動電機(jī) 分： 直流 傳動系統(tǒng)用直流電機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械； 交流 傳動系統(tǒng)用交流電機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械； 按 被控物理量 分： 調(diào)速 系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為被控量； 位置隨動 系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)） 以角位移或直線位移為被控量； 按 控制器的類型 分： 模擬 控制系統(tǒng)以模擬電路構(gòu)成控制器； 數(shù)字 控制系統(tǒng)以數(shù)字電路構(gòu)成控制器； 按 閉環(huán)數(shù) 分：單環(huán)，雙環(huán)，多環(huán)系統(tǒng) 對某一實際運動控制系統(tǒng)可能是這些分類的交叉： 如：用單片機(jī)實現(xiàn)的數(shù)字式雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； Motion Control System 第 0章 緒論 直流電機(jī)系列 Motion Control System 第 0章 緒論 步進(jìn)電機(jī)系列

5、接收數(shù)字控制信號，把電脈 沖信號轉(zhuǎn)換成角位移 Motion Control System 第 0章 緒論 交流電機(jī)系列 Motion Control System 第 0章 緒論 2、 為什么 要學(xué)習(xí)運動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)械加工，冶金，交通運輸，石油加工， 航天航空 、 國防工業(yè) 、家電生產(chǎn)、輕工、 農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。 Motion Control System 第 0章 緒論 具體應(yīng)用例子： 工業(yè)領(lǐng)域：數(shù)控機(jī)床； 印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔， 機(jī)械手放置器件； 國防領(lǐng)域：雷達(dá)跟蹤，自動武器，飛行器控制等； 家電領(lǐng)域：冰箱，空調(diào)，洗衣機(jī)，電腦光驅(qū)， 電風(fēng)扇等； 機(jī)器人

6、：機(jī)械手、足球機(jī)器人、搬運機(jī)器人等。 Motion Control System 第 0章 緒論 數(shù)控車床 Motion Control System 第 0章 緒論 數(shù)控銑床 Motion Control System 第 0章 緒論 機(jī)械手 Motion Control System 第 0章 緒論 Mars Rover Motion Control System 第 0章 緒論 Mars Rover2 Motion Control System 第 0章 緒論 六自由度機(jī)械手取物 六自由度機(jī)械手運動 Motion Control System 第 0章 緒論 據(jù)統(tǒng)計，我國電動機(jī)裝機(jī)容量約

7、為 4億多千瓦， 其用電量占當(dāng)年全國發(fā)電量的 60% 70%。 當(dāng)前，能源緊張！ 合理、經(jīng)濟(jì)、有效的利用電能，是運動控制系統(tǒng) 設(shè)計者的責(zé)任。 Motion Control System 第 0章 緒論 綜合性強(qiáng) ， 多個學(xué)科交叉 （ 自動控制 、 電子技術(shù) 、 微機(jī)技術(shù)等 ） 工程化理論與實踐相結(jié)合 。 涉及的知識：自動控制理論 、 模擬與數(shù)字電路 、 微機(jī)原理 重視能力培養(yǎng) ， 學(xué)會如何將學(xué)到的知識具體應(yīng)用 到實際的工程設(shè)計中 。 3、本課程有 什么特點 Motion Control System 第 0章 緒論 運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 控制器 驅(qū)動器 電動機(jī) 生產(chǎn)機(jī)械 測量反饋裝置 PC或 PL

8、C 主要研究內(nèi)容 ： （ 1）電力傳動裝置與系統(tǒng) （ 2）運動參數(shù)的測量與反饋 （ 3）運動系統(tǒng)的控制策略 Motion Control System 第 0章 緒論 （ 1）電力傳動裝置與系統(tǒng) 電力傳動 ：電源、控制設(shè)備、電動機(jī)和 被拖動的機(jī)械對象的組合。 電動機(jī) ： 電能到機(jī)械能的變換裝置。 電力傳動中應(yīng)用最廣泛、研究最深入的電動機(jī)： 直流電動機(jī)、交流電動機(jī) 驅(qū)動器 ：向電動機(jī)提供功率并控制其轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速 或位置的裝置。 Motion Control System 第 0章 緒論 （ 2）運動參數(shù)的測量和反饋 測量和反饋部分的核心 ：傳感器 運動控制系統(tǒng)中的傳感器的作用 ： 運動參數(shù)的測量

9、力學(xué)參數(shù)的測量 電氣參數(shù)的測量 控制系統(tǒng)對測量反饋部分的基本性能要求： 準(zhǔn)確性（靜態(tài)特性）、實時性（動態(tài)特性） Motion Control System 第 0章 緒論 （ 3）運動系統(tǒng)的控制策略 開環(huán)控制： 一種不需要測量系統(tǒng)輸出，以及不需 要根據(jù)輸出作出反應(yīng)的控制技術(shù)。 閉環(huán)控制 ：將測量系統(tǒng)輸出與輸入給定值相比較， 并采取正確行動已獲得期望的輸出結(jié)果 的技術(shù)。 閉環(huán)運動控制系統(tǒng)一般圍繞某種 控制目標(biāo) 進(jìn)行。 Motion Control System 第 0章 緒論 閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)： （ 1）位置控制： 將某負(fù)載從某一確定的空間位置按某種軌跡移動 到另一確定的空間位置。（數(shù)控機(jī)

10、床、機(jī)器人） （ 2）速度和加速度控制： 以確定的速度曲線使負(fù)載產(chǎn)生運動。（電梯） （ 3）轉(zhuǎn)矩控制： 通過轉(zhuǎn)矩的反饋來維持轉(zhuǎn)矩的恒定。（造紙機(jī)械） Motion Control System 第 0章 緒論 閉環(huán)控制器中的著名控制機(jī)制： 比例 -積分 -微分 （ PID） 控制 對系統(tǒng)誤差進(jìn)行處理并得到控制量的三種方式 它們的 本質(zhì) 是什么？ 它們的 作用 各有哪些？ 它們是如何 實現(xiàn) 的？在工程設(shè)計中如何 使用 ？ Motion Control System 第 0章 緒論 運動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史 19世紀(jì) 80年代 以前 僅有 直流電氣 傳動 19世紀(jì)末 ， 出現(xiàn)交流電機(jī) （鼠籠式異步交

11、流電機(jī)） 開始逐步使用 交流電 氣 傳動 20世紀(jì) 30年代起 ， 形成 直流 調(diào)速 ，交流不調(diào)速的格局 20世紀(jì)后期 ， 交流調(diào)速 興起 Motion Control System 第 0章 緒論 運動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 高頻化 交流化 網(wǎng)絡(luò)化 Motion Control System 第 0章 緒論 以省電為目的：改原來交流不調(diào)速為交流調(diào)速； 以減少維護(hù)為目的：改直流調(diào)速為交流調(diào)速； 原直流調(diào)速達(dá)不到的領(lǐng)域：大功率、高壓、高速 場合應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)。 Motion Control System 第 0章 緒論 本課程時間安排： 總共 32學(xué)時 講課 24學(xué)時 實驗 8學(xué)時 本課程內(nèi)容安排

12、： 調(diào)速系統(tǒng)：直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)； 伺服系統(tǒng)（位置隨動系統(tǒng)）； 實驗 Motion Control System 第 0章 緒論 1）直流調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)（速度環(huán) +電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)； 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)（ PWM）； 2）交流調(diào)速系統(tǒng) 變頻調(diào)速； 3）位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）； Motion Control System 第 0章 緒論 運動控制系統(tǒng) 張崇巍主編 武漢理工大學(xué)出版社 2002 Motion Control System 第 0章 緒論 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng) （第 3版） 陳伯時主編 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 Motion Control System 第 0章 緒論 運動控制系統(tǒng) 爾桂花主編 清華大學(xué)出版社 2002