运动控制系统

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1、 Motion Control System南京理工大学自动化学院Nanjing University of Science & TechnologyDepartment of Automation运动控制系统教教 师：苏少钰师：苏少钰办公室：自动化系楼办公室：自动化系楼313室室联系电话：联系电话：025-84315872-313 Motion Control System南京理工大学自动化学院Nanjing University of Science & TechnologyDepartment of Automation绪论Motion Control System第0章 绪论1 1、运

2、动控制系统是、运动控制系统是什么什么？2 2、为什么为什么要学习？要学习？3 3、本课程有、本课程有什么特点什么特点 ？WhatWhat？WhyWhy？How?How?Listen To Me!Listen To Me!Motion Control System第0章 绪论1、什么、什么是运动控制系统是运动控制系统控制系统控制系统自动控制系统自动控制系统运动控制系统运动控制系统Motion Control System第0章 绪论控制系统控制系统人工控制人工控制Motion Control System第0章 绪论Motion Control System第0章 绪论自动控制系统自动控制系统1

3、 1）液位自动控制动画液位自动控制动画 2 2）自动控制定义）自动控制定义 所谓自动控制，是指在所谓自动控制，是指在没有人直接参与没有人直接参与的情况下，的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器控制器），使机），使机器、设备或生产过程（统称器、设备或生产过程（统称被控对象被控对象）的某个工作状态）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。 例如：数控车床按照预定程序自动地切削工件；化例如：数控车床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；无人飞机按照学反应炉的温度或压

4、力自动地维持恒定；无人飞机按照预定航迹自动升降和飞行等等预定航迹自动升降和飞行等等. .Motion Control System第0章 绪论运动控制系统运动控制系统 电动机电动机为控制对象，以为控制对象，以控制器控制器为核心，以为核心，以电电力电子功率变换装置力电子功率变换装置作为驱动机构，在作为驱动机构，在自动控制自动控制理论理论的指导下组成的自动控制系统。的指导下组成的自动控制系统。典型运动控制系统的基本构成典型运动控制系统的基本构成Motion Control System第0章 绪论运动控制系统的分类运动控制系统的分类按按驱动电机驱动电机分：分： 直流直流直流直流传动系统用直流电机带

5、动生产机械；传动系统用直流电机带动生产机械； 交流交流交流交流传动系统用交流电机带动生产机械；传动系统用交流电机带动生产机械；按按被控物理量被控物理量分：分： 调速调速系统以转速为被控量；系统以转速为被控量； 位置随动位置随动系统（伺服系统）系统（伺服系统） 以角位移或直线位移为被控量；以角位移或直线位移为被控量； 按按控制器的类型控制器的类型分：分：模拟模拟控制系统以模拟电路构成控制器；控制系统以模拟电路构成控制器； 数字数字控制系统以数字电路构成控制器；控制系统以数字电路构成控制器；按按闭环数闭环数分：单环，双环，多环系统分：单环，双环，多环系统对某一实际运动控制系统可能是这些分类的交叉：

6、对某一实际运动控制系统可能是这些分类的交叉： 如：用单片机实现的数字式双闭环直流调速系统；如：用单片机实现的数字式双闭环直流调速系统；Motion Control System第0章 绪论直流电机系列直流电机系列Motion Control System第0章 绪论步进电机系列步进电机系列接收数字控制信号，把电脉接收数字控制信号，把电脉冲信号转换成角位移冲信号转换成角位移Motion Control System第0章 绪论交流电机系列交流电机系列Motion Control System第0章 绪论2 2、为什么为什么要学习运动控制系统要学习运动控制系统运动控制系统的主要应用领域运动控制系统

7、的主要应用领域机械加工，冶金机械加工，冶金，交通运输，石油加工，交通运输，石油加工，航天航空航天航空、国防工业国防工业、家电生产、轻工、家电生产、轻工、农业等领域。农业等领域。Motion Control System第0章 绪论具体应用例子：具体应用例子： 工业领域：工业领域：数控机床数控机床； 印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔，印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔， 机械手机械手放置器件；放置器件； 国防领域：雷达跟踪，国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制自动武器，飞行器控制等；等； 家电领域：冰箱，空调，洗衣机家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电脑光驱，电脑光驱， 电风扇等；电风扇等

8、； 机器人：机器人：机械手机械手、足球机器人、搬运机器人等。、足球机器人、搬运机器人等。Motion Control System第0章 绪论数控车床数控车床Motion Control System第0章 绪论数控铣床数控铣床Motion Control System第0章 绪论机械手机械手Motion Control System第0章 绪论Mars RoverMotion Control System第0章 绪论Mars Rover2Motion Control System第0章 绪论六自由度机械手取物六自由度机械手取物六自由度机械手运动六自由度机械手运动Motion Control

9、System第0章 绪论据统计，我国电动机装机容量约为据统计，我国电动机装机容量约为4 4亿多千瓦，其亿多千瓦，其用电量占当年全国发电量的用电量占当年全国发电量的60% 70%60% 70%。当前，能源紧张！当前，能源紧张！合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统设计者的责任。设计者的责任。Motion Control System第0章 绪论v 综合性强，多个学科交叉综合性强，多个学科交叉 （自动控制、电子技术、微机技术等）（自动控制、电子技术、微机技术等）v 工程化理论与实践相结合。工程化理论与实践相结合。v 涉及的知识：自动控制理论、模拟与数字

10、电路、涉及的知识：自动控制理论、模拟与数字电路、 微机原理微机原理v 重视能力培养，学会如何将学到的知识具体应用重视能力培养，学会如何将学到的知识具体应用 到实际的工程设计中。到实际的工程设计中。3 3、本课程有、本课程有什么特点什么特点Motion Control System第0章 绪论运动控制系统结构运动控制系统结构控制器控制器驱动器驱动器电动机电动机生产机械生产机械测量反馈装置测量反馈装置PC或或PLC主要研究内容主要研究内容：（1 1）电力传动装置与系统）电力传动装置与系统 （2 2）运动参数的测量与反馈）运动参数的测量与反馈 （3 3）运动系统的控制策略）运动系统的控制策略Moti

11、on Control System第0章 绪论 （1 1）电力传动装置与系统）电力传动装置与系统电力传动电力传动：电源、控制设备、电动机和：电源、控制设备、电动机和 被拖动的机械对象的组合。被拖动的机械对象的组合。电动机电动机： 电能到机械能的变换装置。电能到机械能的变换装置。电力传动中应用最广泛、研究最深入的电动机：电力传动中应用最广泛、研究最深入的电动机： 直流电动机、交流电动机直流电动机、交流电动机驱动器驱动器：向电动机提供功率并控制其转矩、转速：向电动机提供功率并控制其转矩、转速 或位置的装置。或位置的装置。Motion Control System第0章 绪论 （2 2）运动参数的测

12、量和反馈）运动参数的测量和反馈测量和反馈部分的核心测量和反馈部分的核心：传感器：传感器运动控制系统中的传感器的作用运动控制系统中的传感器的作用： 运动参数的测量运动参数的测量 力学参数的测量力学参数的测量 电气参数的测量电气参数的测量控制系统对测量反馈部分的基本性能要求：控制系统对测量反馈部分的基本性能要求： 准确性（静态特性）、实时性（动态特性）准确性（静态特性）、实时性（动态特性）Motion Control System第0章 绪论 （3 3）运动系统的控制策略）运动系统的控制策略开环控制：开环控制：一种不需要测量系统输出，以及不需一种不需要测量系统输出，以及不需 要根据输出作出反应的控

13、制技术。要根据输出作出反应的控制技术。闭环控制闭环控制：将测量系统输出与输入给定值相比较，：将测量系统输出与输入给定值相比较， 并采取正确行动已获得期望的输出结果并采取正确行动已获得期望的输出结果 的技术。的技术。闭环运动控制系统一般围绕某种闭环运动控制系统一般围绕某种控制目标控制目标进行。进行。Motion Control System第0章 绪论 闭环控制系统的控制目标：闭环控制系统的控制目标：（1 1）位置控制：）位置控制： 将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动将某负载从某一确定的空间位置按某种轨迹移动到另一确定的空间位置。（数控机床、机器人）到另一确定的空间位置。（数控机床、机器

14、人）（2 2）速度和加速度控制：）速度和加速度控制： 以确定的速度曲线使负载产生运动。（电梯）以确定的速度曲线使负载产生运动。（电梯）（3 3）转矩控制：）转矩控制： 通过转矩的反馈来维持转矩的恒定。通过转矩的反馈来维持转矩的恒定。（造纸机械）（造纸机械）Motion Control System第0章 绪论 闭环控制器中的著名控制机制：闭环控制器中的著名控制机制： 比例比例- -积分积分- -微分微分（PID）控制控制 对系统误差进行处理并得到控制量的三种方式对系统误差进行处理并得到控制量的三种方式 它们的它们的本质本质是什么？是什么？ 它们的它们的作用作用各有哪些？各有哪些？ 它们是如何它

15、们是如何实现实现的？在工程设计中如何的？在工程设计中如何使用使用？Motion Control System第0章 绪论运动控制系统的发展历史运动控制系统的发展历史1919世纪世纪8080年代年代以前以前仅有仅有直流电气直流电气传动传动1919世纪末世纪末，出现交流电机出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）（鼠笼式异步交流电机）开始逐步使用开始逐步使用交流电交流电气气传动传动2020世纪世纪3030年代起年代起，形成形成直流直流调速调速，交流不调速的格局，交流不调速的格局2020世纪后期世纪后期，交流调速交流调速兴起兴起Motion Control System第0章 绪论运动控制系统的发展趋势运

16、动控制系统的发展趋势高频化高频化交流化交流化网络化网络化Motion Control System第0章 绪论 以省电为目的：改原来交流不调速为交流调速；以省电为目的：改原来交流不调速为交流调速； 以减少维护为目的：改直流调速为交流调速；以减少维护为目的：改直流调速为交流调速； 原直流调速达不到的领域：大功率、高压、高速原直流调速达不到的领域：大功率、高压、高速 场合应用交流调速系统。场合应用交流调速系统。Motion Control System第0章 绪论本课程时间安排：本课程时间安排： 总共总共3232学时学时 讲课讲课2424学时学时 实验实验8 8学时学时本课程内容安排：本课程内容安

17、排： 调速系统：直流调速系统、交流调速系统；调速系统：直流调速系统、交流调速系统； 伺服系统（位置随动系统）；伺服系统（位置随动系统）； 实验实验Motion Control System第0章 绪论1 1）直流调速系统）直流调速系统v 开环直流调速系统；开环直流调速系统；v 转速负反馈单闭环直流调速系统；转速负反馈单闭环直流调速系统；v 转速双闭环（速度环转速双闭环（速度环+ +电流环）直流调速系统；电流环）直流调速系统；v 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）；）；2 2）交流调速系统交流调速系统 变频调速；变频调速；3 3）位置随动系统（伺服系统）；位置随动系统（伺服系统）；Motion Control System第0章 绪论运动控制系统运动控制系统 张崇巍主编张崇巍主编 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社 20022002Motion Control System第0章 绪论电力拖动自动控制系统运动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统（第（第3版）版） 陈伯时主编陈伯时主编 机械工业出版社机械工业出版社 2003 Motion Control System第0章 绪论运动控制系统运动控制系统 尔桂花主编尔桂花主编 清华大学出版社清华大学出版社 2002