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运动控制系统
运动控制系统是指利用电子设备和软件来实现运动控制的一种系统。
它可以用于控制机械设备、机器人、汽车等进行运动控制。
运动控制系统通常包括以下几个部分：
1. 传感器：用于检测实际运动的位置、速度、加速度等参数，并将
其转换为电信号。
2. 控制器：负责接收传感器的信号，并根据预设的控制算法，计算
出相应的控制命令。
3. 执行器：根据控制命令，进行相应的机械运动，如电机、气缸等。
4. 软件系统：包括控制算法、运动规划、通信协议等，用于实现运
动控制的逻辑和功能。
运动控制系统的主要功能包括位置控制、速度控制和力控制等。
通
过调整控制器的参数和算法，可以达到不同的控制效果。
运动控制系统广泛应用于各个领域，如工业自动化、机器人、航空
航天、医疗器械等。
它可以提高设备的精度、稳定性和生产效率，
实现自动化生产和操作。
1。
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 理解运动控制系统的概念和组成2. 掌握运动控制系统的分类和原理3. 了解运动控制系统在实际应用中的重要性二、教学内容1. 运动控制系统的概念和组成1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的组成要素2. 运动控制系统的分类和原理2.1 模拟运动控制系统2.2 数字运动控制系统2.3 位置控制、速度控制和加速度控制3. 运动控制系统在实际应用中的重要性3.1 运动控制系统在工业生产中的应用3.2 运动控制系统在技术中的应用3.3 运动控制系统在自动驾驶技术中的应用三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的概念、分类和原理，引导学生理解并掌握相关知识。
2. 案例分析法：分析运动控制系统在实际应用中的重要性，帮助学生了解运动控制系统的应用价值。
3. 讨论法：组织学生探讨运动控制系统的发展趋势和挑战，培养学生的创新思维和问题解决能力。
四、教学资源1. 教材：《运动控制系统》2. 多媒体课件：PPT、动画、视频等3. 网络资源：相关论文、案例、新闻报道等五、教学评价1. 课堂参与度：评估学生在课堂讨论、提问等方面的积极性。
2. 课后作业：布置相关练习题，评估学生对运动控制系统知识的理解和掌握程度。
3. 小组项目：组织学生团队合作完成一个运动控制系统的应用案例，评估学生的实践能力和问题解决能力。
六、教学安排1. 课时：共计32课时，每课时45分钟2. 教学计划：第1-4课时：运动控制系统的概念和组成第5-8课时：运动控制系统的分类和原理第9-12课时：运动控制系统在实际应用中的重要性第13-16课时：运动控制系统的的发展趋势和挑战七、教学步骤1. 引入：通过一个实际应用案例，引出运动控制系统的重要性，激发学生的学习兴趣。
2. 讲解：讲解运动控制系统的概念、分类和原理，引导学生理解并掌握相关知识。
3. 案例分析：分析运动控制系统在实际应用中的重要性，帮助学生了解运动控制系统的应用价值。
绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。
（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。
第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。
当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。
3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
运动控制系统的组成运动控制系统是指通过控制电机、伺服电机、步进电机等执行器，实现机械运动的系统。
它由多个组成部分构成，下面将逐一介绍。
1. 控制器控制器是运动控制系统的核心部分，它负责接收来自传感器的反馈信号，计算出控制信号，再将信号发送给执行器。
控制器的种类有很多，常见的有PLC、单片机、DSP等。
2. 传感器传感器是用来感知机械运动状态的装置，它可以将机械运动转化为电信号，再通过控制器进行处理。
常见的传感器有编码器、光电开关、压力传感器等。
3. 电机电机是运动控制系统中最常用的执行器，它可以将电能转化为机械能，实现机械运动。
常见的电机有直流电机、交流电机、步进电机、伺服电机等。
4. 驱动器驱动器是用来控制电机运动的装置，它可以将控制信号转化为电能，再通过电机实现机械运动。
常见的驱动器有直流电机驱动器、交流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等。
5. 机械结构机械结构是运动控制系统中最基础的部分，它由各种机械零件组成，用来实现机械运动。
常见的机械结构有滑动轨道、旋转轴、传动装置等。
6. 人机界面人机界面是用来与运动控制系统进行交互的装置，它可以显示机械运动状态、控制参数等信息，同时也可以接收操作者的指令。
常见的人机界面有触摸屏、键盘、鼠标等。
7. 通信接口通信接口是用来与其他设备进行数据交换的装置，它可以将控制信号、反馈信号等信息传输给其他设备，同时也可以接收其他设备的指令。
常见的通信接口有串口、以太网口、CAN总线等。
运动控制系统由控制器、传感器、电机、驱动器、机械结构、人机界面和通信接口等多个组成部分构成。
每个部分都有其独特的功能和作用，只有将它们合理地组合起来，才能实现高效、稳定的机械运动。
《运动控制系统》课程教学大纲一、教学内容本节课的教学内容来自于《运动控制系统》课程的第五章，主要讲述运动控制系统的组成、原理及其应用。
具体内容包括：1. 运动控制系统的组成：包括控制器、执行器和传感器等基本组成部分，以及它们之间的相互作用。
2. 运动控制系统的原理：包括控制算法、反馈控制和开环控制等基本原理。
3. 运动控制系统的应用：包括在工业、数控机床和电动汽车等领域的应用实例。
二、教学目标1. 使学生了解运动控制系统的组成、原理及其应用，掌握基本概念和知识点。
2. 培养学生运用运动控制系统的基本原理解决实际问题的能力。
3. 提高学生对运动控制技术在现代工业和科技领域的重要性的认识。
三、教学难点与重点1. 教学难点：运动控制系统的原理和应用。
2. 教学重点：运动控制系统的组成及其在工作中的应用。
四、教具与学具准备1. 教具：多媒体教学设备、投影仪、白板等。
2. 学具：教材、笔记本、彩色笔等。
五、教学过程1. 实践情景引入：以工业为例，介绍运动控制系统在实际工作中的应用。
2. 知识点讲解：讲解运动控制系统的组成、原理及其应用。
3. 例题讲解：分析运动控制系统在实际工作中的应用案例，引导学生理解并掌握运动控制系统的原理。
4. 随堂练习：让学生结合所学内容，分析并解决实际问题。
5. 课堂讨论：引导学生探讨运动控制系统在现代工业和科技领域的重要性。
6. 板书设计：对本节课的主要知识点进行板书，方便学生复习和巩固。
7. 作业布置：布置相关练习题，巩固所学知识。
六、作业设计1. 题目：分析下列运动控制系统的应用案例，并说明其工作原理。
（1）数控机床；（2）电动汽车；（3）工业。
2. 答案：（1）数控机床：数控机床是一种采用数字控制技术进行运动的机床。
通过控制器预设机床的运动轨迹，执行器按照控制器的指令进行运动，实现对工件的加工。
（2）电动汽车：电动汽车采用电动机作为动力来源，通过控制器调节电动机的转速和扭矩，实现车辆的运动控制。
一、运动控制系统的定义与分类定义：以机械运动的驱动设备－－电动机为被控对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统。
分类：（1）按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统，以角位移或直线位移为被控量的系统叫随动系统（或伺服系统）。
（2）按驱动电动机的类型分：用直流电动机带动生产机械的为直流传动系统，用交流电动机带动生产机械的为交流传动系统。
（3）按控制器的类型分：用模拟电路构成控制器的系统为模拟控制系统，用数字电路构成控制器的系统为数字控制系统。
二、直流调速方法答：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻R。
三、常用的可控直流电源答：（1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压四、三种调速方法的性能与比较答：对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
五、V-M系统的特点答：晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级, 这将大大提高系统的动态性能六、V-M系统的问题答：（1）由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的d V/d t与d i/d t 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。
（3）由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。
《运动控制系统》教案一、教学目标1. 了解运动控制系统的概念、组成和作用。
2. 掌握运动控制系统的分类及其原理。
3. 熟悉运动控制系统的应用领域和发展趋势。
4. 培养学生对运动控制系统的兴趣和创新能力。
二、教学内容1. 运动控制系统概述运动控制系统的定义运动控制系统的组成运动控制系统的功能2. 运动控制系统的分类开环运动控制系统闭环运动控制系统混合运动控制系统3. 运动控制系统的原理位置控制原理速度控制原理力控制原理4. 运动控制系统的应用领域工业数控机床电动汽车航空航天5. 运动控制系统的发展趋势智能化网络化绿色化三、教学方法1. 讲授法：讲解运动控制系统的基本概念、原理和应用。
2. 案例分析法：分析具体运动控制系统的实例，加深学生对运动控制系统的理解。
3. 讨论法：引导学生探讨运动控制系统的发展趋势及其在我国的应用前景。
4. 实践操作法：安排实验室参观或动手实践，让学生亲身体验运动控制系统的工作原理。
四、教学安排1. 第1-2课时：运动控制系统概述2. 第3-4课时：运动控制系统的分类和原理3. 第5-6课时：运动控制系统的应用领域4. 第7-8课时：运动控制系统的发展趋势5. 第9-10课时：实验室参观或实践操作五、教学评价1. 课堂问答：检查学生对运动控制系统基本概念的理解。
2. 课后作业：巩固学生对运动控制系统知识的掌握。
3. 小组讨论：评估学生在探讨运动控制系统发展过程中的创新能力。
4. 实践报告：评价学生在实验室参观或实践操作中的表现。
六、教学资源1. 教材：《运动控制系统》2. 课件：运动控制系统的基本概念、原理、应用和趋势3. 视频资料：运动控制系统的实际应用案例4. 实验室设备：的运动控制系统实验装置5. 网络资源：关于运动控制系统的相关论文和新闻七、教学过程1. 导入：通过一个运动控制系统的实际应用案例，引发学生对运动控制系统的兴趣。
2. 讲解：结合教材和课件，详细讲解运动控制系统的基本概念、原理、应用和趋势。
1运动控制系统组成：电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器
任务：通过控制电动机电压、电流、频率等输入量来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
20 抑制电流脉动的措施：增加整流电路相数或采用多重化技术，设置电感量足够大的平波电抗器。
2转速控制的要求：（1）调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速（2）稳速：在一定的精度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，以确保产品质量（2）加减速：频繁启动、制动的设备要求加速减速尽量快以提高生产率，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求启动制动尽量平稳。
3 直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两个部分：静态主要性能指标有调速范围D、静差率s、ΔnN。
动态性能指标分成跟随性能指标和抗扰性能指标。
给定控制信号作用下的动态性能指标有上升时间tr、超调量σ和峰值时间tp和调节时间ts。
扰动信号作用下的动态性能指标有动态降落ΔCmax和恢复时间tv。
3稳态性能指标：调速范围、静差率。
调速范围是最高转速nmax与最低转速nmin之比，静差率是指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Δn N与理想空载n0之比。
D=n N s /Δn N(1-s) Δn N =RId/Ce
4反馈控制系统的作用：抵抗扰动，服从给定。
5比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够调高调速范围，为此需设置电压放大器和转速检测装置。
（1）闭环系统静特性比开环系统机械特性要硬的多（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
6开环系统的转速降落Δn op=RId/Ce。
闭环系统的转速降落Δn cl=RId/Ce(1+K)。
调速范围开环D op=n N s/Δn op(1-s)，D cl=n N s/Δn cl (1-s)。
7旋转编码器：光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时带动编码器旋转，产生转速或转角信号。
旋转编码器分为绝对式和增量式。
绝对式编码器用于检测转角。
增量式编码器用于计算转速。
测速方法：M法、T法、M/T法
8数字PI调节器分为位置式和增量式。
PI调节器传递函数W pI（s）=(K p ts+1)/Ts 位置式u(k)= K p e(k)+ K i T sam e(k)+ u i (k-1),增量式u(k)= u (k-1)+ K p [e(k)-e(k-1)]+ K i T sam e(k)
9转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析：第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1），Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2），Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
10双闭环直流调速系统的起动过程特点:（1）饱和非线性控制：ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.（2）转速超调：只有转速超调才能使ASR退饱和（3）准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快。
11转速调节器(ASR)的作用：转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用PI调节器，则可实现无静差。
对负载变化起抗扰作用。
其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
12电流调节器(ACR)的作用：在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。
当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
13双闭环直流调速系统中外环和内环的作用：ACR抑制电网电压波动，ASR抑制转矩波动14矢量控制与直接转矩的控制思想：（1）矢量控制系统通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。
（2）直接转矩控制系统根据定子磁链幅值偏差Δψs的正负符号和电磁转矩偏差ΔTe的正负符号，再依据当前定子磁链矢量ψs所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。
15典型I型：开环传递函数W(s)=K/s(Ts+1).典型II型：开环传递函数W(s)=K(τs+1)/s^2(Ts+1)，低频段大惯性环节近似处理/1(Ts+1)≈1/Ts τ=hT K=(h+1)/（2h^2T^2）16脉冲宽度调制PWM：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。
正弦波脉宽调制SPWM：当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。
17 无环流逻辑控制环节DLC是逻辑控制无环流可逆调速系统中的关键环节，其输出信号Ublf用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。
逻辑切换指令发出后并不能马上执行还需两段延时，即封锁延时tdbl和开放延时tdt.
17α=β配合控制可逆调速系统正向制动过程三个阶段：（1）本组逆变阶段：电动机正向电流衰减阶段，VF组工作（2）它组整流阶段：电动机反向电流建立阶段，VR组工作（3）它组逆变阶段：电动机恒值电流制动阶段，VF 组工作。
正组VF，反组VR
18为防止起动时产生电流冲击，在单闭环调速系统中须加电流截止负反馈环节；在转速、电流双闭环系统中，通过调节转速调节器的输出限幅电压可限制最大电流。
截止电流Idcr=Ucom/Rs 堵转电流Idbl=（Un*+Ucom）/Rs
19由两组晶闸管装置组成的可逆线路产生两类环流，它们是静态环流和动态环流，静态环流又分为直流平均环流和瞬时脉动环流，串联均衡电抗器可限制瞬时脉动环流，在两组三相桥式反并联连接可逆线路中，需要2个均衡电抗器。
α=β工作制能消除直流平均环流。
21 PWM—电动机系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少。
（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
22 异步电动机调速分类：转差功率（消耗型、馈送型、不变型）调速系统。
23 基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速、变压变频调速。
24 变压变频基频以下属于恒转矩调速、基频以上属于近似的恒功率调速
25 a-恒Us/ω1控制、b-恒定子磁通Φms控制、c-恒气隙磁通Φm控制、d-恒转子磁通
Φmr控制
26 双极式控制的桥式可逆PWM变换器优点：（1）电流一定连续（2）可使电动机四象限运行（3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区（4）低速平稳性好，系统的调速范围大（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。
