《运动控制系统》PPT课件

Motion Control System 南京理工大学自动化学院 Nanjing University of Science & Technology Department of Automation 运动控制系统 教 师：苏少钰 办公室：自动化系楼 313室 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 & Technology Department of Automation 绪论 Motion Control System 第 0章 绪论 1、运动控制系统是 什么 ？ 2、 为什么 要学习？ 3、本课程有 什么特点 ？ What？ Why？ How? Listen To Me! Motion Control System 第 0章 绪论 1、什么 是运动控制系统 控制系统 自动控制系统 运动控制系统 Motion Control System 第 0章 绪论 控制系统 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 1）液位自动控制动画 2）自动控制定义 所谓自动控制，是指在 没有人直接参与 的情况下， 利用外加的设备或装置（称控制装置或 控制器 ），使机 器、设备或生产过程（统称 被控对象 ）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。 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 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 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 作为驱动机构，在 自动控制 理论 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 控制器 驱动器 电动机 生产机械 测量反馈装置 给定量 - 电网 Motion Control System 第 0章 绪论 运动控制系统的分类 按 驱动电机 分： 直流 传动系统用直流电机带动生产机械； 交流 传动系统用交流电机带动生产机械； 按 被控物理量 分： 调速 系统以转速为被控量； 位置随动 系统（伺服系统） 以角位移或直线位移为被控量； 按 控制器的类型 分： 模拟 控制系统以模拟电路构成控制器； 数字 控制系统以数字电路构成控制器； 按 闭环数 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： 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 Motion Control System 第 0章 绪论 步进电机系列 接收数字控制信号，把电脉 冲信号转换成角位移 Motion Control System 第 0章 绪论 交流电机系列 Motion Control System 第 0章 绪论 2、 为什么 要学习运动控制系统 运动控制系统的主要应用领域 机械加工，冶金，交通运输，石油加工， 航天航空 、 国防工业 、家电生产、轻工、 农业等领域。 Motion Control System 第 0章 绪论 具体应用例子： 工业领域：数控机床； 印刷电路板生产线：表面贴焊，快速打孔， 机械手放置器件； 国防领域：雷达跟踪，自动武器，飞行器控制等； 家电领域：冰箱，空调，洗衣机，电脑光驱， 电风扇等； 机器人：机械手、足球机器人、搬运机器人等。 Motion Control System 第 0章 绪论 数控车床 Motion Control System 第 0章 绪论 数控铣床 Motion Control System 第 0章 绪论 机械手 Motion Control System 第 0章 绪论 Mars Rover Motion Control System 第 0章 绪论 Mars Rover2 Motion Control System 第 0章 绪论 六自由度机械手取物 六自由度机械手运动 Motion Control System 第 0章 绪论 据统计，我国电动机装机容量约为 4亿多千瓦， 其用电量占当年全国发电量的 60% 70%。 当前，能源紧张！ 合理、经济、有效的利用电能，是运动控制系统 设计者的责任。 Motion Control System 第 0章 绪论 综合性强 ， 多个学科交叉 （ 自动控制 、 电子技术 、 微机技术等 ） 工程化理论与实践相结合 。 涉及的知识：自动控制理论 、 模拟与数字电路 、 微机原理 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 。 3、本课程有 什么特点 Motion Control System 第 0章 绪论 运动控制系统结构 控制器 驱动器 电动机 生产机械 测量反馈装置 PC或 PLC 主要研究内容 ： （ 1）电力传动装置与系统 （ 2）运动参数的测量与反馈 （ 3）运动系统的控制策略 Motion Control System 第 0章 绪论 （ 1）电力传动装置与系统 电力传动 ：电源、控制设备、电动机和 被拖动的机械对象的组合。 电动机 ： 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： 直流电动机、交流电动机 驱动器 ：向电动机提供功率并控制其转矩、转速 或位置的装置。 Motion Control System 第 0章 绪论 （ 2）运动参数的测量和反馈 测量和反馈部分的核心 ：传感器 运动控制系统中的传感器的作用 ： 运动参数的测量 力学参数的测量 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： 准确性（静态特性）、实时性（动态特性） Motion Control System 第 0章 绪论 （ 3）运动系统的控制策略 开环控制： 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制技术。 闭环控制 ：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 的技术。 闭环运动控制系统一般围绕某种 控制目标 进行。 Motion Control System 第 0章 绪论 闭环控制系统的控制目标： （ 1）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 到另一确定的空间位置。（数控机床、机器人） （ 2）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） （ 3）转矩控制： 通过转矩的反馈来维持转矩的恒定。（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： 比例 -积分 -微分 （ PID） 控制 对系统误差进行处理并得到控制量的三种方式 它们的 本质 是什么？ 它们的 作用 各有哪些？ 它们是如何 实现 的？在工程设计中如何 使用 ？ Motion Control System 第 0章 绪论 运动控制系统的发展历史 19世纪 80年代 以前 仅有 直流电气 传动 19世纪末 ， 出现交流电机 （鼠笼式异步交流电机） 开始逐步使用 交流电 气 传动 20世纪 30年代起 ， 形成 直流 调速 ，交流不调速的格局 20世纪后期 ， 交流调速 兴起 Motion Control System 第 0章 绪论 运动控制系统的发展趋势 高频化 交流化 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 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： 总共 32学时 讲课 24学时 实验 8学时 本课程内容安排： 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）； 实验 Motion Control System 第 0章 绪论 1）直流调速系统 开环直流调速系统； 转速负反馈单闭环直流调速系统； 转速双闭环（速度环 +电流环）直流调速系统； 直流脉宽调速系统（ PWM）； 2）交流调速系统 变频调速； 3）位置随动系统（伺服系统）； Motion Control System 第 0章 绪论 运动控制系统 张崇巍主编 武汉理工大学出版社 2002 Motion Control System 第 0章 绪论 电力拖动自动控制系统运动控制系统 （第 3版） 陈伯时主编 机械工业出版社 2003 Motion Control System 第 0章 绪论 运动控制系统 尔桂花主编 清华大学出版社 2002