运控系统绪论共讲

1、1课程安排课程安排课程名称：运动控制系统课程名称：运动控制系统班级：自动化班级：自动化 12011201班班 12021202班班周次：周次：4-64-6周周 (4(4月月1 1日日4 4月月1717日日) ) 8-16 8-16周周(4(4月月2929日日6 6月月2626日日) ) 星期与教室：周三星期与教室：周三(3-4(3-4节节) A109) A109 周五周五(3-4(3-4节节) B111) B111学分：学分：3.03.0考核方式：期末闭卷考试考核方式：期末闭卷考试2运动控制系统运动控制系统参考书目：参考书目：1 1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统第第4 4版版 阮毅

2、阮毅 陈伯时，机械工业出版社陈伯时，机械工业出版社出版社，出版社，20102010年年1 1月月 2 2、电力拖动与电力拖动与运动控制系统运动控制系统李宁李宁 白晶白晶 陈桂陈桂，高等教育出版社，高等教育出版社，20092009年年 3 3、运动控制系统运动控制系统张崇巍，武汉理工大学出版社，张崇巍，武汉理工大学出版社，20022002年年1 1月月3老师自我介绍老师自我介绍姓名：姓名：戚梦泽戚梦泽电话：电话：1370812394413708123944住址：住址：绵阳科学城绵阳科学城8 8区区 QQQQ：8271713482717134职称：职称：教授教授答疑：答疑：按同学要求可安排自习时间

3、集中答疑按同学要求可安排自习时间集中答疑( (请班长和学习委员安排联请班长和学习委员安排联 系教室和时间系教室和时间) )。任何同学都可上网通过。任何同学都可上网通过QQQQ答疑。答疑。 加加QQQQ方式：方式： 问：问：“你是谁？你是谁？” 回答：回答：“12011201姓名姓名”，如，如“12011201王五王五”介绍：介绍： 本系系主任本系系主任张笑微张笑微教授，早年师从我国电力拖动控制技术第一代国教授，早年师从我国电力拖动控制技术第一代国家级著名专家刘竞成教授，在本技术领域中的学术及教学各方面作出了家级著名专家刘竞成教授，在本技术领域中的学术及教学各方面作出了很大贡献。很大贡献。 同学

4、们学习过程中也可多请教张教授。同学们学习过程中也可多请教张教授。4绪论绪论 P1P1“运动控制系统运动控制系统”又称又称“电力拖动控制系统电力拖动控制系统”。 学习本课程的掌握的知识：学习本课程的掌握的知识： 通过对电动机的电压、电流、频率等输通过对电动机的电压、电流、频率等输入电量进行控制，实现改变工作机械的转矩、入电量进行控制，实现改变工作机械的转矩、速度、位移速度、位移( (定位定位) )等机械量的要求。等机械量的要求。5绪论绪论 0.1 0.1 运动控制及相关学科运动控制及相关学科 P1P1本课程相关学科本课程相关学科1.1.电机学电机学： 电动机是运动控制系统的电动机是运动控制系统的

5、控制对象控制对象。电动机的结构和原理确。电动机的结构和原理确定运动控制系统的设计方法和运行性能。定运动控制系统的设计方法和运行性能。2.2.电力电子技术电力电子技术： 电力电子装置是运动控制系统的电力电子装置是运动控制系统的执行手段执行手段。在系统中是作为。在系统中是作为电动机的控制电源。电动机的控制电源。3.3.微电子技术微电子技术： 使用各种高性能的大规模或超大规模的集成电路构成控制部使用各种高性能的大规模或超大规模的集成电路构成控制部件件, ,方便和简化了控制系统硬件电路的设计及调试，提高了系方便和简化了控制系统硬件电路的设计及调试，提高了系统的可靠性。同时统的可靠性。同时, ,高速、大

6、内存容量、多功能的微处理器或高速、大内存容量、多功能的微处理器或单片微机，单片微机，使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能，并成为可能，并大大提高了控制精度。大大提高了控制精度。6绪论绪论 0.1 0.1 运动控制及相关学科运动控制及相关学科( (续续) P2) P2本课程相关学科（续）本课程相关学科（续）4.4.计算机控制技术计算机控制技术： (1) (1) 计算机控制计算机控制 计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输能计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输能力，可力，可进行各种复杂的运算，实现对象参数辨识、系统参

7、数进行各种复杂的运算，实现对象参数辨识、系统参数的自整定和自学习、智能控制、故障诊断等。的自整定和自学习、智能控制、故障诊断等。 (2) (2) 计算机计算机数字数字仿真和计算机辅助设计仿真和计算机辅助设计(CAD)(CAD) 在系统数学模型基础上进行仿真，按给定指标寻优进行计算在系统数学模型基础上进行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计。对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以机辅助设计。对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以通过计算机求得其数值解。是当代运动控制系统常用的分析通过计算机求得其数值解。是当代运动控制系统常用的分析和设计工具。和设计工具。7绪论绪论 0.1 0.1 运动控制

8、及相关学科运动控制及相关学科( (续续) P2) P2本课程相关学科（续）本课程相关学科（续）5.5.信号检测与处理技术信号检测与处理技术： 运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制，最终缩小或消除偏差。具体实现是通过传感器实实施控制，最终缩小或消除偏差。具体实现是通过传感器实时检测系统的运行状态，进行故障分析和故障保护。为保证时检测系统的运行状态，进行故障分析和故障保护。为保证系统安全可靠运行避免干扰，还须对实际检测的信号进行滤系统安全可靠运行避免干扰，还须对实际检测的信号进行滤波等处理以及对传感器输出信号转换和数据处理

9、。波等处理以及对传感器输出信号转换和数据处理。6.6.控制理论控制理论: : 是是运动控制系统的理论基础，是运动控制系统的理论基础，是系统分析和设计的依据。新系统分析和设计的依据。新的控制理论的诞生，诸如非线性控制、自适应控制、智能控的控制理论的诞生，诸如非线性控制、自适应控制、智能控制等，为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理论依制等，为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理论依据。据。8绪论绪论 0.1 0.1 运动控制及相关学科运动控制及相关学科( (续续) P2) P2结论： 运动控制学是电机学、电力电子技术、微电子技术、运动控制学是电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技

10、术、控制理论、信号检测与处理技术计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的等多门学科相互交叉的综合性学科。综合性学科。9绪论绪论 0.2 0.2 运动控制组成运动控制组成 P3P3运动控制系统组成运动控制系统组成10绪论绪论 0.2 0.2 运动控制组成运动控制组成 P3P3 运动控制系统的分类运动控制系统的分类直流电机直流电机交流电机交流电机（异步电机、同步电机）（异步电机、同步电机）速度控制速度控制直流调速系统直流调速系统交流调速系统交流调速系统位置控制位置控制直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统11直线电机介绍直线电机介绍 ( (补充补充) )直线电机同

11、学们见得较少，这里给介绍一下直线电机同学们见得较少，这里给介绍一下12直线电机的构件直线电机的构件( (补充补充) )直线电机构成部件图：直线电机构成部件图：13绪论绪论 0.3 0.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 P5P5运动控制系统的规律：运动控制系统的规律： mmmmmm eLeLdjTjTtTTdddt 基基本本运运动动方方程程式式： 转转子子轴轴系系机机械械转转动动惯惯量量 ( (系系统统固固有有属属性性) ) ：转转子子转转动动角角速速度度 ( (系系统统输输出出量量) ) ：转转子子转转角角 ( (系系统统输输出出量量) )；：电电磁磁转转矩矩 ( (由

12、由系系统统输输入入量量控控制制) ) ：负负载载转转矩矩 ( (含含阻阻尼尼系系数数和和扭扭转转弹弹性性转转矩矩，系系统统固固有有属属性性) )“转转速速控控制制”：控控制制电电机机输输出出量量“转转子子的的转转动动角角速速度度” “位位置置控控m LeeTjTT 唯唯一一控控制制途途径径是是控控制制电电机机的的电电磁磁制制”：控控制制电电机机输输出出量量“转转子子的的转转动动角角度度”由由方方程程式式可可知知，和和是是系系统统的的固固有有属属性性，在在一一转转定定电电流流限限制制下下为为获获得得最最大大电电磁磁转转矩矩，还还需需控控制制铁铁心心磁磁通通矩矩( (电电机机磁磁链链) )。14绪

13、论绪论 0.3 0.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律( (补充补充) )转动惯量定义：转动惯量定义：转动惯量是刚体转动时惯性的量度，其量值取决于刚体的转动惯量是刚体转动时惯性的量度，其量值取决于刚体的质量质量、质量分布质量分布、转轴位置转轴位置三个因素。三个因素。同一刚体对不同转轴的转动惯量不同同一刚体对不同转轴的转动惯量不同, ,凡是提到转动惯量凡是提到转动惯量, ,必须必须指明它是对哪个轴的才有意义。指明它是对哪个轴的才有意义。规则形状的均质刚体，其转动惯量可计算求得。不规则刚体或规则形状的均质刚体，其转动惯量可计算求得。不规则刚体或非均质刚体的转动惯量，一般只能用

14、实验法测定。非均质刚体的转动惯量，一般只能用实验法测定。转动惯量应用于刚体各种转动的动力学计算中。转动惯量应用于刚体各种转动的动力学计算中。 计算电机的转动惯量还需注意是转子的转动惯量或是电机轴系计算电机的转动惯量还需注意是转子的转动惯量或是电机轴系的转动惯量。的转动惯量。 iiiiJm rmiri 2g g刚刚体体绕绕轴轴转转动动惯惯量量：式式中中： 刚刚体体中中某某个个质质点点 的的质质量量 质质点点 到到转转轴轴的的垂垂直直距距离离 遍遍及及整整个个刚刚体体求求和和15涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )“物体的机械运动物体的机械运动”： 物体在空间的

15、位置变化，叫物体的机械运动。物体在空间的位置变化，叫物体的机械运动。“物体机械运动的自由度物体机械运动的自由度”： 决定物体在空间的位置所需要的独立坐标的数目。决定物体在空间的位置所需要的独立坐标的数目。 研究物体机械运动的方法是描述位置坐标值变化的数学方程式。研究物体机械运动的方法是描述位置坐标值变化的数学方程式。 物体有几个自由度物体有几个自由度, ,它的运动定律就可归结为几个独立的方程式。它的运动定律就可归结为几个独立的方程式。质点的机械运动质点的机械运动：1.1.无约束质点的机械运动无约束质点的机械运动： 需用三个独立坐标需用三个独立坐标x x、y y、z z确定它的空间位置，这种情况

16、下质点有三个自由度。确定它的空间位置，这种情况下质点有三个自由度。2.2.受约束质点的机械运动受约束质点的机械运动： 质点被限制在一个面上运动质点被限制在一个面上运动( (平面或曲面平面或曲面) )，需用两个独立坐标确定它的空间位置，需用两个独立坐标确定它的空间位置，这种情况下质点有两个自由度。如轮船在海面这种情况下质点有两个自由度。如轮船在海面( (球面球面) )上的定位用上的定位用“经纬经纬”度描述度描述( (两个自由度两个自由度) )。 质点被限制在一条线上运动质点被限制在一条线上运动( (直线或曲线直线或曲线) )，需用一个独立坐标确定它的空间位置，需用一个独立坐标确定它的空间位置，这

17、种情况下质点有一个自由度。如汽车在高速公路上的定位用距起点的公里数描这种情况下质点有一个自由度。如汽车在高速公路上的定位用距起点的公里数描述述( (一个自由度一个自由度) )。16涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )刚体刚体: :在外力作用下形状和大小都不改变的物体。在外力作用下形状和大小都不改变的物体。 或者说，组成物体的任何两个质点间的距离都不因外力的作用而改变的物体。或者说，组成物体的任何两个质点间的距离都不因外力的作用而改变的物体。刚体的两类机械运动：刚体的两类机械运动：“平动平动”: :刚体内所有各点的运动相同。刚体内所有各点的运动相同。 可用一点

18、可用一点“质心质心G”G”的位置描述刚体的平动。的位置描述刚体的平动。“转动转动”: :指刚体绕轴转动。刚体内各点的运动均不相同。指刚体绕轴转动。刚体内各点的运动均不相同。既有平动又有转动的刚体既有平动又有转动的刚体, ,其独立坐标数为六个其独立坐标数为六个( (六个自由度六个自由度) )如下：如下： 1.1.质心质心G G的空间位置的空间位置：三个自由度。：三个自由度。 用用x x、y y、z z三个独立坐标确定质心的空间位置。三个独立坐标确定质心的空间位置。 2.2.转轴的方位角转轴的方位角。两个自由度。常用下面几种描述方式：。两个自由度。常用下面几种描述方式： 转轴直线从球心穿出与球面交

19、点的经纬度数。转轴直线从球心穿出与球面交点的经纬度数。 转轴直线与转轴直线与x x、y y轴的夹角轴的夹角、。与。与y y轴的夹角则不需要。轴的夹角则不需要。 因为三个夹角余弦的平方和因为三个夹角余弦的平方和coscos2 2coscos2 2coscos2 2=1)=1)。 转轴直线在转轴直线在xOyxOy面的投影线与面的投影线与x x轴的夹角轴的夹角和转轴直线与和转轴直线与z z轴的夹角轴的夹角。 3. 3. 刚体绕轴的刚体绕轴的“转动角度转动角度”：一个自由度。：一个自由度。 取垂直于转轴的平面作为取垂直于转轴的平面作为“参照系参照系”, ,在此平面上建立在此平面上建立“平面坐标系平面坐

20、标系xOyxOy”,”,坐标系坐标系原点取转轴与参照系平面的交点。刚体上取一点原点取转轴与参照系平面的交点。刚体上取一点P,P,连线连线OPOP与与x x轴的夹角就是绕轴的轴的夹角就是绕轴的“转动角转动角”17涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )转轴方位角两种定位方式：转轴方位角两种定位方式：18涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )刚体的转动刚体的转动基本特征基本特征: :刚体刚体绕轴转动绕轴转动( (是之后所有概念的基础是之后所有概念的基础) )。参照系参照系：选取垂直于转轴的平面。：选取垂直于转轴的平面。坐标系坐标系：

21、在参照平面上建立平面坐标系：在参照平面上建立平面坐标系xOyxOy，原点，原点O O取转轴与参照平取转轴与参照平面的交点。面的交点。转动刚体方位的描述转动刚体方位的描述：刚体上的在坐标系面内的一点：刚体上的在坐标系面内的一点P P，O O到到P P的连的连线与线与x x轴的夹角轴的夹角,用用角描述刚体的方位。角描述刚体的方位。定义转动角度定义转动角度： 约定：逆时针转动约定：逆时针转动为正为正 顺指针转动顺指针转动为负为负 单位：弧度单位：弧度 理解：理解：“转角转角”是刚体绕轴转动过程中是刚体绕轴转动过程中P P点扫掠的行程度量，等点扫掠的行程度量，等效直线位移的路径效直线位移的路径l。lr

22、( (弧弧长长) )转转动动角角度度= =( (半半径径) )19涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )刚体转动刚体转动“角速度角速度”矢量的定义矢量的定义： “ “角速度角速度=常量常量”的转动叫的转动叫“匀速转动匀速转动”。,:ddt 角角速速度度矢矢量量定定义义：位位于于转转轴轴上上, ,模模= =方方向向 右右手手握握轴轴, ,四四指指同同转转向向, ,拇拇指指指指方方向向20涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )转动转动“角加速度角加速度”矢量的定义矢量的定义：“角加速度角加速度=常量常量”的转动叫的转动叫“匀变速转

23、动匀变速转动”。“角量角量”：转角转角、角速度、角速度、角加速度、角加速度。“线量线量”：弧长：弧长l、一点的线速度、一点的线速度u、一点的切向加速度、一点的切向加速度、转速、转速n 角量与线量的关系：角量与线量的关系： 弧长：弧长： l =r （弧长（弧长=半径半径转角）转角） 线速度：线速度： u =r （线速度（线速度=半径半径角速度）角速度） 切向加速度：切向加速度：=r （切向加速度（切向加速度=半径半径角加速度）角加速度） 转速：转速： n =(60)/ 2 （“转转/ /分分”转速转速=60=60* *角速度角速度22）22t0lindtdt 角角加加速速度度: 单: 单位位：弧

24、弧度度/秒/秒 ，可可写写作作: 秒: 秒角角加加速速度度矢矢量量定定义义：位位于于转转轴轴上上, 方, 方向向同同 正 正值值：加加速速转转动动，负负值值：减减速速转转动动21涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )刚体刚体“匀变速转动匀变速转动”与质点与质点“匀变速直线运动匀变速直线运动”比较比较：“匀变速转动匀变速转动”: :指角加速度恒量指角加速度恒量 运动学和动力学的基本公式运动学和动力学的基本公式0 20t0tttv = v +at tFmaMl =vv = al v t +tttJa 222202211222 质质点点匀匀变变速速直直线线运运动动

25、刚刚体体绕绕轴轴匀匀变变速速转转动动 牛牛顿顿第第二二定定律律 转转 动动定定理理 ( (力力矩矩) 转转动动惯惯量量 角角加加速速度度22涉及的基本知识回顾复习涉及的基本知识回顾复习( (补充内容补充内容) )质点的质点的“匀速圆周运动匀速圆周运动”属于属于“变速曲线运动变速曲线运动”，质点一定受外力的作用，也一定有，质点一定受外力的作用，也一定有加速度。加速度。 描述质点匀速圆周运动的物理量如下：描述质点匀速圆周运动的物理量如下： 线速度线速度：数值恒定，方向沿切向连续变化。：数值恒定，方向沿切向连续变化。 向心力向心力：数值恒定，方向与线速度垂直，指向圆心，连续变化。：数值恒定，方向与线速度垂直，指向圆心，连续变化。 是作匀速圆周运动物体所受到的指向圆心的合外力。是作匀速圆周运动物体所受到的指向圆心的合外力。 向心力只改变线速度的方向向心力只改变线速度的方向, ,不改变线速度的大小不改变线速度的大小 向心加速度向心加速度：数值恒定，方向同向心力方向，连续变化。：数值恒定，方向同向心力方向，连