运动控制系统 教学ppt课件第1章绪论.ppt

第1章 绪论,本章教学要求与目标熟悉运动控制系统组成及其类型了解运动控制系统的历史与发展掌握运动控制系统转矩控制规律,1.1 运动控制系统组成和类型,自动控制系统（Automatic Control Systems）是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。提问举例：1、工农业生产中自动控制的例子2、日常生活中自动控制的例子3、国防军事上自动控制的例子,例图,德国DMG数控机床,http:/,自动控制系统两大类型：运动控制系统和过程控制系统,过程控制系统以表征生产过程的参量为被控制量，使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。,运动控制系统就是以运动机构作为控制对象的自动控制系统。其输出量（被控量）是速度、位移等参数。运动控制系统方框图如图1-1所示。,图1-1,控制器产生使运动控制系统性能满足要求的控制策略和控制信号，功率放大与变换装置将控制信号放大到足以推动执行元件动作且进行所需的能量变换，传感器将系统输出的速度或位置信号检测出来经转换和处理（包括滤波、整形、电压匹配、极性转换、A/D转换等）后得到反馈信号，与给定输入信号比较后送给控制器决策运算。从运动控制系统的能量提供方式和传动方式来分类主要有液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统三种基本类型。,1.1.1 液压传动系统,液压传动是利用密封工作容积内液体的压力能完成由原动机向工作装置的能量或动力的传递、转换与控制。其主要的工作原理是流体力学的帕斯卡原理。液压传动系统除了以液压油 作为传动介质外，一般还包 括动力元件、执行元件、控 制元件以及一些辅助元件。典型的液压传动系统的组成 如图1-2所示。,1油箱 2过滤器 3液压泵 4溢流阀 5节流阀 6换向阀 7液压缸 8工作台,图1-2,液压传动的动力元件主要是指原动机和液压泵。原动机是指能够将液压油抽送到液压装置的动力机械，一般来讲主要以电动机为主。液压泵是将机械能转换为压力能，是整个系统的动力源泉。液压泵有柱塞泵、齿轮泵、叶片泵等多种类型。液压传动的执行元件包括液压马达和液压缸，它们可以将液压能转化成机械能。液压马达是将液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能的、做旋转运动的液压执行元件。液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。,液压马达,液压传动的控制元件用来对液压系统的压力、执行机构的运动速度和运动方向实行控制，分为以下三类：方向控制阀：包括单向阀和换向阀。单向阀允许液体在管路中单方向流动，反向时不通。换向阀是一种利用阀芯和阀体相对运动来改变液压油液流动方向的控制阀，同时还兼有接通或关闭油路的作用。,图 1-3 二位三通电磁阀的结构示意图及其图形符号,压力控制阀：主要包括溢流阀、减压阀和顺序阀。流量控制阀：通常有节流阀和调速阀。还有比例阀和伺服阀的输出流量可以受输入电流控制，数字阀可直接与计算机接口，不需要D/A转换器。液压传动的辅助元件如油箱、滤油器、油管、密封装置等分别起储油、过滤、输送和防漏保压等作用。,液压传动的优点：,（1）能方便地实现无级调速，调速范围大。（2）运动传递平稳、均匀。（3）易于获得很大的力和力矩。（4）单位功率的体积小，重量轻，结构紧凑，反映灵敏。（5）易于实现自动化。（6）易于实现过载保护，工作可靠。（7）自动润滑，元件寿命长。（8）液压元件易于实现通用化、标准化、系列化、便于设计制造和推广使用。,液压传动的缺点：,（1）由于液压传动的工作介质是液压油，所以无法避免会有泄漏，效率降低，污染环境。（2）温度对液压系统的工作性能影响较大。（3）传动效率低。（4）空气的混入会引起工作不良。（5）为了防止泄漏以及满足某些性能上的要求，液压元件的制造精度要求高，使成本增加。（6）液压设备故障原因不易查找。,液压传动的应用,由于液压传动有许多突出的优点，应用非常广泛。一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。,液压传动的发展趋势,随着机械制造技术、自动化技术、计算机技术的发展，液压技术也得到了很大的发展，并渗透到各个工业领域中去。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效、低噪音、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机辅助测试、计算机直接控制、计算机实时控制技术、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术、以及污染控制技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。,1.1.2 气压传动系统,气压传动的工作原理为：把由电动机或其它原动机的机械能转换成有压气体的压力能，通过控制元件控制，输送给执行元件，再还原成机械能。,气压传动系统的一般组成,图 1-4 1电动机 2空气压缩机 3储气罐 4压力控制阀 5逻辑元件 6方向控制器 7流量控制阀 8机控阀 9气缸 10消声器 11油雾器 12空气过滤器,典型的气压传动系统由以下四个部分组成：,1）气压发生装置，简称气源装置。其作用是供给气动系统一定压力、一定流量、干净、干燥的压缩空气。主要设备有空气压缩机、后冷却器、储气罐等。2）控制元件。用于控制压缩空气的流量、压力、方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度，并按设计的程序正常工作。主要元件有压力阀、流量阀、方向阀等。3）执行元件。起能量转换作用，把压缩空气的压力能转化为工作装置的机械能。如由气缸产生直线往复式运动，由摆动气缸和气马达产生回转摇摆式运动和旋转运动。4）辅助元件。是用于辅助保证气动系统正常工作的一些装置，如过滤器、干燥器、油雾器、消声器、分水滤油器以及各种管路附件等。,气压传动的优点：,1）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，故使用安全。2）工作介质是空气，取之不尽、用之不竭，又不花钱。排气处理简单，不污染环境，成本低。3）输出力及工作速度的调节非常容易。4）可靠性高，使用寿命长。5）利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气；对冲击负载和过负载有较强的适应能力。6）全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式比较，气动方式可在高温场合使用。7）由于空气流动压力损失小，压缩空气可集中供气，较远距离输送。,气压传动的缺点：,1）由于空气具有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化影响。2）气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例比较大，气缸的低速稳定性不如液压缸。3）虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。,气动系统的应用场合,1）要求无异味、无油污等许多轻工业生产的场合。如：食品、服装、制鞋、纸张、包装等。2）在粉尘较大、温度较高或较低以及潮湿等场合。如：铸造、拌粉、玻璃、陶瓷、冷饮、灌酒等。3）用在有一定的动作程序要求，但又不是非常复杂的专用动作程序场合。如：衬衫折叠机。4）凡要求功率不大、转速较高、又要瞬时反转的场合。如：牙钻（用气马达）。,1.1.3 电气传动系统,电气传动系统即采用电力拖动的运动控制系统。它采用电动机作为执行元件。电动机的类型主要有以下几种：1）直流电动机：具有调速范围广且平滑，起动、制动转矩大，过载能力强等优点，常用于对调速要求较高的场合。但由于电刷、换向器的存在，使得设备成本和维护成本较高，火花产生电磁干扰，使用寿命也受到影响。2）交流异步电动机：是目前使用最广泛的电动机。其定子绕组通入交流电产生旋转磁场，转子中闭合导体受到定子旋转磁场切割而产生感应电流和感应磁场，转子受到定子、转子合成磁场的电磁力作用而转动，转子速度小于定子旋转磁场的速度。异步电动机结构简单，维护方便，成本低，但以前调速困难。随着电力电子技术和自动控制技术的发展，现在交流调速技术已日臻成熟，变频调速器已大量应用。,3）同步电动机：具有调速范围宽、功率因素高、动态响应快等优点，其失步与起动困难问题依靠变频技术也已解决。4）步进电动机：它是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件，它的旋转是以固定的角度（称为步距角）一步一步运行的，其特点是没有误差积累，广泛应用于各种开环控制系统。5）开关磁阻电动机（SRD）：其结构和原理与传统交直流电机有着根本区别，转子没有绕组也没有永磁体，定子极具有集中绕组，每对定子极绕组分时分别通电励磁。主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。SRD的最大缺点是转矩脉动大，噪声大。,各种电动机均需相应的驱动器提供要求的电源，还要有控制器根据指令的要求产生控制策略，使运动控制系统的静、动态指标满足规定要求。电气传动系统由于具有控制方便、体积紧凑、噪声小、节能、容易实现自动化、智能化、网络化等优点，已成为运动控制系统的主流。现代运动控制系统以各类电动机及所拖动的机构为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制原理和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计（CAD）为研究和开发的工具。本课程主要研究电气传动运动控制系统的原理，介绍运动控制系统设计方法和工程应用实例。,1.2 运动控制系统发展历史,液压传动的运动控制系统历史比较悠久。如果从17世纪中叶帕斯卡提出静压的传递原理算起，液压传动已有三百多年的历史，但真正用于工业生产是在19世纪。20 世纪初，美国人Janney将矿物油引入液体传动作为传动介质，并设计制造了第一台轴向柱塞泵及其液压驱动装置，改善了液压元件的摩擦、润滑和泄漏问题，提高了液压系统工作效率。在第二次世界大战期间，由于武器工业的需要，机械制造工业得到很大的发展，在很多车辆、舰船、航空、兵器设备上都采用了反应快、动作准、功率大的液压传动的运动控制装置，推动了液压元件功率密度和控制性能的提高以及液压传动运动控制系统的发展。战后，液压传动技术迅速转向民用领域，在机床、工程机械、汽车等行业逐步推广，并得到了长足的发展。,气压传动技术出现在19世纪初，1829年出现了多级空气压缩机，为气压传动的发展创造了条件，气压传动的运动控制系统有了实现的基础。1871年，气压风镐在采矿业上开始应用。美国人G.威斯汀豪斯在1868年发明了气动制动装置并于1872年应用于铁路车辆的制动，收到很好的效果。进入20 世纪后，随着武器、机械、化工等工业的发展，气动元器件和气压传动的运动控制系统得到广泛的应用。在1930年出现了低压气动调节器20世纪50年代研制成功用于导弹尾翼控制的高压气动伺服机构。20世纪60年代，射流和气动逻辑元件的发明使气压传动更加如虎添翼，在工程上有了很大发展。,电气传动（电力拖动）的运动控制系统是在电机发明之后发展起来的。1831年，法拉第，电磁感应定律1832年，斯特金，直流电动机1886年，特斯拉，两相交流电动机1888年，多里沃多勃罗沃尔斯基，三相感应电动机,20世纪中叶以前，在工业领域形成了直流调速和伺服系统一统天下的局面，交流电动机只是用在大功率驱动场合。交流电动机具有结构简单、成本低等诸多优点，但其动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直流电动机复杂得多。随着电力电子技术、交流电机理论和控制理论的快速发展，交流电动机运动控制系统的成本逐步降低，性能逐步提高，直流调速系统正在被其取代。其它类型的电气传动运动控制系统也崭露头角，步进电动机和开关磁阻电动机的运动控制系统在中小功率场合占有一定的份额，同步电动机运动控制系统在大中功率场合也有相当的优势，这些成为了引人注目的新兴力量。,液、电、气三种传动方式相互配合，取长补短，形成了很多混合式的运动控制系统。电液伺服系统兼有液压传动的输出功率大、反应速度快的优点和电气控制的操作性控制性良好、自动化程度高的优点。电气开关/伺服系统成本低、对环境要求不高且易于计算机控制，在实现汽缸在目标位置定位等方面的控制上显示了特有的控制效果和功能。气液混合的控制系统可以在很大程度上改善气液系统的性能。当前，随着控制理论的不断发展和数字、网络技术的广泛应用，运动控制技术与信息技术相互融合，新型的控制方法和手段正在不断被应用到运动控制系统的各个方面，例如模糊控制、滑模控制、鲁棒控制、专家系统、神经网络控制、远程网络控制等。另一方面，先进的运动控制系统在传统工业生产上得到普遍应用外，正进入新能源如风力发电、电动汽车等各个领域。,Te 电磁转矩（Nm）；TL负载转矩（Nm）；D 阻转矩阻尼系数；K 扭转弹性转矩系数；转子的机械角速度（rad/s）；转子的机械转角（rad）；J 机械转动惯量（kgm2）。,1.3 运动控制系统的转矩控制规律,运动控制系统的任务就是控制电动机的转速或转角，对于直线电动机则是控制速度或位移。根据牛顿力学定律，运动控制系统的旋转运动基本方程式为,若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则此运动方程式可简化为 在工程计算中，通常用下式代替上式的第一行 GD2飞轮矩（Nm2）n转子的机械转速（r/min）,上式表明运动控制系统的转速变化（即加速度）由电动机的电磁转矩与生产机械的负载转矩之间的关系决定。当=时，电动机以恒定转速旋转或静止不动，即系统处于静态或稳态。当 时，系统处于加速状态。当 时，系统处于减速状态。可见，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，转矩控制是运动控制的根本问题。,为了有效地控制电磁转矩，充分利用铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，以加快系统的过渡过程，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。因为当磁通（或磁链）很小时，即使电枢电流（或交流电动机定子电流的转矩分量）很大，实际转矩仍然很小。由于物理条件限制，电枢电流（或定子电流）总是有限的。因此。磁链控制与转矩控制同样重要，不可偏废。通常在基速（额定转速）以下采用恒磁通（或磁链）控制，而在基速以上采用弱磁控制。,本章小结,本章作为学习运动控制系统的预备知识，首先介绍了运动控制系统的三种类型：液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统，分析了各自的优缺点。然后介绍了运动控制系统的发展历史，使大家对本学科的来源、现状和未来趋势有所了解。最后阐述了动力学转矩控制规律，指明了运动控制的本质和方法。,