运动控制结课报告

科技学院运动控制结课报告(2012--2013年度第1学期)课程名称：运动控制院系：动力工程系班级：自动化09k1学号：091912010120学生姓名：隋晓东成绩：2012年12月课程总结运动控制的发展概况现代运动控制已成为电机学，电力电子技术，微电子技术，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综合性学科。课上老师简单介绍了运动控制及其相关学科的关系，随着其他相关学科的不断发展，运动控制系统也在不断发展，不断提高系统的安全性，可靠性，在课上跟随老师的思路，使我对运动控制系统有了更深刻的理解。运动控制系统也叫做电力拖动控制系统。运动控制系统的任务是通过对电动机电压，电流，频率等输入电量的控制,来改变工作机械的转矩，速度，位移等机械量，使各种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。工业生产和科学技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。在前期课程控制理论、计算机技术、数据处理、电力电子等课程的基础上，学习以电动机为被控对象的控制系统，培养学生的系统观念、运动控制系统的基本理论和方法、初步的工程设计能力和研发同类系统的能力。课堂上老师全面、系统、深入地介绍了运动控制系统的基本控制原理、系统组成和结构特点、分析和设计方法。通过本课程的教学，使学生较好地掌握交直流调速系统、随动系统的基本组成、工作原理以及系统的静、动态分析方法，能够按性能指标要求，应用工程设计方法设计运动控制系统。培养理论联系实际的能力，提高分析问题和解决问题的能力。图为运动控制系统与其支持学科什么是运动控制系统运动控制系统是以电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子、功率变换装置为执行机构,在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。运动控制系统多种多样,但从基本结构上看,一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装盆电动机和传感器反馈检测装置和被控对象等几部分组成。电动机及其功率驱动装置作为执行器主要为被控对象提供动力。运动控制系统及其组成运动控制系统主要内容《运动控制系统》内容主要包括直流调速、交流调速和伺服系统三部分。直流调速部分主要介绍单闭环、双闭环直流调速系统和以全控型功率器件为主的直流脉宽调速系统等内容；交流调速部分主要包括基于异步电动机稳态模型的调速系统、基于异步电动机动态模型的高性能调速系统以及串级调速系统；随动系统部分介绍直、交流随动系统的性能分析与动态校正等内容。此外，书中还介绍了近几年发展起来的多电平逆变技术和数字控制技术等内容。《运动控制系统》既注重理论基础，又注重工程应用，体现了理论性与实用性相统一的特点。书中结合大量的工程实例，给出了其仿真分析、图形或实验数据，具有形象直观、简明易懂的特点。教材的主线是控制系统的原理、分析和设计。这本教材设计的主要思路是理论与实际相结合，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计等实际问题。以转矩和磁链（磁通）控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序渐进，按照从开环到闭环、从直流到交流、从调速到伺服的层次论述运动控制系统的静、动态性能和设计方法。直流调速系统是运动控制系统的基础，教材从直流调速系统入门，建立了扎实的控制系统分析和设计的概括和能力之后，再进入交流调速系统的学习。最后，在掌握了调速系统的基本规律和设计方法的基础上，进一步学习伺服系统的分析和设计。第一章是绪论部分。绪论部分对运动控制系统的历史与发展以及相关学科做了一个简单的介绍，着重指出转矩控制是运动控制系统的根本规律，磁场（磁链）控制也相当重要。最后介绍了典型的负载特性。第二章是转速反馈控制的交流调速系统。本章节首先描述两类可控直流电源的特性和数字模型。当用可控直流电源和直流电动机组成一个直流调速系统时，它们所表现出来的性能指标和人们的期望值总是存在差距的，接着对此做出了分析，解决此问题的方法是设计具有转速反馈控制的直流调速系统。接着介绍了转速反馈控制直流调速系统的控制规律，分析了系统的静差率，介绍了P调节器和PI调节器的控制作用。随着技术的发展，各种自动控制系统越来越多采用微机数字控制，然后分析了数字控制系统的特点，着重介绍了数字测速方法和数字调节器。由于只带转速反馈的控制系统的控制对象是转速，没有控制电流，该系统需要实施限流保护，最后分析了限流的方法。同时也介绍了MATLAB/SIMULINK在直流调速系统设计中的基本应用方法，为以后各章节中的电力拖动系统仿真设计打下基础。第三章是转速、电流反馈控制的直流调速系统。本章节首先介绍转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性，接着阐述系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的控制作用。同时介绍了调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，这种设计方法计算简单，应用方便，容易掌握。应用工程设计方法能很好的解决转速、电流反馈控制直流调速系统两个调节器的设计问题。最后用MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统进行仿真。第四章是可逆控制和弱磁控制的直流调速系统。本章进一步讨论了可逆直流调速系统和弱磁控制的直流调速系统。首先讨论了直流PWM可逆直流调速系统，PWM调速系统的可逆控制比较简单，但它的可逆控制存在着能量的反馈问题。然后讨论了V-M可逆直流系统，包括主电路的可逆线路、晶闸管装置的逆变与回馈、可逆线路的环流及其控制系统。接着又讨论了弱磁控制的直流调速系统，在转速、电流双闭环直流调速系统的基础上增设电动势控制环和励磁电流控制环，可以控制直流电动机的气隙磁通，实现弱磁调速。学而为用，运动控制系统是一门实用性很强的课程，以前学习《自动控制原理》当时把它当成了一门数学理论课程一样的来学习，始终没有感觉到它的作用有多大，学习《电力电子技术》的时候也没有感觉到这门课有多么的重要，现在学习了运动控制系统，它把前两者都串连了起来，让我更加清晰的看见了理论知识的用处和运动控制系统的前景，这门课程对我整个自动化知识框架起到了一个画龙点睛的作用，提振了学习的热情，明确了发展的方向。整本教材始终在以各种电动机实际构成运动控制系统为线索来介绍。很多章节的内容只需稍加补充便是一个完整的运动控制系统，在生产和生活中起到了重要的作用。运动控制系统还在发展，由于各种技术突飞猛进的发展，将会进一步带动运动控制系统的发展，由于各种技术的融合交汇，会形成很多新的控制方法和控制结构和思想，会向着更高精度、更为方便的方向发展，学无止境，虽然这门课程就快要结束了，但是我们的任务远远没有结束，今后我们还会经常和和运动控制系统打交道，我要活到老学到老，不断学习研究新的运动控制系统的知识，这对我们实际生产生活用处很大。几种典型运动控制系统：（1）调速系统：直流调速系统、交流调速系统。（2）伺服系统（位置随动系统）。直流调速系统：（1）直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。（2）调节直流电动机的转速的方法：改变电枢回路电阻调速法、减弱磁通调速法、调节电枢电压调速法。直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。可控直流电源-电动机系统：（1）直流调速系统系统的硬件结构至少包含了两个部分：调节直流电动机电枢电压的直流电源；被调节转速的直流电动机。（2）可控直流电源主要有两大类：相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源；直流脉宽变换器，它先把交流电流整流成不可控的直流电，然后用PWM(脉冲宽度调制)方式调节输出直流电压。（3）相控整流器-电动机系统（V-M系统）。（4）直流PWM变换器-电动机系统。（5）调速系统性能指标：调速范围、静差率。调速系统在不同电压下的理想空载转速不一样；理想空载转速越低时，静差率越大；同样硬度的机械特性，随着其理想空载转速的降低，其静差率会随之增大；调速系统的静差率指标应以最低速时能达到的数值为准。闭环控制的直流调速系统：（1）转速单闭环直流调速系统：结论:闭环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，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。（2）转速、电流双闭环直流调速系统：双闭环调速系统的稳态结构与稳态参数计算：（3）调节器的设计方法：建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：概念清楚、易懂；计算公式简明、好记；不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；能考虑饱和非线性控制的情况，给出简单的计算公式；适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。工程设计方法的基本思路：调节器的设计过程分作两步：（I）先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；（II）再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。交流调速系统：（1）交流电动机的特点：与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造容易、维护工作量小等优点；交流电动机的电压、电流和磁通具有强耦合，其控制比直流电动机复杂的多；早期的交流传动均用于不可调传动，而可调传动则用直流传动；随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流可调传动已逐步普及，目前交流调速系统已占据主导地位。（2）交流可调传动的主要应用：生产工艺要求的一般性能调速；风机、泵类传动电机调速，以获得可观的节能效益；要求较高静、动态性能的交流调速系统和伺服系统；特大容量、极高转速的交流调速。基于稳态模型的异步电动机调速系统：在基于稳态模型的异步电动机调速系统中，采用稳态等值电路来分析异步电动机在不同电压和频率供电条件下的转矩与磁通的稳态关系和机械特性，并在此基础上设计异步电动机调速系统。主要内容：异步电动机变压变频调速基本原理、交流变频器、转速开环变压变频调速系统、转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统、变频调速在恒压供水系统中的应用。伺服系统：广义的伺服系统是：指精确地跟踪或复现某个过程的反馈控制系统，也可称作随动系统。狹义伺服系统其被控制量（输出量）是：负载机械空间位置的线位移或角位移，其给定量（输入量）是位置信号，当给定量作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，又称作位置随动系统。伺服系统和调速系统的异同：两者的相同点：（1）伺服系统和调速系统一样，都是反馈控制系统，控制原理相同；（2）稳态精度和动态稳定性是两种系统都必须具备的。两者的主要区别：（1）调速系统的给定量一经设定，既保持恒值，系统的主要作用是保证稳定和抵抗扰动即在动态性能中，多强调抗扰性；（2）伺服系统的给定量是随机变化的，要求输出量准确跟随给定量的变化，即在动态性能中，更强调快速跟随性能。伺服系统的应用领域：在生产实践中，伺服系统的应用领域非常广泛，如船舵的自动操纵、火炮和雷达的自动跟踪、机器人的动作控制等，是运动控制系统的一个重要分支。运动控制系统应用举例研控伺服驱动器在数控弹簧机上的应用一、引言近年来，交流伺服驱动系统的应用越来越广泛。交流伺服系统的性能日渐提高，价格日趋合理。与步进驱动系统相比，伺服驱动系统自带编码器，可以反馈位置信号，精度更高，不存在丟步的现象；伺服驱动为恒转矩控制，步进驱动为恒功率控制，随着转速升高，步进电机输出的扭力迅速衰减，伺服驱动不存在上述情况，在0到额的转速之间，都可以输出额定扭矩，因此伺服驱动可以应用于高速场合。二、应用环境某工厂生产数字弹簧机设备，采用步进驱动系统，加工速度最大为150个工件/分钟。为了提高加工速度，与深圳市研控自动化科技有限公司合作，采用研控公司的交流伺服驱动系统改造现有设备。试验机型为两轴电脑压簧机，改造后参数如表1所示：改造前，加工速度只有150工件/分钟，改造后的加工速度达到了500工件/分钟，速度提高330%以上，而由改造带来的总成