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文檔簡介

運動控制系統(tǒng) 電話 QQ 課程的性質(zhì) 本課程屬于專業(yè)必修課 主要以系統(tǒng)設計為主 本課程主要涉及到自動控制理論 電力電子技術和電機與拖動基礎三門專業(yè)課 課程的概述 運動控制系統(tǒng)是以電動機為對象 以電力電子技術功率變換器為弱電控制強電的媒質(zhì) 以自動控制理論為分析和設計基礎 以電子線路或計算機為控制手段 掌握運動控制系統(tǒng)的控制規(guī)律及設計方法 電能 機械能 課程在本專業(yè)培養(yǎng)中的地位與作用 本課程是自動化專業(yè)的核心課程 既有完整的理論體系 又有很強的實踐性 是一門把理論基礎和工具應用到工程實踐中去的典范課程 本課程不但能培養(yǎng)系統(tǒng)的概念 還能培養(yǎng)應用基本理論與方法進行工程設計的能力 課程在本專業(yè)培養(yǎng)中的地位與作用 學習本課程有利于建立以下幾個觀點 形成正確的認識 系統(tǒng)的觀念工程的觀念科技進步的觀念創(chuàng)新的觀念 課程在本專業(yè)培養(yǎng)中的地位與作用 系統(tǒng)的觀念 一個電路從信號輸入 中間的處理到最后的輸出 各級之間的增益分配 參數(shù)設置 邏輯關系都是相互協(xié)調(diào) 相互制約的 只有通盤考慮 全面調(diào)試才能獲得理想效果 運動控制系統(tǒng) 課程特別有利于學生系統(tǒng)集成的能力 綜合應用能力 仿真能力的培養(yǎng) 課程在本專業(yè)培養(yǎng)中的地位與作用 工程的觀念 數(shù)學 物理的嚴格論證及精確計算到工程實際之間往往有很大差距 運動控制系統(tǒng) 中的 工程設計 方法能引導學生的思維更切合工程實際 因而特別有利于學生工程觀念的培養(yǎng) 課程在本專業(yè)培養(yǎng)中的地位與作用 科技進步的觀念 運動控制系統(tǒng) 的發(fā)展 電子器件的換代 比其它任何技術都快 學習 運動控制系統(tǒng) 可以讓人深刻地體會到 在科學技術飛速發(fā)展的時代 只有不斷更新知識 才能不斷進步 課程在本專業(yè)培養(yǎng)中的地位與作用 創(chuàng)新的觀念 在闡述電子器件的產(chǎn)生背景 電路構(gòu)思 應用場合等問題時特別具有啟發(fā)性 課程將控制理論與實際工程系統(tǒng)的分析 設計緊密結(jié)合 相互促進 能夠充分發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力 因而特別有利于創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng) 考試方法 平時成績20 包括出勤 作業(yè) 實驗20 包括實驗操作 實驗報告 期末筆試開卷60 電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng) 第1章緒論 內(nèi)容提要 運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性 0 1運動控制及其相關學科 電機學 電力電子技術 微電子技術 計算機控制技術 控制理論 信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科 圖0 1運動控制及其相關學科 1 電機學 電動機是運動控制系統(tǒng)的控制對象電動機的結(jié)構(gòu)和原理決定了運動控制系統(tǒng)的設計方法和運行性能 新型電機的發(fā)明就會帶出新的運動控制系統(tǒng) 2 電力電子技術 以電力電子器件為基礎的功率放大與變換裝置是弱電控制強電的媒介 是運動控制系統(tǒng)的執(zhí)行手段 在運動控制系統(tǒng)中作為電動機的可控電源 其輸出電源質(zhì)量直接影響運動控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)和性能 新型電力電子器件的誕生必將產(chǎn)生新型的功率放大與變換裝置 對改善電動機供電電源質(zhì)量 提高系統(tǒng)運行性能 起到積極的推進作用 3 微電子技術 控制基礎微電子技術的快速發(fā)展 各種高性能的大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路層出不窮 方便和簡化了運動控制系統(tǒng)的硬件電路設計及調(diào)試工作 提高了運動控制系統(tǒng)的可靠性 高速 大內(nèi)存容量 多功能的微處理器或單片微機的問世 使各種復雜的控制算法在運動控制系統(tǒng)中的應用成為可能 并大大提高了控制精度 4 計算機控制技術 系統(tǒng)控制核心 1 計算機控制 2 計算機仿真 3 計算機輔助設計 在工程實際中 對于一些難以求得其精確解析解的問題 可以通過計算機求得其數(shù)值解 這就是計算機數(shù)字仿真 計算機數(shù)字仿真具有成本低 結(jié)構(gòu)靈活 結(jié)果直觀 便于貯存和進行數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點 計算機輔助設計 CAD 是在數(shù)字仿真的基礎上發(fā)展起來的 在系統(tǒng)數(shù)學模型基礎上進行仿真 按給定指標尋優(yōu)進行計算機輔助設計 已成為運動控制系統(tǒng)常用的分析和設計工具 計算機具有強大的邏輯判斷 數(shù)據(jù)計算和處理 信息傳輸?shù)饶芰?能進行各種復雜的運算 可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制規(guī)律 達到模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)的控制功能和效果 計算機控制技術的應用使對象參數(shù)辨識 控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定和自學習 智能控制 故障診斷等成為可能 大大提高了運動控制系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)的可靠性 5 信號檢測與處理技術 控制系統(tǒng)的 眼睛 運動控制系統(tǒng)的本質(zhì)是反饋控制 即根據(jù)給定和輸出的偏差實施控制 最終縮小或消除偏差 運動控制系統(tǒng)需通過傳感器實時檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài) 構(gòu)成反饋控制 并進行故障分析和故障保護 由于實際檢測信號往往帶有隨機的擾動 這些擾動信號對控制系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不利的影響 嚴重時甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性 為了保證系統(tǒng)安全可靠的運行 必須對實際檢測的信號進行濾波等處理 提高系統(tǒng)的抗干擾能力 此外 傳感器輸出信號的電壓 極性和信號類型往往與控制器的需求不相吻合 所以 傳感器輸出信號一般不能直接用于控制 需要進行信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理 6 控制理論 系統(tǒng)分析和設計的依據(jù)控制理論是運動控制系統(tǒng)的理論基礎 是指導系統(tǒng)分析和設計的依據(jù) 控制系統(tǒng)實際問題的解決常常能推動理論的發(fā)展 而新的控制理論的誕生 諸如非線性控制 自適應控制 智能控制等 又為研究和設計各種新型的運動控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù) 0 2運動控制系統(tǒng)及其組成 圖0 2運動控制系統(tǒng)及其組成 運動控制系統(tǒng)的控制對象 電動機 從類型上分直流電動機 交流感應電動機 交流異步電動機 和交流同步電動機 從用途上分用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機 電動機 運動控制系統(tǒng)的控制對象 1 直流電動機 結(jié)構(gòu)復雜 制造成本高 電刷和換向器限制了它的轉(zhuǎn)速與容量 優(yōu)點 易于控制 2 交流異步電動機 結(jié)構(gòu)簡單 制造容易 無需機械換向器 其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動機 3 同步電動機 轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速 具有機械特性硬 在恒頻電源供電時調(diào)速較為困難 變頻器的誕生不僅解決了同步電動機的調(diào)速 還解決了其起動和失步問題 有效地促進了同步電動機在運動控制中的應用 運動控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置 電力電子型功率放大與變換裝置半控型向全控型發(fā)展低頻開關向高頻開關發(fā)展分立的器件向具有復合功能的功率模塊發(fā)展 功率放大與變換裝置 執(zhí)行手段電力電子器件組成電力電子裝置 電力電子器件 第一代 半控型器件 如SCR 方便地應用于相控整流器 AC DC 和有源逆變器 DC AC 但用于無源逆變 DC AC 或直流PWM方式調(diào)壓 DC DC 時 必須增加強迫換流回路 使電路結(jié)構(gòu)復雜 第二代 全控型器件 如GTO BJT IGBT等 此類器件用于無源逆變 DC AC 和直流調(diào)壓 DC DC 時 無須強迫換流回路 主回路結(jié)構(gòu)簡單 另一個特點是可以大大提高開關頻率 用脈寬調(diào)制 PWM 技術控制功率器件的開通與關斷 可大大提高可控電源的質(zhì)量 第三代 特點是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動 保護功能的復合功率模塊 提高了使用的安全性和可靠性 運動控制系統(tǒng)的控制器 模擬控制器物理概念清晰 控制信號流向直觀控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路線路復雜 通用性差控制效果受到器件性能 溫度等因素的影響 運動控制系統(tǒng)的控制器 以微處理器為核心的數(shù)字控制器硬件電路標準化程度高控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上 修改靈活方便擁有信息存儲 數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能 運動控制系統(tǒng)的控制器 模擬控制器并行運行 控制器的滯后時間小 微處理器數(shù)字控制器串行運行方式 其滯后時間比模擬控制器大得多 在設計系統(tǒng)時應予以考慮 運動控制系統(tǒng)的信號檢測與處理 信號檢測電壓 電流 轉(zhuǎn)速和位置等信號信號轉(zhuǎn)換電壓匹配 極性轉(zhuǎn)換 脈沖整形等數(shù)據(jù)處理信號濾波 信號檢測與處理 傳感器運動控制系統(tǒng)中常用的反饋信號是電壓 電流 轉(zhuǎn)速和位置 為了真實可靠地得到這些信號 并實現(xiàn)功率電路 強電 和控制器 弱電 之間的電氣隔離 需要相應的傳感器 信號檢測與處理 傳感器精度 信號傳感器必須有足夠高的精度 才能保證控制系統(tǒng)的準確性 濾波 信號濾波 模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構(gòu)成的濾波電路 而計算機數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計算機軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法 0 3運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 電力電子技術和微電子技術帶動了新一代交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展 打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動天下的格局 進入21世紀后 用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭的事實 0 3運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機的數(shù)學模型簡單 轉(zhuǎn)矩易于控制 換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦 使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比 0 3運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 交流調(diào)速系統(tǒng)交流電動機 尤其是籠型感應電動機 結(jié)構(gòu)簡單交流電動機動態(tài)數(shù)學模型具有非線性多變量強耦合的性質(zhì) 比直流電動機復雜得多 交流調(diào)速系統(tǒng) 基于穩(wěn)態(tài)模型的交流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)動態(tài)性能無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比 基于動態(tài)模型的交流調(diào)速系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)動態(tài)性能良好 取代直流調(diào)速系統(tǒng) 0 3運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 同步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)同步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴格保持同步 機械特性硬 電力電子變頻技術的發(fā)展 成功地解決了阻礙同步電動機調(diào)速的失步和啟動兩大問題 忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩 運動控制系統(tǒng)的簡化運動方程式 0 4運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 機械轉(zhuǎn)動慣量 轉(zhuǎn)子的機械角速度 轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角 運動控制的目的 控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角 對于直線電動機來說是控制速度和位移 運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式 轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角 唯一的途徑就是控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化 0 4運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 電磁轉(zhuǎn)矩 磁鏈控制同樣重要為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩 充分利用電機鐵芯 在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩 必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時也控制磁通 或磁鏈 0 4運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 磁通 0 4生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性 生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩是一個必然存在的不可控擾動輸入 歸納出幾種典型的生產(chǎn)機械負載轉(zhuǎn)矩特性 實際負載可能是多個典型負載的組合 應根據(jù)實際負載的具體情況加以分析 負載轉(zhuǎn)矩 恒轉(zhuǎn)矩負載 負載轉(zhuǎn)矩的大小恒定

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