《运动控制系统》课件第1章.ppt

1、第1章 绪论第1章 绪 论1.1自动控制系统的基本概念1.2直流调速系统概况1.3交流调速系统概况1.4自动控制系统仿真基本概念1.5本课程的任务本章小结习题与思考题第1章 绪论 1.1自动控制系统的基本概念1.1.1自动控制系统的一般概念所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。例如，无人驾驶飞机按照预定的飞行航线自动升降和飞行，这是典型的自动控制技术应用的结果。何谓自动控制系统，为了说明这个概念，下面先简单介绍一下自动控制理论中常用的几个术语。第1章 绪论(1)被控对象：在自动控制技术中，通常把工作

2、的机器设备称为被控对象，如汽车、飞机以及炼钢和化工生产中使用的锅炉等。(2)被控量：把表征机器设备工作状态的物理参量称为被控量，如电压、电流、进给量、炉温等。(3)给定输入：对物理参量的要求值称为给定值(给定输入)或希望值(或参考输入)；(4)控制装置：也称为控制器，能起控制作用的设备装置。控制器发出的控制输出信号称为控制量。第1章 绪论(5)系统：为达到某一目的，由相互制约的各个部分按一定规律组成的、具有一定功能的整体。掌握上述几个概念后，不难理解自动控制系统的含义了。一般地，被控对象和控制装置(控制器)的总体称为自动控制系统。现以无人驾驶飞机为例，进一步理解上述几个概念。第1章 绪论无人驾

3、驶飞机按预先给定的飞行航线参数(高度、方向等)飞行，则预先给定的飞行航线参数称为给定输入或参考输入；在飞行过程中受到大气气流的影响使飞机偏离预定的航线，大气气流使飞行参数改变称为扰动；飞机的测量比较装置测出实际飞行参数与预定飞行参数存在偏差，就会对飞机的某些设备装置进行控制调节，这些起控制作用的设备装置称为控制器；飞机称为被控对象；飞机实际飞行参数称为被控制量；在控制器作用下使飞机回到预定的航线或偏差在允许范围内，这就形成了无人驾驶飞机的自动控制系统。第1章 绪论1.1.2自动控制的基本方式自动控制系统有两种最基本的形式，即开环控制和闭环控制。闭环自动控制系统是工业生产中应用最为广泛的系统，也

4、是本书讨论的主要内容。1.开环控制开环控制是一种最简单的控制方式，其特点是：在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。常见的开环控制系统有以下两种。第1章 绪论1)按给定值操作的开环控制系统这种控制方式的特点是：需要控制的是被控对象的被控量，而控制装置(即控制器)只接收给定值信号。按给定值操作的开环控制系统原理方框图如图1-1所示。系统中，给定值经计算、执行部件和被控对象转变为被控量，这是一个单向传递过程，故称为开环控制。这种开环控制方式有明显的缺陷，它对可能出现的被控量偏离给定值的偏差没有任何修正能力，抗干扰能力差，控制精度不高。当系统的结构参

5、数稳定、干扰极弱或控制精度要求不高时，可采用这种开环控制方式。第1章 绪论图1-1按给定值操作的开环控制系统原理方框图第1章 绪论2)按干扰补偿的开环控制系统这种控制方式的特点是：需要控制的仍是被控对象的被控量，而控制装置(即控制器)接收的是干扰信号(破坏正常运行的干扰信号)。抗干扰补偿的开环控制系统原理方框图如图1-2所示。利用干扰信号产生控制作用，以及时补充干扰对被控量的直接影响，称为干扰补偿控制。干扰信号经测量、计算、执行等部件至被控对象变换为被控量，这也是一个单向传递过程。第1章 绪论图1-2按干扰补偿的开环控制系统原理方框图第1章 绪论这种系统只能对可测干扰进行补偿，对不可测干扰，系

6、统自身无法控制，因此控制精度受到原理上的限制。在存在强干扰且变化比较剧烈的场合，可以采用这种开环控制方式。第1章 绪论2.闭环控制闭环控制方式的特点是：在控制器与被控对象之间不仅存在着正向作用，而且存在着反馈作用，即系统的输出量对控制量有直接影响，其原理方框图如图1-3所示。闭环控制系统中，控制信号经计算比较、执行部件至被控对象，然后又经过测量部件反馈回来，形成一个闭路传递，故称闭环控制。将检测出来的输出量(即被控量)送回到系统的输入端，并与输入量(即给定值)比较的过程称为反馈。若反馈信号与输入信号相减，则称为负反馈；反之，若相加，则称为正反馈。输入信号与反馈信号之差称为偏差信号。偏差信号作用

7、于控制器上，使系统的输出量趋向于给定的数值。闭环控制的实质就是利用负反馈的作用来减小系统的误差，因此闭环控制又称为反馈控制。第1章 绪论图1-3按偏差调节的闭环控制系统原理方框图第1章 绪论闭环控制系统从原理上提供了实现高精度控制的可能性。因为无论是干扰的作用，还是系统结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。但是闭环控制系统的参数如果匹配得不好，会造成被控量的较大摆动，甚至使系统无法正常工作。第1章 绪论例1-1一个简单的水位控制系统如图1-4所示，试分析系统的工作原理，并画出系统的原理方框图。解系统的任务是控制水箱内的水位高度H使其等于预先设定的水位高度H0。因为最终需要控制

8、的是水箱内的水位，使其维持恒定，故首先应明确下列问题：(1)受控对象水箱、供水系统；(2)被控量水箱内水位的高度；(3)给定量控制器刻度盘指针标定的预定水位高度；(4)控制装置启动阀门、控制器；第1章 绪论图1-4水位控制系统原理图第1章 绪论(5)测量装置浮子；(6)比较装置控制器刻度盘；(7)干扰水的流出量Q2和流入量Q1的变化都将破坏水位的恒定，故Q1、Q2是干扰输入。由上述分析可知系统的工作原理如下：假定水位H恰好等于控制器刻度盘指针标定的预定水位高度，则水位偏差为零，启动阀门保持一定开度，进水量一定，水箱处于平衡工作状态。如果流出量Q2突然增大，而进水启动阀门一时没变，则水位下降，浮

9、子下移，使得进水阀门开度增大，水位偏差不为零，进水量增加，水位逐渐升高，直至水位H又恢复到预先设定的值，系统重新进入平衡状态。水位控制系统的原理方框图如图1-5所示。第1章 绪论图1-5水位控制系统的原理方框图第1章 绪论闭环控制系统是否能很好地工作，将取决于被控对象和控制装置之间、各功能部件的特性参数之间是否匹配得当。在工程实际应用中，控制精度是衡量自动控制系统技术性能的重要指标。一个高质量的控制系统，在整个运行过程中，被控量对给定值的偏差应该是很小的。一般地，考虑到自控系统的动态过程(控制被控量变化的全过程称为系统的动态过程)在不同阶段中的特点，工程上常从稳、准、快三个方面来评价总体精度。

10、稳和快反映了系统动态过程性能的好坏。既快又稳，表明系统的动态精度高。准是衡量稳态精度的指标，反映了系统后期稳态的性能。稳、快、准三方面的性能指标往往由于被控对象的具体情况不同，各系统要求也有所侧重，而且在同一个系统中，稳、快、准的要求是相互制约的。第1章 绪论1.2直流调速系统概况调速控制系统是通过对电动机的控制，将电能转换成机械能，并且控制工作机械按给定的运动规律运行的装置。用直流电动机作为原动机的传动方式称为直流调速。直流调速系统具有良好的起、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。虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快，但就其闭环

11、控制的机理来说，直流电动机的调速与控制理论和实现都是交流电动机调速控制的基础。第1章 绪论从根本上说，由于直流电动机电枢和磁场能独立进行激励，而且转速和输出转矩的描述是对可控电压(或电流)激励的线性函数，因此，容易实现各种直流电动机调速控制，也容易实现对控制目标的“最佳化”。这也是直流电动机长期主导调速领域的原因。在生产过程中，控制系统的运行速度不可能一成不变，需要根据生产机械的工艺要求或实际情况进行速度调节。调速的方法一般有几种：机械调速、电气调速和机械电气配合调速。机械调速通过改变传动比来实现调速；电气调速则通过改变电动机的电气参数，从而改变电动机运行的工作点来实现调速。采用何种方案调速，

12、要根据实际情况，以获得最佳性价比为目标来决定。在很多情况下，采用电气调速在技术、经济等各项指标上都优越得多。第1章 绪论由于晶闸管供电的直流调速系统具有良好的技术经济指标，目前国内多数调速系统仍然沿用晶闸管电动机传动结构，但是晶闸管存在着控制的非线性及较低的功率因数等缺点，难以实现高精度、宽范围的速度控制。随着GTO晶闸管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的问世，这些有自关断能力的器件逐步取代了原来普通晶闸管系统所必需的换向电路，简化了电路结构，提高了效率和工作频率，降低了噪声，缩小了电力电子装置的体积和重量。谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步被斩波器或脉冲宽度调

13、制型(PWM)变流器所代替，明显地扩大了电动机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。PWM电源终将取代晶闸管相控式可控功率电源，成为电源的主流。一种称为软性PWM的电源将主宰传动控制领域，成为理想的功率电源。第1章 绪论随着信息、控制与系统学科以及电力电子技术的发展，电力拖动控制系统获得了迅猛发展，从旋转交流机组(交流电动机带动直流发电机)到水银整流器静止变流装置、晶闸管整流装置，再到众多集成电力模块。目前完全数字化的控制装置已成功应用于生产，以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多功能的电气传动系统正处在形成和不断完善之中。第1章

14、绪论1.3交流调速系统概况交流调速系统的多种方案虽然早已问世，但是长期以来一直没有理想的调速方案，只能被用于恒速拖动领域。晶闸管等功率元件的出现使交流电动机调速的发展出现了一个飞跃，使得采用半导体变流技术的交流调速得以实现。尽管交流电动机具有体积小、重量轻、没有电刷和换向器、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、易于维修等优点，但是由于交流电动机调速系统具有控制比较复杂、调速性能差、装置价格高、效率低等缺点，因而仍然未能得到推广。第1章 绪论自从微处理器出现以后，在绕线转子异步电动机串级调速、无换向器电动机调速、笼型异步电动机的矢量控制以及PWM技术方面都已经获得了重大突破与发展，并已进入

15、工业应用阶段。目前，以大功率半导体器件、大规模集成电路为基础的交流电动机调速系统已具备了较宽的调速范围、较高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率以及可以四象限运行等优异性能，其静、动态特性均可以与直流电动机调速系统相媲美。而这时，直流电动机和交流电动机相比其缺点也日益显露出来。例如，直流电动机存在换向问题，其最大供电电压受到限制，机械强度也限制了转速的进一步提高，结构的影响使其不适于腐蚀性、易爆性和含尘气体的特殊场合。第1章 绪论因此，交流电动机越来越受到人们的重视，可以说，交流调速逐步取代直流调速已成为明显的发展趋势。特别是节能型交流调速技术，已得到很快发展。在过去大量应用的所谓不变速

16、拖动系统中，有相当一部分是风机、水泵等拖动系统，这类负载约占工业电力拖动总量的一半。其中有些并不是真的不需要变速，只是由于过去的交流电动机不能调速，因而不得不依赖挡板和阀门来调节流量，同时也消耗掉大量的电能。如果采用交流电动机调速来改变风量或流量，则效率将会大大提高。从各方面来看，改造恒速电动机为交流调速电动机，每台月节能20以上，总体的节能效益是可观的。第1章 绪论1.4自动控制系统仿真基本概念系统仿真作为一种特殊的试验技术，在20世纪30年代到90年代的半个多世纪中经历了飞速发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的试验科学。伴随着第一台电子管电子计算机的诞生和以相似理论为基础的模拟技术的应用，仿真作为一种研究和发展新产品、新技术的科学手段，在航空、航天、造船、兵器等与国防科研相关的行业中首先发展起来，并显示了巨大的社会效益和经济效益。第1章 绪论以武器的作战使用训练为例，1930年左右，美国陆、海军航空队就使用了林克式仪表飞行模拟训练器。当时其经济效益相当于每年节约1.3亿美元，而且少牺牲524名飞行员。此后，固定基座以及三自由飞行模拟座舱陆续大量投入使用。19501953年，美