搜档网
当前位置:搜档网 › 第6章-船舶运动控制系统建模应用

第6章-船舶运动控制系统建模应用

第6章-船舶运动控制系统建模应用
第6章-船舶运动控制系统建模应用

第6章 船舶运动控制系统建模应用

6.1 引 言

数学模型化(mathematical modelling)是用数学语言(微分方程式)描述实际过程动态特性的方法。在船舶运动控制领域,建立船舶运动数学模型大体上有两个目的:一个目的是建立船舶操纵模拟器(ship manoeuvring simulator),为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台;另一个目的是直接为设计船舶运动控制器服务。船舶运动数学模型主要可分为非线性数学模型和线性数学模型,前者用于船舶操纵模拟器设计和神经网络控制器、模糊控制器等非线性控制器的训练和优化,后者则用于简化的闭环性能仿真研究和线性控制器(PID, LQ, LQG, H ∞鲁棒控制器)的设计。

船舶的实际运动异常复杂,在一般情况下具有6个自由度。在附体坐标系内考察,这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐标轴的转动,前者以前进速度(surge velocity)u 、横漂速度(sway velocity)v 、起伏速度(heave velocity)w 表述,后者以艏摇角速度(yaw rate)r 、横摇角速度(rolling rate)p 及纵摇角速度(pitching rate)q 表述;在惯性坐标系内考察,船舶运动可以用它的3个空间位置000,,z y x (或3个空间运动速度

000,,z y x &&&)和3个姿态角即方位角(heading angle)ψ、横倾角(rolling angle)?、纵倾角

(pitching angle)θ (或3个角速度θ?ψ&&&,,)来描述,),,(θ?ψ称为欧拉角[4](见图6.1.1)。

显然T ],,[w v u 和T 000],,[z y x &&&以及T

],,[r q p 和T ],,[θ?

ψ&&&之间有确定关系[4]。但这并不等于说,我们要把这6个自由度上的运动全部加以考虑。数学模型是实际系统的简化,如何简化就有很大学问。太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数,也不便于分析。过于简单的模型不能描述系统的重要性能。这就需要我们建模时在复杂和简单之间做合理的折中。对于船舶运动控制来说,建立一个复杂程度适宜、精度满足研究要求的数学模型是至关重要的。

图6.1.1的坐标定义如下:000Z Y X O -是惯性坐标系(大地参考坐标系),

为起始

位置,0OX 指向正北,0OY 指向正东,0OZ 指向地心;o -xyz 是附体坐标系,为船首尾之间连线的中点,ox 沿船中线指向船首,oy 指向右舷,oz 指向地心;航向角ψ以正

北为零度,沿顺时针方向取0?~360?;舵角δ以右舵为正。对于大多数船舶运动及其控制问题而言,可以忽略起伏运动、纵摇运动及横摇运动,而只需讨论前进运动、横漂运动和艏摇运动,这样就简化成一种只有3个自由度的平面运动问题。图6.1.2给出图6.1.1经简化后的船舶平面运动变量描述。

船舶平面运动模型对于像航向保持、航迹跟踪、动力定位、自动避碰等问题,具有足够的精度;但在研究像舵阻摇、大舵角操纵等问题时,则必须考虑横摇运动。本章根据刚体动力学基本理论建立船舶平面运动基本方程,据此进一步导出状态空间型(线性和非线性)及传递函数型船舶运动数学模型,并考虑了操舵伺服系统的动态特性和风、浪、流干扰的处理方法。这些结果将作为设计各种船舶运动控制器的基础。计及横摇的四自由度船舶运动数学模型参见文献[5]。

图6.1.1 在惯性坐标系和附体坐标系中描述船舶的运动

Y 0

图6.1.2 船舶平面运动变量描述

6.2 船舶平面运动的运动学

(1)坐标系及运动学变量

1)惯性坐标系及与之相关的速度分量 取00Y X O -为固定于地球的大地坐标系,原点

O 设为船舶运动始点或任取,地球的曲率在此可不考虑,不过在涉及大范围航行的航线设

计问题时,需单独处理。设船舶运动速度向量V 在0OX 方向上的分量为0u ,V 在0OY 方向上的分量为0v ,船舶当前的位置是),(00y x ,时间变量以t 表示,显有

??

?

??=-=-??t

t

t v y t y t u x t x 00000000d )0()(d )0()( (6-2-1) 设船舶的艏摇角速度r 顺时针方向为正,有

?=-t

t r t 0d )0()(ψψ (6-2-2)

2)附体坐标系及与之相关的速度分量 取附体坐标系oxy 位于满载水线面内。船舶运动速度V 在ox 方向上的分量为u ,称为前进速度,V 在oy 方向上的分量为v ,叫做横漂速度。同一速度向量V 在惯性坐标系的分量),(00v u 及附体坐标系的分量),(v u 有下列明显的关

??

?

???????

??-=??????v u v u ψψψψ

cos sin sin cos 00 (6-2-3)

3)两种坐标系内运动学变量之间的关系 在惯性坐标系内船舶的位置和姿态由

T 00)](),(),([t t y t x ψ确定,在附体坐标系内船舶之运动速度和角速度由[]T

)(),(),(t r t v t u 表示。

由式(6-2-1),式(6-2-2)和式(6-2-3)知

??

???++=-+=+=???t

t

t

t t t v t t u y t y t t t v t t u x t x t

t r t 0000000d )](cos )()(sin )([)0()(d )](sin )()(cos )([)0()(d )()0()(ψψψψψψ

(6-2-4)

可见,要确定船舶在任意时刻的位置和姿态,首先应该求出在附体坐标系内u,v,r 的变化规律,为此需要建立船舶运动的动力学方程。

(2)平面运动中船舶各点上速度之间的关系

1)刚体运动分解为移动和转动 从运动控制角度将船舶视为刚体是足够准确的,因此其运动是由移动(translation)和转动(rotation)叠加而成;可以取船上任意一点为参考点,船舶一方面整体地随该参考点平行移动,另一方面绕该参考点同时发生旋转运动;移动速度即参考点的速度,故与参考点选择有关,转动角速度则与参考点无关,即对任意的参考点均为同值,对于船舶平面运动,该转动角速度即为艏摇角速率r 。

2)船舶任意点P 处的合速度 取o 为参考点(图6.2.1),船上任一点P 对o 点向径为j i j i ρ,,y x o +=为ox 及oy 轴上的单位向量。以向量形式表示旋转角速度,有k ωr =,k 为沿oz 轴的单位向量,ω即为艏摇角速度向量。由理论力学,因刚体转动而造成的速度为o r ρωV ?=,故P 点的合速度是

j

i ρωV V V V )()(xr v yr u o r P ++-=?+=+=

(6-2-5)

注意:单位向量×乘所得向量满足右手法则,如i k ?,右手从k 的正方向逆时针握向i 的正方向,大拇指所指方向即j 的正方向,如果方向与j 的正方向相反,结果加负号。

图6.2.1 移动与转动速度的合成

考虑船舶质心C ,其对o 点之向径为j i ρC C C y x +=,则C 点之速度为

P V

j

i j i ρωV V )()()(r x v u r x v r y u C C C C C ++=++-=?+=

(6-2-6)

上式最后一步是由于船舶配载对称于纵舯剖面,0=C y 。如果取质心C 为参考点,应该从oxy 坐标系过渡到ξηC 坐标系,后者是前者沿ox 方向平行移动距离C ρ而得。P 对C 的向径为j i d ηξ+=,于是有

j

i d ωV V )()(r v r u C C C P ξη++-=?+=

(6-2-7)

6.3 船舶平面运动的动力学

在推导船舶运动方程时,做下列假设:≠ 船舶是一个刚体;≡ 大地参照系是惯性参照系;≈ 水动力与频率无关,水的自由表面做刚性壁处理。有了第一个假设就不用考虑每个质量元素之间的相互作用力的影响,而第二假设则可以消除由于地球相对于恒星参照系的运动所产生的力。

(1)平移运动方程的建立

1)刚体的动量 刚体被看做无数质量微团的集合体,各微团保持其形状及彼此之间的距离不变。刚体动量G 为各微团动量m P d V 的积分,即

?????+=?+==m m m m C C P d d d )(d d ωV d ωV V G

上式最后一项按照质心的定义应为零,设m 是刚体的总质量,则

C m V G = (6-3-1) 2)刚体动量定理 牛顿运动定律指明,刚体动量的变化率等于其所受外力之和。以j i F Y X +=代表合外力,其中,X 是作用于ox 方向上的外力,Y 是作用于oy 方向上的外力,有

F G =t d /d (6-3-2) 利用式(6-2-6)、式(6-3-1)和式(6-3-2),且注意到i j j i r t r t -==d /d ,d /d (因整个坐标系是建立在附体坐标系基础上的,而附体坐标系是随着船舶的移动和转动而移动和转动的,故其导数存在。如果在惯性坐标系,则其导数为0),参见图6.3.1,经整理得

?

??

=++=--Y r x ur v m X r x vr u m C C )()(2&&& (6-3-3)

i

j

图6.3.1 单位向量微分关系

式(6-3-3)即为船舶平移的动力学基本方程,注意其形状与熟知的牛顿方程有所差异,这是由于建立船舶运动数学模型应用的oxy 是非惯性坐标系所致。式(6-3-3)左端附加项mvr

-及mur 是船舶宏观旋转中向心惯性力分量;附加项2

r mx C -及r mx C &分别是由于质心C 对原点o 做旋转运动产生的向心惯性力及切向惯性力(离心惯性力)。

(2)旋转运动方程的建立

1)刚体的动量矩 刚体对质心C 的动量矩C H 为各微团对C 动量矩)d (m P V d ?的积分,即

?????=+=+??+=

??+?=?=k

k j i k j i d ωd V d V d H r I m r m r m m m C P C ζζηξηξηξ]d )([d )()(d )(d )(d )(2

2

(6-3-4)

其中?+=m I d )(2

2ηξζζ为船舶对过C 点的垂直轴)(?o 的惯性矩。

2)对质心C 的动量矩定理 同样由牛顿运动定律,运动着的刚体对质心C 的动量矩变化率等于其所受外力矩之和,以k M C C N =表示后者,C N 为外力矩之代数和,于是

C C t M H =d /d

即 C N r

I =&ζζ (6-3-5) 3)对于坐标系oxy 原点o 的动量矩定理 形式为式(6-3-5)的动量矩定理只适用于质心C 。

现由该式出发对力矩和动量矩进行变换以导出适用于o 点的动量矩定理表达式。以k M N o =表示外力矩之和,其中N 是作用于船舶的绕z 轴的外力矩,以zz I 表示船舶对oz 轴的惯性矩,由理论力学的力矩和惯性矩移轴公式,有F ρM M ?+=C C o 及

2

C zz m I I ρζζ+=,这样由式(6-3-4)和式(6-3-5)可推出

k k j i k k )(r x ur v m x r I Y x r I N c c c &&&&+++=?+=????

N ur v mx r

I C zz =++)(&& (6-3-6)

式(6-3-6)即为船舶转动的动力学基本方程,其形状与式(6-3-5)的区别在于,左端的附加

项v mx C &及ur mx C 分别代表由于质心C 对原点o 做旋转运动所产生的离心惯性力矩和向心

惯性力矩。

6.4 船舶平面运动的线性化数学模型

综合式(6-3-3)和式(6-3-6),得下列形式的船舶平面运动基本方程

??

?

??

=++=++=--N ur v mx r I Y r x ur v m X r x vr u m C zz C C )()()(2&&&&& (6-4-1)

当附体坐标系原点取在质心C 时,0=C x ,可得最简形式的船舶平面运动基本方程

??

?

??

==+=-N r I Y ur v

m X vr u m zz &&&)()( (6-4-2)

式(6-4-1)代表着3种力的平衡关系:左端是船体本身的惯性力和力矩,右端是流体对船体运动的反作用力,实际上包含了流体惯性力和力矩及黏性力和力矩。式(6-4-1)本质是非线性的,其左端显式地出现vr ur ,等非线性项,尤其右端的N Y X ,,将是运动变量和控制变量的多元非线性函数,结构异常复杂。

(1)船舶平面运动的非线性模型和线性模型

船舶运动数学模型分线性化数学模型和非线性数学模型两大类。研究船舶数学模型通常有两种目的:一种目的是建立精密程度不同的船舶运动仿真器(又称船舶运动模拟器),用于通过仿真对船舶操纵特性进行研究,对船舶运动闭环控制系统进行研究,对船舶运动控制器性能进行评价。这种模型必须是非线性的,以包含尽可能多的机理细节;另一种模型目的是用于船舶运动控制器设计,这种模型主要是线性的,因为迄今为止,线性反馈控制理论仍是能够提供各种控制器设计系统性方法的惟一控制论分支。当引用神经网络控制或模糊控制时,非线性船舶运动数学模型可以提供训练和学习的数据。

1)船舶平面运动非线性数学模型 为应用方程式(6-4-1)求解船舶平面运动的基本变量r v u ,,,必须具体讨论流体动力X,Y 和力矩N 的结构形式。研究中把船体、螺旋桨和舵视为

一个整体,此时X,Y,N 将是移动速度),(v u 、转动角速度)(r 、它们的时间导数),,(r v u

&&&、舵角)(δ以及螺旋桨转速)(n 的非线性函数

??

?

??

==),,,,,,,(),,,,,,,(),,,,,,,(n r v u r v u N N n r v u r v u Y Y n r v u r v u X X δδδ&&&&&&&&&=

(6-4-3)

完全从理论上确定式(6-4-3)的函数关系极为困难,迫使研究者不得不转向半理论半经验的方法或多元数据回归方法。

Abkowitz 提出一种小扰动和Taylor 展开研究X,Y,N 的表示式的方法,其主要思路是,

考虑船舶等速直线运动这一平衡状态:0,0,0,0========r v u

r v V u u &&&δ,这时在式(6-4-3)中的自变量n 将不出现;从该点出发,研究偏离平衡状态不远的运动:

δδδ????=?=?=?=?=?=?+=,,,,,,,,,,0Λ&&&&&&v u r r v v u u r r v v u u u 是小量;将

X,Y,N 在平衡点附近展成Taylor 级数时,在展开式中将仅出现v u &&,和r &的一次项,因为流体对船舶的惯性反作用力只取决于平移加速度v u &&,以及转动角加速度r &

本身,而与它们的各阶导数无关;至于和r v u ,,?有关的黏性力各项及与δ有关的舵力各项,则取至3阶为止,更高阶的项全部略去。将式(6-4-3)的展开式代回式(6-4-1)并进行移项整理,可得到Abkowitz

非线性船舶运动方程[6]。

Norrbin 发展一种非线性船舶运动数学模型[7],该模型有两个特点,一是适用于运动变量),,(r v u 的整个变化范围;二是它不像Abkowitz 模型那样,完全按数学方式处理流体动力,以至其Taylor 展开式的某些项缺乏物理意义,而是在更深的层次上依赖于流体动力学的基本原理,构成一种半理论半经验的模型格局。

以上所述的Abkowitz 和Norrbin 船舶运动非线性数学模型属于“整体式”模型,本节将做较详细的介绍。与此相对应,日本船舶操纵数学模型小组(Manoeuvring Model Group, MMG)提出了一种分离式船舶运动数学模型[8],后者是在单独考虑船体、螺旋桨、舵的流体动力学特性的基础上再研究在它们构成一个推进和操纵系统时,各部分之间的相互干扰。这种分离式模型的优势是具有完整的理论支持,易于进行实验研究从而获得较为通用的数据回归结果,对于希望建立自己的复杂程度不同的船舶操纵模拟器的各类研究人员均有裨益。有关MMG 模型的结构和细节,有兴趣的读者可参考文献[9]。

2)船舶平面运动线性数学模型 沿用Abkowitz 的研究方案,在把流体动力X,Y,N 展开成Taylor 级数时只保留一阶小量[6],同时在船舶运动基本方程左端也进行线性化处理,从而得到平面运动线性数学模型,有

δδδδN r N v N r N v N r u mx v mx r I Y r Y v Y r Y v Y r mx r mu v m u X u X u m r v r v c c zz r v r v c u u ++++=++++++=++?+?=?&&&&&&&&&&&&

&&&00 以矩阵形式表示之,有

δδδ????

?

?????+?????????????????????--=?????????????????????-----N Y r v u u mx N N mu Y Y X r v u N I N mx Y mx Y m X m C r v

r v u r zz v C r C v u 0)(0

)(000)()(0)()(000)

(00&&&&&&&&(6-4-4

)

式(6-4-4)对研究平面运动稳定性有用。

3)前进运动与横漂、转首运动的解耦 式(6-4-4)表明,在线性化前提下,前进运动与其他两个自由度上的运动互相独立,从航速控制的角度,该自由度的运动可以单独考虑;横漂及转首运动之间存在着强耦合,这两个自由度上的运动与船舶航向、航迹控制密切相关,是

本章研究的重点,故而将式(6-4-4)重新写为

u X u

X m u u ?=-&&)( (6-4-5)

δδδ

??

?

???+????????????--=????????????----N Y r v u mx N N mu Y Y r v N I N mx Y mx Y m C r v r v r zz v C r C v )()()()()()

(00&&&&&&

(6-4-6)

4)流体动力导数的无量纲化 船舶线性化数学模型的进一步推演主要涉及10个流体动

力导数δδN Y N N Y Y N N Y Y r v r v r v r v ,,,,,,,,,&&&&,前4个称为“速度导数”,第5~第8个称为“加速度导数”,最后两个称为“舵力和舵力矩导数”。由于船舶(包括桨、舵)几何形状的复杂性,应用理论流体动力学方法计算这些流体动力导数是不可能的,因此它们的确定必须依赖于船模试验。为了数据处理的科学性以及使用的方便性,根据相似原理和量纲分析方法,

应该采用无量纲的流体动力导数。为此选择一些基本的度量单位:长度0L ──L (船长),速度0V ──V (航速),时间0t ──L/V ,质量0m ──3)2/1(L ρ,力0F ──22)2/1(L V ρ,力矩0M ──32)2/1(L V ρ,其中ρ──水密度。这样将得到各量的无量纲值:

质量:)2

1

/(3'L m m ρ= 长度:L x x C C /'=

速度:V v v /'= 转首角速度:V rL r /'= 力:)2

1/(22'L V F F ρ= 力矩:)2

1

/(23'V L N N ρ=

惯性矩:)21/(5'

L I I zz zz

ρ= 16

2

mL I zz =

以此为基础,将得到无量纲速度导数v v v Y VL Y F V V v F Y v Y Y 2

0000'

''2

)/()/(/ρ==??=

??=,

'''/r N N r ??=Λ,))/(2(4r N VL ρ=,以此类推。以上介绍的无量纲化流体动力导数称为“一

撇”系统(prime system),由美国造船与轮机工程师协会(SNAME)于1950年提出;此后Norrbin

又提出了“两撇”(bis system)[7],其独到之处是采用与上述不同的基本度量单位,如:长度──L ,速度──gL ,时间──g L /,质量──??,ρ为排水体积,力──?g ρ,力

矩──L g ?ρ。由此得出的无量纲流体动力导数以Λ,,"

"r

v N Y 表示。 5)线性流体动力导数的估算公式 Clarke 整理大量船模试验数据,给出关于10个线性

流体动力导数的回归公式[10],汇集如下:

2

2 ')/(π])/(1.5/16.01[L T L B T B C Y b v ?-+-=& 22

')/(π])/(0033.0/67.0[L T T B L B Y r ?--=&

2

')/(π]/041.0/1.1[L T T B L B N v ?--=&

2

')/(π]/33.0/017.012/1[L T L B T B C N b r ?-+-=&

2 ')/(π]/40.01[L T T B C Y b v ?+-= (6-4-7)

2')/(π]/080.0/2.22/1[L T T B L B Y r ?-+--=

2

')/(π]/4.22/1[L T L T N v

?+-= 2' )/(π]/56.0/039.04/1[L T L B T B N r ?-+-= 2 '/0.3L A Y δδ= '' )2/1(δδY N -=

上式中B,T,b C ,A δ分别指船宽、吃水、方形系数、舵叶面积。上式中的''

'',,,r v

r v N N Y Y 是船体本身的流体动力导数,在实际应用时应考虑舵对船体流体动力的干扰,尚需对这些流体动力

导数做一定的修正,需修改的增量按下式确定[10] ' 'δγY Y v -=?

' '21

v r Y Y ?-

=? '' 21

v v Y N ?-=? (6-4-8)

' '4

1

v r Y N ?=?

30.0=γ

(2)状态空间型船舶平面运动数学模型

状态空间型的船舶运动数学模型是船舶运动控制器设计的基础,它可以有多层次的模型化方案,不同维数的模型用于不同的设计目的和精度要求,详见文献[9]。 1)二自由度状态空间型船舶线性数学模型 在式(6-4-6)的第一行两端除以32

1L ρ,第二

行除以

42

1L ρ,并转化成无量纲流体动力导数,则有

δδδ????

????????+???????????

?????--=??????????????----'2'2''''

'

'

'

.

.

''''

'''''

')()()()(N L V Y L V r v x m N V N L

V m Y V Y L V r v N I L N x m Y x m L Y m C r v

r v

r zz v

C r C v

&&&&

(6-4-9)

上式可简记为

U Q X P X I ')2()2(')2()2(.

')2(+=

(6-4-10)

其中

??????----=)()(''''

''

''''')

2(r zz v

C r C v N I L N x m Y x m L Y m &&&&

I

?

??

?

?

?????--=)()('

''''''')

2(C r v r v x m N V N L V m Y V Y L V P

?????

?

??????='2'2 ')

2(δδN L V Y L V Q 分别是惯性力导数矩阵、黏性力导数矩阵及舵力导数矩阵,T )2(][r v =X 是状态向量,δ=U 是控制输入。将式(6-4-10)化成标准的状态空间形式,得

δ)2()2()2()2(.

B X A X += (6-4-11)

其中

??

?

???==-22211211

')2(1 ')2()2()(a a a a P I A ??

????==-2111'

)2(1' )2()2()(b b Q I B

并且

L

Y x m N x m Y m N I S S L V N Y m Y N x m b S V N Y x m Y N I b S V x m N Y m m Y N x m a S L V N Y m Y N x m a S LV x m N Y x m m Y N I a S V N Y x m Y N I a r C v C v r zz v v C r C r zz C r v r v C v v v v C C r r C r r zz v r C v r zz )])(())([(//])()([/])()[(/)])(())(([//])()([/)])(())([(/])()[(''''''''''112'''''''2112'

''''''111'

'''''''''221

'''''''211''''''''''121

''

'''''11&&&&&&&&&&&&&&&&-----=-+--=---=--+---=-+--=-----=---=δδδδ

(6-4-12)

2)三自由度状态空间型船舶线性数学模型 在式(6-4-11)的基础上,增加一个便于研究问题的状态变量ψ?(航向偏差),且r r ψψψψ,-=?为设定航向,使状态向量成为

T

)3(][ψ?=r v X 。因r =?.

ψ,可得

δ)3()3()3()3(.

B X A X += (6-4-13) 其中 ???

?????

=01000)2()

3(A

A ??????=0)2()3(

B B

电力传动控制系统——运动控制系统

电力传动控制系统——运动控制系统 (习题解答) 第 1 章电力传动控制系统的基本结构与组成.......... 第 2 章电力传动系统的模型................. 第 3 章直流传动控制系统................... 第 4 章交流传动控制系统................... 第 5 章电力传动控制系统的分析与设计* ............ 错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签

第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 1.根据电力传动控制系统的基本结构,简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。 答:电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式,由于电力传输和变换的便利,使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示,一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械(负载)组成。 控制指令 图1-1电力传动控制系统的基本结构 电力传动控制系统的基本工作原理是,根据输入的控制指令(比如:速度或位置指令),与传感器采集的系统检测信号(速度、位置、电流和电压等),经过一定的处理给出相应的反馈控制信号,控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号,控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等,使电动机改变转速或位置,再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动,故又称为运动控制系统。 虽然电力传动控制系统种类繁多,但根据图1-1所示的系统基本结构,可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题: 1)电动机的选择。电力传动系统能否经济可靠地运行,正确选择驱动生产 机械运动的电动机至关重要。应根据生产工艺和设备对驱动的要求,选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等,然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。 2)变流技术研究。电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的,如直流 电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向,而调速需要改变电 枢电压或励磁电流的大小;交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等,因此,变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。 3)系统的状态检测方法。状态检测是构成系统反馈的关键,根据反馈控制 原理,需要实时检测电力传动控制系统的各种状态,如电压、电流、频率、相位、 磁链、转矩、转速或位置等。因此,研究系统状态检测和观测方法是提高其控制

运动控制系统实验指导书(修改

运动控制系统实验指导书 2013年3月

目录 第一部分MCL-11型电机及控制教学实验台介绍 (2) 第二部分实验项目 实验一晶闸管直流调速系统电流-转速调节器调试 (8) 实验二双闭环晶闸管不可逆单闭环直流调速系统测试 (10) 实验三异步电动机的变压变频调速演示实验 (15)

第一部分MCL-11型电机及控制教学实验台介绍 一、实验机组 =1500r/pm。 直流电动机:P N=185w,U N=220V,I N=1.1A,n N 二、实验挂箱 (1)MCL-18挂箱:G(给定),(GT+MF)触发电路及功放,单双脉冲观察,(FBC+FA)电流反馈及过流过压保护,零速封锁器(DZS),速度变换器(FBS),速度调节器(ASR),电流调节器(ACR)。 (2)MCL-33挂箱:脉冲通断控制及显示,一组、二组可控硅,平波电抗器。 (3)MEL-11挂箱:六组可调电容。 三、选配挂箱 (1)MEL-03挂箱:可调电阻器。 (2)电机导轨及测速发电机,直流发电机M01:P N=100W,U N=200V。 (3)电机导轨及测功机、测速发电机,MEL-13组件。 控制系统挂箱介绍和使用说明 (一)、MCL-18挂箱 MCL—18由G(给定),(GT+MF)触发电路及功放,双脉冲观察,(FBC+FA)电流反馈及过流过压保护,零速封锁器(DZS),速度变换器(FBS),速度调节器(ASR),电流调节器(ACR)组成。 1.G(给定) 原理图如图1-1。它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号: (1)0V突跳到正电压,正电压突跳到0V; (2)0V突跳到负电压,负电压突跳到OV; (3)正电压突跳到负电压。负电压突跳到正电压。

运动控制系统基本要求

11级电气工程与自动化专业《运动控制系统》基本要求(2014-05-23) 第一章 绪论 了解本课程的研究内容。 第二章 (转速单)闭环控制的直流调速系统 1、 了解V (SCR )--M 、PWM--M 两种主电路方案及其特点(2.1节、P16、P97--98、笔记); 2、 他励(或永磁)直流电动机三种数学模型及转换,解耦模型中I do ~U d 环节的处理(P27--28、笔记); 3、 稳态性能指标中D 、S 间关系及适用范围(2.2.1节、P29--30、笔记); 4、 转速单闭环直流调速系统组成原理、特点及适用范围(P2 5、笔记); 5、 带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统的组成原理、特点(笔记、2.5.2节)。 第三章 转速、电流反馈控制的直流调速系统 1、 双闭环直流调速系统的组成原理(主要指:V —M 不可逆调速系统、PWM-M 调速系统)、特点,符合实际的系统数学模型,静(稳)态参数的整定及计算(P60、P59--6 2、笔记); 2、 ASR 、ACR 的作用(P65); 3、 典1、典2系统的特点、适用范围、参数整定依据(3.3.2节、笔记); 4、 基于工程设计法的ASR 、ACR 调节器参数整定方法(P77--78、3.3.3节、例3-1、3-2、笔记); 5、 理解ASR 退饱和时的(阶跃响应)转速超调量等时域指标算式(P86--88、笔记); 6、 系统分别在正常恒流动态、稳态阶段,及机械堵转故障、转速反馈断开故障下的(新稳态)物理量计算; 7、 M 、T 、M/T 三种数字测速方法及特点(2.4.2节、笔记); 8、 了解了解M/T 数字测速的技术实现方法、系统控制器的技术实现方法(P82-85、笔记)。 第四章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 1、 PWM--M 可逆直流调速系统组成原理及特点(4.1节,笔记) 2、 V (SCR )--M 可逆主电路中的环流概念、类型、特点(P103--104、笔记); 3、 常用的晶闸管-直流电动机可逆调速系统组成原理及特点(4.2.2节,图4-1 4、图4-1 5、4.2.3节)。 第五章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 1、 异步电动机定子调压调速的机械特性簇与特点,转速闭环调压调速系统组成原理及适用范围(5.1--5.2节); 2、 软起动器的作用及适用条件(5.2.4节); 3、 异步电动机变压变频调速的基本协调控制关系(一点两段)及其依据(5.3.1节); 4、 异步电动机四种协调控制的特点,各自的机械特性簇、特点及比较(5.3.2节--5.3.3节、笔记); 5、 SPWM 、CFPWM 、SVPWM 变频调速器组成原理与特点,及其中各环节的作用(5.4节); 6、 了解基于转差频率控制的转速闭环变频变压调速系统的基本原理(5.6节)。 第六章 基于动态模型的异步电动机调速系统 1、 交流电动机坐标变换的作用,矢量控制(VC )的基本思想、特点(6.6、6.7、笔记); 2、 异步电动机VC 系统的一般组成原理(图6-20); 3、 了解各种具体的VC 系统组成方案,理解转子磁链直接与间接定向控制的区别(6.6. 4、6.6.6节、笔记); 4、 异步电动机直接转矩控制(DTC )系统的基本原理及特点(6.7.3节),DTC 与VC 的比较(6.8节)。 第七章 绕线转子异步电动机双馈调速系统 1、 绕线转子异步电动机次同步串级调速主电路及其工作原理,()S f β=公式及特点(7.2.1节、笔记); 2、 绕线转子异步电动机双闭环次同步串级调速系统组成原理;起动、停车操作步骤;(7.5、7.6、7.4.3节、笔记)。 第八章 同步电动机变压变频调速系统 1、 正弦波永磁同步电动机(PMSM )矢量控制系统组成原理,0sd i =时的转矩公式(8.4.3节); 2、 具有位置、速度闭环的正弦波永磁同步电动机(伺服)矢量控制系统组成原理(图8-26、27扩展、笔记)。 第九章 伺服系统 1、 位置伺服系统的典型结构(开环、半闭环、闭环、混合闭环)及特点(笔记、9.1.2); 2、 位置伺服系统的三种运行方式、位置伺服系统的三种方案;(笔记、9.3.2--9.3.4) 3、 数字伺服系统中电子齿轮的作用(笔记); 4、 数字式位置、速度伺服系统的指令形式(笔记)。 *** 考试须知---要点提示: (1)无证件者不能考试;(2)未交卷者中途不得离场;(3)严禁带手机到座位,操作手机者按作弊论处。 附:答疑地点(2-216)、时间:(1)2014-6-6,13:00--15:00;(2)2014-6-7,8:00--11:00,13:00--15:00。

运动控制实验报告分析

运动控制系统实验报 告 姓名刘炜原 学号 201303080414

实验一 晶闸管直流调速系统电流 -转速调节器调试 一. 实验目的 1 ?熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。 2?掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。 三. 实验设备及仪器 1?教学实验台主控制屏。 2. ME —11 组件 3. MC —18 组件 4. 双踪示波器 5. 万用表 四. 实验方法 1. 速度调节器(ASR 的调试 按图1-5接线,DZS (零速封锁 器)的扭子 开关扳向“解除”。 (1) 调整输出正、负限幅值 “ 5”、“ 6”端 接可调电容, 使ASR 调节器为PI 调节器,加入 一定的输入电压(由MC —18的给 定提供,以下同),调整正、负限 幅电位器RR 、 RP ,使输出正负值 等于:5V 。 (2) 测定输入输出特性 将反馈网络中的电容短接 (“ 5”、“6 ”端短接),使 ASR 调节器为P 调节器,向调节器输入 端逐渐加入正负电压,测出相应的 输出电压,直至输出限幅值,并画 出曲线。 (3) 观察PI 特性 拆除“ 5”、“6”端短接线,突加 二.实验内容 1?调节器的调试 C B RF 4 2 HP1 RP2 6 4 2 3 1 NMCL-31A 可调电容,位于 NMCL-18的下部 封锁 -S 2 反 号 Q 9 ASR ( ??) DZS (零速封锁 解除 ACR 电就声书器) 11 12 图1-5速度调节器和电流调节器的调试接线图

给定电压(_0.1V),用慢扫描示波器观察输出电压的 变化规律,改变调节器的放大倍数及反馈电容,观察输出电压的变化。反馈电容由外接电容 箱改变数值。 2.电流调节器(ACR的调试 按图1-5接线。 (1)调整输出正,负限幅值 “9”、“10”端接可调电容,使调节器为PI调节器,加入一定的输入电压,调整正,负限幅电位器,使输出正负最大值等于_5V。 (2)测定输入输出特性 将反馈网络中的电容短接(“ 9”、“10”端短接),使调节器为P调节器,向调节器输入端逐渐加入正负电压,测出相应的输出电压,直至输出限幅值,并画出曲线。 (3)观察PI特性 拆除“ 9”、“10”端短接线,突加给定电压,用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律,改变调节器的放大倍数及反馈电容,观察输出电压的变化。反馈电容由外接电容箱改变 数值。

运动控制系统 复习知识点总结

1 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,使各种工作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。(运动控制系统框图) 2. 运动控制系统的控制对象为电动机,运动控制的目的是控制电动机的转速和转角,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,使转速变化率按人们期望的规律变化。因此,转矩控制是运动控制的根本问题。 第1章可控直流电源-电动机系统内容提要 相控整流器-电动机调速系统 直流PWM变换器-电动机系统 调速系统性能指标 1相控整流器-电动机调速系统原理 2.晶闸管可控整流器的特点 (1)晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上,其门极电流可以直接用电子控制。(2)晶闸管的控制作用是毫秒级的,系统的动态性能得到了很大的改善。 晶闸管可控整流器的不足之处 晶闸管是单向导电的,给电机的可逆运行带来困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感,超过允许值时会损坏晶闸管。 在交流侧会产生较大的谐波电流,引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。 3.V-M系统机械特 4.最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间,它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。 5.(1)直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类 (2)简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 (3)有制动电流通路的不可 逆PWM-直流电动机系统 (4)桥式可逆PWM变换器 (5)双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点 双极式控制方式的不足之处 (6)直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题 ”。(7)直流PWM调速系统的机械特性 6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围,用字母D来表示(D的表达式) 当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率,称为静差率s。 D与s的相互约束关系 对系统的调速精度要求越高,即要求s越小,则可达到的D必定越小。 当要求的D越大时,则所能达到的调速精度就越低,即s越大,所以这是一对矛盾的指标。第二章闭环控制的直流调速系统 内容提要 ?转速单闭环直流调速系统 ?转速、电流双闭环直流调速系统 调节器的设计方法 1.异步电动机从定子传入转子的电磁功率可分成两部分:一部分是机械轴上输出的机械功率;另一部分是与转差率成正比的转差功率。.异步电动机按调速性能分类第一类基于稳态模型,动

机电运动控制系统离线作业必

机电运动控制系统离线作 业必 Newly compiled on November 23, 2020

浙江大学远程教育学院 《机电运动控制系统》课程作业(必做) 姓名:严超学号: 3 年级:16秋电气学习中心:武义 ————————————————————————————— 1.直流电机有哪些调速方法根据其速度公式说明之, 并说明如何釆用电力电子手段实现。 答:根据直流电机速度公式,有 (1)电枢电压Ua控制-调压调速(向下调速):采用电力电子手段时,有晶闸管可控整流器供电和自关断器件H型桥脉宽调制(PWM)供电等方式,其损耗小,控制性能好。 (2)磁场φ控制-弱磁(向上调速),采用电力电子手段时,有晶闸管可控整流器供电励磁控制。 (3)由于运行损耗大、效率低,一般不再采用串Ra调速。 2.画出双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图(非方块图),须清楚表达两个闭环的关键元件,写出各部分名称,标注有关信号量;指出两闭环连接上的特点及相互关系。 答:双闭环晶闸管-直流电动机不可逆调速系统电路原理图如下: 两闭环连接上的关系是速度调节器的输出作为电流调节器的输入,这就使得该系统具有由速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值,进面确定了系统的最大电流的特点。 3.分析双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统:

(1) 如果要改变转速,应调节什么参数为什么 (2) 如要控制系统的起动电流、确保系统运行安全,应调节什么参数为什么 答:(1)改变转速时只能改变速度调节器的输入ug,因为它是速度环的指令信号。改变速度调节哭的参数对稳态速度无调节作用,仅会影响动态响应速度快慢。 (2)要控制系统的起动电流、确保系统运行安全,应调节速度调节器的输出限幅值。 因为速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值,进而确定了系统的最大电流。 4. 填空 : 双闭环晶闸管━直流电动机调速系统中,内环为_电流_环,外环为_速度环,其连接关系是:_速度调节器_的输出作为__电流调节器的输入,因此外环调节器的输出限幅值应按__调速系统允许最大电流_来整定;内环调节器的输出限幅值应按__可控整流器晶闸管最大、最小移相触发角_来整定。两调节器均为_PI_型调节器,调速系统能够做到静态无差是由于调节器具有_积分(记忆)功能;能实现快速动态调节是由于节器具有__饱和限幅_功能。 5.在转速、电流双闭环系统中,速度调节器有哪些作用其输出限幅值应按什么要求来调整电流调节器有哪些作用其输出限幅值应如何调整 答:速度调节器用于对电机转速进行控制,以保障:①调速精度,做至静态无差;②机械特性硬,满足负载要求。 速度调节器输出限幅值应按速系统允许最大电流来调整,以确保系统运行安全(过电流保护) 电流调节器实现对电流的控制,以保障:①精确满足负载转矩大小要求(通过电流控制);②调速的快速动态特性(转矩的快速响应)。

运动控制系统实验指导书分解

运动控制系统 实验指导书 赵黎明、王雁编 广东海洋大学信息学院自动化系

直流调速 实验一不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一.实验目的 1.研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2.研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3.学习反馈控制系统的调试技术。 二.预习要求 1.了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2.弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三.实验线路及原理 见图6-7。 四.实验设备及仪表 1.MCL系列教学实验台主控制屏。 2.MCL—18组件(适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件(适合MCL—Ⅲ)。 3.MCL—33(A)组件或MCL—53组件。 4.MEL-11挂箱 5.MEL—03三相可调电阻(或自配滑线变阻器)。 6.电机导轨及测速发电机、直流发电机M01(或电机导轨及测功机、MEL—13组件)。 7.直流电动机M03。 8.双踪示波器。 五.注意事项 1.直流电动机工作前,必须先加上直流激磁。 2.接入ASR构成转速负反馈时,为了防止振荡,可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底,使调节器放大倍数最小,同时,ASR的“5”、“6”端接入可调电容(预置7μF)。 3.测取静特性时,须注意主电路电流不许超过电机的额定值(1A)。 4.三相主电源连线时需注意,不可换错相序。 5.电源开关闭合时,过流保护发光二极管可能会亮,只需按下对应的复位开关SB1

即可正常工作。 6.系统开环连接时,不允许突加给定信号U g起动电机。 7.起动电机时,需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底,以免带负载起动。 8.改变接线时,必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮,同时使系统的给定为零。 9.双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接,故在使用时,必须使两探头的地线同电位(只用一根地线即可),以免造成短路事故。 六.实验内容 1.移相触发电路的调试(主电路未通电) (a)用示波器观察MCL—33(或MCL—53,以下同)的双脉冲观察孔,应有双脉冲,且间隔均匀,幅值相同;观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形,应有幅值为1V~2V 的双脉冲。 (b)触发电路输出脉冲应在30°~90°范围内可调。可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。例如:使ASR输出为0V,调节偏移电压,实现α=90°;再保持偏移电压不变,调节ASR的限幅电位器RP1,使α=30°。 2.求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。 a.断开ASR的“3”至U ct的连接线,G(给定)直接加至U ct,且Ug调至零,直流电机励磁电源开关闭合。 b.合上主控制屏的绿色按钮开关,调节三相调压器的输出,使U uv、Uvw、Uwu=200V。 注:如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ,无三相调压器,直接合上主电源。以下均同。 c.调节给定电压U g,使直流电机空载转速n0=1500转/分,调节测功机加载旋钮(或直流发电机负载电阻),在空载至额定负载的范围内测取7~8点,读取整流装置输出电压U d 3.带转速负反馈有静差工作的系统静特性 a.断开G(给定)和U ct的连接线,ASR的输出接至U ct,把ASR的“5”、“6”点短接。 b.合上主控制屏的绿色按钮开关,调节U uv,U vw,U wu为200伏。 c.调节给定电压U g至2V,调整转速变换器RP电位器,使被测电动机空载转速n0=1500转/分,调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3,使电机稳定运行。 调节测功机加载旋钮(或直流发电机负载电阻),在空载至额定负载范围内测取7~8

运动控制基础教学大纲2017版

《运动控制基础》课程教学大纲 课程代码:060131004 课程英文名称:Moving-Control Foundation 课程总学时:40 讲课:36 实验:4 上机:0 适用专业:自动化专业 大纲编写(修订)时间:2017.11 一、大纲使用说明 (一)课程的地位及教学目标 本课程是高等工业学校自动化专业开设的一门专业基础课。课程主要讲授运动控制系统的动力学基础;直流运动控制系统基础;交流运动控制系统基础。 本课程的教学目的是使学生掌握运动控制系统的组成、功能及分析运动控制系统的知识;掌握电动机起动、制动、调速的实现方法:掌握直流运动控制系统、交流运动控制系统静态特性、动态特性的分析方法。为学习后续课程打下基础。 (二)知识、能力及技能方面的基本要求 通过本门课程学习,要求学生掌握运动控制系统的基本知识,并具备一定的实际工作能力。 本课程理论严谨,系统性强,教学过程中培养学生的思维能力,以及严谨的科学学风。 在本课程的教学过程中,应注意运用启发式教学,注意阐述各种分析方法的横向联系,以培养分析,归纳与总结的能力。 (三)实施说明 1.教学方法:课堂讲授中要重点对基本概念、基本设计方法和解题思路的讲解; 采用启发式教学,培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力;引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识,培养学生的自学能力;增加讨论课,调动学生学习的主观能动性;讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 2.教学内容:在运动控制系统动力学基础部分,着重介绍:运动方程式,多轴运动控制系统等效为单轴运动控制系统的折算原则,并在此基础上讲解各量折算式。 在直流运动控制系统基础部分,着重介绍:直流电动机机械特性,直流电动机起动、制动的实现方法及静态特性,调速的基本原理、性能指标及调速方法。 在交流运动控制系统基础部分,着重介绍:三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机起动、制动的实现方法及静态特性,三相异步电动机调速的基本原理及调速方法。 3.教学手段:本课程属于专业基础课,在教学中采用多媒体教学先进教学手段,以确保在有限的学时内,全面、高质量地完成课程教学任务。 (四)对先修课的要求 本课程的教学必须在完成先修课程之后进行,本课程的主要先修课程有电路及电机学等。 (五)对习题课、实践环节的要求 1.对重点、难点章节应安排习题课,例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识,用以解决实际问题为目的。因此,要求学生按时完成作业,并将作业内容带到实践环节去验证. 2.课后作业要少而精,内容要多样化,作业题内容必须包括基本概念、基本理论及计算方面的内容,作业要能起到巩固理论,掌握计算方法和技巧,提高分析问题、解决问题能力,熟悉标准、规范等的作用,对作业中的重点、难点,课上应做必要的提示,并适当安排课内讲评作业。学生必须独立、按时完成课外习题和作业,作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。 3.每个学生要完成大纲中规定的必修实验,要求学生在做实验前,充分阅读实验指导书,以免实验时不知所措;要求每个学生亲自动手,通过实验,独立思考,加强对运动控制原理的理

运动控制系统仿真---实验讲义

《运动控制系统仿真》实验讲义 谢仕宏 xiesh@https://www.sodocs.net/doc/1716172531.html,

实验一、闭环控制系统及直流双闭环调速系统仿真 一、实验学时:6学时 二、实验内容: 1. 已知控制系统框图如图所示: 图1-1 单闭环系统框图 图中,被控对象s e s s G 1501 30010 )(-+= ,Gc(s)为PID 控制器,试整定PID 控制器 参数,并建立控制系统Simulink 仿真模型。再对PID 控制子系统进行封装,要求可通过封装后子系统的参数设置页面对Kp 、Ti 、Td 进行设置。 2. 已知直流电机双闭环调速系统框图如图1-2所示。试设计电流调节器ACR 和转速调节器ASR 并进行Simulink 建模仿真。 图1-2 直流双闭环调速系统框图 三、实验过程: 1、建模过程如下: (1)PID 控制器参数整顿 根据PID 参数的工程整定方法(Z-N 法),如下表所示, Kp=τ K T 2.1=0.24,Ti=τ2=300, Td=τ5.0=75。 表1-1 Z-N 法整定PID 参数

(2)simulink仿真模型建立 建立simulink仿真模型如下图1-3所示,并进行参数设置: 图1-3 PID控制系统Simulink仿真模型 图1-3中,step模块“阶跃时间”改为0,Transport Delay模块的“时间延迟”设置为150,仿真时间改为1000s,如下图1-4所示: 图1-3 PID控制参数设置 运行仿真,得如下结果:

图1-5 PID控制运行结果 (3)PID子系统的创建 首先将参数Gain、Gain1、Gain三个模块的参数进行设置,如下图所示: 图1-6 PID参数设置 然后建立PID控制器子系统,如下图1-7所示: 图1-7 PID子系统 再对PID子系统进行封装,选中“Subsystem”后,单击鼠标右键,选择“Mask subsystem”,弹

几种运动控制系统的比较

运动控制的实现方法 1、以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统 早起的运动控制系统一般采用运算放大器等分离器件以硬接线的方式构成,这种系统的优点: (1)通过对输入信号的实时处理,可实现系统的高速控制。 (2)由于采用硬接线方式可以实现无限的采样频率,因此,控制器的精度较高并且具有较大的带宽。 然而,与数字化系统相比,模拟系统的缺陷也是很明显的: (1)老化与环境温度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大。 (2)构成系统所需的元器件较多,从而增加了系统的复杂性,也使得系统最终的可靠性降低。 (3)由于系统设计采用的是硬接线的方式,当系统设计完成之后,升级或者功能修改几乎是不可能的事情。 (4)受最终系统规模的限制,很难实现运算量大、精度高、性能更加先进的复杂控制算法。 模糊控制系统的上述缺陷使它很难用于一些功能要求比较高的场合。然而,作为控制系统最早期的一种实现方式,它仍然在一些早期的系统中发挥作用; 另外,对于一些功能简单的电动机控制系统,仍然可以采用分立元件构成。 2、以微处理器为核心的运动控制系统 微处理器主要是指以MCS-51、MCS-96等为代表的8位或16位单片机。采用微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器,所构成的系统具有以下的优点:(1)使电路更加简单。模拟电路为了实现逻辑控制需要很多的元器件,从而使电路变得复杂。采用微处理器以后,大多数控制逻辑可以采用软 件实现。 (2)可以实现复杂的控制算法。微处理器具有较强的逻辑功能,运算速度快、精度高、具有大容量的存储器,因此有能力实现较复杂的控制算 法。 (3)灵活性和适应性强。微处理器的控制方式主要是由软件实现,如果需要修改控制规律,一般不需要修改系统德硬件电路,只需要对系统的

运动控制的基础

运动控制的基础 概观本教程是在NI测量基础系列的一部分。每个在这个系列的教程,教你一个常用的测量应用的特定主题的解释理论概念,并提供实际的例子。在本教程中,学习运动控制系统的基础知识,包括软件,运动控制器,驱动器,电机,反馈装置,I / O。您还可以查看交互式演示,通过本教程的材料在自己的步伐。有关更多信息,返回到NI测量基础主页。目录运动控制系统的组成部分软件配置,原型设计,开发运动控制器移动类型电机放大器和驱动器汽车和机械要素反馈装置和运动的I / O NI相关产品运动控制系统的组成部分图1显示了一个运动控制系统的不同组件。图1。运动控制系统组件应用软件-您可以使用应用软件,以命令的目标位置和运动控制型材。运动控制器-运动控制系统的大脑作用到所需的目标位置和运动轨迹,并建立电机的轨迹遵循,但输出±10 V的伺服电机或步进和方向脉冲信号,步进电机。 放大器或放大器(也称为驱动器)驱动器-从控制器的命令和需要开车或关闭电机的电流产生。电机-电机机械能变成电能和生产所需的目标位置移动到所需的扭矩。机械部件-电机的设计提供一些力学的扭矩。这些措施包括线性滑轨,机械手臂,和特殊的驱动器。反馈装置或位置传

感器-位置反馈装置是不是需要一些运动控制应用(如步进电机控制),但重要的是为伺服电机。反馈装置,通常是一个正交编码器,感应电机的位置和结果报告控制器,从而结束循环的运动控制器。软件配置,原型设计,开发应用软件分为三大类:配置,原型和应用程序开发环境(ADE)。图2说明了运动控制系统的编程过程和相应的NI产品设计过程:图2。运动控制系统开发过程组态 做的第一件事情之一,是您的系统配置。为此,美国国家仪器公司提供测量与自动化浏览器(MAX),不仅运动控制,但所有其他NI硬件配置的交互式工具。对于运动控制,MAX 提供交互式的测试和调整面板,帮助您验证系统功能之前,你的程序。图3 NI MAX是一个交互式工具,用于配置和调整您的运动控制系统。 应用笔记 了解伺服调谐 使用1D互动的环境测试电机功能 轴运动控制器的配置 轴运动控制器设置 运动控制器的编码器设置 运动控制器的参考设置 数字运动控制器的I / O设置原型 当你配置你的系统,你可以开始原型和开发应用程序。在

运动控制系统基本架构及控制轨迹要点简述

运动控制系统基本架构及控制轨迹要点简述 运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说,运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器,往往无需另外的处理器和操作系统支持,可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计,往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能,用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件,利用RS232或者DNC方式传输到控制器,控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用,控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议,用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。 运动控制的定义 运动控制(MC)是自动化的一个分支,它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵,线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂,因为后者运动形式更简单,通常被称为通用运动控制(GMC)。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。 运动控制系统的基本架构组成 一个运动控制器用以生成轨迹点(期望输出)和闭合位置反馈环。许多控制器也可以在内部闭合一个速度环。 一个驱动或放大器用以将来自运动控制器的控制信号(通常是速度或扭矩信号)转换为更高功率的电流或电压信号。更为先进的智能化驱动可以自身闭合位置环和速度环,以获得更精确的控制。 一个执行器如液压泵、气缸、线性执行机或电机用以输出运动。

运动控制系统第一章作业答案 曾毅编

【1-1】 某生产工艺要求:按动起动按钮S Ⅰ时,电动机M带动小车作如图题1-83所示的运动轨迹运行;按动暂停按钮S Ⅱ时,小车就地停止。重新按动启动按钮S Ⅰ时小车从暂停位置,开始键继续运行。假设:KM 1得电小车向右运行,KM 2得电小车向左运行,小车每次反向运行前都暂停t 秒。 1)试设计满足该运动轨迹的运动控制线路图。 2)当小车运行在B-C 区间时,如果突然停电或此时按动清零停止按钮,当来电后再按动起动按钮将会发生什么现象?如何处理这种问题? 解:1)假设:正反向速度继电器分别为:KS 1、KS 2;短路制动电阻的接触器为KM 3。 系统带降压起动电阻与反接制动的主电路图如答图1所示,其输出方程和控制方程如下: 图1-83 题1-1小车运行轨迹 答图1 题【1-1】(2)解答

2)来电后再按动起动按钮S I ,小车将一直向右走,出现失控现象。 解决续行问题的方法: ①最普通的方法是在运动轨迹的周边增加限位行程开关,并在输出方程中增加正反向点动按钮。假设:左、右限位保护分别为ST A 、ST B (如答图2所示) 、右限位;正、反向点动按钮分别为SF 、SR ,修改后的电气控制逻辑代数方程组: R F T F A R R B F S S t KT S S KM K ST K ST K ST K ST K ST S KM S ST KM KM S K K K KM S ST KM KM S K K K KM ?????+?+?+?+?+?+=????+++=←????+++=→)()()()(152413224131642225311ⅡⅡⅡⅡⅡ ②在控制方程组中与转步信号并联时间超限脉冲发生信号。 ③系统小车没有回到原点前,不清控制方程组,或者不要在控制方程中增加停止按钮。 ④增加回原点功能的按钮。 【1-2】 已知电动机M 1带动小车左右运动;电动机M 2带动小车上下运动。生产工艺要求的运动轨迹如图题1-84所示。假设:KM 1得电小车向右运行,KM 2得电小车向左运行;KM 3得电小车向上运行,KM 4得电小车向下运行。生产工艺要求分别按动启动按钮S 1、S 2、S 3时,小车的运行轨迹分别如图1-84a 、b 、c 所示;按动暂停按钮S Ⅱ,小车就地停止,小车每次转弯运行前都暂停t 秒,按动回原点按键S 0,小车会以最短的路径返回到原点A ,试设计满足该运动轨迹的运动控制线路图。 解:假设小车的转步信号及程序步如答图2所示 答图2 题【1-1】(2)解答

运动控制实验报告标准范本

报告编号:LX-FS-A69109 运动控制实验报告标准范本 The Stage T asks Completed According T o The Plan Reflect The Basic Situation In The Work And The Lessons Learned In The Work, So As T o Obtain Further Guidance From The Superior. 编写:_________________________ 审批:_________________________ 时间:________年_____月_____日 A4打印/ 新修订/ 完整/ 内容可编辑

运动控制实验报告标准范本 使用说明:本报告资料适用于按计划完成的阶段任务而进行的,反映工作中的基本情况、工作中取得的经验教训、存在的问题以及今后工作设想的汇报,以取得上级的进一步指导作用。资料内容可按真实状况进行条款调整,套用时请仔细阅读。 实验一晶闸管直流调速系统电流-转速调节器调试 一.实验目的 1.熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。2.掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。 二.实验内容 1.调节器的调试 三.实验设备及仪器 1.教学实验台主控制屏。2.MEL—11组件3.MCL—18组件4.双踪示波器5.万用表

四.实验方法 1.速度调节器(ASR)的调试 按图1-5接线,DZS(零速封锁器)的扭子开关扳向“解除”。 (1)调整输出正、负限幅值“5”、“6”端接可调电容,使ASR调节器为PI调节器,加入一定的输入电压(由MCL—18的给定提供,以下同),调整正、负限幅电位器RP1、RP2,使输出正负值等于5V。 (2)测定输入输出特性将反馈网络中的电容短接(“5”、“6”端短接),使ASR调节器为P 调节器,向调节器输入端逐渐加入正负电压,测出相应的输出电压,直至输出限幅值,并画 图1-5 速度调节器和电流调节器的调试接线图 出曲线。

运动控制器的应用现状及其发展趋势【不可外传】

运动控制器的应用现状及其发展趋势 内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理! 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展. 1运动控制器的应用现状 运动控制器越来越广泛地应用于各个行业的自动化设备,如数控机床、雕刻机、切割机、钻孔机、印刷机、冲孔机、激光雕刻、激光切割、包装机、纺织机、食品加工、绘图机、点胶机、焊接机、电子装配白动检测等,甚至在航空航天和国防领域也得到广泛应用。根据所用的CPU不同,运动控制器产品主要有以下五种类型: (1)以单片机(MCU)为核心的运动控制器,低端采用8位或16位的单片机作为处理器,其主要优点是价格比较低廉,缺点是运行速度较慢,控制精度较低。因此这种运动控制器适用于一些低速或运动控制精度要求不高的点位运动或轮廓运动控制的自动化设备。 (2)以专用芯片为核心的运动控制器,美国国家半导体公司生产的LM628和LM629专用运动控制芯片,日本的NOVA生产的MCX304、MCX501等运动控制芯片是专门为精密控制步进电机和伺服电机而设计的专用处理器,产品应用于数控机床、雕刻机、工业机器人、医用设备、绕线机、自动仓库、绘图仪、点胶机、IC制造设备等领域。 (3)以数字信号处理器(DS)为核心的运动控制器,美国DeltaTau公司生产的PMAC 运动控制器,采用Motorola的DSP56003作为处理器。国内的基于DSP的运动控制器,通常以美国TI公司推出的C2000系列,例如TMS320F2812和TMS320F28335作为运动控制器的核心芯片。

电力拖动自动控制系统运动控制(四版)课后习题答案,基本全

习题解答(供参考) 习题二 2.2 系统的调速范围是1000~100min r ,要求静差率s=2%,那么系统允许的静差转速降是多少? 解:10000.02(100.98) 2.04(1) n n s n rpm D s ?= =??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 。 2.3 某一调速系统,在额定负载下,最高转速特性为0max 1500min n r =,最低转速特性为 0min 150min n r =,带额定负载时的速度降落15min N n r ?=,且在不同转速下额定速降 不变,试问系统能够达到的调速范围有多大?系统允许的静差率是多少? 解:1)调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下) max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?== 2.4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ,I N =378A ,n N =1430r/min ,Ra=0.023Ω。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时,求系统的调速范围。如果s=30%时,则系统的调速范围又为多少?? 解:()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R Ce rpm ?==?+=

(1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =?-=??-= 2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。已知直流电动机 60,220,305,1000min N N N N P kW U V I A n r ====,主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V ?min/r,求: (1)当电流连续时,在额定负载下的转速降落N n ?为多少? (2)开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率N S 多少? (3)若要满足D=20,s ≤5%的要求,额定负载下的转速降落N n ?又为多少? 解:(1)3050.180.2274.5/min N N n I R r ?=?=?= (2) 0274.5274.5)21.5%N N S n n =?=+= (3) (1)]10000.05[200.95] 2.63/min N n n S D s r ?=-=??= 2.6 有一晶闸管稳压电源,其稳态结构图如图所示,已知给定电压* 8.8u U V =、比例调节器放大系数2P K =、晶闸管装置放大系数15S K =、反馈系数γ=0.7。求:(1)输出电压d U ;(2)若把反馈线断开,d U 为何值?开环时的输出电压是闭环是的多少倍?(3)若把反馈系数减至γ=0.35,当保持同样的输出电压时,给定电压* u U 应为多少? 解:(1)* (1)2158.8(12150.7)12d p s u p s U K K U K K V γ=+=??+??= (2) 8.8215264d U V =??=,开环输出电压是闭环的22倍 (3) * (1)12(12150.35)15) 4.6u d p s p s U U K K K K V γ=+=?+???= 2.7 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min~150r/min ,要求系统的静差率5%s ≤,那么系统允许的静态速降是多少?如果开环系统的静态速降是100r/min ,则闭环系统的开环放大倍数应有多大? 解: 1)()s n s n D N N -?=1/ 1015002%/98%N n =???

电力拖动自动控制系统-运动控制系统答案,完整版..

事情是这样的,一个月前我的同事小度找到我吐槽…… 当时一听这话直接吓的我都坐地上了!!!完蛋了,莫不是要我卷铺盖了… 但听完接下来的话我又爬了起来(老板拜托你说话不要大喘气好不好!) 领导指着电脑: 哧,还以为什么事儿呢。我镇定地捋了捋头发站好: “老板你放心,不就是发福利么,这事儿包我身上了。” 虽然话放出去了,但说实话这一大堆福利具体怎么发心里还真没底。 但毕竟小度好歹是全国新媒体编辑里机智程度排名前一万的人,经过好几夜的苦思冥想后…哦呵呵呵… 第五章 思考题 5-1 对于恒转矩负载,为什么调压调速的调速范围不大?电动机机械特性越软,调速范围越大吗? 答:对于恒转矩负载,普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为0

可行?为何在基频以下时,采用恒压频比控制,而在基频以上保存电压恒定? 答:当异步电动机在基频以下运行时,如果磁通太弱,没有充分利用电动机的铁心,是一种浪费;如果磁通,又会使铁心饱和, 从而导致过大的励磁电流,严重时还会因绕组过热而损 坏电动机。由此可见,最好是保持每极磁通量为额定值不变。当频率从额定值向下调节时,必须同时降低 E g 使 1 4.44常值S g S N mN E N K f ,即在基频以下应采用电动势频 率比为恒值的控制方式。然而,异步电动机绕组中的电动势是难以直接检测与控制的。 当电 动势值较高时,可忽略定子电阻和漏感压降,而认为定子相电压s g U E 。 在整个调速范围内,保持电压恒定是不可行的。在基频以上调速时,频率从额定值向上升高,受到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制, 定子电压不能随之升高,最多只能保持额定电压不变, 这将导致磁通与频率成反比地降低, 使得 异步电动机工作在弱磁状态。5-3 异步电动机变频调速时,基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方式?为 什么?所谓恒功率或恒转矩调速方式, 是否指输出功率或转矩恒定?若不是, 那么恒功率或 恒转矩调速究竟是指什么? 答:在基频以下,由于磁通恒定,允许输出转矩也恒定,属于“恒转矩调速”方式;在基频以上,转速升高时磁通减小,允许输出转矩也随之降低,输出功率基本不变,属于“近似的恒功率调速”方式。 5-4基频以下调速可以是恒压频比控制、 恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式, 从机械特性和系统实现两个方面分析与比较四种控制方法的优缺点。答: 恒压频比控制:恒压频比控制最容易实现,它的变频机械特性基本上是平行下移, 硬度也较 好,能够满足一般的调速要求,低速时需适当提高定子电压, 以近似补偿定子阻抗压降。在 对于相同的电磁转矩,角频率越大, 速降落越大,机械特性越软,与直流电动机弱磁调速相 似。在基频以下运行时,采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点, 但负载变化时定子 压降不同,将导致磁通改变,因此需采用定子电压补偿控制。 根据定子电流的大小改变定子 电压,以保持磁通恒定。 恒定子磁通:虽然改善了低速性能, 但机械特性还是非线性的,仍受到临界转矩的限制。频 率变化时,恒定子磁通控制的临界转矩恒定不变。恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压 频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。 控制方式均需要定子 电压补偿,控制要复杂一些。恒气隙磁通:虽然改善了低速性能,但机械特性还是非线性的,仍受到临界转矩的限制。保 持气隙磁通恒定: 1 常值g E ,除了补偿定子电阻压降外,还应补偿定子漏抗压降。与

相关主题