实际交流伺服运动控制系统数学模型及仿真分析
第3章交流伺服运动控制系统
模型及仿真分析
PMSM（三相永磁同步电机，permanent magnet Synchronous motor）
PMSM位置伺服系统具有位置环、速度环和电流环三闭环结构，电流环和速度环作为系统的内环，位置环为系统外环。
本章介绍交流伺服运动控制的体系结构及组成。
基于PMSM及其驱动器为核心的伺服运动控制系统，建立其数学模型并进行仿真分析。
从分析影响电流环性能的因素着手，提出了PMSM 位置伺服系统电流环综合设计方案。
速度环的设计分别采用PI控制和变结构控制，
位置环的设计采用变结构控制。滑模变结构控制可以提高系统的响应速度、实现定位无超调、改善对负载扰动的鲁棒性和对参数变化的鲁棒性。
仿真模块基于MATLAB/Simulink和Powerlib模块库搭建起来的。
3.1 永磁同步电动机交流伺服运动控制
系统
交流伺服电动机---工厂自动化(FA)中广泛应用。永磁同步电动机交流伺服运动控制系统的组成
图3-1 交流伺服运动控制系统的集中控制结构
伺服系统：驱动部分的伺服电机及其驱动器,外加编码器构成通常所说的伺服系统
伺服运动控制系统：除了驱动部分以外，还包括操作软件、控制部分、检测元件、传动机构和机械本体，各部件协调完成特定的运动轨迹或工艺过程。
1. 控制器
控制器主要有四种：
单片机系统，运动控制专用PLC系统，专用数控系统，PC+运动控制卡。
（1）单片机系统
由单片机芯片、外围扩展芯片以及外围电路组成，作为运动控制系统的控制器。
单片机方案优点在于成本较低
缺点：I/O口产生脉冲频率不高，控制精度受限，研发周期较长，调试过程烦琐。
（2）运动控制专用PLC系统
许多品牌的PLC都可选配定位控制模块
PLC通常都采用梯形图编程，可以与HMI进行通
讯，在线修改运动参数
PLC的循环扫描工作方式决定了它实时性能不是
很高，要受PLC每步扫描时间的限制。
主要适用于运动过程比较简单、运动轨迹固定的设
备，如送料设备、自动焊机等。
（3）采用专用数控系统
铣床数控系统，切割机数控系统等等。
高成本
（4）PC+运动控制卡
运动控制系统的一个主要发展趋势。
按信号类型一般分为：数字卡和模拟卡。
运动控制卡的主控芯片一般有三种形式：单片机，专用运动控制芯片，DSP。
DSP：数字信号高速处理，能实时完成复杂运动，常用于像工业机器人等复杂运动的自动化设备中。
PC+运动控制卡特点：
卡上专用CPU与PC机CPU构成主从式双CPU 控制模式：
PC机CPU可以专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作；
卡上专用CPU来处理所有运动控制的细节：升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需占用PC机资源。
运动控制卡的功能图
图3-2 运动控制卡的功能图
ISA 总线方式，接线方式采用D 型插头；
PCI 总线方式，接线方式采用SISC 型插头，可使用屏蔽线缆，所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；
整书内容之间的逻辑关系
2. 伺服电机及驱动器
发展趋势是交流伺服驱动取代传统的液压、直流和步进驱动
两相交流伺服电机结构与原理
图3-3 两相交流伺服电机工作原理图
定子上布置有空间相差?90电度角的两相绕组 ----------------------------------------------------------
t U U ?=ωsin m l ， t U U ?=ω
c o s m c 两相绕组产生磁动势幅值相等，在定、转子之间的
气隙中产生合成磁动势是一个圆形旋转磁场（电机处于对称状态时），其转速s n 称为同步转速。
转子沿着旋转磁场方向旋转，转速为n
转差率为
s n n n s /)(s -=
转子静止时，0=n ，1=s ， 空载时，s n n n <=0， 空载转差率s n n n s /)(0s 0-=。
什么情况下0=s ？
在实际使用中，两相绕组磁动势的幅值并不相等，相位差也不是?90电角度，故气隙中的合成磁场是椭圆形旋转磁场（非对称状态）。
--------------------------------------------------------------- 什么是“自转”？
所谓克服“自转”现象，即无控制信号时，不转动
当电机原来处于静止状态时，控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场
什么是脉动磁场？
脉动磁场看成两个圆形旋转磁场，以同样的大小和转速，向相反方向旋转，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。
--------------------------------------------------------------
（3）两相交流伺服电机的控制方式
控制思想？
三种：幅值控制、相位控制和幅值相位控制。
幅值控制:
保持控制电压和励磁电压之间的相位差角β为90°，仅仅改变控制电压的幅值
电气原理和相量图
定义|?U C |/|?
U
L
|=α， α称信号系数。
a.当
?U
C = 0时 α= 0，定子产生脉动磁场，电机停止。 b.当|
?U C
|=|
?
U
L
|时，α=1，定子产生圆形磁场，电机
处于对称运行状态。
c.当 0<|
?U
C
|<|
?
U
1
|时，对应的0＜α＜1，定子产生椭
圆形旋转磁场。
移相器的作用
?
U
C
=β
j e U -?
1,90
=β
相位控制:
保持控制电压的幅值不变，仅仅改变控制电压与励磁电压的相位差β
移相器的作用?
U
C
=β
j e U -?
1
信号系数α=
?
U
1
sin β/
?
U
1
= sin β
幅值相位控制:
在励磁电路串联移相电容，同时改变控制电压的幅值以引起励磁电压的幅值及其相对于控制电压的相位差发生变化
当改变控制电压的幅值时，励磁电压?
U
L
的幅值和
相位都随控制电压的变化而变化。
?
U
L
＝
?
U
1
—
?U
cph
电容两端的电压
?U
cph
=-xph L X I j .
，
?
U
L
＝
?
U
1
＋ xph L X I j .
。
励磁电压的大小和相位都变化。
这种控制方法是利用串联电容器来分相，所以又称为电容控制
（4）交流伺服电机的运行特性
交流伺服电机的运行特性有机械特性和调节特性
○1机械特性
1-4线形程度发生变化
调节特性（电气特性）
交流伺服电机的机械特性和调节特性是非线性的，直流伺服电机的两特性是线性的；
直流伺服电机的机械特性是硬特性，交流伺服电机的机械特性较软，特别是低速时更为严重。
如何由机械特性得到调速特性？
如何从特性曲线看电机性能好坏？
针对实际用途，如何从特性曲线选择电机？
------------------------------------
（5）伺服驱动器
伺服驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元，伺服控制单元是整个交流伺服系统的核心, 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。
3. 检测元件
对于一个设计完善的PMSM伺服系统，其定位精度等主要取决于检测元件。
PMSM伺服运动控制系统常用检测元件
测速电机，感应同步器、光电编码器、磁编码器和光栅等元件。
应用最普及的就是旋转式光电编码器和光栅。
思考：检测元件安装在哪里？
4. 典型机械结构
交流伺服运动控制系统通常采用滚珠丝杠驱动机械本体
图3-7 具有高精度滚珠丝杠驱动机构的运动平台
（1）滚珠丝杠副的工作原理
图3-8 滚珠丝杠和螺母机构的工作原理特点：
摩擦阻力小，
传动效率高，
运动灵敏，
无爬行现象
可进行预紧以实现无间隙运动，
传动刚度高，
反向时无空程死区等特点。
（2）滚珠丝杠副的间隙消除 机床上实际都采用双螺母结构
垫片调隙式双螺母结构
齿差调隙式双螺母结构
齿数分别为Z1、Z2，且两者的差值⊿Z ＝Z1-Z2＝1 调整精度
间隙调整量⊿=
2
1Z Z L
什么是导程？
举例 设z1 、z2 分别为99和100，丝杠导程L ＝10mm ，则可以获得的最小调整量⊿=
≈?100
9910
0．00lmm 。
（3）滚珠丝杆预加载荷
关系：
03F F
（4）滚珠丝杠的预拉伸
滚珠丝杠在工作时难免要发热，其温度将高于床身。丝杠的热膨胀将使导程加大，影响定位精度。
为了补偿热膨胀，可将丝杠预拉伸。预拉伸量应略大于热膨胀量。
关系：
目标行程=公称行程-预拉伸量
3.2 PMSM 伺服系统的数学模型
3.2.1 PMSM 的基本结构及种类
与普通电动机相比，PMSM 还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置
（为什么？）
PMSM 的结构如图3-11所示。
1-检测器 2-永磁体 3-电枢铁心 4-三相电枢绕组 5-输出轴 图3-11 PMSM 的结构图
本书采用三相Y 接PMSM. PMSM 转子可以分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式，如图3-12所示。
（a ）凸装式 （b ）嵌入式 （c ）内埋式
图3-12 PMSM 转子的三种结构形式
对于转子为凸装式的PMSM ，其交轴d 和直轴q 磁路对称，因此可以得到：
m mq md L L L == （3-2）
其中m d L 和m q L 是d ，q 轴的励磁电感，m L 是励磁电感。
对于转子为嵌入式的PMSM 有：
m q m d L L < （3-3）
3.2.2 PMSM 的数学模型
PMSM 的基本方程包括电动机的运动方程、物理方程和转矩方程，这些方程是其数学模型的基础
PMSM 的物理方程：
如图3-13所示的PMSM 等效结构坐标图，图中oa 、ob 、oc 为三相定子绕组的轴线，取转子的轴线与定子a 相绕组的电气角为θ。
图3-13 PMSM 等效结构坐标图
PMSM 的物理方程： ????
?
?????+???????????????????????????????c b a c b a c b a c b a 0
0000???dt d i i i R R R u u u ＝（3-4） f
c b a c b a )240cos()120cos(cos 0cos 120cos 120
cos 120cos 0cos 240cos 240cos 120cos 0cos ?θθθ????????
?????--+??????
????????????
?????????????
i i i ＝ （3-5）
式中，a u 、b u 、c u 是三相定子绕组的电压，a i 、b i 、c i 是三相定子绕组的电流，a ?、b ?、c ?是三相定子绕组的磁链，a R 、b R 、c R 是三相定子绕组的电阻，并且a R ＝b R ＝c R ＝R ，f ?是转子磁场的等效磁链（转子的磁极轴线）。 注意区分磁通、磁链？
简化建模方法
三相定子交流电主要作用就是产生一个旋转的磁场，可以用一个两相系统来等效
取磁极轴线为d 轴，顺着旋转方向（逆时针）超前?90电度角为q 轴，以a 相绕组轴线为参考轴线，d 轴与参考轴之间的电度角为θ，坐标图如图3-20所示。
图3-20 永磁同步电动机dq 旋转坐标图
dq 旋转坐标中和三相静止坐标中的电机模型之间的关系：
??
??????????
????????????
???
+----+-
????
??????c b
a o q d 21
212
1)32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 32i i i i i i πθπθθπθπθθ
＝（3-6）
??
??????????
???????????????
+-+-
????
??????c b a o q d 21
2121)32cos()32cos(cos )32sin()32sin(sin 32u u u u u u πθπθθπθπθθ
＝（3-7） 如何转换的？
PMSM 中定子绕组一般为无中线的Y 型连接，故0o ≡i 。 在dq 旋转坐标系中PMSM 的电流、电压、磁链和电
磁转矩方程为：
q r n d
q d d d d d 1i p L L i L R
u L i dt d ω+-= （3-8） q
r n f d r n q q q q q q q 1L p i p L L i L R u L i dt d ω?ω---=（3-9） q
q q i L =? （3-10）
f d d d ??+=i L （3-11）
md f f L i =? （3-12）
])([2
3
)(23q d d q q f n d q q d n e i i L L i p i i p T --=-=
???（3-13） PMSM 的运动方程为：
L r e r
T B T dt
d J
--=ωω （3-14）
其中d u 、q u 为dq 轴定子电压；d i 、 d i 为dq 轴定子电流；d ?、q ?为dq 轴定子磁链；d L 、q L 为dq 轴定子电感；f ?为转子上的永磁体产生的磁势；J 为转动惯
量（2
m kg ?）；L T 为负载转矩，是输出转矩（m N ?）；B 为粘滞摩擦系数；r ω为转子角速度；r n ωωp =为转子电角速度；n p 为极对数。e T 输出转矩（电磁转矩），L T 负载转矩
3.2.3 PMSM 等效电路
PMSM 来说dq 轴线圈的漏感相差不是很大，因此：
mq s q L L L +σ＝ （3-15）
md s d L L L +σ＝ （3-16）
式中，σs L 是dq 轴线圈的漏感。
f i 为归算后的等效励磁电流，m d
f
f L i ?=
，
则PMSM 的电压方程如下
且其等效电路图如图3-21所示。
q q f md d d d d )(i L i L i L dt d
Ri u ω-++
＝ （3-17）
)
()(f md d d q q q q i L i L i L dt
d
Ri u +++ω＝ （3-18）
公式3-17又没有问题？
d d d d q q ()d
u Ri L i L i dt ω+
-＝ d d s d md d q q ()d
u Ri L i L i L i dt δω++-＝
d d s d md d q q ()d
u Ri L i L i L i dt
δω++-＝
（a ）d 轴
-
（b）q轴
图3-21 dq轴表示的电压等效电路图
3.2.4 PMSM的矢量控制原理
对于PMSM的控制，通常有两种控制方式。
一种是针对电流控制的滞环控制，
一种是采用电压控制。
电流滞环控制响应速度快，主要用在模拟控制中；（采用电流源逆变器）
电压控制的理论基础是空间矢量PWM控制，适合数字控制。（采用电压源逆变器）
本课程的永磁同步伺服电动机采用电压控制方式（注意期中电流环采用了滞环控制）。
矢量控制理论：1971年，德国西门子公司的Blaschke提出
交流电动机的矢量控制基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。
特点：交流电动机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现解耦。
所谓解耦指的是控制转矩时不影响磁通的大小，控制磁通时不影响转矩。电动机调速的关键是转矩的控制。
坐标系
一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。
（1）三相定子坐标系（abc坐标系）
（2）两相定子坐标系（ 坐标系）：定义一个坐
标系（αβ坐标系），它的α轴和三相定子坐标系统的a 轴重合，β轴逆时针超前α轴?90空间角度。
（3）转子坐标系（d-q 轴系） 转子坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子轴线上，q 轴逆时针超前d 轴?90空间电度角
dq 坐标系、αβ坐标系和abc 坐标系的变换关系如下：
????????????????-c b a dq abc q d i i i T i i ＝，????
?
???????????-c b a abc i i i T i i αββα＝，
??
?
?????????-βααβi i T i i dq q d ＝ （3-19） 其中：
??
?
???+-+-=
-)3/2sin()3/2sin(sin )3/2cos()3/2cos(cos 32dq
abc πθπθθπθπθθT
???
???---=
-2/32
/302/12/1132abc αβT 如何得到？ ??
?
?
??-=-θθθθ
αβcos sin sin cos dq
T
PMSM 的矢量控制也是一种基于磁场定向的控制策略，
磁链定向：转子磁链定向控制、定子磁链定向控制、气隙磁链定向控制、阻尼磁链定向控制。
控制目标：0d ＝i 控制、1cos =?控制、总磁链恒定控制、最大转矩/电流控制、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制。
本课程中矢量控制所采用的坐标系为dq 旋转轴系，
0d ＝i 矢量控制方式。
3.2.5 PMSM 的0d ＝i 矢量控制方式
由式（3-13）：电磁转矩
])([2
3
)(23q d d q q f n d q q d n e i i L L i p i i p T --=-=
??? 其中，永磁转矩m T （励磁转矩）：
q f n m 2
3
i p T ?=
（3-20） 由转子凸极效应引起的磁阻转矩r T ：
q d d q n r )(2
3
i i L L p T --
= （3-21） 对于凸装式的转子结构，q d L L ＝，不存在磁阻转矩，可得线性方程：为什么是线性的？
q f n e 2
3
i p T ?=
（3-22） 0d ＝i 时，定子电流的d 轴分量为0，磁链可以简化为：
q q q i L =?；f d ??= （3-23）
对于嵌入式的转子结构，q d L L <， 0d ＝i ，转矩可以简化为：
q f n e 2
3
i p T ?＝ （3-24）
在0d ＝i 控制方式下，不管PMSM 的转子结构是哪种类型，其磁链和转矩都可以简化为：
??
?==q q q
f
d i L ??? （3-25） q f n m
e 2
3
i p T T ?＝= （3-26）
特点：电磁转矩仅包括励磁转矩，定子电流合成矢量与q 轴电流相等，与直流电动机的控制原理变得一样。 如何保证d 轴电流为零？
只要能够检测出转子位置（d 轴），使三相定子电流的合成电流矢量位于q 轴上就可以了。
3.2.6 PMSM 解耦状态方程 首先建立PMSM 的状态空间
（L d ＝L q ＝L ），摩擦系数B ＝0，得d 、q 坐标系上永磁同步电机的状态方程为：(3-8.9.13.14) ?????
?????-+????????????????
?
????
??
?
----=??????????J T L u L u i i J p L p L R p p L R i i
///0
/2
3
//0
/L q
d r q d f n f n r n r n r q d ω??ωωω （3-27）
式中，R ——绕组等效电阻（Ω）；L d ——等效d 轴电感（H ）；L q ——等效q 轴电感（H ）；
n p ——极对数。；r ω——转子角速度（rad/s ）；f ?—
—转子磁场的等效磁链（Wb ）； T L ——负载转矩（Nm ）；i d ——d 轴电流(A)；i q ——q 轴电流（A ）；J ——转动惯量。
采用i d ≡0的矢量控制方式，获得线性状态方程，
??
?
???-+?????????
?????--=??????J T L u i J p L p L R i
//0/23//L q
r q f n f n r q ω??ω （3-28）
式（3-28）即为PMSM 的解耦状态方程。
建立传递函数
在零初始条件下，对永磁同步电机的解藕状态方程求拉氏变换，以电压q u 为输入，转子速度为输出的交流永磁同步电机系统框图（图3-16），其中f n c 2
3
?p K =为转矩系数。
图3-16 交流永磁同步电机系统框图
转换过程？
3.3 PMSM 伺服运动控制系统电流环设计
3.3.2 电流环PI 综合设计
电流环，是高性能PMSM 位置伺服系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现
PMSM 矢量控制系统原理图如图3-18所示。
图3-18 PMSM 矢量控制系统原理图
对模型进行简化
1.PWM 逆变器一般可以看成具有时间常数
v
T （
?=
f T 21
v ，?f 为三角载波信号的频率）和控制增益
v
K 的一阶惯性环节。
?
=
U U K 2o
v （3-31） 式中，
v
K 为逆变器的控制增益；
o
U 逆变器直流端
输入电压；?U 三角形载波信号幅值。
2.PMSM 的电枢回路可以看成是一个包含有电阻和电感的一阶惯性环节。
3.由于电流反馈信号中含有较多的谐波分量，这些谐波分量容易引起系统振荡。电流反馈滤波环节可以视为时间常数为
cf
T 和控制增益为
cf
K 的一阶惯性环节。
4.结合电机的系统模型
PMSM 位置伺服系统电流环的控制结构框图可由前述各环节模型及传递函数得出，如图3-19所示。
3-19 电流环动态结构图
降阶后的电流环传递函数为：
11
1
1
1
)(p
i i
iB +'
=+=
s K s K KK s G τ（3-35）
单片机运动控制系统设计(doc 15页)
安全性 □对信息系统安全性的威胁 任一系统，不管它是手工的还是采用计算机的，都有其弱点。所以不但在信息系统这一级而且在计算中心这一级(如果适用，也包括远程设备)都要审定并提出安全性的问题。靠识别系统的弱点来减少侵犯安全性的危险，以及采取必要的预防措施来提供满意的安全水平，这是用户和信息服务管理部门可做得到的。 管理部门应该特别努力地去发现那些由计算机罪犯对计算中心和信息系统的安全所造成的威胁。白领阶层的犯罪行为是客观存在的，而且存在于某些最不可能被发觉的地方。这是老练的罪犯所从事的需要专门技术的犯罪行为，而且这种犯罪行为之多比我们想象的还要普遍。 多数公司所存在的犯罪行为是从来不会被发觉的。关于利用计算机进行犯罪的任何统计资料仅仅反映了那些公开报道的犯罪行为。系统开发审查、工作审查和应用审查都能用来使这种威胁减到最小。 □计算中心的安全性 计算中心在下列方面存在弱点： 1.硬件。如果硬件失效，则系统也就失效。硬件出现一定的故障是无法避免的，但是预防性维护和提供物质上的安全预防措施，来防止未经批准人员使用机器可使这种硬件失效的威胁减到最小。 2.软件。软件能够被修改，因而可能损害公司的利益。严密地控制软件和软件资料将减少任何越权修改软件的可能性。但是，信息服务管理人员必须认识到由内部工作人员进行修改软件的可能性。银行的程序员可能通过修改程序，从自己的帐户中取款时漏记帐或者把别的帐户中的少量存款存到自己的帐户上，这已经是众所周知的了。其它行业里的另外一些大胆的程序员同样会挖空心思去作案。 3.文件和数据库。公司数据库是信息资源管理的原始材料。在某些情况下，这些文件和数据库可以说是公司的命根子。例如，有多少公司能经受得起丢失他们的收帐文件呢?大多数机构都具有后备措施，这些后备措施可以保证，如果正在工作的公司数据库被破坏，则能重新激活该数据库，使其继续工作。某些文件具有一定的价值并能出售。例如，政治运动的损助者名单被认为是有价值的，所以它可能被偷走，而且以后还能被出售。 4.数据通信。只要存在数据通信网络，就会对信息系统的安全性造成威胁。有知识的罪犯可能从远处接通系统，并为个人的利益使用该系统。偷用一个精心设计的系统不是件容易的事，但存在这种可能性。目前已发现许多罪犯利用数据通信设备的系统去作案。 5.人员。用户和信息服务管理人员同样要更加注意那些租用灵敏的信息系统工作的人。某个非常无能的人也能像一个本来不诚实的人一样破坏系统。 □信息系统的安全性 信息系统的安全性可分为物质安全和逻辑安全。物质安全指的是硬件、设施、磁带、以及其它能够被利用、被盗窃或者可能被破坏的东西的安全。逻辑安全是嵌入在软件内部的。一旦有人使用系统，该软件只允许对系统进行特许存取和特许处理。 物质安全是通过门上加锁、采用防火保险箱、出入标记、警报系统以及其它的普通安全设备就能达到的。而作为联机系统的逻辑安全主要靠“口令”和核准代码来实现的。终端用户可以使用全局口令，该口令允许利用几个信息系统及其相应的数据库；终端用户也可使用只利用一个子系统或部分数据库的口令。 □安全分析过程
开环直流调速系统的动态建模与仿真
电控学院 运动控制系统仿真课程设计 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级： 姓名： 学号：
开环直流调速系统的动态建模与仿真 摘要： MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。 详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验。首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于系统框图, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对开环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使开环直流调速系统趋于合理与完善。
1.1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink 中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，
运动控制系统仿真作业
运动控制系统仿真作业 利用Matlab解运动控制系统习题 习题2-5在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用PI调节器。当系统带额定负载运行时，转速反馈线突然断线，系统重新进入稳态后，电流调节器的输入偏差电压是否为零？为什么？ 解：（一）结合电流、转速调节器的设计建立转速、电流双闭环调速系统模型。设有某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，e C=0.132V2min/r，允 许过载倍数λ=1.5； 晶闸管装置放大系数s K=40； 电枢回路总电阻R=0.5Ω； 时间常数l T=0.03s，m T=0.18s； 电流反馈系数β=0.05V/A(≈10V/1.5N I)； 转速反馈系数α=0.007V2min/r(≈10V/N n)。 设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量5%iσ=。设计转速调节器，要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%iσ=，并检验转速超调量的要求能否得到满足。 1.设计电流调节器 1）确定时间常数 ①整流装置滞后时间常数s T。三相桥式电路的平均失控时间s
T=0.0017s。②电流滤波时间常数oi T。取oi T=0.002s。 ③电流环小时间常数之和￡i T。按小时间常数近似处理，取￡i s oi T T T=+=0.0037s。 2）选择电流调节器结构 根据设计要求10%iσ=，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为 (1)()i i ACR i K s W s s ττ+=检查对电源电压的抗扰性能： ￡i l T T=0.030.0037s s=8.11，由表1可知，各项指标都是可以接受的。 电流调节器超前时间常数：i l Tτ==0.03s。 电流环开环增益：要求10%iσ=时，根据表2可知，￡i I K T =0.5，因此 1￡i0.50.5135.10.0037I K s T s -===于是，ACR的比例系数为 ￡i135.10.030.5 1.013400.05 I i i K R K Tτ??===?4）校验近似条件
运动控制系统课程设计报告
《运动控制系统》课程设计报告 时间2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博__ 学号 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______
摘要 本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真 Abstract This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation. Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation
实验一 控制系统的数学模型
实验一 控制系统的数学模型 一 实验目的 1、学习用MATLAB 创建各种控制系统模型。 2、掌握传递函数模型、零-极点增益模型以及连续系统模型与离散系统模型之间的转化，模型的简化。 二 相关理论 1传递函数描述 (1)连续系统的传递函数模型 连续系统的传递函数如下： ? 对线性定常系统，式中s 的系数均为常数，且a1不等于零，这时系统在MATLAB 中 可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确定出来，这两个向量分别用num 和den 表示。 num=[b1,b2,…,bm,bm+1] den=[a1,a2,…,an,an+1] 注意：它们都是按s 的降幂进行排列的。 tf （）函数可以表示传递函数模型：G=tf(num, den) 举例： num=[12,24,0,20];den=[2 4 6 2 2]; G=tf(num, den) (2)零极点增益模型 ? 零极点模型实际上是传递函数模型的另一种表现形式，其原理是分别对原系统传递 函数的分子、分母进行分解因式处理，以获得系统的零点和极点的表示形式。 K 为系统增益，zi 为零点，pj 为极点 在MATLAB 中零极点增益模型用[z,p,K]矢量组表示。即： z=[z1,z2,…,zm] p=[p1,p2,...,pn] K=[k] zpk （）函数可以表示零极点增益模型：G=zpk(z,p,k) (3)部分分式展开 ? 控制系统常用到并联系统，这时就要对系统函数进行分解，使其表现为一些基本控 制单元的和的形式。 ? 函数[r,p,k]=residue(b,a)对两个多项式的比进行部分展开，以及把传函分解为微 分单元的形式。 ? 向量b 和a 是按s 的降幂排列的多项式系数。部分分式展开后，余数返回到向量r ， 极点返回到列向量p ，常数项返回到k 。 ? [b,a]=residue(r,p,k)可以将部分分式转化为多项式比p(s)/q(s)。 11 211121......)()()(+-+-++++++++==n n n n m n m m a s a s a s a b s b s b s b s R s C s G ))...()(())...()(()(2121n m p s p s p s z s z s z s K s G ------=22642202412)(23423++++++=s s s s s s s G
自动控制系统的数学模型
第二章自动控制系统的数学模型 教学目的： （1）建立动态模拟的概念，能编写系统的微分方程。 （2）掌握传递函数的概念及求法。 （3）通过本课学习掌握电路或系统动态结构图的求法，并能应用各环节的传递函数，求系统的动态结构图。 （4）通过本课学习掌握电路或自动控制系统动态结构图的求法，并对系统结构图进行变换。 （5）掌握信号流图的概念，会用梅逊公式求系统闭环传递函数。 （6）通过本次课学习，使学生加深对以前所学的知识的理解，培养学生分析问题的能力 教学要求： （1）正确理解数学模型的特点； （2）了解动态微分方程建立的一般步骤和方法； （3）牢固掌握传递函数的定义和性质，掌握典型环节及传递函数； （4）掌握系统结构图的建立、等效变换及其系统开环、闭环传递函数的求取，并对重要的传递函数如：控制输入下的闭环传递函数、扰动输入 下的闭环传递函数、误差传递函数，能够熟练的掌握； （5）掌握运用梅逊公式求闭环传递函数的方法； （6）掌握结构图和信号流图的定义和组成方法，熟练掌握等效变换代数法则，简化图形结构，掌握从其它不同形式的数学模型求取系统传递函 数的方法。 教学重点： 有源网络和无源网络微分方程的编写；有源网络和无源网络求传递函数；传递函数的概念及求法；由各环节的传递函数，求系统的动态结构图；由各环节的传递函数对系统的动态结构图进行变换；梅逊增益公式的应用。 教学难点：举典型例题说明微分方程建立的方法；求高阶系统响应；求复杂系统的动态结构图；对复杂系统的动态结构图进行变换；求第K条前向通道特记式 的余子式 。 k 教学方法：讲授 本章学时：10学时 主要内容： 2.0 引言 2.1 动态微分方程的建立 2.2 线性系统的传递函数 2.3 典型环节及其传递函数 2.4系统的结构图 2.5 信号流图及梅逊公式
基于MATLAB的汽车运动控制系统设计仿真
课程设计 题目汽车运动控制系统仿真设计学院计算机科学与信息工程学院班级2010级自动化班 姜木北：2010133*** 小组成员 指导教师吴 2013 年12 月13 日
汽车运动控制系统仿真设计 10级自动化2班姜鹏2010133234 目录 摘要 (3) 一、课设目的 (4) 二、控制对象分析 (4) 2.1、控制设计对象结构示意图 (4) 2.2、机构特征 (4) 三、课设设计要求 (4) 四、控制器设计过程和控制方案 (5) 4.1、系统建模 (5) 4.2、系统的开环阶跃响应 (5) 4.3、PID控制器的设计 (6) 4.3.1比例（P）控制器的设计 (7) 4.3.2比例积分（PI）控制器设计 (9) 4.3.3比例积分微分(PID)控制器设计 (10) 五、Simulink控制系统仿真设计及其PID参数整定 (11) 5.1利用Simulink对于传递函数的系统仿真 (11) 5.1.1 输入为600N时，KP=600、KI=100、KD=100 (12) 5.1.2输入为600N时，KP=700、KI=100、KD=100 (12) 5.2 PID参数整定的设计过程 (13) 5.2.1未加校正装置的系统阶跃响应： (13) 5.2.2 PID校正装置设计 (14) 六、收获和体会 (14) 参考文献 (15)
摘要 本课题以汽车运动控制系统的设计为应用背景，利用MATLAB语言对其进行设计与仿真.首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统模型，确定期望的静态指标稳态误差和动态指标搬调量和上升时间，最终应用MATLAB环境下的.m 文件来实现汽车运动控制系统的设计。其中.m文件用step函数语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行P、PI、PID校正；同时对其控制系统建立Simulink进行仿真且进行PID参数整定。仿真结果表明，参数PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有参考价值，是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一。 关键词：运动控制系统 PID仿真稳态误差最大超调量
实验七-对汽车控制系统的设计与仿真
实验七 对汽车控制系统的设计与仿真 一、实验目的： 通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。 二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。 三、实验原理： 本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。 注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示
基于+PLC+的两轴运动控制系统设计
基于 PLC 的两轴运动控制系统设计 学生姓名：张坤森 学号：2014062038 指导教师;彭宽栋 专业：机电一体化 杭州科技职业技术学院 摘要：以可编程控制器 PLC 作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于 PLC 的两轴运动控制系统；通过 PLC 高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。 关键词：机械制造自动化； PLC；步进电机；运动控制 0 前言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。而 PLC 作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使用 PLC 控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。 1 系统组成 本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。采用西门
子 S 7-200系列的 C P U226 D C/D C /D CP L C作为主控制器。该 C P U具有 4个最高 20k H z的正交高速脉冲计数器 ,能够对输入的正交编码脉冲信号进行 4分频 [ 5] ; 2个最高 20k Hz 的高速脉冲输出 ;24个输入点和 16个输出点 ; 其布尔型指令执行时间只有 0. 22μ s [ 6] 。 2 系统总体设计 该运动控制系统由触摸屏、 PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向PLC 发出控制指令，PLC 根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC 将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸屏，以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图 1
汽车运动控制系统仿真
一、摘要 2 二、课程设计任务 3 1．问题描述 3 2．设计要求 3 三、课程设计内容 4 1、系统的模型表示 4 2、利用Matlab进行仿真设计 4 3、利用Simulink进行仿真设计 9 总结与体会 10 参考文献 10
本课题以汽车运动控制系统的设计为应用背景，利用MATLAB语言对其进行设计与仿真.首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统模型，确定期望的静态指标稳态误差和动态指标搬调量和上升时间，最终应用MATLAB环境下的.m文件来实现汽车运动控制系统的设计。其中.m文件用step函数语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行P、PI、PID校正；同时对其控制系统建立Simulink进行仿真且进行PID参数整定。仿真结果表明，参数PID控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有参考价值，是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一。 关键词：运动控制系统 PID仿真稳态误差最大超调量
一、课程设计任务 1. 问题描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ???==+v y u bv v m 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2.设计要求 1．写出控制系统的数学模型。 2．求系统的开环阶跃响应。 3．PID 控制器的设计 （1）比例（P ）控制器的设计 （2）比例积分（PI ）控制器的设计 （3）比例积分微分（PID ）控制器的设计 利用Simulink 进行仿真设计。 二、课程设计内容 1.系统的模型表示
搬运机械手运动控制系统设计范本
搬运机械手运动控制系统设计
搬运机械手运动控制系统设计 第一部分：题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图 二、基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手经过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 A B 工SQ 1 SQ 2 SQ 3 SQ 4 SQ 5 SQ 6 夹松
设计参数： （1）抓重:10Kg （2）最大工作半径：1500mm （3）运动参数： 伸缩行程：0-1200mm； 伸缩速度：80mm/s； 升降行程：0-500mm； 升降速度：50mm/s 回转范围：0-1800 控制器要求： （1）在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一； （2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、工作量 （1）驱动及传动方案的设计及部件的选择； （2）二指夹持机构的设计及计算； （3）总体控制方案及控制流程的设计； （4）设计说明书一份。 四、设计内容及说明 （1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。 （2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定
位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。 （3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分：设计过程 搬运机械手运动控制系统设计
运动控制MATLAB仿真
大作业: 直流双闭环调速MATLAB仿真 运动控制技术课程名称： 名：姓电气学院院：学 自动化业：专 号：学 孟濬指导教师： 2012年6月2日
------------------------------------- -------------学浙大江 李超 一、Matlab仿真截图及模块功能描述 Matlab仿真截图如下，使用Matlab自带的直流电机模型： 模块功能描述： ⑴电机模块（Discrete DC_Machine）：模拟直流电机 ⑵负载转矩给定（Load Torque）：为直流电机添加负载转矩 ⑶Demux：将向量信号分离出输出信号 ⑷转速给定（Speed Reference）：给定转速 ⑸转速PI调节（Speed Controller）：转速PI调节器，对输入给定信号与实际信号
的差值进行比例和积分运算，得到的输出值作为电流给定信号。改变比例和积分运算系数可以得到不同的PI控制效果。 ⑹电流采样环节（1/z）：对电流进行采样，并保持一个采样周期 ⑺电流滞环调节（Current Controller）：规定一个滞环宽度，将电流采样值与给定值进行对比，若：采样值＞给定值+0.5*滞环宽度，则输出0； 若：采样值＜给定值—0.5*滞环宽度，则输出1； 若：给定值—0.5*滞环宽度＜采样值＜给定值+0.5*滞环宽度，则输出不变 输出值作为移相电压输入晶闸管斩波器控制晶闸管触发角 ：根据输入电压改变晶闸管触发角，从而改变电机端电压。GTO⑻晶闸管斩波．⑼续流二极管D1：在晶闸管关断时为电机续流。 ⑽电压传感器Vd：测量电机端电压 ⑾示波器scope：观察电压、电流、转速波形 系统功能概括如下：直流电源通过带GTO的斩波器对直流电机进行供电，输出量电枢电流ia和转速wm通过电流环和转速环对GTO的通断进行控制，从而达到对整个电机较为精确的控制。 下面对各个部分的功能加以详细说明： （1）直流电机 双击电动机模块，察看其参数：
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
基于GUI功能的运动控制系统仿真实验平台
基于GUI功能的运动控制系统仿真实验平台 [摘要]本文介绍了运用Matlab的GUI（图形用户交户界面设计）功能，设计一个电力拖动自动控制系统（运动控制系统）基础实验教学管理系统，通过统一的用户界面，来选择运动控制系统实验类型、实验项目、并借助于后台MATLAB的支持，进行仿真试验。 [关键词]Matlab/GUI;运动控制系统;实验系统 1．概述 MATLAB是美国Mathwors公司于1984年推出的当今国际上最流行的数学软件之一。它是一种使用简便的工程计算语言，以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个可交互的工作环境中，从而可实现工程计算、算法研究、建模、仿真和数据分析，同时具有可视化、科学和工程绘图、应用程序开发(包括GUI)功能。 电力拖动自动控制系统（运动控制系统）是自动化专业的一门重要专业综合课程。它的先修课程包括电工与电子电路、电力电子学、电机与拖动、微机原理和自动控制理论，涉及多门学科，概念多、系统性、理论性强，和工程实践联系密切。需要知识面广，内容多，尤其是工程实际知识多。 该课程是一门实践性很强的课程，实验是学好本课程必不可少的重要环节。采用传统的课堂讲授方式来讲授这门课的最大问题在于：很难用大量的图片来介绍各种直流电机、交流电机调速系统的完整结构，也难以用清晰、明了的各种波形、图形来讲授诸如转速、电流、电压、转矩等运动控制系统的过渡过程问题。目前，有很多的实验装置可以对运动控制系统运行进行较好地测试与观察。但其实验系统价格昂贵，投资较大，在一些高校教学中难以实现。 本文介绍采用MATLAB/GUIDE（图形用户界面设计）设计运动控制系统的仿真实验平台，可以弥补高校实验设备缺乏，也可以起到辅助教学的作用。 2．运动控制实验系统界面设计 2.1实验系统登录界面设计 根据设计目标，在登录界面中插入武昌理工学院图片作为背景，运动控制仿真实验室为主标题，界面中设有登录按钮。 设计效果如图1所示。
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。
基于VC++的运动控制卡软件系统设计
基于VC++的运动控制卡软件系统设计 在自动控制领域，基于PC和运动控制卡的伺服系统正演绎着一场工业自动化的革命。目前，常用的多轴控制系统主要分为3大块：基于PLC的多轴定位控制系统，基于PC_based的多轴控制系统和基于总线的多轴控制系统。由于PC 机在各种工业现场的广泛运动，先进控制理论和DSP技术实现手段的并行发展，各种工业设备的研制和改造中急需一个运动控制模块的硬件平台，以及为了满足新型数控系统的标准化、柔性化、开放性等要求，使得基于PC和运动控制卡的伺服系统备受青睐。本文主要是利用VC++6.0提供的MFC应用程序开发平台探索研究平面2-DOF四分之过驱动并联机构的运动控制系统的软件开发。 平面2-DOF四分之过驱动并联机构的控制系统组成 并联机构的本体如图1，该机构由4个分支链组成，每条支链的一段与驱动电动机相连，而另一端相交于同一点。该并联机构的操作末端有2个自由度（即X 方向和Y方向的平动），驱动输入数目为4，从而组成过驱动并联机构。 控制系统的硬件主要有4部分组成：PC机，四轴运动控制卡，伺服驱动器和直流电动机。系统选用的是普通PC机，固高公司的GT-400-SV-PCI运动控制卡，瑞士Maxon公司的四象限直流伺服驱动器及直流永磁电动机。伺服驱动器型号为4-Q-DCADS50/5，与驱动器适配直流电动机型号为Maxon RE-35。运动控制系统的
构成如图2所示。上位控制单元由PC机和运动控制卡一起组成，板卡插在PC机主板上的PCI插槽内。PC机主要负责信息流和数据流的管理，以及从运动控制卡读取位置数据，并经过计算后将控制指令发给运动控制卡。驱动器控制模式采用编码器速度控制，驱动器接受到运动控制卡发出的模拟电压，通过内部的PWM电路控制直流电动机RE-35的运转，并接受直流电动机RE-35上的编码器反馈信号调整对电动机的控制，如此构成一个半闭环的直流伺服控制系统。 1.1 GT-400-SV控制卡介绍 固高公司生产的GT系列运动控制卡GT-400-SV-PCI可以同步控制4个轴，实现多轴协调运动。其核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成，能实现高性能的控制计算。控制卡同时提供了C语言函数库和Windows下的动态链接库，可实现复杂的控制功能。主要功能如下： （1） PCI总线，即插即用； （2）可编程伺服采样周期，4轴最小插补周期为200us，单轴点位运动最小控制周期为25us； （3） 4路16位分辨率模拟电压输出信号或脉冲输出信号模拟量输出范围：-10V-+10V，每路课独立控制，互不影响；
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.wendangku.net/doc/7a5508961.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
电力拖动自动控制系统-运动控制系统-单闭环直流调速系统仿真
单闭环直流调速系统仿真 直流电动机：型号为Z4-132-1，额定电压400N U =V ，额定电流52.2dN I =A ，额定转速为2610 r/min ，反电动势系数e C =0.1459 V ? min/r ，允许过载倍数λ=1.5； PWM 变换器开关频率：8KHz ，放大系数：s K =107.5；(538/5=107.5)，直流母线电压为538V 。 电枢回路总电阻： 0.368R =Ω； 时间常数：电枢回路电磁时间常数l T =0.0144s ，电力拖动系统机电时间常数m T =0.18s ；转速反馈系数0.00383min/V s =?α(N n V /10≈)； 对应额定转速时的给定电压V U n 10*=。 （1） 在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。其中PWM 变换器利用给出的 PWM 控制器模块和simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭建，不能直接利用传递函数建模。比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5和-5。 （2） 给出采用比例调节器（7p K =）、比例积分调节器（W ARS =1τ+τp s K s ）时（7=p K ，1107 =τ）空载起动到额定转速的转速波形，并就稳态静差和动态性能进行对比，分析说明原因。 （3） 给出采用比例积分调节器时（7p K =，1107 =τ）的转速、电流、电枢电压波形，分析 空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。 （4） 在4s 突加40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出），并加 载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。 第五版双闭环直流调速系统仿真 对例题4.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。具体要求如下： 在一个由PWM 变换器供电的转速、电流双闭环调速系统中，PWM 变换器的开关频率为8kHz 。已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.1Ω,变换器的放大倍数s K =35。电磁时间常数l T =0.01s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。额定转速时的给定电压(U n * )N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =8V 。
现代运动控制系统及其应用
136.现代运动控制系统及其应用 内容来源网络，由深圳机械展收集整理！ 运动是以为控制对象，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、功率驱动装置、电动机和反馈检测装置和被控对象等几部分组成，如图1所示。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，特别设计应用于伺服系统的电机称之为伺服电机，通常内含位置反馈装置，如光电编码器。目前主要应用于工业界的伺服电机包括电机、永磁交流伺服电机与感应交流伺服电机，其中以永磁交流伺服电机占大多数。 运动控制器是以中央逻辑控制单元为核心、以传感器为信号敏感元件、以电机或动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置。其功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如位置控制、速度控制和转矩控制等。 运动控制器的分类 目前市场上的运动控制器根据不同的方法有不同的分类。 按被控对象分类： 根据应用场合被控对象的不同可分为步进电机运动控制器、伺服电机运动控制器和既可以对步进电机进行控制又可以对交流伺服电机进行控制的运动控制器。 按结构进行分类： 基于计算机标准的运动控制器 基于总线的运动控制器是利用计算机硬件和操作系统，并结合用户开发的运动控制应用
程序来实现的，具有高速的数据处理能力。总线形式上主要有isa接口、pci接口、vme接口、和usb接口等。这种运动控制器大都采用或微机芯片作为cpu，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部i/o之间的标准化通用接口功能，同时随控制器还提供功能强大的运动控制软件库：c语言运动函数库、windows dll动态链接库等，可供用户根据不同的需求，在dos或windows等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。 例如美国deltatau公司的pmac多轴运动控制器，采用motorola公司的高性能dsp5600x作为cpu，可以最多同时控制8根轴，与各种类型的主机、放大器、电机和传感器一起完成各种功能。英国阿沃德公司的trio运动控制卡、固高科技(深圳)有限公司的gt 系列运动控制器产品和美国ni公司的ni系列运动控制器等都是这类产品。 从用户使用的角度来看，这些基于的运动控制器之间的差异主要是硬件接口(输入/输出信号的种类、性能)和软件接口(运动控制函数库的功能函数)。 soft型开放式运动控制器 基于soft型开放式运动控制器[3>提供给用户很大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i/o之间的标准化通用接口，如同计算机中可以安装各种品牌的声卡、cdrom和相应的驱动程序一样。用户可以在windows 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。 这种控制器的典型产品有美国mdsi公司的open cnc、德国pa(power automation)公司的pa8000nt，美国soft servo公司的基于网络的运动控制器和国内的固高科技有限公司的go系列运动控制器产品等。soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。此类产品的价格国内产品普遍要低于国外产品，但在技术性能上也存在一定差距。