《运动控制系统》复习及试题选讲.docx
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《运动控制系统》复习及试题选讲
《自动控制系统》复习及试题选讲
曾 毅 编着
山东大学控制科学与工程学院
2008-6-10
《自动控制系统》是自动化专业的结束课程之一，是“电工技术（电路）”、“电子技术（模电、数电）”、“自动控制理论”、“电力电子技术”、“电机与拖动基础”和“传感器与信号调理”等课程的集成与知识的系统。
说《自动控制系统》入门非常容易，是因为此课程仅使用了上述七门课程中最基础、最常见的知识；说《自动控制系统》学精、学深不易，是因为任何一个自动控制系统都是由上述七门课程中的相关知识，按照“特定的规律”集成在一起的，要想掌握这种“特定的规律”，除了学习前人构造系统的知识与经验以外，更需要读者去进行工程实践，从中体会“特定的规律”。
对《自动控制系统》进行系统的复习，有助于学习“特定的规律”；对《自动控制系统》进行试题分析，更有助于掌握和运用“特定的规律”。
第一章自动控制系统的构造方法
一、本章主要内容
本章主要讲授了构造自动控制系统的常用定理与方法：
1、功能添加法
定义：
每增加一种功能原运动控制线路的功能保持不变，这种设计方法称为“功能添加法”。
功能添加法是其它设计方法的基础，功能添加法能独立的进行工程设计，而其它设计方法不能独立的进行工程设计。
因此应该熟练掌握功能添加法的设计思想，灵活运用功能添加法。
使用功能添加法的方法是：
首先从满足工程所需求的最基本、最简单功能入手，然后保持原功能不变基础上逐渐地去满足工程所需求的其它功能。
2、步进公式法
步进逻辑公式的使用方法：
1）先把运行轨迹分成若干程序步并定义转步信号（位置检测信号）。
2）根据运行轨迹结构写出决定物体运动状态的输出电路的逻辑代数方程组。
输出方程定义：
假设能决定物体某运动状态或方向的变量是y，那么，输出方程为
（物体在该运动状态或方向上的程序步）
注意：
如果输出方程同时控制同一台电动机时，输出方程之间一定要有互锁。
3）套用步进公式写出控制电路的逻辑代数方程组，如果有必要可绘出其运动控制电路原理图（控制方程组是由步进公式按照某一生产工艺要求所组成的逻辑代数方程组）。
3、最小程序步判定定理
定理1在一个连通图内，如果物体的运动轨迹的结点都是偶数结点，那么被控物体可以不重复地连续走完每一条轨迹，并且起点与终点是同一个结点。
定理2在一个连通图内，如果物体的运动轨迹的结点有两个奇数结点，那么被控物体可以不重复地连续走完每一条轨迹，并且从一个奇数结点开始到另外一个奇数结点终止。
推论在一个连通图内，如果物体的运动轨迹的结点有N（N>2）个奇数结点，那么被控物体需要使用N/2次才能不重复的走完每一条轨迹。
应用时应特别注意：
1）在任何一个连通图内奇数结点只能是偶数个，不可能出现奇数个奇数结点。
定理1与定理2合称最少程序步判别定理或一笔画定理。
2）为了降低转弯次数，只有当物理路径改变方向时，控制路径才决定改变运行方向。
4、抑制定理、反馈定理和多环组合方法
1）抑制定理：
对于反馈环内前向通道上的元件参数发生变化时，闭环系统有抑制能力。
对于给定、反馈元件和反馈环外的元件参数发生变化时，闭环系统无抑制能力。
*熟悉提高抑制能力的方法。
*熟练掌握抑制定理，灵活运用抑制定理对分析控制系统的抗干扰能力十分有用。
*抑制定理是工程师在选购元器件时所遵循的基本原则，抑制定理决定：
哪些元器件必须选高质量的；哪些元器件可以选非高质量的。
2）反馈定理：
要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引入这个物理量的负反馈与恒值给定相比较，形成闭环系统。
*反馈定理是自动控制系统设计人员遵守的基本定理。
*反馈信号的具体采样点和安装的牢固、可靠性将会关系到一个工程项目的成与败。
3）多环组合方法
在一个控制系统中，如果有多个被反馈的物理量需要构造闭环，并且这些被反馈的物理量是同一个物理量所产生，那么延迟时间最短的那个物理量的反馈环建在最里面，延迟时间最长的那个物理量的反馈环建在最外面。
注意：
在多环控制结构中，外环是决定系统性能的根本因素，而内环主要起改造对象特性以利于外环控制的作用；各种扰动给内环带来的误差可以由外环控制加以弥补或抑制。
二、试题解析
1、在一个至少有6个偶数结点的联通域内，如果结点总数有9个，那么机器人能否不重复的走遍该联通域内的每一条支路
2、某可逆调速控制系统如图1-3所示，分析此控制系统的工作原理回答下述问题：
图1-3
1）此控制系统在设计上具有哪些主要功能
答：
具有可逆运行功能；具有过流（或限流）保护功能；具有给定缓冲功能；具有四种程序步转速设定功能；具有能耗制动功能。
2）设1Q为正向点动按钮；2Q为反向点动按钮；BP5为点动速度设定电位器；S为自动与点动速度选择开关，其中S-1和S-2为分别是自动运行和点动运行触点。
生产工艺要求点动与自动运行（Q按钮）互锁。
试根据图1-3修改原控制系统，实现此功能。
解：
设计结果如图1-5所示：
图1-5
图3-1送货机器人（小车）运行轨迹
3、设计题
1）已知电动机Ｍ1带动小车左右运动；电动机Ｍ2带动小车上下运动。
生产工艺要求的运动轨迹如图5-1所示。
假设：
KM1得电小车向右运行，KM2得电小车向左运行；KM3得电小车向上运行，KM4得电小车向下运行。
生产工艺要求：
按动启动按钮S1时小车的运行轨迹如图5-1（A）所示；按动启动按钮S2时小车的运行轨迹如图5-1（B）所示；按动启动按钮S3时小车的运行轨迹如图5-1（C）所示；当小车在运行期间按动按钮S4时小车能以最短的路径返回初始原点（A）。
试设计满足该运动轨迹的运动控制的输出方程组和控制方程组。
解：
（1）定义程序步及转步信号：
根据程序步的定义可知此运行轨迹的可分为如下7步K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7，如图5-1所示。
每步的转步信号分别设为ST1、ST2、ST3、ST4、ST5，如图5-1所示。
图5-1
（2）写出逻辑代数方程组：
根据运动轨迹可以直接写出该控制系统的输出方程组：
→
←
↑
↓
设急停按键为ST，那么满足图5-1a）所示运行轨迹的控制方程组为：
那么同时满足图5-1b）所示运行轨迹的控制方程组为：
那么同时满足图5-1c）所示运行轨迹的控制方程组为：
当按动回原位按钮S4时，如果小车在水平线上，那么同时满足上述所示运行轨迹的控制方程组为：
当按动回原位按钮S4时，如果小车在水平线的上方，那么同时满足上述所示运行轨迹的控制方程组为：
当按动回原位按钮S4时，如果小车在水平线的下方，那么同时满足上述所示运行轨迹的控制方程组为：
2、在上述已知条件基础上，假设电动机Ｍ1和Ｍ2都是直流电动机并且分别由两个逻辑环流双闭环可逆直流调速器驱动，如图5-2所示，生产工艺要求每一步的运行速度都相同，但是速度的大小可调。
该调速器的部分控制端子的功能说明参见表5-1，图5-2已经完成了部分原理图绘制，试补充绘制完成直流调速器的控制原理图的设计。
表5-1590系列调速器部分控制端子功能
端子号
功能
A4
速度给定端。
当A4=+10V时，电动机的转速达到正向最高速；当A4=-10V时，电动机的转速达到反向最高速；当A4=0V时，电动机的转速为零。
A6
电枢电流限幅端。
当A6=+10V时，正向电枢电流的限幅为200%；当A6=-10V时，反向电枢电流的限幅为200%最高速。
B1
0V
B3
+10V电源
B4
-10V电源
B8
急停控制端。
当B8=0V（或悬空）时，调速器紧急停止。
当B8=24V时，急停不起作用。
C3
起动控制端。
当C3=24V时，调速器起动运行，转速稳定后等于“A4”的设定值。
当C3=0V时，调速器不能运行。
C5
控制信号允许输入。
当C5=24V时，给电动机施加励磁电压；当C5=0V（或悬空）时，电动机无励磁电压。
C9
+24V电源
第二章闭环控制的直流调速系统及计算机仿真
一、本章主要内容
1、开环调速控制系统构造过程及其静特性
图2-1-1开环调速控制系统原理框图：
a）晶闸管可控整流电路b）脉宽调制电路
1）开环调速控制系统原理框图与动、静态结构图的对应关系
图2-1-2开环调速控制系统的动、静态结构图：
a）动态传递函数b）静态传递函数
2）晶闸管—电动机系统的特殊问题
①控制系统的电流比较小时出现断续现象
②晶闸管－电动机的机械特性分断续区和连续区
③电动机所储存的能量不能直接回馈给电网
④开环晶闸管－电动机的机械特性比较软，无法满足一般静态指标的要求
3）静态指标与动态指标的定义
*在“电机与拖动”这门课中所讲的：
调速范围D；静差率S都属于静态指标。
*在“自动控制理论”这门课中所讲的：
上升时间tr、超调量σ和振荡次数N都属于动态指标。
*满足生产工艺要求的静态指标
假设：
控制系统所具有的转速降为△n系统，调速范围为D和静差率S所决定的转速降为△n要求，如果控制系统满足生产工艺要求的静态指标，那么下面的等式应该成立：
2、单闭环调速控制系统的动静态分析与设计
1）生产工艺要求与控制系统转速降之间的关系
2）单闭环调速控制系统的抗干扰能力
原理图如下所示（P76图2－20）
对于如图2-21所示单闭环调速控制系统动态结构图根据抑制定理可得如下结论：
图2-21单闭环调速控制系统动态结构图
当KS、IdL、R、Ce发生变化时，闭环系统对它们的变化也有抑制能力；当、发生变化时，闭环系统对它的也变化没有抑制能力。
*无论调速控制系统是否满足生产工艺要求都要引转速负反馈。
3）单闭环调速控制系统的限流保护方法
限流保护设计思想：
仅当电枢电流超过最大允许值时，电流反馈才能起作用，正常工作时不起作用。
4）控制系统的稳定条件及校正
动态校正思想：
动态时放大倍数自动变小，稳态时放大倍数自动变大。
5）系统的稳态参数计算（静态参数计算）
熟练掌握反馈系数α的确定方法：
3、电压负反馈电流补偿控制的调速系统
1）电压负反馈调速系统
*因为引电压负反馈的目的是代替测速反馈，所以在实际引电压负反馈时，应尽可能的在靠近电动机电枢的两端引出电压反馈。
如图2-3-1
图2-3-1电压负反馈调速控制系统原理图
*电压负反馈调速控制系统是一个自然稳定性系统。
也就是说，KP选择多么大的数值都不影响控制系统的稳定性。
*电压负反馈调速控制系统的闭环转速降的最小值极限是
2）电流正反馈和补偿控制规律
带电流正反馈的电压负反馈调速系统的原理图如图2-3-2所示。
图2-3-2带电流正反馈的电压负反馈调速控制系统原理图
*引电流正反馈的目的是为了抵消电压环不能抑制的那部分转速降。
*补偿控制与反馈控制的根本区别在于反馈控制对于环内的参数元件发生变化具有抑制作用；补偿控制对于环内的参数元件发生变化不但无有抑制作用而且具有增强这种干扰作用。
3）电流补偿控制调速系统的数学模型和稳定条件
*当Δn＝0时（全补偿情况），带电流正反馈的电压负反馈调速系统是一个临界稳定系统；当Δn＞0时（欠补偿情况），带电流正反馈的电压负反馈调速系统是一个稳定系统；当Δn＜0时（过补偿情况），带电流正反馈的电压负反馈调速系统不是一个稳定系统。
*由于电流正反馈的存在，尽管可以满足任意小的生产工艺要求，但是控制系统的抗干扰能力降低，导致带电流正反馈的电压负反馈调速系统不能完全取代转速负反馈调速系统。
4、Simulink建模与仿真技术
*了解仿真参数的设置重要性，学会使用解法设置（So
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