第一篇 运动系统与运动控制器

第1章 绪论

当前世界各国都把人工智能与数字化制造等高技术作为产品技术升级与产业提升的核心，德国提出了工业4.0，也称生产力4.0，是德国政府提出的革命性创新计划。其目的就是确保德国工业在世界范围的竞争中处于领先地位。2015年3月李克强总理在12届人大三次会议上提出了中国2025计划，目的是让中国进入世界制造强国。作为2025计划的支撑核心技术之一，发展高水平的运动控制系统对于推进我国的装备水平无疑是至关重要的。

运动是机器的本质特征。运动控制系统是机床、机器人及各类先进装备高品质和高效率运行的必要保证。运动控制技术是装备领域和制造行业的核心技术。由于实际应用对设备功能的需求是千差万别的，因此表现到实际系统对运动形式的需求上就变得五花八门。尽管运动控制系统的运动形式多种多样，但是从总体上看，可以把运动控制系统的运动类型划分为如下两大类别：

（1）位置变化问题。其特征是被控对象空间位置发生改变，我们称之为第一类运动系统问题，有文献称之为线性轴。

（2）周期式旋转速度变化问题。由于某一类物理量（如温度、压力、流量、转矩等）而迫使电机转速随负载的变化而变化，以满足温度、压力、流量、转矩等恒定的目的。我们把这类运动控制问题称为第二类运动系统问题，也有文献称之为旋转轴。

对第一类运动系统问题而言，被控对象的运动特征是：空间位置发生变化，在位置变化的过程中被控对象的速度或加速度发生变化。解决第一类运动系统问题的要点是：①根据牛顿运动学理论与电机拖动的基本理论，按照被控对象的空间运动轨迹，把被控对象的运动轨迹分解为空间坐标系的坐标变化；②通过对坐标系坐标的变化进行分析，建立描述运动轨迹的方程；③根据牛顿力学和运动学理论，第一类运动系统问题被转化为路程、速度、加速度和时间等几个参数关系的分析问题。第一类运动轨迹有三个要素：起始点、终止点及两点之间的连接曲线；三维空间位置控制问题是这类问题的典型代表，平面二维运动是空间三维运动的特例，直线一维运动则是平面二维运动的特例。

第二类运动系统问题是由具体的、实际生产问题演化派生出来的。例如，某小区的生活供水问题，由于用户的用水量是随机变化的，要确保用户的用水品质，从控制的角度就需要保持供水压力恒定；再如，要求某温室的温度恒定，其问题的实质是在研究循环风机通风量大小的问题，室内温度与设定的温度差决定着通风风机通风量的大小，温差越大，要求风机的循环风量越大，也就是电机的转速越高，而温差越小，要求循环风量越小，电机的转速越低。从第二类运动系统问题对控制系统的要求看，对这类对象的控制往往是与某些特定的物理量（温度、压力、流量等）相关联的，其前提条件是维持该物理量不变或者按照规定的规律变化。那么解决第二类运动系统问题的关键是：将实际对象的功能需求与电机的转速建立起函数关系，从而把实际问题转变为电机驱动速度实时控制的问题。工农业生产与人们日常生活中广泛应用的诸如风机、水泵、空调压缩机等负载都属于这个类型。有关统计资料表明，这类负载占据了整个工业生产能量消耗的50%～60%。鉴于水泵、风机、压缩机电机的控制都是单向、周期的，因此这一类问题可以归纳为单轴运动控制的周期式旋转控制问题。