运动控制论文范文
运动控制论文范文（精选12篇）
运动控制论文 第1篇
传统的数控机床的数控编程,对于不同的数控系统可采用不同的G代码可以完成零件图形的编制,通过数控系统的输入到数控机床,进行零件的模拟仿真操作后,可通过机床完成零件的加工。固高科技有限公司生产的GT系列运动控制器,也可实现传统机床中的两种轨迹的多轴协调运动:直线插补、圆弧插补,通过VC语言同样可完成传统零件G代码程序。
1 坐标映射原理
在采用VC语言编程过着中,运动控制器通过坐标映射将控制轴由单轴运动控制模式转换为坐标系运动控制模式。在坐标系运动控制模式下,可以实现单段轨迹运动、多段轨迹连续运动。运动控制器开辟了底层运动数据缓冲区,可以实现多段轨迹快速、稳定的连续运动。运动控制器利用一个四维坐标系(X-Y-Z-A),描述直线、圆弧插补轨迹。其中X-Y-Z三个轴构成图1所示的数控机床所采用的右手笛卡尔坐标系,根据零件图形的特点,可以在二维(X-Y)、三维(X-Y-Z)坐标系描述运动轨迹。利用直线、圆弧命令完成零件轮廓的描述。
其中X、Y、Z和轴号1、2、3相对应,对于A轴和4轴对应,表示表示绕着X轴旋转坐标的选择坐标轴。坐标轴映射函数如下:
2 编程实例
2.1 对运动控制器初始化和轴的初始化动作
首先是运动控制器的打开语句(GT_Open();)和运动控制器复位语句(GT_Reset();),以建立主机与运控器之间的通讯定义轴1为模拟量输出,采用T曲线模式,轴2同轴1设。
2.2 完成运动控制器各个坐标轴的初始化,并进行坐标轴的设置
如对1轴进行初始化,程序如下:
如果在多轴控制中,对于每个坐标轴都应有相应的设置,在设置过程中要根据各个轴所连接伺服单元和电机的形式修改相应的函数。如采用步进电机可设置GT_Ctrl Mode(1);其中1代表为脉冲量输出,即开环控制。
轴1运动轨迹进行设置,程序如下:
2.3 坐标系轨迹运动实现的参考程序
2.3.1 采用VC语言,进行面板制作及调试采用VC程序,进行控制面板的制作,并完成零件程序的调试,见图2。
2.3.2 图形编程程序
采用四轴运动开发系统提供的专业的函数,完成图1零件的编程的编制,参考程序如下:
3 结束语
与传统的数控装置相比,基于VC的运动控制器具有技术更新,功能更加强大,可以实现多种运动轨迹控制,是传统数控装置的换代产品;结构形式模块化,可以方便地相互组合,建立适用于不同场合、不同功能需求的控制系统;操作简单,在PC上经简单编程即可实现运动控制,而不一定需要专门的数控软件。目前,运动控制技术由面向传统的数控加工行业专用运动控制技术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。给用户提供了很大的开发空间,同时在软件开发过程中,各种算法的综合应用给专用数控设备的特殊功能的实现提供了可能。
摘要：本文针对固高科技公司的GT-400-SV系列运动控制器,在四轴运动开发平台上,利用PC机主控,通过实例的方式,采用高级语言VC完成传统3轴联动数控铣床典型零件手工程序的编制,通过实例证明,基于VC的运动控制器,在PC上经简单编程即可实现运动控制,而不一定需要专门的数控软件。可以实现多轴运动轨迹控制,给用户提供了很大的软件开发空间。
关键词：运动控制,数控编程,高级语言VC
参考文献
[1]固高公司.GT2-4002-SV四轴运动控制器用户手册,2008.
[2]陈婵娟.数控机床设计[M].化学工业出版社,2008.
简述运动控制技术 第2篇
简述运动控制技术
在机电一体化系统中,运动控制技术发挥着重要的作用.运动控制系统高定位精度、高运动速度、可编程的高度柔性等特点深刻改变了制造业、国防工业,甚至我们的日常生活.
作 者：孟庆琛 作者单位：神华准能设备维修中心生产技术部,内蒙古,薛家湾,010300刊 名：中国科技博览英文刊名：ZHONGGUO BAOZHUANG KEJI BOLAN年，卷(期)：“”(1)分类号：UO1关键词：运动控制技术 运动控制卡
运动训练过程控制综述 第3篇
运到训练；控制
比赛数量的递增使传统的周期训练的计划和安排受到了很大的冲击，许多教练把“以赛代练”的方式纳入了整个训练的过程，使比赛与训练紧密结合起来，实现了“以点带面”的训练过程。从多位学者的文献中可以看出，频繁的赛事未必对运动员的成绩起到促进作用，教练员在安排训练计划时要懂得如何科学安排赛前、赛期和赛后的训练，以及要处理好在训练中出现的问题。
近年来，多位学者在运动训练过程的控制这方面的研究提出了自己的一些见解与建议，为科学的运动训练提供了有力的依据。
练碧贞等学者认为在比赛期间的比赛日，运动员的负荷强度已经是达到巅峰了，所以在比赛期间的非比赛日中应以低强度和力量训练为主，负荷量约为赛前准备期的1/2左右，还要加强运动员的疲劳恢复。对于大球类的团队比赛，教练员要尽量在比赛期间考虑全队队员的实际情况，加强替补队员的培养，从而达到“以赛代练”的效果。[1]
陶于等学者建议我们要理性地分析和总结以体能为主导项目与以技能为主导项目借鉴“以赛代练”经验，不要“光练不赛、光练少赛”和违背运动训练规律的“以赛代练”。[2]从文献中可以看出“以赛代练”的基本对象主要是高水平运动员，而“以赛代练”中的“赛”主要以国际上的一些重量级比赛为主，国内过多的且水平较低的比赛会令大多高水平运动员乏力和缺少系统的训练，使得他们在比赛中突显的问题不能及时地训练中得到改正。所以过频繁的赛事未必对运动员的成绩起到促进作用。
学者陈小平认为除了以往被动恢复的专门手段之外，还应该加上主动的恢复，从而进一步加强运动员在训练负荷方面“恢复能力”的培养，只有科学有效的训练方法才可以最大程度地挖掘运动员的潜能及避免其过度训练和运动损伤的发生。他提出比赛数量并非越多越好，要求他们要不断地改变自己的训练方式与方法来适应比赛的各种需求。陈小平还建议教练员在训练中把理论与实践统一起来，从而为运动员制定科学合理的训练计划，以助运动员成绩的提高。[3][4][5]
焦芳钱等学者对我国优秀女子马拉松运动员训练中的负荷强度分类和划分、持续训练强度的控制情况、间歇训练强度的特点等方面进行分析和研究，从而建议，普通女子马拉松选手需要重视有效训练量的积累，而优秀的马拉松运动员在重视混氧训练的基础上，还要重视有氧训练量的积累。[6]这样不仅可以使优秀马拉松选手的年度训练量处于稳定状态，还能在一定程度上促进运动员成绩的提高。
范安辉学者认为在训练中离不开运动负荷和运动恢复，而且从现行的运动负荷系统来看，更强调放松、休息、恢复等效果所带来的一系列有助于恢复训练和提高成绩的效果。他还指出在训练中对运动负荷的描述应采用表面数据和内部数据两类指标来进行评价，建议把运动负荷目的论与运动负荷手段论统一起来，实现发展体能、增强体质的最终目的。[7]总体来讲，运动恢复是属于训练方式的一部分，所以要求教练员合理分配好训练的方法与方式来满足日益剧增的比赛次数。
郭蓓学者指出，随着近年射箭比赛次数的增多，教练员在训练实践里对中、小周期的安排也越来越重视。从文献中可以看出，备战重大比赛期间的年度训练周期是根据形成竞技状态的阶段性特征和重大比赛时间的安排来划分的。他建议按照国际上重大比赛的时间，教练员可以适当地安排国内参赛次数、重大比赛的前一年参赛次数、重大比赛当年的参赛次数以及重大比赛前最后一次热身赛的参加等手段来划分备战重大比赛期间的训练周期。[8]
刘爱杰学者以我国的皮划艇项目为例，阐述了我国的皮划艇项目从原来的世界弱势项目变为2004年的雅典奥运的冠军，这一局势的扭转靠的就是超常规思维和对项目发展规律的深度认识，还有相关人才的培养与引进和科学的训练方式以及敢于否定自己和传统，大胆地进行创新等。[9]所以不管是教练员、运动队的工作人员还是运动员都要懂得不断地提升自己的相关知识以适应社会各方面的变迁。
刘大庆学者提出了在训练中整体与细节的关系。他认为在训练或比赛中要考虑每个环节、每个因素的情况。[10]其实整体的建立并不难，主要是要注意考虑如何执行和执行中可能会存在的问题，就是细节问题。总的来说就是要求在训练中要把整体与细节有机统一起来，从而做到未雨绸缪，这样就有利于运动训练的顺利开展。
综上所述，日益剧增的比赛次数使许多教练员把“以赛代练”的方式放进了训练计划中，从而达到了“以点带面”的效果。多位学者建议教练员在安排训练的时候，不管是赛前还是赛期训练，都要注重训练的合理性与科学性，结合运动员基础水平，重视过度训练带来损伤的后果，观察运动员地疲劳恢复程度和专项技术，不要盲目地为了追求短暂的成绩而罔顾后果。只有这样才能以最佳的竞技状态应付日益递增的比赛数量，才能使运动员的竞技水平始终如一。
参考文献
[1]练碧贞等.CBA主客场赛季制竞赛期训练安排的研究[J].成都体育学院学报.2005.06
[2]陶于等.“比赛训练法”与“以赛代练”的训练学阐释与思考[J]山东体育学院学报.2007.06
[3]陈小平.“以赛代练”议[J]
[4]陈小平.当前我国竞技运动训练需要认识的几个问题[J]运动,重大专题,2009.10
[5]陈小平.我国耐力训练存在的主要问题——对训练强度失衡的反思[J]武汉体育学院学报.2008.04
[6]焦芳钱等.对我国女子马拉松运动员年度训练负荷安排的调查研究[J]北京体育大学学报.2010.01
[7]范安辉.高水平竞技训练运动负荷调控特征分析[J]西南师范大学学报.2005.08.
[8]郭蓓.射箭备战重大比赛期训练过程的安排[J]体育科研.2007.01
[9]刘爱杰,雅典奥运会我国皮划艇实现历史性突破的核心启迪[J]山东体育学院学报.2005.04
运动控制论文 第4篇
棱管法兰自动焊接机用于棱管与法兰对接的焊接, 其中焊枪又是棱管法兰焊接机的重要组成部分。焊枪运动在焊接过程中发挥着重要作用, 良好的焊枪运动控制对焊枪顺利完成工作至关重要。在自动半自动焊接过程中, 焊枪运动对焊缝质量的提高与焊接效率的提升有着明显的促进作用。在焊接过程中, 良好的焊枪运动可以使焊缝的宽度增加, 不均匀的焊缝得到改观, 焊缝表面的美观度和焊缝的金属力学性能得到提高[1]。
1 焊枪运动系统总体设计
本次设计的焊枪运动的模型选用三角型运动轨迹, 在焊枪运动时, 主轴一直运转, 当焊枪停止运动时, 主轴停止运转。焊枪运行轨迹如图1所示, 其中L为运动摆幅, T为运动周期时间。
运动控制是对运动进行规划以实现对运动结果的控制, 运动控制卡就是一种能实现这种功能的智能控制装置。本文使用GALIL公司生产的DMC-1842运动控制卡来控制焊枪运动的摆幅、摆频以及往复运动的停滞时间等参数[2]。DMC-1842运动控制卡具有8路输入与输出、编码器反馈、步进电机指令、通信以及自动PID调节等功能, 使用时需要插入到计算机的PCI总线。
1.1 焊枪运动硬件系统设计
焊枪的最终运动是利用驱动器控制伺服电机来完成, DMC-1842的作用是根据预先计算的运动位置程序控制驱动器, 然后驱动器控制伺服电动机运动, 伺服电动机的相对编码器再把运动结果值返回到伺服驱动器, 如此就构成了半闭环控制系统。设置驱动器面板的各种选项完成PID算法器自动控制运算[3]。半闭环控制系统框图如图2所示。
根据焊接对焊枪运动装置要求响应迅速、位置准确的原则选择小惯量交流伺服电动机;根据焊枪运动装置的惯量、动力大小的要求选择交流电动机功率为400 W。
1.2 电动机驱动电路设计
DMC-1842运动控制卡使用计算机的PCI接口与PC机通信, PCI是当前计算机中应用最多的一种通信接口, 市场上的大部分计算机主板都带有这种接口。DMC-1842运动控制卡与计算机通过PCI通信后, 还需要利用与DMC-1842配套的端子板与驱动器链接。从某种意义上说, 端子板的性能在很大程度上决定了DMC-1842运动控制卡性能的发挥。与DMC-1842相配合的端子板的型号是ICM-1900ID。ICM-1900ID端子板与驱动器之间的通信电路构成如图3所示。其中, 17为地线, 可以减少信号干扰;31~36为驱动器的编码器向接口板输出的位置反馈线路;27, 12, 28, 13为端子板向驱动器输入的位置信号;7, 23为驱动器的伺服使能信号。
伺服驱动器有3种运行控制模式:位置控制模式、转矩控制模式和速度控制模式, 本次设计对运动的位置要求比较高, 对响应速度与实时性要求不高, 所以用伺服器的位置控制模式。DMC-1842控制运动时以脉冲的频率控制转动速度, 以脉冲的总个数控制运转的角度。
1.3 焊接控制过程与焊枪结构
焊接时, 使棱管处于水平位置, 焊枪在棱管上方的最大垂直距离为焊接的起始点即焊接原点。当DMC-1842运动控制卡给电的一瞬间, 通过#AUTO字段程序的作用使焊枪运动到原点, 系统回原点动作由回原点程序控制。之后作为开始焊接开关的输入通道1接通, 焊枪向棱管运动。在与焊枪水平的位置处设置了一个二线制的接近开关作为极限开关使用, 此二线开关选用常开高电平输入有效, 在接近开关与棱管距离达到接近开关的检测距离时, 执行#LIMSWI中的程序。焊机的焊枪处于棱管任一平面的中间位置时, 在焊枪中开始送丝与输出CO2保护气体, 由于本次设计的是棱管法兰自动焊接, 因此棱管在旋转时, 其表面的点到旋转中心的距离是不一样的, 所以焊枪在焊接时不但要有往复运动还要有伴随往复运动的上下运动。当棱管的任一棱处在水平中心位置时, 焊枪焊接时的焊头与旋转中心的距离最大;当棱管的任一平面处在水平位置时, 焊枪焊接时的焊头与旋转中心的距离最小。为满足上述焊枪机构的运动过程, 设计的焊枪机构如图4所示。
2 控制系统参数选择
在自动焊接过程中主轴运转速度、送丝速度、焊枪的往复运动和上下运动速度, 都是自动焊接时的主要参数[4]。根据实验以及大量生产经验表明, 不同的焊丝用不同的运动参数才能达到良好的焊接效果。对于Φ1.0mm的焊丝, 采用的焊接速度为300mm/min~400mm/min, 摆幅为8 mm, 摆频合理范围在88次/min~12次/min时, 焊接金属飞溅最小, 焊接质量最好。当六棱管的半径为200mm时, 棱管旋转的最大距离差如图5所示。
在确定了控制系统的运转速度、送丝速度、焊枪的往复运动和上下运动速度等参数后, 根据具体参数进行系统程序设计。GalilTools是DMC-1842的配套软件, 可以在安装有微软操作系统的个人电脑上运行, 通过PCI总线和DMC-1842运动控制卡进行通信, 本系统通过GalilTools对所写的程序进行调试与测试。
#AUTO标识符标识运动控制卡在一开始上电时会自动运行的自启动子程序, 本次设计把需要预先处理的电机工作方式, 电机平滑处理, PID算法中的比例增益KP、积分常数KI、微分常数KD以及原点复位等程序放在自启动子程序中。#START标识符标识运行中所进行的动作, 本文把控制运动的程序放到此标识符中。#LIMSWI标识符表示中断发生时将要执行的中断子程序。本文使用接近开关中断, 当接近开关接近棱管时程序跳转到#LIMSWI程序段, 执行#LIMSWI中的程序。在DMC-1842运动程序中以#AUTO标号开始的程序会被自动执行, 通过BP把程序保存在控制器的非易失存储器中, 在上电或复位时程序会被自动执行。此次自动焊接的具体程序如下:
3 结语
本文以伺服电动机为控制位置的执行机构, 通过充分利用DMC-1842运动控制卡在运动控制方面的优势, 提出了一种全新的自动焊接控制方法。该控制方法的特点是以DMC-1842运动控制卡为核心, 用端子板与伺服驱动器联接来驱动伺服电动机, 其结构简单、控制方便。运用DMC-1842自带的软件省去了用单片机、PLC做控制时自行设计软件的过程, 减少了系统设计周期, 并且系统更稳定高效, 能够很好地满足现代焊接对焊枪运动的要求。
参考文献
[1]谭蓉.全位置自动焊焊枪移动和运动机构的设计[J].焊接技术, 2001 (12) :32-33.
[2]付松玲, 孙建青, 马晓君.PLC控制的焊枪运动机构的研制[J].山东机械, 2002 (4) :23-24.
[3]曹俊芳, 蒋立培, 孙亚玲.管道全位置焊接机器人机械系统研制[J].电焊机, 2006 (12) :11-12.
运动控制系统教学教案 第5篇
运动控制系统教学教案
一、编写说明
（一）本课程的性质、地位和作用
本课程是本科自动化专业工业电气自动化方向的专业限选课之一。通过本课程的学习，使学生掌握直流调速系统、交流调速系统的基本理论以及系统分析、工程设计方法，学会将自动控制的理论和方法应用到交、直流电动机调速系统中，培养学生综合运用所学知识、解决实际问题的能力，为成为电气自动化的工程人员打下良好的理论基础。
（二）教学基本要求
1．通过本课程的学习，学生应了解以下知识：电力拖动自动控制技术的发展、应用以及在本专业学科领域的地位和作用；电力拖动自动控制系统的主要结构特点以及基本性能指标；直流脉宽调速系统的基本控制模式；微机数字控制系统的主要特点；微机数字控制双闭环直流调速系统硬件和软件。
2．通过本课程的学习，学生应熟悉以下知识：建立闭环调速系统各典型环节静态、动态数学模型的一般方法；数字测速与滤波的实现方法；系统工程设计中的近似处理原则和方法；转速、电流双闭环直流调速系统的工程设计思路、方法；有环流可逆闭环调速系统的工作原理和实现方案；SPWM逆变器的控制模式和实现方案；变频调速的基本控制方式。
3．通过本课程的学习，学生应掌握以下知识：利用静态结构框图分析系统稳特性的方法；利用动态结构图分析系统稳定性和动态性能的方法；带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的稳态分析、参数设计；转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程分析、调节器的工程设计；微机数字控制系统中的数字测速；异步电动机变压变频调速系统中的脉宽调制技术；绕线式异步电动机串级调速原理。
（三）课程教学方法与手段
以课堂讲授为主，辅以习题和实验。
（四）实践环节
1．实验：不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究
主要内容和要求：测试带转速负反馈有静差调速系统的静特性，并与无转速负反馈时的开环机械特性进行比较。
学时分配：2学时
2．实验：转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
主要内容和要求：测定开环机械特性及闭环静特性，测定闭环控制特性。 学时分配：3学时
3．实验：双闭环三相异步电动机调压调速系统
主要内容和要求：测定绕线式异步电动机转子串电阻时的人为机械特性及双闭环交流调压调速系统的静特性、动态特性。
学时分配：3学时
4．实验：三相异步电机SPWM变频调速系统的实验
主要内容和要求：测试不同输出频率、不同调制方式时的调速特性及低压补偿特性。 学时分配：2学时
5．实验：双闭环三相异步电动机串级调速系统
主要内容和要求：测定开环串级调速系统的机械特性，测定双闭环串级调速系统的静特性。 学时分配：2学时
（五）教学时数分配表
（六）本课程与其它课程的联系
本课程应在《电机拖动基础》、《电力电子技术》、《自动控制理论》等课程之后开设。本课程综合了运用了多门课程的知识，《电机拖动基础》为学习本课程奠定了交、直流电机原理及应用基础，《电力电子技术》为本课程提供了电力电子功率变换装置方面的知识，《自动控制理论》提供了控制理论知识。
（七）教材与主要参考书
教材：
《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》（第4版） 陈伯时主编 机械工业出版社 .8
主要参考书：
1.《电力拖动自动控制系统》（第2版） 陈伯时主编 机械工业出版社
2. 《运动控制系统》 尔桂花主编 清华大学出版社
（八）说明
1.实验内容可以根据实验设备及具体情况稍加变动。实验至少保证12学时。
2.本课程考核以平时成绩占30%，期末考试成绩占70%来评定。平时考核学生出勤情况、完成作业、完成实验、课堂提问等情况，期末考试采用笔试。
二、教学内容纲要
第1章 绪论
一、教学基本要求
通过本章学习，要求学生
1．掌握运动控制系统的基本概念、组成、转矩控制规律。
2．了解运动控制系统的历史及发展情况。 3. 熟悉生产机械的负载转矩特性。
二、教学内容
1.1运动控制系统及其组成
△运动控制系统的概念及其组成
1.2运动控制系统的历史与发展
运动控制系统的历史及发展情况
1.3运动控制系统的转矩控制规律
运动控制系统的转矩控制规律
1.4生产机械的负载转矩特性
三类负载转矩特性
第2章 转速反馈控制的直流调速系统
一、教学基本要求
通过本章学习，要求学生
1.掌握直流调速系统用的可控直流电源及其原理、动态数学模型，了解V-M系统、直流PWM调速系统的特点。
2.熟悉调速系统的稳态性能指标，熟记其计算公式，熟练掌握直流调速系统的机械特性。 3.掌握反馈控制直流调速系统的组成、工作原理、稳态结构框图及静特性分析、动态数学模型及动态分析，掌握积分、比例积分控制规律。
4.熟悉直流调速系统的数字控制问题。
4
5.掌握电流截止负反馈环节的工作原理及带电流截止负反馈直流调速系统的静特性。 6.熟悉调速系统的仿真过程。
二、教学内容
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
1.○V-M系统的触发脉冲相位控制、电流波形连续与断续、
2.△V-M系统的原理及其机械特性，晶闸管触发与整流装置的数学模型○旋转变流机组原理及静止可控整流器优缺点
3.△PWM变换器工作原理、数学模型，直流PWM调速系统的机械特性
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的`机械特性
△稳态调速性能指标、直流调速系统的机械特性
2.3转速反馈控制的直流调速系统
1△○转速反馈控制直流调速系统的数学模型
2.△比例控制直流调速系统的静特性、反馈控制规律
3.△积分、比例积分控制规律 4.○直流调速系统的稳态误差分析
2.4直流调速系统的数字控制
1△微机数字控制的特殊问题、数字测速方法及应用场合
2.○转速检测的数字化、数字PI调节器
2.5反馈控制直流调速系统的限流保护
1.转速反馈控制直流调速系统的过电流问题
2.△电流截止负反馈环节的工作原理及其输入输出特性
3.△○带电流截止负反馈的直流调速系统稳态分析、参数计算
2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真
○仿真模型的建立、运行及调节器参数的调整
第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统
一、教学基本要求
通过本章学习，要求学生
1．掌握转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性、起动过程分析。 2. 熟悉转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型、动态抗扰性能分析。
3．熟悉调节器的工程设计方法。
4．熟悉转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真。
二、教学内容
3.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性
1.△转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 2.△○系统稳态结构图与参数计算、静特性分析
3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析
1.△○系统起动过程分析
2.△系统动态抗扰性能分析、调节器的作用
3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计
1.△控制系统的动态性能指标 2.△调节器工程设计方法的基本思路
3.○典型Ⅰ型、Ⅱ型系统参数与系统动态性能指标之间的关系，按工程设计法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器
3.4转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真
○电流环的仿真，转速环的系统仿真
第4章 可逆控制的直流调速系统
一、教学基本要求
通过本章学习，要求学生
1．掌握桥式可逆PWM变换器的工作原理，直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程。
2．了解直流PWM功率变换器的能量回馈，单片微机控制的PWM可逆直流调速系统的硬件、软件。
3. 掌握V-M可逆直流调速系统线路、环流问题。
二、教学内容
4.1直流PWM可逆调速系统
1.△桥式可逆PWM变换器电路、工作原理 2.○直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程
3.○直流PWM功率变换器的能量回馈、单片微机控制的PWM可逆直流调速系统
4.2 V-M可逆直流调速系统
1.△系统主电路及环流
2.○配合控制的有环流可逆V-M系统 3.△○转速反向的过渡过程分析
第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统
一、教学基本要求
通过本章学习，要求学生
1．了解异步电动机的稳态数学模型，熟悉异步电动机的调速方法。
2．掌握异步电动机调压调速的机械特性，转速闭环控制的交流调压调速系统组成、静特性
3．掌握变压变频调速的基本原理及其机械特性，变频器的基本结构，SPWM技术。
4. 了解转速开环变压变频调速系统结构及实现。
5. 掌握转差频率控制的概念及特点，了解转差频率控制系统结构及性能分析。
5.1异步电动机的稳态数学模型和调速方法
1.○异步电动机的稳态数学模型 2.△异步电动机的调速方法及气隙磁通
5.2异步电动机的调压调速
1. △系统主电路、调压调速的机械特性 2.△○闭环控制的调压调速系统
5.3异步电动机的变压变频调速
1.△变压变频调速的基本原理、机械特性 2.△○基频以下的电压补偿控制
5.4电力电子变压变频器
1.△变频器的结构分类，交-直-交PWM变频器主电路 2.△○SPWM技术
3.○消除指定谐波的PWM控制技术、电流跟踪PWM控制技术
5.5转速开环变压变频调速系统
○系统结构及实现
5.6转差频率控制的变压变频调速系统
1.△转差频率控制的基本概念及特点 2.○系统结构及性能分析
第6章 绕线转子异步电动机双馈调速系统
一、教学基本要求
通过本章学习，要求学生
1．掌握异步电动机双馈调速工作原理、串级调速系统的工作原理。
2．熟悉串级调速系统类型、机械特性。
3. 掌握双闭环串级调速系统结构、原理。
二、教学内容
6.1绕线转子异步电动机双馈调速工作原理
1△转子附加电动势的作用
2.△○双馈调速的五种工况
6.2绕线转子异步电动机串级调速系统
△串级调速系统的工作原理
2.串级调速系统的类型
6.3串级调速的机械特性
1△串级调速机械特性的特征、
2.○转子整流电路、机械特性方程式
6.4双闭环控制的串级调速系统
有关运动控制新技术的研究 第6篇
【关键词】伺服驱动技术；直线电机；可编程计算机控制器；运动控制
【中图分类号】TP273
【文献标识码】A
【文章编号】1672—5158（2012）10-0068-01
1 引言
随着计算机技术、电子电力技术和传感器技术的发展，各先进国家的机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用。
在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。
2 全闭环交流伺服驱动技术
在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，而且调试、使用十分简单，因而被受青睐。这种伺服系统的驱动器采用了先进的数字信号处理器（Digital SignalProcessor，DSP），可以对电机轴后端部的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅立叶变换（FFT）的功能，测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。
该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件（如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等），作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如齿轮间隙、丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统。
3 直线电机驱动技术
直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电机热”。
在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。
1 高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。
2 精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。
3 动刚度高由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。
4 速度陕、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km／h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60～100M／min或更高）当然是没有问题的。也由于上述“零传动”的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。
5 行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其行程长度。
6 运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。
7 效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。
4 可编程计算机控制器技术
自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（ProgrammingLogical Controller，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的“顺序控制”的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。
与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I／O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的“控制速度”依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I／O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。
PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。
5 运动控制卡
运动控制卡是一种基于工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。它的出现主要是因为：（1） 为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。
运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速DSP作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等）；控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等）。运动控制卡都配有开放的函数库供用户在DOS或Windows系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。
这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的PMAC、PARKER等运动控制卡。在国内相应的产品也已出现，如成都步进机电有限公司的DMC300系列卡已成功地应用于数控打孔机、汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。
6 结束语
运动控制论文 第7篇
传统的移动机器人运动控制算法常采用PID控制,尽管PID控制精度高,但需要精确的数学模型,并且其参数的整定极为困难。其次,移动机器人的运动控制还与其运动速度、运动惯量、以及实际道路情况等诸多变化的且很难确定的因素有关,因而难以对其建立精确的数学模型。同时,由于其本身是一个复杂的电气与机械耦合系统,存在着一些非完整约束甚至是不确定因素。近来,不少研究者开始探讨运用智能控制算法,如基于模糊逻辑的模糊控制器,并不依赖于系统精确的数学模型。然而模糊控制器中的控制规则和隶属函数的选取都具有较大的主观性,控制规则的合理获取和隶属函数的确定是设计模糊控制器的难点问题。为了解决这个问题,研究者提出了基于李亚普诺夫的直接修改参数的自适应模糊控制[1];G.L.Yih等提出了模糊神经网络控制,在未知非线性动态环境下,采用基于观测器的输出反馈控制方法并在线更改模糊神经权值,以增强机器人的学习能力[2]。
本研究综合考虑算法简单和控制有效这两方面的要求,在论域自适应模糊控制[3,4]的基础上,通过对移动机器人运动趋势的分析,针对非平坦路面特点,并结合运动控制精确性、实时性和自适应性的要求,提出运动趋势分析型论域自调整的模糊控制算法。
1面向移动机器人的运动趋势分析型论域自调整模糊控制算法
1.1 非完整约束轮式移动机器人的运动控制分析
以直流电动机驱动的非完整约束轮式移动机器人为例,其运动的瞬时线速度v和角速度w为:
式中 vL、vR机器人左右轮速度向量;L机器人两轮之间的长度。
因此,对非完整约束轮式移动机器人的运动控制,主要体现在对它左右轮速度的控制,即对直流电机转速n的控制。由直流电机的数学模型得:
式中 Ua,Ia电枢电压,电流;Ra,La电枢电路总电阻,电感;Ke感应电动势计算常数;F每极磁通。
由式(3)可得,在保持励磁磁通不变的情况下,通过调节电枢电压可实现对直流电动机转速的控制。电枢电压的控制又可采用双极性驱动可逆PWM方式来实现。且有:
Ua=(2b-1)Us (4)
式中 Us电源电压;bPWM信号占空比。
因此,以实际速度值与期望速度值的偏差作为输入控制量,以PWM信号占空比的变化量作为输出量,可实现对移动机器人的运动控制。
1.2 面向移动机器人的运动控制算法设计
针对移动机器人的运动控制特点,尤其是在非平坦路面运动环境下,为使其响应速度快、控制精度高、充分体现自适应性,笔者提出了通过对运动趋势的分析[5],实时地改变控制规则的论域自调整模糊控制算法。
该算法的具体思路,如图1所示。图中,sEt表示t时刻的期望位置;sAt表示t时刻的实际位置值;yt表示t时刻实际位置值与期望位置值的偏差;vEt表示t时刻的期望速度;vAt表示t时刻的实际速度值;xt表示t时刻实际速度值与期望速度值的偏差;zt+1表示PWM信号占空比在t+1时刻的变化量;D(x-1)、Dx分别表示t-2、t-1、t时刻速度偏差之间的差值。
1.2.1 二维模糊控制器
图1中的二维模糊控制器是一个带有中心平均解模糊器的双输入、单输出模糊控制系统。其数学模型为:
式中 mAl(x)给定输入变量x的第l个模糊集的隶属度函数;mAl(y)给定输入变量y的第l个模糊集的隶属度函数;
该二维模糊控制器是以被控对象(机器人)实际反馈位置与期望位置的偏差y、反馈速度与期望速度的偏差x作为模糊输入量,以PWM信号占空比的变化量z作为输出量。设计其模糊输入量x的初始论域为[-E,E],并定义该论域为9个模糊语言。为考虑算法的简单、有效,取各个语言变量隶属度函数的形状为对称的三角形且模糊分割也完全对称,分别为N(负)、NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZR(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)和P(正);同理,设计其模糊输入量y的初始论域为[-D,D],其模糊化方式与变量x相同。为了保证PWM波形占空比的最大输出范围[0,1],设计模糊输出量z的初始论域为[-l,1-l](l为上一时刻PWM波形的占空比),模糊化方式与变量x相同。设计该算法的初始模糊控制规则,如表1所示。
1.2.2 论域自调整
上世纪90年代,研究者从数学的角度揭示了模糊控制器的插值机理,指出当前常用的模糊控制模型,如Mamdani模型、Mizumoto模型和Takagi模型等均可归结为某种插值函数。在插值的意义下,模糊控制器要想在全局上充分靠近真实响应函数,规则数量肯定要大量增加,然而控制的目的是要把误差控制在“零点”附近,这是个局部问题。用全局的方法解决局部问题势必造成精度不高。
针对提高模糊控制的精度问题,李洪兴教授提出了变论域自适应模糊控制的思想,并对伸缩因子作出了定义:在规则形式不变的情况下,论域随着误差变小而收缩(亦可随着误差增大而扩展)。给定模糊控制器,其输入/输出论域分别为X=[-E,E],Y=[-U,U],相对于变论域而言,可称X、Y为初始论域。称函数a:X●[0,1],x|●α(x)为论域X的一个伸缩因子,即:
式中 γ常数,其取值范围为0<γ<1。
对于二维模糊控制,Y与X独立时可按上述情况建立伸缩因子。在大多数情况下,由于Y与X不独立,这时可将伸缩因子定义在XY上。伸缩因子应满足对偶性、保零性、单调性、协调性和正规性的条件。在图1中,建立论域自调整模糊控制输入/输出变量的伸缩因子如下:
式中 γ1、γ2、γ3常数,本系统中取γ1=γ2=γ3=0.5。
1.2.3 运动趋势分析
本研究引入对机器人运动趋势的分析,即对相邻时刻,速度偏差的差值大小的分析[6],如图2所示。通过比较t-2、t-1、t时刻速度偏差之间的差值D(x-1)、Dx,分析机器人的运动趋势,及时、有效地改变模糊控制规则。其中:
xt=vAt-vEt (11)
Dxt-1=xt-1-xt-2=vAt-1-vAt-2 (12)
Dxt=xt-xt-1=vAt-vAt-1 (13)
式中 vAt-2,vAt-1,vAtt-2、t-1、t时刻的速度实际值;vEt-2,vEt-1,vEtt-2、t-1、t时刻的速度期望值;xt-2,xt-1,xtt-2、t-1、t时刻的速度偏差值。
图2中,在t-2、t-1、t时刻,若位置偏差yt>yt-1>yt-2>0,速度偏差xt>xt-1>xt-2>0,且Dxt>Dxt-1,即
因此,应通过适当地改变模糊控制规则,加强调节力度,使y、x尽快收敛于零点。通过以上分析所建立的模糊控制规则,如表2所示。表2中,z表示t时刻原有的模糊控制规则;f(x,y,Dx)表示运动趋势分析函数。根据该表,通过对运动趋势的分析,得到新的模糊规则,因此得到在t时刻输出的模糊语言。
2 仿真及实验分析
2.1 基于Matlab的运动控制仿真
基于Matlab的控制算法仿真曲线,如图3所示。实验1是移动机器人在外界环境稳定、无干扰的情况下从停止状态加速到额定转速的速度曲线图;实验2是移动机器人在稳定运行中,突加扰动时的速度曲线图(其中:①表示实际期望的速度值;②表示本研究提出的运动控制算法的驱动电机速度曲线;③表示传统模糊控制算法的驱动电机速度曲线)。
由实验1仿真曲线可以看出,本研究提出的运动控制算法超调量小,响应速度快,调整时间短。由实验2仿真曲线可以看出,本研究提出的运动控制算法能快速克服外界因素造成的扰动及误差,自适应能力强。
2.2 基于移动机器人平台的运动控制实验
机器人实验平台选用MT-R移动机器人,其驱动电机为瑞士MAXON公司的直流有刷电机,该电机集成了一个33∶1的减速器和一个500线的正交编码器,额定功率为70 W,最大转速为8 200 r/min,即编码器每毫秒最多可采集273个脉冲。为简化计算,vE和vA均以每毫秒电机可采集的脉冲数i为单位。因此,设计模糊输入量x的初始论域为[-240,240],输出量y的初始论域为[-b, 1-b]。输入变量
即,当前时刻根据x值的大小,论域自调整为
为保证获得移动机器人实际运动速度的准确性,本实验采用如下规则计算驱动电机的实际转速:
式中 I编码器1ms所采集的脉冲数;i5ms,i10ms,i15ms,i20ms表示编码器5ms、10ms、15ms和20ms采集的脉冲数。
本实验分别实现了基于传统模糊控制算法和本研究提出的运动趋势分析型论域自调整模糊控制算法的运动控制实验[7,8]。实验1设计了在平坦路面,移动机器人从停止状态加速到额定转速的实验。实验2设计了移动机器人在稳定运行状态下,从平坦路面运动到非平坦路面的实验。具体的实验数据,如表3所示。
t调节时间;s超调量;e相对静态误差。
由实验数据可以看出:实验1中,采用本研究所提出的运动控制算法,相对静态误差为0.52%,调节时间为450 ms,超调量为0.53%,比采用传统的模糊控制算法效果更好。实验2中,由于引入了对运动趋势的分析,实时地调整模糊规则,使其调节时间明显快于传统模糊控制算法,同时,超调量也小于传统模糊控制算法。因此,该算法可以抑制外界因素的扰动,具有一定的自适应能力。
3 结束语
本研究综合考虑移动机器人运动控制精确性、实时性和自适应性的要求,提出了运动趋势分析型论域自调整模糊控制算法。在设计中所采用的论域自调整方法,克服了传统模糊控制中,当控制精度增加时“规则爆炸”的缺点,减化了计算量;通过对运动趋势的分析,实时地调整模糊控制规则,提高了移动机器人对非平坦路面运动环境的自适应能力。
仿真和实验结果表明,该算法弥补了单一模糊控制算法的不足,既保证了移动机器人运动控制的精确性、自适应性;同时缩短了动态调整时间,控制效果良好。
参考文献
[1]ZHANG H G,BIEN Z.Adaptive fuzzy control of MIMOnonlinear systems[J].International Journal of FuzzySets and Systems,2000,115(2):275-291.
[2]LEUY G,LEE TT,WANG W Y.Observer-based adaptivefuzzy-neural control for unknown nonlinear dynamical sys-tems[J].IEEE Transactions on Systems,Man,andCybernetics,Part B,1999,26(1):29-41.
[3]李洪兴,苗志宏,王加银.非线性系统的变论域自适应模糊控制[J].中国科学:E辑,2002,32(2):211-223.
[4]李洪兴.变论域自适应模糊控制器[J].中国科学:E辑,1999,29(1):32-42.
[5]李庆中,顾伟康,叶秀清,等.移动机器人模糊控制方法研究[J].仪器仪表学报,2002,23(5):45-49.
[6]高健,黄心汉,彭刚,等.基于Fuzzy-PID的移动机器人运动控制[J].控制工程,2004,21(6):18-22.
[7]任利林,栾楠.复合自适应模糊控制在移动机器人中的应用[J].机电一体化,2006,12(1):21-23.
手抓握运动控制 第8篇
力性抓握(或力量抓握)包括钩状抓握(握手提箱的把手),球状抓握(握住垒球)和柱状抓握(拿着瓶子);精确抓握包括指尖对捏、指掌对捏、侧捏(钥匙捏)和指腹(或尺侧)对捏[2]。物体的形状或大小,还有目的性活动本身决定了抓握的类型。精确抓握可进行物体相对于手和物体在手中的运动,而用力抓握却不是,有关抓握形成的研究大部分是关于精确抓握的。
1抓握的运动学
抓握的运动学因物体的属性不同而多种多样。Jeannerod[3]用抓握孔径,即拇指和食指之间的距离来编码抓握,在够到抓握物体的过程中,抓握孔径渐渐打开,手指校正,然后逐渐闭合直到孔径符合物体的大小。研究表明,物体的大小、重量、质地、易碎性等都影响抓握的动力学[4]。例如抓握表面光滑的物体比抓握表面粗糙的物体,需要提前预期用更大的力。关于这些的研究有很多,但是这些研究很少注意当进行抓握运动时,不同个体手指手型的差异,大部分研究只测量了拇指和食指的最大距离。物体可以以不同的方式被抓握,选择哪种抓握方式取决于物体的视觉特性。尽管手对要抓握的物体的特征很敏感,在操纵物体来达到预期目标时,手也是一个很灵巧的运动装置。触觉系统也很重要。手上的皮肤感受器为手的动作,包括其动力学,姿势以及抓握和操纵物体时使用的力提供了信息[5]。
2抓握的运动控制
人体内的控制系统有反馈控制和前馈控制。反馈控制系统是指控制部分发出指令控制受控部分的活动,而控制部分自身的活动又接受来自受控部分返回信息的影响。由受控部分发出的信息反过来影响控制部分的活动,称为反馈。反馈有负反馈和正反馈两种形式。反馈控制系统是一个闭环系统,因而具有自动控制的能力。前馈控制系统是指控制部分在反馈信息尚未到达前已受到纠正信息(前馈信息),及时纠正其指令可能出现的偏差,这种自动控制形式称为前馈。
2 . 1小脑对预期抓握的控制
小脑主要通过调节大脑运动系统的下行传导通路来间接调控运动,而小脑损伤退化会导致各种各样的肢体随意运动的异常。这些异常主要是运动的方向、范围和速度的误差,被描述为运动障碍或失调。有研究显示预期抓握行为受小脑退化的干扰[6]。例如在小脑退化损伤后,在手抓握物体的转运运动过程中,抓握力和运动引起的负荷变化的并行调节机制不能进行校准。除此之外,小脑损伤的被试通常会产生比负荷过大的力[7]。当我们一手拿托盘,另一个手往这个托盘里扔一重物,握力在物体碰撞到托盘前就提前预期增加[8]。这种情况下,握力有一个预期模式,在重物砸到托盘发生之前来增加握力来对抗干扰。相对比,当我们闭上眼,另一个人在我们无预期的时候扔下这个重物,我们握力增加在碰撞发生干扰后100ms,暗示通过大脑皮质和手指感觉反馈的引起的反射变长。手抓握运动控制的机制是需要中枢神经系统持续不断的监控和修改动作命令应对负荷变化和干扰。慢的抓握运动可以依赖感觉反馈来做出修正,然而快的抓握运动是以前馈模式来计划和执行的,因为这时感觉检测负荷变化太慢而不能同步修正抓握力。
2 . 2感觉系统对抓握反馈的作用
前顶叶间沟回和前运动皮质是抓握过程中视觉-运动转化的重要区域,它们编码不同类型的抓握,在精确抓握中是激活的。视觉反馈功能与够物和抓握时的准确性和灵活性有关有关[9]。人类后颅部位任何一侧受损均可导致视觉共济失调,患者能描述物体,但抓握能力受损,反之,双侧枕颞皮层受损而存在视觉形成障碍的患者虽不能描述物体,但仍具有抓握能力。皮肤的感觉输入可以影响抓握力量。如果物体是光滑的,皮肤的传入会察觉到滑落的信息并激活通路,增加手指肌肉的活动来增加抓握力量,并增加肩肘部的肌肉活动来降低手的加速度。躯体感觉感觉丧失显著影响抓握力量的调节。前顶叶受损导致躯体感觉缺陷,会限制精细抓握。后顶叶受损可产生空间定向障碍和误取。若无视觉反馈,则肢体的缺陷更加严重。
2 . 3感觉系统对抓握预期( 前馈) 控制的作用
为了稳固的抓握住物体,预先知道物体的特性很重要,有研究用手在抓握接触物体前的肌电信号来获得物体的诸如尺寸和重量的相关信息,来确保随后抓握物体,这在肌电假手控制中也很有用[10]。将要抓握的物体的特征的视觉信息被用来预先计划完成精细抓握要用的力,比如物体光滑,预期要使用更大的力,再如目测物体很轻, 预期使用较小的力。视觉和躯体感觉信息也被用来更新本体感觉和视觉躯体感觉,以使抓握更加精确。比如盒子是满的,而你原以为是空的,这时小脑会发出更新的运动输出计划,补偿你没有预料到的额外重量,并激活更多的运动神经元,然后抓握的力量会被评估,小脑更新动作,以适应更重的力量。
2 . 4运动系统对抓握的作用
抓握与皮质脊髓束和运动神经元的成熟有关。成功的抓握需要完整的初级运动皮质区和皮质脊髓束,如果这些区域中的任何一个有损伤,抓握时单个手指的控制会有明显的问题,但不会影响用力抓握时手指的协同控制。初级运动皮质区的神经元细胞在精细抓握时是兴奋的,在用力抓握时被抑制[11]。
肌肉骨骼系统对手抓握的作用主要体现在手内在肌和外在肌肌肉结构的协调作用手的主动控制机制以及手的骨性机制、韧带机制和肌腱机制等被动控制机制,从而使手能够灵活的进行各种各样的抓握操作[12]。
3未来研究展望
手抓握是一项很复杂的运动,同时手抓握在日常生活和工作中经常遇到,未来研究应该多关注手抓握的神经生理学、心理学的更具体的机制,以及抓握功能障碍患者的治疗和康复。
摘要：抓握是手的重要功能,而手抓握控制在生理学、神经科学、康复医学领域等都有很重要的作用,本文通过查阅相关文献,介绍手抓握运动控制的研究现状,为将来进一步研究提供理论依据。
我的饮食控制与运动 第9篇
饮食
很多糖尿病人都存在着不同的饮食问题:吃什么?能不能吃?怎么吃?吃了以后怎么办?
在我们的日常生活中, 我们每顿饭都还是得以清淡、营养搭配适宜为主, 每顿饭尽量要做到有主食 (米饭、馒头及各种米面制品) 、新鲜的蔬菜、新鲜的肉蛋, 一天可摄入适量的坚果、新鲜水果。
按照我每天的习惯, 早餐吃60克面包、一杯200克的牛奶、一个鸡蛋、150克苹果, 偶尔加少许坚果和一碗红枣汤, 这是根据我的身高、体重和生活方式制定的。饮食的复杂多样化可以使血糖升的较为缓慢, 我的多样化指的是食物种类, 每餐营养均衡, 也就是包括碳水化合物、蛋白质、水、无机盐、脂肪、维生素。要合理搭配, 保证充分的营养, 同时保证血糖的平稳。
上午1 0点后, 很多学生都会饿, 要想控制好血糖, 就得保证每天的加餐时间、内容和量相差不多, 加餐的量不用大, 对我来说, 除了热饭菜, 其他东西都不能让我饱。每次加餐两块饼干或一杯牛奶, 或者是少量水果, 让胃正常工作, 然后等到午饭。正餐除了要尽量保证营养充分外, 主食的种类转换时要注意碳水化合物, 也就是糖的含量差异, 或者是调整变化餐前胰岛素量。
每种食物的含糖量都不一样, 每种食物的升糖速度也不一样, 大多含水量多的食物升糖速度都较快, 比如水果, 粥, 饮料, 冰激凌。同样是米, 煮成粥, 升糖速度就比米饭快多了, 吃前一定要测血糖, 如果血糖在正常范围内, 我会打完药后, 多等15分钟再吃, 吃完1小时、2小时、3小时测血糖, 以1小时不太高, 3小时不低血糖为安全。
每次加餐前也必须测血糖, 这样才能注入合适的药量, 不能食欲上来就闭着眼睛乱吃。如果是不常吃的食物, 需要在关注吃前到之后3小时的血糖走势并在心中记住, 下次再吃这种食物时就会有自己的经验, 而不是问低级的问题:我能吃某某东西吗?打多少药?怎么打药?吃完后需不需要运动?怎么运动?因为个体差异, 能吃多少, 怎么打药都不好借鉴别人的。
因为每种食物营养成分的比重不同, 肉蛋类富含蛋白质和脂肪, 蛋白质和脂肪在人体内分解的速度慢, 血糖会在一段时间内持续不停的慢慢升高。如果一顿饭吃了大量的蛋白类, 碳水类很少, 就不能常规的打药, 那样就会餐后1、2小时低, 然后反弹很高, 导致剧烈的血糖波动, 需要根据情况把适量的胰岛素分几个小时平均输入体内, 对于用泵的人来说很方便, 打针的同学需要分几次打, 比较麻烦。
运动
运动可以很好的辅助控制血糖, 提高胰岛素的敏感性, 让胰岛素更好的发挥效应, 也是锻炼身体增强身体免疫力的好途径。现在人们生活节奏越来越快, 然而抽出时间来锻炼身体的很少, 因为糖尿病, 在妈妈的监督下, 我不得不把合理运动提到每天的日程。
上了高中, 属于自己的时间很少, 一般情况下我走路上学, 教室离食堂很远, 跑去也是运动, 还有做操、体育课。节假日, 我每顿饭后半小时出门运动, 慢跑半小时或快走四十分钟, 防止饭后不动使血糖没有阻碍的升高, 也防止饭后坐下小腹堆积脂肪, 变成一个胖子。下午饭后三小时做瑜伽, 有利于调节身心。
运动和加餐同样需要多测血糖, 了解在这项运动能影响血糖多少, 了解血糖走势。除了规律的运动, 每周还应安排时间稍长、强度稍大的运动, 如游泳、登山、长足。
合理的运动和饮食, 就是规律地生活, 健康的生活。做到了, 血糖就会很好控制, 也就不怕糖尿病, 因为我们可以做健康的人。饮食控制并不是让我们做苦行僧, 而是很好地平衡饮食结构, 没有我不能吃的美食, 只是要控制好量。若是饮食和运动哪一方有了变化, 另一方也要变化。类似于我想吃冰激凌, 如果是生病前, 我会一次吃个三四个, 过瘾。现在我会测个血糖, 正常范围内, 我计算一下碳水量, 想想自己一个单位能吃多少碳水, 打了药, 等十五分钟, 就可以吃一个。周围经常有好友看到我的行为, 说:“真麻烦, 好可怜, 要是我宁愿不吃, 或不测血糖。”我不这样认为, 因为生活很美好, 只是测个血糖, 打个药, 有什么麻烦呢?我要好好地控制好血糖, 做个健康人, 正常地学习、工作, 活着的每一天都是快乐的。
婷子妈妈:随着孩子一天天的长大, 我觉得她学到的知识渐渐超过我, 所以让女儿自己写了一篇关于饮食与运动的文章。
运动控制论文 第10篇
在现代的工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中, 悬挂运动系统的应用越来越多, 在这些系统中悬挂运动部件通常是具体的执行机构, 因而悬挂部件的运动精确性是整个系统工作效能的决定因素, 而在实际中实现悬挂运动控制系统的精确控制是非常困难的[1]。靠改变悬挂被控对象的绳索长短来控制被控对象运动轨迹的悬挂运动控制系统, 在生产控制等领域有很广的应用范围, 但受技术上的制约, 使用也有一定限制。传统的悬挂控制系统设计是采用单片机作为系统控制器, 通过软件编程实现各种算法和逻辑控制, 但由于其芯片资源有限, 运算速率慢和易受干扰等因素, 因而在较大系统的开发上受到限制。FPGA可实现各种复杂的逻辑功能, 密度高, 体积小, 稳定性高, 运算速度快, 还可进行软件仿真和调试[2], 适合作为大规模实时系统的控制核心。本文采用Verilog FPGA设计悬挂运动控制系统的控制器, 通过输入模块传送控制参数, 采用HDL语言编程实现的控制算法, 驱动步进电机, 对悬挂运动物体进行精确的控制。
1 系统设计方案
本设计具体设计目标为控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定物体坐标点参数, 且物体在80 cm100 cm的范围内做自行设定的运动, 运动轨迹既有曲线 (圆) , 也有直线 (任意两点和定点) , 物体在运动时能够在板上画出运动轨迹, 限制在一定的时间内完成。根据设计指标, 需要实现勾画设定轨迹和对设定轨迹的搜寻功能, 并能实时地显示物体中画笔所在位置坐标[3]。其系统方案框图如图1所示。
控制模块是整个系统的核心[4], 键盘输入模块产生按键信号, 按键信号送入FPGA对物体进行设置校正以及轨迹参数设定, FPGA对送来的信号进行分析、运算、处理, 将控制信号输送到电机驱动模块, 控制电动机的转速, 使物体的运动轨迹得以控制, 同时由显示模块显示物体中画笔的坐标。
2 系统各模块的设计与实现
2.1 控制模块
系统结构图如图2所示。其中, 控制模块是系统设计的核心, 由FPGA实现。此模块是通过HDL硬件描述语言, 在智能型可编程逻辑器件开发试验系统KH-310的硬件平台来控制设计的, 利用FPGA芯片可实现对步进电机的控制功能。功能包括:步进电机的正转、反转、定位功能及调速等功能。FPGA由输入的数据来计算物体要移动的距离, 直接发出控制脉冲控制电机的转动, 进而控制物体的运动方向。由于少了反馈电路, 系统的精度只与FPGA采用的算法准确性有关, 此种方式电路结构简单, 成本低且易于调整和维护, 是一种较理想的方式。
2.2 键盘模块
键盘是实现人机交流的一种装置。在本系统中, 采用44矩阵式键盘共阳极接法[5]。键盘上的每一个按键其实就是一个开关电路, 当某键被按下时, 该按键的接点会呈现0的状态设置键;反之, 未被按下时则呈现逻辑1的状态。键盘各键布局及功能[6]介绍如图3所示。
“0”～“9”:数字输入, 用于设定一个坐标点的X, Y值;而且键1、键2、键3、键4、键5、键6和键9具有第二功能。
“A”:启动键, 用于所选运行方式的开始运行控制键。
“B”:复位, 用于各项初始化。
“C”:确定键, 用于设置、方式输入值的确定。
“D”:停止, 用于停止步进电机转动。
“E”:设置键, 手动对位或任意设定坐标点参数键, 按上、下、左、右键进行手动对位控制, 再按确认键确认 (图4所示) 。
“F”:方式键:首先按下方式键, 然后按数字键选择方式再确认 (如图5所示) , 方式有以下几种:
方式1:归位, 让物体自行回到原点。
方式2:做自行设定的运动。
方式3:画圆, 首先利用数字键设置圆半径进行确认后, 再按启动键运行。
方式4:定点运动, 首先利用数字键设置一个坐标点的X, Y值进行确认后, 再按启动键运行。
方式5:寻迹, 首先让物体运行在轨迹起点, 按下启动键开始寻迹。
2.3 电机驱动模块
采用功率驱动电路L298内含4通道逻辑驱动电路, 分别控制步进电机四组线圈A, /A, B, /B通电与否。步进电机的激磁信号则由智能型可编程逻辑器件开发试验系统KH-310试验平台上的JP4的信号输入控制, 分别驱动步进电机的A, /A, B, /B线圈, 采用两相激磁方式。
2.4 电机电路
电机是整个系统实现功能的主要载体之一, 它的主要功能是通过对缠绕其上的绳子的伸缩来实现悬挂物体的运动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。本系统使用42BYG型号步进电机, 其原理是将电脉冲信号转换成角位移, 它的转子的转角与输入的电脉冲数成正比, 转速与输入的电脉冲的频率成正比, 旋转方向由脉冲的分配顺序决定, 可以通过控制脉冲个数控制步进电机的角位移量, 从而达到准确定位的目的[7,8,9,10]。
2.5 显示模块
液晶显示器是将液晶置于两片导电玻璃之间, 靠两个电极间电场的驱动, 引起液晶分子扭曲向列的电光效应, 在电源的开关之间控制光源透射或遮蔽, 产生明暗两种效果。本系统采用162 LCD液晶显示屏作为人机对话的友好界面。系统设计实现物体所在坐标和画笔所画线段的长度的动态显示, 并有输入光标跟随和开机等待提示等人性化功能。
3 系统软件设计
设计系统的总流程相对比较简单, 采用Verilog HDL语言。为达到设计指标的控制精度和响应时间, 针对各项功能设计相应的控制算法。系统流程图如图6所示。
3.1 两点运动算法与实现
采用数学建模法, 运用几何知识把物体运动轨迹和两个电机所在的位置联系起来, 通过坐标用数学表达式表示出来, 并转换成电机所要转动的偏移量, 最后把偏移量转化为电机所要转的速度[6,7]。结合图7[7]说明, 设L1为左绳在d点的线长, L2为右绳在d点的线长, L′1为左绳在e点的线长, L′2为右绳在e点的初始线长, 被控对象物体的受限区域的顶点坐标分别为a (xa, ya) , b (xb, yb) , c (xc, yc) , o (0, 0) , 当悬挂物从d点运动到e点时, 左绳和右绳的长短必然发生变化, 电机M1的收放线长度为ΔL1, 当ΔL1<0, 电机正转;ΔL1>0时, 电机反转。电机M2的收放线长度为ΔL2, 当ΔL2<0, 电机反转;当ΔL2>0时, 电机正转。计算如下:
从键盘输入起始坐标值 (xd, yd) , 将 (xd, yd) 代入式 (1) 和式 (2) 中计算出L1和L2, 再从键盘输入终点坐标值 (xe, ye) 代入式 (3) 和式 (4) 中计算出L′1和L′2, 两点 (定点) 运动算法流程图如图8所示。
3.2 做圆运动的算法和实现
本系统设计指标悬挂物能够画一个圆, 采用微分曲线直线逼近法, 首先将圆周等分为N份, 将每小份弧线段等效为直线段画出, N越大, 曲线就越光滑[6]。设所画圆的圆心坐标为 (x0, y0) , 半径为25 cm, (x, y) 为圆周上的任意一点, 由此确定圆的方程为: (x-x0) 2+ (y-y0) 2=252。若直接使用该方程来求圆上点的坐标, 算法复杂;若采用圆的参数方程:X=x0+25cos θ, Y=y0+25sin θ, 则圆的坐标仅与参数θ有关。因此, 使角度以θ某一设定的角度步长ω累加, 使θ+pω在周期[θ, θ+2π]内变化, 其中p为累加值。这样就可以采样到圆上均匀的点, 显然, 角度步长ω越小, 在圆周上取得点越多, 控制也会更精确。根据圆的参数方程, 计算圆上点的坐标, 通过调用定点程序来实现。画圆流程图如图9所示。
4 结 语
系统硬件在智能型可编程器件实验系统KH-310集成开发, 软件设计在QuartusⅡ环境下。系统各组成模块通过Modelsim进行仿真, 选用优化效率和兼容性好的综合器Synplify对程序进行综合, 用Altera 公司的EPEC6Q24OC8L作为编程芯片, 系统在1 MHz下工作, 经现场实验, 其结果表明:该系统可以通过键盘任意设置悬挂运动物体的位置;在规定时间和运动区域的情况下, 可以快速地完成运动距离;可以完成运动坐标点的显示和电机启/停功能。
本文设计的基于FPGA控制的步进电机悬挂运动控制系统具有可靠的硬件和优良的软件设计支持, 可实现对悬挂运动的精确定位。利用FPGA实时控制能力和步进电机的精确定位能力, 完全可以设计出高性能高精度的控制系统, 例如改善人工清洗高楼幕墙容易发生危险状况, 将悬挂物设置成清洗机构。在现代工业、农业和国防建设中, 使用和推广这种系统, 有着十分重要的现实意义。
参考文献
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[2]潘景昌, 伯彩霞.悬挂运动控制实验仿真系统的设计与实现[J].实验技术与管理, 2006, 23 (10) :77-79.
[3]张鑫, 牟龙华, 李娜, 等.基于FPGA的电动机保护装置的设计[J].电工技术杂志, 2004 (11) :86-88.
[4]余少辉.基于FPGA的数字输入式步进电机控制系统设计[J].现代电子技术, 2004, 27 (19) :87-92.
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[6]全国大学生电子竞赛委员会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 (2005) [M].北京:北京理工大学出版社, 2007.
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[8]张小栋, 何君军.基于FPGA的步进电机精密运动与控制方法与系统[J].机械与电子, 2005 (11) :3-6.
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运动控制论文 第11篇
关键词 运动控制系统 实践教学 多样化 能力培养
中图分类号： TP311 文献标识码：A
“运动控制系统”课程是新疆大学的校级精品课程，也是电气工程学院自动化、电气工程及自动化专业的一门很重要的专业核心课程，涉及面广，实践性强，是与实际生产结合极为紧密的课程之一。学习理论知识之余，加强课程的实践教学是一个急待解决的课题。
1 验证性实验
1.1 模拟实验装置
实验室购置了14台天煌教仪的DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置，该装置可以完成“电力电子技术”，“直流调速系统”，“交流调速系统”，“电机控制”等多门课程的验证性实验。“运动控制系统”课程的验证性实验就可以在该装置上完成。按照实验内容的不同，学生根据原理图，选取相应的实验模块，正确完成实验线路的搭建，通过万用表，示波器读取实验数据，观察实验曲线。转速、电流双闭环直流调速系统的实验原理框图如图1所示。
1.2 虚拟实验平台
1.2.1基于MATLAB/simlink的系统仿真
借助仿真软件MATLAB，根据系统各组成部分的参数，建立系统的simlink仿真模型，可获得系统的仿真曲线，从而分析系统的性能。转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型，如图2所示。
1.2.2基于matlab/GUI的系统仿真平台
基于Matlab提供的用户界面（GUIDE）开发设计了调节器设计软件。通过GUIDE创建各种图形句柄对象，实现仿真平台的用户界面。同时，GUIDE可以在用户GUI的设计过程中，直接自动生成M文件框架，通过这个框架，用户可以直接在其中编写自己的函数代码。
电流调节器和转速调节器的设计，采用工程设计的方法，即先设计电流环，再设计转速环的设计顺序，通过对两个环的框图化简及调节器结构的选择，对调节器的参数进行计算。
电流调节器设计的主界面如图3，用户在界面中填写已知的系统参数或加载实例，可视化的仿真界面如图3。
2综合型、开发型实验平台
“运动控制系统”是一门与实际工业现场应用密切联系的课程。为加强课程的实验教学，提高学生的工程实践、综合应用能力，从工程应用角度出发，结合相关专业课程，构建了面向工业现场的综合型、开发型实验平台。
2.1.1恒压供水的综合实验系统
为了与生产实际紧密结合，结合PLC、变频控制等知识，以ABB ACS 400型变频器和MODICON TSX 3722Micro系列可编程序控制器为基础，开发了全自动变频调速恒压供水的综合实验系统，本实验系统由变频器、PLC、压力表、压力变送器、电器控制板、控制面板、控制对象等组成如图4。
控制对象是双层水箱，上层相当于用户用水层。下层相当于供水层，由2台Y90S-2型三相交流异步电动机拖动着扬程30 m的SG8—33型管道供水泵进行供水。供水管上安装了监测水压的远传压力表和压力变送器，上水箱安装了监测水位的液位变送器。实验系统具有灵活性，根据不同的控制要求实现各种不同的控制方式。通过改编程序、变频器参数的设定等方法可以完成内容比较丰富的多种综合性和设计性实验。实验时，学生可根据不同的实验内容组成系统，为学生创造尽可能接近工业现场的良好实验环境。
2.1.2 基于S7-200的电机测速系统
控制对象是国产的三相异步电动机，基本参数为：PN = 1500KW，UN = 380V，IN = 3.7A，nN = 1400r/min，fN = 50HZ，使用西门子公司的MM440变频器进行驱动；检测环节采用欧姆龙光电编码器（型号为E6B2-CWZ6C，分辨率为600P/r），给定电压为直流24V。
通过所学的课程传感器、运动控制系统与PLC的相关知识，结合欧姆龙光电编码器的特点和S7-200 PLC高速计数口的设置参数，自行设计搭建出电机测速系统，如图5所示。
新疆大学运动控制系统课程的实验形式多样性，将传统的模拟实验与MATLAB环境下的仿真实验相结合；基础理论验证类实验与自主型、綜合型、设计型实验相结合；基本实验与创新实验相结合；既锻炼了学生的动手能力，又充分满足了学生的好奇心及探究知识的积极性，真正做到了理论与实践相结合，在知识积累、科研能力培养、素质锻炼等方面起到了很好的效果。
参考文献
[1] 尚丽，淮文军.基于Matlab/Simulink和GUI的运动控制系统虚拟实验平台设计[J].实验室研究与探索，2010， 29（6）：66-71
[2] 方清城，罗中良，官峰.等.Matlab在运动控制系统实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2007，24（1）：73-75.
[4] 肖龙海.Matlab在“自动控制原理”课程教学过程中的应用[J].中国电力教育，2008，24：61-62.
[5] 史旭华，俞海珍.基于工控组态软件及Matlab的计算机控制实验平台[J].工业控制计算机，2008，21（6）：14-15.
[6] 王印松，岑玮.基于Matlab/Simulink电力系统仿真工具箱的拓展[J].电力系统保护与控制，2009，37（20）：84-88.
车辆运动控制方法的开发 第12篇
1 概述
在开发用于铁道车辆的新型设备时,必须通过实际车辆运行试验验证其功能,并确认其性能。为了发挥各个装置的最佳性能,经常要反复进行试验,以决定最佳参数。但实施运行试验需要时间,也要耗费大量经费。因此,通常的做法是预先利用数值仿真技术预测性能变化,再将运行试验中确认的各项条件及参数结合起来进行研究。
再现铁道车辆运动状态的仿真技术中,在多数情形下是借助于多体动力学分析(以下称MBD)(注)的仿真方法。由于计算机的计算能力较过去已大大提高,可以有效完成MBD分析时所要求的大量复杂的计算工作,并能在短时间内实现车辆运动仿真。
注:多体动力学分析是根据在空间布置的多个物体间产生的相互作用,通过数值计算,研究各个物体进行怎样的运动,以及在其运动过程中各个物体上产生怎样的力的方法。
最近,很多基于MBD的通用软件已作为软件包上市销售,能方便地进行MBD分析。
在基于MBD的车辆仿真模型中引进控制因素,需要做车辆与控制系统的模型试验,而为了实施高效的仿真计算,利用适合于各种用途的软件建立计算模型是非常重要的工作。因此,作为MBD分析软件,使用面向铁道车辆应用实例较多的“SIMPACK”,以及在控制系统建模中应用较多的“SIMULINK”,使两者协同工作,构建装有控制功能的车辆系统模型是较为通用的方法。
本文将介绍包括控制系统的车辆运动仿真结果、构成车辆运动仿真基础的MBD的概念,以及联合仿真的构成方法等。
2 利用多体动力学建立车辆模型
铁道车辆模型由车体、转向架构架、轮对等部件通过轴箱弹簧、轴箱减振器、空气弹簧等连接元件组成。为进行仿真计算,必须推导出与列为控制对象有关的系统所有部件的运动方程式,进行时间积分,从而求出各部件的运动状态。而建立怎样的运动方程式,对仿真计算工作量会产生很大影响。
推导运动方程式通常采用牛顿-欧拉法以及拉格朗日法。这里省略详细的方程式说明,牛顿-欧拉运动方程式的求解是根据作用于各部件间的力的平衡,求解部件的运动状态,联立各个部件的运动状态方程式,就可以建立系统整体的运动方程式。由于需要研究各个要素间的作用力及运动状态,因此若部件数量多,则其受力分析及运动状态是非常复杂的,即使用计算机处理其难度也很大。拉格朗日运动方程式的求解是基于系统整体的能量平衡,推导出运动方程式。其缺点是难以掌握各个方程式代表怎样的状态,但一旦推导出能量平衡关系式,再通过单纯的公式处理,即可求出运动方程式。在通过计算机处理以推导运动方程式的情况下,即便增加处理过程,如果处理方法简便,再通过自动化重复处理,就能推导出运动方程式,这是适合于计算机计算的方法。
多数情况下,在通用MBD分析软件中,其部件及产生力的要素的设定,能够利用三维图形上的直观操作来完成,可以一边描述建立了模型控制对象的具体情况,一边完成模型试验。根据计算机上设定对象的模型,能够自动地推导出运动方程式。此外,利用积分进行仿真计算的MBD分析软件也被广泛应用。铁道车辆建模方面,其最特别之处在于钢轨与车轮的接触计算,以及伴随轮轨接触而产生的蠕滑力(注),可以通过给定的钢轨轨头顶面形状、车轮断面形状、轨道条件、运行条件等来求解。图1是利用MBD建立的单车模型,图2为轨道模型与车辆模型的实例。
注:蠕滑力是车轮在钢轨上滚动时,伴随发生的微小滑动而产生的切向力。
控制系统的建模利用通用软件“SIMULINK”完成,结合用于各种运算处理的库进行计算,使动力学计算和控制系统的计算联合起来,进行系统整体的仿真(图3)。利用MBD仿真求出车辆的运动状态,将其计算结果输入控制器进行处理。控制系统求出控制动作所生成的作用力,将其反馈到车辆模型中,按每一微小时段反复进行上述计算,直至完成指定区间的计算。
3 提高可控摆式车辆的性能
下面以可控摆式车辆为例说明上述控制方法的具体应用。所谓可控摆式车辆是当车辆在曲线区段运行时,利用作动器使车体向曲线内侧倾斜,靠重力的横向分力抵消曲线上产生的离心力,以改善车辆的乘坐舒适度。车体倾摆控制装置具备以下功能:识别车辆运行位置,对作动器提供符合曲线位置的正确倾摆指令,控制车体倾摆。利用SIMULINK模拟车体倾摆控制装置的作用,求出作动器实际产生的力,将其反馈到用MBD建立的车辆模型中。在可控摆式车辆中,利用上述控制力,与不进行控制的自然倾摆状态相比,可补偿车体倾摆的滞后效应,提高乘坐舒适度。
日本的可控摆式车辆一般装用气动作动器,但人们指出目前正在应用的作动器对输入指令的响应特性及定位精度并不完全令人满意。尤其对晕车的影响大,希望在连续曲线区间内运行的车辆采取相应对策。为此,需开发具有更高响应特性的作动器,将其装于车上,通过联合仿真,评价其缓解晕车的效果[1]。本次开发的作动器在以下方面做了精心考虑:改变气压控制阀的结构,即便输入小的指令(电流),在作动器的伸缩动作上也能敏感地反映出来,同时,确保了控制过程中的安全性。关于车体倾摆目标,也对以往仅仅补偿作动器动作滞后的方法进行了改进,增加了抑制容易导致晕车的低频横向振动加速度的功能。针对传统系统和装用高性能作动器的新系统,以及不进行车体倾摆控制的自然倾摆状态,分别利用SIMULINK建立控制装置模型,实施了与MBD的联合仿真。由于轨道条件对晕车产生很大影响,故设定了车辆通过连续小半径曲线区间的仿真计算条件(图4)。根据横向振动加速度,利用求出的晕车评价指标(注)进行性能评价。如图5所示,通过高性能作动器与新方式的车体倾摆目标的生成方法完美结合,新系统取得了降低晕车现象的效果。
注:晕车评价指标是表示铁道车辆发生晕车难易程度的指标(即评价晕车的指标,车体横向振动的特定频率成份对发生晕车的影响尤为显著)。研究表明,0.3 Hz左右的低频横向振动加速度对晕车评价指标影响极大。该指标越小,表明越不容易发生晕车。
4 辅助导向系统的开发
下面介绍导向转向架的控制实例。所谓导向转向架是为降低车辆在曲线区段运行时产生的轮轨横向力,装备了引导车轮沿曲线切线方向前进的装置的转向架。在转向架构架与轴箱之间安装作动器,检测到进入曲线区段时,通过机械部件的工作,开启控制气压的阀门,曲线外轨侧作动器伸出(扩大外轨侧轴距,同时缩小内轨侧轴距,以便轮对转向),是一种主动导向式导向系统(图6)。用MBD构建的车辆模型与普通转向架模型大致相同,前者补加了导向用作动器。该导向系统根据转向架机构的旋转角度(借助于拉杆传递转向架与车体间的相对转角———转向角),调整导向作动器的气压(作动器设有诸如比例阀之类的气压控制阀,用于调整作动器的内压力)。仿真模型如下:从MBD模型向控制器输出转向角,控制器根据所输入的转向角,计算代表作动器工作特性的发生力,进而反馈给MBD模型。
在仿真计算中,再现了日本铁道综合技术研究所内的试验线运行情况。图7是向模型中输入日本铁道综合技术研究所内试验线的轨道条件后,仿真计算所取得的结果。表明装用主动导向系统后,圆曲线段上所产生的轮轨横向力可降低30%。计算结果与以往由现车运行试验[2]得到的降低轮轨横向力的性能吻合得较好,可见仿真结果可靠性较高。
5 结束语
本文在利用MBD分析的铁道车辆仿真计算中引入控制装置,通过两者联合,提出了描述车辆整体系统的仿真方法。今后,将一方面提高仿真结果的可靠性,另一方面扩展仿真方法的应用范围。
参考文献
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