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2025-11-05

运动控制系统课程实训

目录

CONTENTS

02.

04.

05.

01.

03.

06.

实训目标与内容

软件编程实践

硬件平台介绍

系统调试与测试

控制算法实现

安全规范与报告

01

实训目标与内容

掌握系统组成原理

01

02

03

运动控制核心组件分析

深入理解伺服电机、驱动器、编码器、PLC等核心硬件的功能特性及协同工作原理，掌握机电一体化系统的信号传递链路与能量转换机制。

多层级架构认知

学习运动控制系统的分层架构设计，包括上位机规划层、实时控制层、执行层及反馈层的交互逻辑，分析各层级通信协议（如EtherCAT、CANopen）的应用场景。

数学模型构建

通过建立电机动力学方程、负载惯量模型及传动比计算公式，掌握系统数学建模方法，为后续控制算法设计奠定理论基础。

参数整定标准化操作

掌握常见报警代码（如过载、编码器故障、通信中断）的解析方法，通过示波器捕捉异常信号波形，定位硬件或软件层面的故障源。

故障诊断与排除

安全规范与应急预案

严格执行急停回路测试、安全扭矩关闭（STO）功能验证等安全调试流程，制定针对突发断电或机械卡死的应急处理预案。

系统学习伺服增益调整、前馈补偿、滤波器设置等关键参数的调试步骤，结合Bode图分析工具实现系统响应频率与稳定性的平衡优化。

熟悉控制器调试流程

完成闭环控制实验

PID算法实现与优化

通过LabVIEW或MATLAB/Simulink平台搭建数字PID控制器，对比比例、积分、微分参数对系统超调量、稳态误差的影响规律，完成阶跃响应曲线分析。

多轴同步控制验证

设计双轴联动物理实验平台，验证电子齿轮、电子凸轮等同步算法的精度，评估跟随误差补偿策略的实际效果。

动态性能测试

利用激光位移传感器采集实际位置数据，对比理论轨迹与实测轨迹的偏差，生成位置误差统计报表并提出改进方案。

02

硬件平台介绍

实验台结构解析

搭载触摸屏操作面板，可实时显示运动参数、故障报警信息，并支持手动调试模式切换。

人机交互界面

配备急停按钮、限位开关及过载保护电路，确保实验过程中设备与操作人员的安全。

安全防护机制

集成精密导轨、同步带轮、滚珠丝杠等传动机构，用于模拟工业场景下的高精度位置控制需求。

机械传动组件

实验台采用标准化模块设计，包含电源模块、控制模块、执行模块及数据采集模块，支持快速拆装与功能扩展。

模块化设计框架

驱动单元与执行机构

伺服驱动系统

采用高性能伺服驱动器，支持脉冲/模拟量/总线控制模式，具备转矩、速度、位置三环闭环控制功能。

02

04

03

01

直线电机模组

实现无接触直接驱动，消除机械传动间隙，适用于超高速、高加速度运动控制实验。

步进电机与减速器

适用于开环控制场景，搭配行星减速器提升输出扭矩，满足低速大负载的实训需求。

气动执行元件

包含气缸、电磁阀及气压调节装置，用于演示流体动力系统的快速响应与力控制特性。

2014

传感器与反馈装置

04

01

02

03

光电编码器

提供增量式与绝对式两种类型，分辨率可达17位，用于精确测量电机转速与转角位置。

力/力矩传感器

基于应变片原理，量程覆盖0.1N至500N，实时反馈机械臂末端负载力数据。

激光位移传感器

非接触式测量位移，精度±0.01mm，适用于振动分析或微小位移检测实验。

多轴惯性测量单元（IMU）

集成陀螺仪、加速度计与磁力计，用于运动轨迹追踪与姿态解算算法验证。

03

控制算法实现

PID参数整定方法

经验试凑法

通过逐步调整比例、积分、微分系数，观察系统响应曲线，结合工程经验确定最优参数组合，适用于响应速度要求不高的场合。

01

临界比例度法

通过增大比例系数使系统产生等幅振荡，记录临界增益和振荡周期，按Ziegler-Nichols公式计算PID参数，适用于稳定性要求较高的系统。

阶跃响应法

基于系统开环阶跃响应的延迟时间和时间常数，利用Cohen-Coon或Chien-Hrones-Reswick公式推导参数，适用于一阶惯性加纯滞后模型。

频域整定法

通过分析系统伯德图或奈奎斯特曲线，在相位裕度和幅值裕度约束下优化参数，适用于高频干扰抑制场景。

02

03

04

速度环与位置环设计

根据负载惯量变化实时调整环参数，结合模糊逻辑或神经网络算法，适用于变工况运动平台。

自适应变参数策略

通过速度环内环快速抑制扰动，位置环外环保证稳态精度，两者带宽按5-10倍比例配置，确保系统稳定性。

双闭环解耦设计

将微分环节置于反馈通道而非误差通道，避免设定值突变导致的微分冲击，适用于机械臂轨迹跟踪控制。

位置环微分先行

引入加速度前馈和摩擦力补偿，提升动态响应速度，减少跟踪误差，适用于高精度伺服系统。

速度环前馈补偿

构建基于模型的反向扰动估计器，通过前馈补偿消除低频干扰，残