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1、中 国 矿 业 大 学授课教案授课人：王颖杰系（部）：电气系系主任：邓先明2014 年03 月28 日课程名称电力拖动与运动控制系统总学时数56电气工程及自适用专业动化课程编号学 分年 级数必修课校级公共课（）；专业基础课（ ）；专业核心课（）课程类型选修课专业方向课（）；专业选修课（）；全校任选课（）是否多媒体教学是（ ）； 否（）考核方式考试（ ）；考查（）电力拖动自动控制系统( 第四作 者阮毅出版社及机械工业出版社教材名称出版时间2010 年 01 月版 )学时分配教 学 内 容课堂课堂讨论录像实验合 计讲授第 1 章 绪论及直流调速系统引言部分2第 2 章 转速反馈控制的直流调速系统2
2、2.1.1晶闸管 电动机系统2.1.2直流 PWM 变换器 - 电动机系统22.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械2特性2.3 转速反馈控制的直流调速系统22.3.1转速反馈控制直流调速系统的数学模型2.3.2比例控制的直流调速系统22.3.3比例积分控制规律和无静差调速系统22.3.3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22.4.1微机数字控制的特殊问题2.4.2转速检测的数字化2第 3 章 转速、电流反馈控制的直流调速系统3.1转速、电流双闭环调速系统的组成及其静2态特性3.2双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分析3.3转速、电流反馈控制的直流调速系统的设
3、2计3.4按工程设计方法设计双闭环调速系统的2转速调节器和电流调节器课程名称电力拖动与运动控制系统第 4 章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统4.1直流 PWM 可逆调速系统4.2V-M 可逆直流调速系统4.2.1V-M 可逆直流调速系统的主回路及环流4.2.2V-M 可逆直流调速系统的控制4.2.3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5.1异步电动机稳态数学模型和调速方法5.2异步电动机的调压调速5.3 异步电动机的变压变频调速5.4 电力电子变压变频器5.4.1 交 -直交 PWM 变频器主回路5.4.2 正弦波脉宽调制(SPWM) 技术5.4.4 电流跟踪P
4、WM 控制技术5.4.5 电压空间矢量PWM(SVPWM) 控制技术5.5 转速开环变压变频调速系统5.6 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统第 6 章 基于动态模型的异步电动机调速系统 6.1-6.3 异步电动机的多变量数学模型和坐标变换6.4-6.5 异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型和状态方程6.6 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统总学时数电气工程及自56适用专业动化2222222222226.7 按定子磁链控制的直接转矩控制系统2实验 1 单闭环不可逆直流调速系统实验2实验 2 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实2验实验 3 SPWM 电压源型变频调速实验2参考书目：电力
5、拖动控制系统，马志源著，科学出版社，2004。电机学，胡虏生著，中国电力出版社,2007。自动控制原理，胡寿松主编，科学出版社，第四版。现代控制原理，刘豹著，机械工业出版社，2004。电力电子和电力拖动控制系统的Matlab 仿真，洪乃刚著，机械工业出版社。控制系统计算机仿真（第2 版），蒋珉 ,柴干 ,王宏华等，电子工业出版社。中 国 矿 业 大 学授课教案第1章 绪论及直流调速系统引言部分第 1 次课 / 学时2 学时1.自我介绍，了解班级情况教学目的及要求2.介绍本课程的背景知识，包括应用及学习方法，介绍参考书3.了解直流电动机的三种调速方法，引出可控直流电源，介绍其在直流电动机调速中的
6、关键作用。1.电力拖动自动控制系统的应用以及三种调速方法教 学 重 点教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论1、电力拖动在国民经济中的作用电力拖动又称电气传动，即以电动机作为原动机驱动生产机械。电力拖动控制系统简称电力拖动系统，是将电能转换为机械能的系统总称，完成生产机械的起动、停止、正反转、调速等任务，使被拖动机械按预定方式运行，满足生产工艺的要求。国际电工委员会将“电力拖动 ”归入 “运动控制 ”范畴。电气传动在国民经济起着重要作用， 广泛用于冶金、 轻工、矿山、石化、航空航天等行业，以及日常生活中，用电量占我国总发电量的 60%以上，产品以每年 15% 的速度递增
7、 ,市场前景广阔。2、运动控制系统及其组成3、运动控制系统的历史与发展4、运动控制系统的转矩控制规律5、生产机械的负载转矩特性6、直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为：nUIRK e从上式可以看出，调节电动机的转速有三种方法：1）调节电枢供电电压U 。2.）减弱励磁磁通。3）改变电枢回路电阻R 。对于一定范围内无级平滑调速的系统来说，调节电枢供电电压的方式最好。本章思考题：比较三种调速方法的优缺点。小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.1.1 晶闸管 电动机系统第 2 次课 / 学时2 学时1.掌握晶闸管 电动机系统的机械特性及传递函数。教学目的及
8、要求2.熟悉晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数3.了解 V-M 系统触发脉冲的相位控制及抑制电流脉动的措施。1.重点是晶闸管 电动机系统的机械特性及传递函数教 学 重 点1.V-M 系统触发脉冲的相位控制及抑制电流脉动的措施。教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：1）当电流连续时，特性硬；2）当电流断续时， 特性很软， 呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。晶闸管触发和整流装置的放大系数可以由工作范围内的特性斜率决定，计算方法是：KsU dU c晶闸管装置的精确传递函数为：Ws (s)U d0 (s)
9、K se TssU c (s)传递函数可近似成一阶惯性环节。Ws (s)K s1Tss本章思考题：为什么在V M 系统中电流会出现断续的情况？小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.1.2 直流 PWM 变换器 -电动机系统第 3 次课 / 学时2 学时1.掌握桥式可逆 PWM 变换器工作原理。教学目的及要求2.熟悉 直流脉宽调速系统的机械特性和PWM 控制与变换器的数学模型。3.了解 不可逆 PWM 变换器、 和带制动电流通路的不可逆PWM 变换器的工作原理及特点。直流脉宽调速系统的机械特性和PWM 控制与变换器的数学模型。教 学 重 点桥式可逆PWM 变换
10、器工作原理。教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论PWM 调制就是把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出平均电压的大小。与晶闸管装置一样， PWM 装置可以近似看成是一个一阶惯性环节：Ws (s)K sTs s 1本章思考题：为什么 PWM 电动机系统比V M 系统能够获得更好的动态性能。小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性第 4 次课 / 学时2 学时1. 掌握转速控制的要求和稳态调速性能指标。教学目的及要求2.熟悉生产工艺对转速控制的要求，熟悉
11、稳态性能指标以及之间的关系。3.掌握开环调速系统及其存在的问题。1.稳态性能指标以及之间的关系。教 学 重 点2.掌握开环调速系统及其存在的问题。教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论两个调速指标：调速范围和静差率。nmax2）静差率nN1）调速范围 Dsnminn03）直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系：DnN snN (1s)开环系统速降：nNI dN RCe举例计算，以量化的指标感性认识开环系统的问题。本章思考题：开环调速系统存在的速降问题如何解决？小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.2 转速反馈控制的直流
12、调速系统2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型第 5 次课 / 学时2 学时1. 掌握闭环直流调速系统稳态参数的计算方法。掌握闭环调速系统的组成及其静教学目的及要求特性。2.掌握转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型。1.闭环调速系统的组成及其静特性。教 学 重 点2.转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型。教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：Kp K sU n*I d RK p K sU n*RI dn/ Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )Ce (1 K p K s开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系
13、：nopsclsopDcl(1 K ) DopnclK1 K1图 2-21 额定励磁下直流电动机的动态结构框图本章思考题：转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.3 转速反馈控制的直流调速系统2.3.2 比例控制的直流调速系统第 6 次课 / 学时2 学时1.掌握开环系统特性和闭环系统特性的关系教学目的及要求反馈控制规律三个基本特征。2.3.比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性。教 学 重 点1.开环系统特性和闭环系统特性的关系。教 学 难 点2.比例控制闭环直流调速系统的动态稳定条件。教
14、 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件:Tm (TlTs) Ts2KTl Ts右边称作系统的临界放大系数K cr，当 K Kcr 时，系统将不稳定。本章思考题：比例控制的直流调速系统为什么会有静差？小结中 国 矿 业 大 学授课教案nmaxU *nmax第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.3.3 比例积分控制规律和无静差调速系统第 7 次课 / 学时2 学时通过本节的学习，使得学生能够掌握比例积分控制规律。由于积分功能的引入，使教学目的及要求得控制系统具有无静差的特性。1.比例积分控制规律。教 学 重 点1. 无静差直流调速系统。教 学 难 点教
15、学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一、积分调节器和积分控制规律1. 积分调节器U ex (s)1积分调节器的传递函数为：Wi ( s)s积分调节器的特性如图所示：U in (s)L( )UinU ex-20dBL/dBUexmOUex1/U inO- /2Ot()a) 阶跃输入时的输出特性b) Bode图2、转速的积分控制规律： 采用积分调节器， 当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。3、比例与积分控制的比较： 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。二、比例积分控制规律 ：比例积分控制
16、综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。三、无静差直流调速系统及其稳态参数计算转速反馈系数：本章思考题：比例积分控制的直流调速系统为什么会无静差？小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.3.3 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2.4.1 微机数字控制的特殊问题第 8 次课 / 学时2 学时1.三种调节器在阶跃给定输入的稳定误差；教学目的及要求2.扰动引起的稳态误差3.数字控制的特点1. 三种调节器的调速系统在阶跃给定输入的稳定误差比较分析。教
17、 学 重 点教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排一、阶跃给定输入和扰动引起的稳定误差视频内容课 堂 讨 论1) 由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。2) 比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，故存在扰动引起的稳态误差，称作有静差调速系统；3) 积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以由阶跃扰动引起的稳态误差为 0，称作无静差调速系统。三、微机数字控制系统的主要特点是： 离散化和数字化：离散化和数字化的结负面效应：时间上和量值上的不连续性。1.数字量化：量化的原则：在保证不溢出的前提下，精度越高越好。可用存储系数K 来显示量化的精度2.采样频
18、率的选择香农（ Shannon）采样定理。在一般情况下，可以令采样周期 Tsam1Tmin， Tmin 为控制对象的最小时间常数。( 4 10)3. 微机数字控制系统的输入与输出变量可以是模拟量，也可以是数字量。本章思考题：闭环调速系统有哪些基本特征?小结中 国 矿 业 大 学第 9 次课 / 学时教学目的及要求教 学 重 点教 学 难 点授课教案第 2章 转速反馈控制的直流调速系统2.4.2 转速检测的数字化2 学时掌握三种基本的数字测速方法，各自的特点、性能指标及应用场合。1.数字测速指标：分辨率、误差率。2. M 法测速， T 法测速， M/T 法测速。教 学 内 容 及 安 排视频内容
19、课 堂 讨 论3.3.1 数字测速指标1分辨率改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率，用符号 Q 表示。 Q nn 。Q 越小， 说明该测速方法的分辨能力越21强。2测速误差率转速实际值和测量值之差n 与实际值 n 之比定义为测速n100% ，测速误差率反映了测速方法的准确性，误差率， %n越小准确度越高。3.3.2M 法测速测取 TC 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M 1，用以计算这段时间内的平均转速，n60M 1r/min称作法测速电机的转速为ZTc1M 法测速的分辨率：max%100 %M 1M 法测速误差率：60QZTcM 法测速适用于高速段。3.3.3 T 法测速：记录编码器两
20、个相邻输出脉冲间的高频脉冲个数 M 2， f 0 为高频脉冲频率。电机转速：T 法测速的分辨率： QZn2n60 f0r/min60 f0Zn法测速误差率： max %1100 %ZM 2M 2 1T 法测速适用于低速段。3.3.4 M/T 法测速把 M 法和 T 法结合起来，既检测T C 时间内旋转编码器输出的脉冲个数 M 1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M 2，用来计算转速，称作M/T 法测速。60 M 1 f 0n60M 1r/min电机转速ZTtZM 2本章思考题：小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统3.1 转速、电流双闭环调速系统的组成
21、及其静态特性3.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分析第 10 次课 / 学时2 学时1.掌握双闭环直流调速系统的静特性。2.熟悉各变量的稳态工作点和稳态参数计算。教学目的及要求3.通过本节学习，使同学掌握双环系统起动过程及其分析方法（调节器饱和及不饱的影响） 、双环系统抗扰性能及两个调节器的作用1. 双闭环直流调速系统的静特性。教 学 重 点2.转矩控制的概念，双闭环系统的分析方法。1. 双环系统起动过程及其波形，波形的各关键点，双环系统抗扰性能分析。教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一、 转速、电流双闭环调速系统组成根据要求，将电流、 转速调节器分别
22、用两个调节器， 由于是调速系统， 所以转速环为外环， 转速环的输出作为电流环的给定。二、转速、电流双闭环调速系统的稳态结构框图和静特性静特性分转速调节器（ASR ）不饱和和饱和两部分讨论。三、起动过程分析(1)电流上升阶段： 由于转速变化慢，转速调节器很快饱和。（ 2）转速上升阶段：电机在最大电流下以恒加速度升速。（ 3）转速调整阶段：当电机转速上升到给定转速时，ASR 退饱和。起动过程特点：饱和非线性控制、转速必又超调、准时间最优控制 达到了优化起动过程的要求。本章思考题：由于机械原因，造成转轴堵死，试分析双闭环直流调速系统的工作状态。小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 3章 转速、电流反
23、馈控制的直流调速系统3.3转速、电流反馈控制的直流调速系统的设计第 11 次课 / 学时2 学时教学目的及要求教 学 重 点教 学 难 点通过本节学习，使同学掌握工程设计方法的思路、典型系统的性能指标及非典型系统的典型化一些环节的近似处理，掌握电力传动系统的工程设计方法。1.工程设计方法的基本思路， 典型系统的性能指标及参数变化对系统性能影响的趋势。教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一工程设计方法的基本思路1. 确保系统稳定 选择调节器的结构 尽量采用典型系统2. 满足系统性能指标 选择调节器的参数二控制系统动态性能指标1 跟随性能指标：超调量、上升时间及调整时间2 抗扰性能指标
24、：动态降落及恢复时间三典型系统及其相应的性能指标1 典型 I 型系统结构及其性能指标2 典型 II 型系统结构及其性能指标四 非典型系统典型化：包括调节器结构选择和传递函数的近似处理本章思考题：典型 I 型、典型II 型性能区别及原因。小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统3.4按工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器第 12 次课 / 学时2 学时教学目的及要求教 学 重 点教 学 难 点通过本节学习，使同学掌握工程设计方法的思路、典型系统的性能指标及非典型系统的典型化一些环节的近似处理，掌握电力传动系统的工程设计方法。1.电流环、转速环
25、的设计。1.退饱和超调量的计算。教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论电流调节器设计：1电流环结构图的简化：2电流调节器结构的选择3电流调节器参数的计算转速调节器的设计：1电流环的近似（降阶近似，需校验） ，将电流环近似为一阶惯性环节。2转速调节器结构选择3 电流调节器参数的计算本章思考题：电流调节器和速度调节器为什么要分别按照典型I 型、典型II 型设计，可否反过来设计。小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统4.1直流 PWM 可逆调速系统第 13次课 /学时2 学时1.了解为什么需要可逆调速系统以及了解可逆直流调速系统。教学目的及要求2.熟悉
26、桥式3.单片机控制PWM 组成原理、速度反向的过渡过程和能量回馈PWM 可逆直流调速系统的组成。桥式PWM变换的原理 ： 速度反向时的工作过程。教 学 重 点教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一、 桥式可逆 PWM 变换器电路：二、电动机反向轨迹：三、 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构本章思考题：分析直流脉宽调速系统的不可逆和可逆电路的区别。小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 4章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统4.2 V-M 可逆直流调速系统4.2.1 V-M 可逆直流调速系统的主回路及环流4.2.2 V-M 可逆直流调速系统的控制第 14 次
27、课 / 学时2 学时1.熟悉有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统及其控制。教学目的及要求2. =配合控制的有环流可逆V-M 系统。教 学 重 点教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一、 有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统1. 两组晶闸管装置反并联线路与可逆V-M系统的四象限运行2. V-M 系统反并联可逆线路的工作状态3. 可逆 V-M 系统中的环流问题二、有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统1. =配合控制的有环流可逆 V-M 系统本章思考题：小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 4章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统4.2V-M 可逆直流调速系统4.2.3 转速反向的
28、过渡过程分析第 15 次课 / 学时2 学时1. 熟悉无环流控制的可逆晶闸管 -电动机系统及其控制。教学目的及要求2. 转速反向的过渡过程分析无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统及其控制；转速反向的过渡过程的三个阶段。教 学 重 点教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一、无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统1. 逻辑控制无环流可逆调速系统的组成和工作原理2. 无环流逻辑控制环节二、转速反向过渡过程分析1、本组逆变阶段2、它组整流阶段3、它组逆变阶段本章思考题：逻辑无环流从高速制动到低速时需经过几个象限？相应电动机与晶闸管状态如何？小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 5章
29、 基于稳态模型的异步电动机调速系统5.1异步电动机稳态数学模型和调速方法第 16 次课 / 学时2 学时1. 熟悉异步电动机稳态数学模型。教学目的及要求2.熟悉异步电动机调速系统的三种分类及其优缺点。异步电动机调速系统的优缺点；异步电动机调速系统的分类及其优缺点。教 学 重 点教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一、异步电动机稳态等效电路二、异步电动机的机械特性三、异步电动机的调速方法 ：改变电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）本章思考题：小结中 国 矿 业 大 学授课教案第 5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统5.2 异步电动机的调压调速第 17 次课 / 学时2 学时1.了解异步电动机改变电压时的机械特性。2.了解闭环控制的调压调速系统。教学目的及要求异步电动机改变电压时的机械特性。教 学 重 点教 学 难 点教 学 内 容 及 安 排视频内容课 堂 讨 论一、异步电动机改变电压时的机械特性。Te3npU s2Rr sRr212 Lls21sRss2Llr二、转速闭环控制的交流调压调速系统静特性。本章思考题：对于恒转矩负载，为什么调压调速的调速范围不大？小结中 国 矿 业 大 学授课教案第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统5.3 异步电动机的变压变频调速第 1