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上海高等教育自学考试上海交通大学

上海市高等教育自学考试

工业自动化专业（独立本科段）（B080603）

电力拖动自动控制系统（02297）

自学考试大纲

上海交通大学自学考试办公室编

上海市高等教育自学考试委员会组编

2013年版

I、课程性质及其设置的目的和要求

（一）本课程的性质与设置的目的

“电力拖动自动控制系统”是高等教育自学考试“工业自动化”专业（本科）中的一门重要的专业课程，它是为培养工业自动化本科人才的需要而设置的。

在工业生产的诸多设备中，电力拖动自动控制系统是被最广泛应用的一种拖动形式，因为它有着可满足生产工艺各种要求的良好的控制性能。

随着我国国民经济的发展，生产的自动化程度日益提高，对电力拖动装置的工作性能要求也不断提高，更需要大量熟悉工业自动控制知识的人才。

自学考试“工业自动化”专业的开展便是一个很好的培养人才的途径。

作为专业课，它是一门理论密切联系实际的课程。

（二）本课程的基本要求

通过对本课程的自学和实验考核，要求考生：

1.系统地掌握以电力电子变流器供电的交、直流电力拖动自动控制系统的基本工作原理与基本概念。

掌握应用反馈控制理论提高系统静态精度与动态性能指标的方法。

这是本课程的基础。

2.掌握电力拖动有静差系统与无静差系统的组成，参数的计算以及静态特性的计算。

熟悉如何根据生产机械对系统静、动态性能指标的要求计算系统中相应的参数。

3.学会如何建立系统的数学模型。

4.通过实验，初步学会对电力拖动控制系统的调试。

（三）本课程与相关课程的联系

本课程是在考生已自学了“电机与拖动基础”、“自动控制原理”及“电力电子技术”等课程的基础上学习的。

是应用上述先修课程的基本原理与基本知识来研究如何进一步组成具体的交、直流电力拖动自动控制系统。

II、课程内容与考核目标

第一章绪论

（一）学习目的和要求

通过本章的学习，对运动控制系统所涉及内容和学科关系有一个基本的了解；了解运动控制系统的一般结构、各环节内容和基本运动控制规律；了解运动学方程和主要控制方案。

（二）课程内容

第一节运动控制及其组成

1．电动机

2．功率放大与变换装置

3．控制器

5．信号检测与处理技术

第二节运动控制系统得历史与发展

第三节运动控制系统的转矩控制规律

1.运动控制系统的基本运动方程式

2.磁链控制与转矩控制

第四节生产机械的负载转矩特性

1.恒转矩负载特性

2.恒功率负载特性

3.风机、泵类转矩负载特性

（三）考核知识点

1.运动控制系统的组成。

2.运动控制系统的转矩控制规律。

（四）考核要求

（1）识记

运动控制系统的基本组成和转矩控制规律。

第一篇　直流调速系统

第二章转速反馈控制的直流调速系统

（一）学习目的和要求

开环调速系统无法满足人们期望的性能指标，了解转速单闭环直流调速系统的控制规律，分析系统的静差率，了解PI调节器和P调节器的控制作用。

了解转速、电流双闭环系统的组成及其静特性，转速、电流双闭环系统的数学模型，并对双闭环直流调速系统的动态性能进行详细的分析。

了解与调速系统紧密关联的数字测速方法和数字PI调节器的实现方法。

掌握应用工程设计方法解决双闭环调速系统的两个调节器的设计方法。

了解Matlab仿真软件对转速、电流双闭环调速系统的仿真方法。

（二）课程内容

第一节直流调速系统用的可控直流电源

1.晶闸管整流器—电动机系统

2.直流PWM变换器—电动机系统

第二节稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性

1.转速控制的要求和稳态调速性能指标

2.直流调速系统的机械特性

第三节转速反馈的直流调速系统

1.转速反馈直流调速系统的数学模型

2.比例控制的直流调速系统

3.比例积分控制的无静差直流调速系统

4.直流调速系统的稳态分析

第四节流调速系统的数字控制

1．微机数字控制的特殊问题

2.转速检测的数字化

3.数字PI调节器

第五节转速反馈的直流调速系统的限流保护

1.转速反馈的直流调速系统的过流问题

2.带电流截止负反馈环节的直流调速系统

第六节转速反馈控制直流调速系统的仿真。

1．转速反馈控制直流调速系统仿真框图及参数

2．仿真模型的建立

3．仿真模型的运行

4．调节器参数的调整

（三）考核知识点

1.直流调速系统用的可控直流电源。

2.稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性。

3.转速反馈控制的直流调速系统。

4.直流调速系统的数字控制。

5.转速反馈控制直流调速系统的限流保护。

6.转速反馈控制直流调速系统的仿真。

（四）考核要求

1.直流调速系统用的可控直流电源

（1）识记

晶闸管整流器――电动机系统。

直流PWM变换器——电动机系统。

2.稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性。

（1）识记

直流调速系统的机械特性

（2）领会

转速控制的要求和稳态调速性能指标。

调速系统中静差率的概念，调压调速系统中调速范围、静差率与额定速降之间的关系式，并进行计算。

3.转速反馈控制的直流调速系统

（1）识记

直流调速系统的稳态误差分析。

理解积分控制规律以及比例积分控制规律在消除闭环调速系统静态误差中的作用。

（2）简单应用

转速反馈控制直流调速系统的数学模型。

理解采用转速负反馈的闭环调速系统的组成及其工作原理，能列出系统中各环节的输入－输出间稳态关系式，画出结构图并最后得到闭环调速系统的静特性方程式。

能根据闭环调速系统的原理图求出和环节的传递函数并熟练地画出系统的动态结构图。

比例积分控制的无静差直流调速系统

（3）综合应用

比例控制的直流调速系统。

充分理解闭环系统能够减少电动机动态速降的实质，以及闭环调速系统静特性与电动机的机械特性在概念上是完全不同的。

能根据所要求的调速范围与静差率，在给定的系统参数条件下计算出系统的开环放大系数等稳态参数。

4.直流调速系统的数字实现。

（1）识记

微机数字控制的特殊问题。

理解信号的离散化、数字化两个特点。

理解对采样频率的要求。

数字PI调节器

理解数字PI调节器的两种算法、调节器的输出限幅。

（2）领会

转速检测数字化。

数字测速方法的2个精度指标、三种测速方法。

5．转速反馈控制直流调速系统的限流保护

（1）领会

理解电流截止负反馈在闭环调速系统中的作用，系统相应的静特性及其求取法。

6．转速反馈控制直流调速系统的仿真

（1）识记

SIMULINK软件的调试方法。

第三章转速、电流反馈控制的直流调速系统

（一）学习目的和要求

以转速、电流反馈控制直流调速系统为重点，了解双闭环控制的特点。

了解控制规律以及系统中调节器的工程设计方法。

在前一章学习的基础上以及应用自动控制理论知识，掌握控制规律及控制方法。

要求深刻理解转速、电流反馈控制直流调速系统的组成、稳态结构图与静特性、动态数学模型与动态性能；熟练掌握调节器的工程设计方法。

深刻理解调速系统转速超调的抑制方法。

重点是：

转速、电流双闭环调速系统的静特性、动态性能以及两个调节器的作用；调节器的工程设计方法；系统转速超调的抑制方法。

难点是：

两个调节器在调速系统中的作用；调节器的工程设计法。

（二）课程内容

第一节转速、电流反馈控制直流调速系统的及其静特性

1．转速、电流反馈控制直流调速系统的组成

2．稳态结构图与参数计算

第二节转速、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．转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型

2．转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析

第三节转速、电流反馈控制直流调速系统的设计

1．控制系统动态性能指标

2．调节器的工程设计方法

3．按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器

第四节转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真。

（三）考核知识点

1.转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性。

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。

3.转速、电流反馈控制直流调速系统的设计。

4.转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真。

（四）考核要求

1.转速、电流反馈控制直流调速系统的及其静特性。

（1）领会

转速、电流反馈控制直流调速系统的组成。

（2）简单应用

稳态结构图与参数计算。

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）领会

转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型。

知道系统动态数学模型，并能画出系统的动态结构图。

转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析。

熟悉双闭环调速系统起动过程各物理量的变化，特别能画出起动时转速和电枢电流的波形；对双闭环调速系统起动过程的三个特点（三个阶段）必须深刻理解。

对调速系统的两个调节器的作用要充分理解。

3.转速、电流反馈控制直流调速系统的设计。

（1）识记

控制系统的动态性能指标，理解跟随性能指标和抗扰性能指标的要求。

（2）简单应用

调节器的工程设计方法。

理解典型I型系统及典型II型系统参数和性能指标的关系。

熟练动用传递函数的近似处理以及调节器结构的选择，使非典型系统典型化。

（3）综合应用

按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速调节器。

能应用此方法熟练地设计计算具体调速系统中调节器的参数，计算转速的动态超调量。

4．转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真。

（1）识记

SIMULINK软件的仿真方法。

第四章可逆控制和弱磁控制系统调速系统

（一）学习的目的与要求

本章讨论了根据生产机械要求电动机即能正转、反转，又能快速制动，实现四象限运行的特性，提出了可逆调速系统。

本章的学习不但要用到第二章的知识，也与“电机与拖动基础”、“电力电子技术”两门先修课的内容密切相关。

本章是这门课的难点之一，必须花功夫学好它。

本章的要求是：

必须深刻理解晶闸管和PWM直流电动机可逆调速系统中存在的电动机正转和反转、电动和制动、晶闸管装置和PWM变换器器正组和反组、整流和逆变这几对矛盾的相互关系以及相应的物理概念；了解“可逆”的意义；了解可逆线路中存在环流的必然性及其抑制方法；熟练掌握可逆调速系统的分析方法。

（二）课程内容

第一节直流PWM可逆调速系统。

1．桥式可逆PWM变换器

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

4．单片微机控制的PWM可逆直流调速系统

第二节V-M可逆直流调速系统。

1．V-M可逆直流调速系统得主回路及环流

2．V-M可逆直流调速系统得控制

（三）考核知识点

1.直流PWM可逆调速系统。

2.V-M可逆直流调速系统。

重点是V-M可逆调速系统的回馈制动、两组晶闸管可逆线路中的环流以及无环流可逆调速系统。

难点是V-M可逆调速系统的回馈制动。

（四）考核要求

1.直流PWM可逆调速系统。

（1）识记

直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程。

直流PWM功率变换器的能量回馈。

能量回馈问题是直流PWM可逆调速系统中的特出问题。

单片微机控制的PWM可逆直流调速系统。

（2）领会

桥式可逆PWM变换器。

理解H形可逆PWM变换器的工作，记住变换器中各晶体管的控制信号，并能分析变换器工作时的电流电压波形。

2.V-M可逆直流调速系统。

（1）领会

V-M可逆直流调速系统的主回路及环流。

理解V-M可逆直流调速系统的主回路结构。

深刻理解如何在V-M可逆直流调速系统中实现回馈制动，能正确表述反并联可逆V-M线路中各个工作状态下各物理量的关系。

理解直流平均环流的意义，它可以用配合控制方法予以消除。

V-M可逆直流调速系统的控制。

理解瞬时脉动环流存在的必然性，它只能被抑制而无法被消除。

知道α=β配合控制的有环流可逆调速系统组成的特点。

深刻理解可逆系统对无环流逻辑控制环节的要求，及其实现。

转速反向的过渡过程分析。

深刻理解直流可逆调速系统正向制动几个阶段的工作，在各阶段中各处电位的极性和电流流向。

第二篇交流调速系统

第五章基于稳态模型的异步电机调速系统

（一）学习的目的与要求

了解与直流电动机调速系统相比，异步调速系统在很多方面有较大的优越性，近年来也被广泛使用。

通过学习达到对异步调速系统的基本组成，工作原理及调压，变压变频调速等概念的掌握；了解它与异步电动机稳态模型的调速方法，并知道其性能。

本章的要求是：

理解异步电动机稳态模型的调速方法的基本概念；掌握异步电动机调压，变压变频变换器的典型电路及其分析；了解异步电动机稳态模型的调速方法；了解组成调速系统的控制电路；理解对异步电动机开环调速方法；理解在异步电动机闭环转差频率反馈的调速系统有关特性。

（二）课程内容

第一节异步电机的稳态数学模型和调速方法

1．异步电机的稳态数学模型

2．异步电机的调速方法与气隙磁通

第二节异步电机的调压调速

1．异步电机的调压调速的主电路

2．异步电机的调压调速的机械特性

3．闭环控制的调压调速系统

第三节异步电机的变压变频调速

1．变压变频调速的基本原理

2．变压变频调速时的机械特性

3．基频以下的电压补偿控制

第四节电力电子变压变频器

1．交-支-交PWM变频器住电路

2．正弦波脉宽调制技术

3．电流跟踪PWM技术

4．电压空间矢量PWM控制技术

第五节转速开环变压变频调速系统

1．转速开环变压变频调速系统得结构

2．系统实现

第六节转速闭环转差频率的变压变频调速系统。

1．转差频率控制基本概念及特点

2．转差频率控制系统结构及性能分析

3．最大转差频率的计算

4．转差频率控制系统的特点

（三）考核知识点

1．异步电机的稳态数学模型。

2．异步电机的调压调速。

3．异步电机的变压变频调速。

4．电力电子变压变频器。

5.转速开环变压变频调速系统。

6.转速闭环转差频率的变压变频调速系统。

本章知识点中，重点是异步电动机稳态模型，调压，变压变频变换器的典型电路，异步电动机闭环转差频率反馈的调速系统。

难点是调压，变压变频变换器的典型电路及控制分析。

（四）考核要求

1.异步电动机的稳态数学模型和调速方法。

（1）识记

异步电动机的稳态数学模型。

异步电动机稳态数学模型和机械特性。

异步电动机的调速方法与气隙磁通。

2.异步电机的调压调速。

（1）识记

异步电动机变压调速的主电路

异步电动机调压调速的机械特性。

（2）领会

闭环控制的调压调速系统。

了解闭环控制的调压调速系统的静特性，以及不同于直流电动机闭环调压调速系统之处。

3.异步电动机的变压变频调速。

（1）识记

变压变频调速的基本原理。

知道在变频调速时必须相应改变电压，并形成基速以下的恒转矩调速以及基速以上的恒功率调速。

基频以下的电压补偿控制。

（2）领会

变压变频调速时的的机械特性。

掌握异步电动机在电压和频率的不同配合下机械特性的分析方法及机械特性的形状。

4.电力电子变频变换器。

（2）领会

交-直-交PWM变频器主电路。

正弦波脉宽调制（SPWM）技术。

电流跟踪技术（CFPWM）技术。

电压空间矢量控制（SVPWM）技术。

5.转速开环变压变频调速系统。

（1）识记

转速开环变压变频调速系统的结构。

转速开环变压变频调速系统的实现。

6.异步电动机闭环转差频率反馈的调速系统

（1）领会

转差频率控制的基本概念及特点。

掌握转差频率控制的基本概念，看清楚在什么条件下控制异步电动机的转差频率就代表了控制异步电动机的转矩。

转差频率控制系统结构及性能分析。

知道闭环转差频率反馈的调速系统结构。

会分析转差频率控制变频调速系统的工作。

最大转差频率ωsmax的计算。

了解最大转差率与最大电磁力矩的计算和关系。

转差频率控制系统的特点。

掌握闭环转差频率反馈的调速系统基本特点，了解系统的优点与不足。

第六章　基于动态模型的异步电机调速系统

（一）学习的目的与要求

了解矢量控制变频调速是交流调速的主要发展方。

由各类电力电子变流器组成的变频器供电给异步电动机形成了矢量控制变频调速系统，必须深刻理解矢量控制的工作以及其数学模型和坐标变换原理以及在电压、频率协调控制下的异步电动机变换原则与基本思路。

为得到能与直流调速系统相媲美的静、动态性能，提出了以等效直流电机模型为媒介而形成的矢量控制基本概念。

弄清楚矢量变换过程的物理概念是十分重要的。

本章的要求是：

从异步电动机数学模型的分析入手再经坐标变换提出了有较满意性能的矢量控制变频调速系统；必须掌握变频调速系统的基本控制环节，它们对不同的变频调速系统都是适用的；也必须掌握其特殊控制环节以及各个调速系统所具有的性能；理解为什么要经坐标变换后获取异步电动机的数学模型及其物理意义。

（二）课程内容

第一节异步电动机动态数学模型的性质

第二节异步电动机的三相数学模型

1．异步电动机的三相动态模型的数学表达式

2．异步电动机的三相原始模型的性质

第三节坐标变换

1．坐标变换的基本思想

2．三相-两相变换

3．静止两相-旋转正交变换

第四节异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型

1．静止两相正交坐标系中的动态数学模型

2．旋转正交坐标系中的动态数学模型

第五节异步电动机在正交坐标系上的状态方程

1．状态变量的选取

2．以转速、定子电流、转子磁势为状态变量的状态方程

3．以转速、定子电流、定子磁势为状态变量的状态方程

第六节异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统

1．按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程

2．按转子磁链定向的矢量控制的基本思想

3．按转子磁链定向的矢量控制系统的电流闭环控制方式

4．按转子磁链定向的矢量控制系统的转矩控制方式

第七节异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统

1．定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用

2．基于定子磁链控制的直接转矩控制系统

3．定子磁链和转矩计算模型

4．接转矩控制系统的特点与存在的问题

第八节直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较

（三）考核知识点

1.异步电动机动态数学模型的性质

2．异步电动机的三相数学模型和坐标变换。

3.异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型

4．异步电动机在正交坐标系上的状态方程

5．异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统。

6．异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统。

7．直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较。

（四）考核要求

1.异步电动机动态数学模型的性质

（1）领会

了解异步电动机的数学模型具有高阶、非线性、强耦合、多变量的性质，必须建立这一基本概念。

2.异步电动机的三相数学模型和坐标变换

（1）领会

熟知在A、B、C坐标系中，对异步电动机电压方程、磁链方程、运动方程以及转矩方程的推导、并熟记其数学模型是多变量的。

理解进行坐标变换的必要性以及求出相应的各种变换阵，着重掌握其变换原则与基本思路。

经坐标变换后的异步电动机数学模型有很多种，应掌握异步电动机在任意二相旋转坐标系上的数学模型；而在二相静止坐标系上的数学模型和在二相同步旋转坐标上的数学模型是其特例。

异步电动机在二相同步旋转坐标系上按转子磁场定向的数学模型---MT坐标系数学模型是矢量控制变频调速系绕中控制的理论基础。

3.异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型

（1）识记

静止两相正交坐标系中的动态数学模型

旋转正交坐标系中的动态数学模型

4．异步电动机在正交坐标系上的状态方程

（1）识记

按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程。

5．异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统。

（1）识记

按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制方式。

按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式。

了解常用的两种转矩控制方法。

磁链开环转差型矢量控制系统——间接定向。

利用给定值计算转子磁链的间接定向方式。

（2）领会

按转子磁链定向矢量控制的基本思想。

了解矢量控制原理结构图。

了解异步电动机矢量控制系统的构想。

了解常用的两种电流闭环控制方法。

转子磁链计算。

知道计算异步电动机转子磁链的几种表示形式。

矢量控制系统的特点与存在的问题。

6．异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统

（1）领会

定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用。

基于定子磁链控制的直接转矩控制系统。

定子磁链和转矩计算模型。

矢量控制系统的特点与存在的问题

7．直接转矩控制与矢量控制

（1）领会

直接转矩控制与矢量控制比较的各自特点。

第七章　绕线转子异步电动机双馈调速系统

（一）学习的目的与要求

了解绕线转子异步电动机串级调速系统是交流调速系统中高效率的一种调速方法，因为它能把电动机的转差功回馈给电网。

本章总的要求是：

深刻理解绕线转子异步电动机在转子附加电势时的工作，弄清绕线转子异步电动机串级调速系统的工作原理；理解绕线转子异步电动机串级调速系统的性能；知道如何求取绕线转子异步电动机在串级调速工作时的机械特性；了解具有双闭环控制的绕线转子串级调速系统。

（二）课程内容

第一节绕线转子异步电动机双馈调速工作原理

1.绕线转子异步电动机转子附加电动势的作用

2.绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况

第二节绕线转子异步电动机串级调速系统。

1.串级调速系统的工作原理

第三节串级调速的机械特性

1.串级调速机械特性的特征

2.串级调速的转子整流器

3.串级调速的机械特性方程式

第四节串级调速的经济技术指标

第五节双闭环控制的串级调速系统。

（三）考核知识点

1．绕线转子异步电动机双馈调速工作原理。

2．绕线转子异步电动机串级调速系统。

3．串级调速的机械特性。

4．双闭环控制的串级调速系统。

（四）考核要求

1．绕线转子异步电动机双馈调速工作原理。

（1）领会

绕线转子电动机转子附加电动势的作用。

掌握绕线转子电动机转子附加电动势时工作的基本概念。

绕线转子异步电动机双馈调速的五种工况。

理解绕线转子异步电动机在转子附加电动势时的五种工况及其功率流程。

串级调速系统的机械特性推导，绕线转子电动机在串级调速下的工作状态。

2．线转子异步电动机串级调速系统。

（1）识记

掌握串级调速系统的工作原理。

3．串级调速工作时的机械特性。

（1）领会

串级调速机械特性的特征。

掌握理想空载转速、机械特性的斜率与最大转矩。

串级调速的转子整流电路。

理解转子整流电路的三个工作状态。

串级调速的机械特性方程式。

4．双闭环控制的串级调速系统。

（1）识记

知道闭环控制系统是如何组成的。

第八章　同步电动机的变压变频调速系统

（一）学习的目的与要求

同步电动机基本原理和类型。

本章其他内容在自学考试中不列入考试范围。

（二）课程内容

第一节同步电动机基本原理与异步机的区别

1.同步电动机的特点

2.同步电动机的分类

3.同步电动机的矩角特性

4.同步电动机的稳定运行

5.同步电动机的调速

（三）考核知识点

1．同步电动机基本原理与异步机的区别。

（四）考核要求

（1）识记

同步电动机原理及其与异步机区别。

同步电动机原理其他内容不列入考核范围。

第三篇伺服系统

第九章伺服系统

本章在自学考试中不列入考试范围。

Ⅲ、有关说明与实施要求

一、关于考核目标的说明

1、关于考试大纲与教材的关系

考试大纲以纲要的形式规定了电力拖动自