《电力拖动自动控制系统》教学大纲.docx

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《电力拖动自动控制系统》教学大纲

《电力拖动自动控制系统》教学大纲

一、课程基本信息

1、课程英文名称：

AutomationControlSystembyPowerDriving

2、课程类别：

专业方向课程

3、课程学时：

总学时64，实验学时8

4、学分：

4

5、先修课程：

《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》等专业基础课程

6、适用专业：

电气工程及其自动化

二、课程的目的与任务

课程的教学目的：

本课程是电气工程及其自动化专业的专业特色课程。

通过本课程的学习，了解和掌握电力拖动自动控制系统的设计、校正和综合方法，为今后的工作打下专业基础。

课程教学的任务：

了解直流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。

掌握直流转速单闭自动控制系统和转速、电流双闭环自动控制系统的静、动态设计方法，深刻领会和掌握控制系统的工程设计方法，能够熟练应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。

了解交流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，特别是重点了解和掌握笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量控制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。

三、课程的基本要求

本课程是所有专业基础课程的综合应用，特别是对《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》以及《模拟电子技术》、《数字电子技术》的基础知识应用较多，学生必须在这些专业基础课程学习过后，才能开设本课程。

教师在授课中必须引导学生对专业基础课程的综合应用，按照系统的控制规律为主线，由简入繁、由低及高的循序深入，思路必须清楚，引导学生学习和掌握系统设计与分析的方法，培养学生对工程问题的处理方法，同时要认真进行和完成课程实验，并且通过课程设计，要求学生能够对简单的电力拖动自动控制系统进行性能分析和设计。

四、教学内容、要求及学时分配

（一）理论教学：

56学时

第一章闭环控制的直流调速系统10学时

主要内容：

本章内容是直流调速自动控制系统的基础，必须认真掌握以下内容。

1、直流调速系统用的可控直流电源，旋转变流机组，静止可控整流器，直流载波器或脉宽调制变换器；

2、晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题，触发脉冲相位控制，电流脉动及其波形的连续与断续，抑制电流脉动的措施，晶闸管-电动机系统的机械特性，晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数；

3、直流脉宽调速系统的主要问题，PWM变换器的工作状态和电压、电流波形，直流脉宽调速系统的机械特性，PWM控制与变换器的数学模型，电能回馈与泵升电压的限制；

4、反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计，转速控制的要求和调速指标，开环调速系统及其存在的问题，闭环调速系统的组成及其静特性，开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系，反馈控制规律，闭环直流调速系统稳态参数的计算，限流保护-电流截止负反馈；

5、反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计，反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型，反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件，动态校正-PI调节器的设计；

6、比例积分控制规律和无静差调速系统，积分调节器和积分控制规律，比例积分控制规律，无静差直流调速系统及其稳态参数计算；

7、电压反馈电流补偿控制的直流调速系统，电压负反馈直流调速系统，电流正反馈和补偿控制规律，电流补偿控制直流调速系统的数学模型和稳定条件。

重点：

直流调速系统用的可控直流电源，晶闸管-电动机系统的机械特性，晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数，直流脉宽调速系统的机械特性，PWM控制与变换器的数学模型，反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计，反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计，比例积分控制规律和无静差调速系统。

难点：

直流载波器或脉宽调制变换器，抑制电流脉动的措施，电能回馈与泵升电压的限制，反馈控制规律，限流保护-电流截止负反馈，反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型，电流正反馈和补偿控制规律，电流补偿控制直流调速系统的数学模型和稳定条件。

第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法10学时

主要内容：

本章是直流调速自动控制系统的重点内容，必须深刻领会和掌握。

1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性，转速、电流双闭环直流调速系统的组成，稳态结构框图和静特性，各变量的稳态工作点和稳态参数计算；

2、双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析，双闭环直流调速系统的动态数学模型，起动过程分析，动态抗扰性能分析，转速和电流两个调节器的作用；

3、调节器的工程设计方法，工程设计方法的基本思路，典型系统，控制系统的动态性能指标，典型Ⅰ型系统性能指标和参数的关系，典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系，调节器结构的选择和传递函数的近似处理—非典型系统的典型化；

4、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器，电流调节器的设计，转速调节器的设计，转速调节器退饱和时转速超调量的计算；

5、转速超调的抑制－转速微分负反馈，带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理，退饱和时间和退饱和转速，转速微分负反馈参数的工程设计方法，带转速微分负反馈双闭环调速系统的抗扰性能；

6、弱磁控制的直流调速系统，变压与弱磁的配合控制，非独立控制励磁的调速系统，弱磁过程的直流电动机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计。

重点：

转速、电流双闭环直流调速系统的稳态工作点和稳态参数计算，双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析，调节器的工程设计方法，按工程设计方法设计双闭环系统的调节器，转速超调的抑制－转速微分负反馈。

难点：

双闭环直流调速系统的动态数学模型，动态抗扰性能分析，调节器结构的选择和传递函数的近似处理—非典型系统的典型化，转速调节器退饱和时转速超调量的计算，转速微分负反馈参数的工程设计方法，弱磁过程的直流电动机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计。

第三章直流调速系统的数字控制6学时

主要内容：

本章内容随着数字技术的广泛应用，特别是DSP技术的迅速发展和大量应用，显示出越来越重要，所以根据目前的技术情况，实际在对本章内容进行讲授时，不能只局限于教材中的内容，教师还应该根据当前数字技术实际的发展应用情况，进行必要的补充。

教材中应该讲授的内容如下。

1、微型计算机数字控制的主要特点，数字量化，采样频率的选择，微机数字控制系统的输入与输出变量；

2、微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件，微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构，微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图；

3、数字测速与滤波，旋转编码器，M法测速，T法测速，M/T法测速，各种数字测速方法的精度指标，M/T法数字测速软件框图，数字滤波；

4、数字PI调节器，模拟PI调节器的数字化，改进的数字PI算法，智能型PI调节器；

5、按离散控制系统设计数字控制器，具有零阶保持器的数字控制直流调速系统，控制对象传递函数的离散化，数字转速调节器的设计；

6、数字控制系统的故障检测、保护与自诊断，故障检测，故障保护，故障自诊断。

重点：

微型计算机数字控制的主要特点，采样频率的选择，微机数字控制系统的输入与输出变量，微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构和软件框图，数字测速与滤波，数字PI调节器及数字转速调节器的设计，数字控制系统的故障检测、保护与自诊断。

难点：

微机数字控制系统的输入与输出变量，各种数字测速方法的精度指标，数字滤波，智能型PI调节器，控制对象传递函数的离散化，故障自诊断。

第四章可逆直流调速系统和位置随动系统4学时

主要内容：

本章内容作为一般了解。

主要介绍如下内容。

1、可逆直流调速系统，单片微机控制的PWM可逆直流调速系统，有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统，无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统；

2、位置随动系统，位置随动系统的组成，位置随动系统的特征及其与调速系统的比较，位置传感器，位置随动系统的稳态误差分析和参数计算，位置随动系统的动态校正与控制。

重点：

有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统和无环流控制的可逆晶闸管-电动机系统，位置随动系统的组成、特征及其与调速系统的比较，位置传感器。

难点：

单片微机控制的PWM可逆直流调速系统，位置随动系统的稳态误差分析和参数计算，位置随动系统的动态校正与控制。

第五章闭环控制的异步电动机变压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统

4学时

主要内容：

本章内容作为一般了解。

主要介绍如下内容。

1、异步电动机变压调速电路；

2、异步电动机改变电压时的机械特性；

3、闭环控制的变压调速系统及其静特性；

4、闭环变压调速系统的近似动态结构框图；

5、转差功率损耗分析；

6、变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用。

重点：

异步电动机改变电压时的机械特性，闭环控制的变压调速系统及其静特性，闭环变压调速系统的近似动态结构框图，变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用。

难点：

转差功率损耗分析。

第六章笼型异步电动机变压变频调速系统（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统

12学时

主要内容：

本章是三相异步电动机交流调速系统的主要和重点内容，必须深刻领会和重点掌握，是本课程的教学重点，应该掌握如下内容。

1、变压变频调速的基本控制方式，基频以下调速，基频以上调速；

2、异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性，恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性，基频以下电压-频率协调控制时的机械特性，基频以上恒压变频时的机械特性，恒流正弦波供电时的机械特性；

3、电力电子变压变频器的主要类型，交-直-交和交-交变压变频器，电压源型和电流源型逆变器，180o导通型和120o导通型逆变器；

4、变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术，正弦波脉宽调制（SPWM）技术，消除指定次数谐波的PWM（SHEPWM）控制技术，电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术，电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术（或称磁链跟踪控制技术），桥臂器件开关死区对PWM控制变压变频器工作的影响；

5、基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统，转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器-异步电动机调速系统，转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统；

6、异步电动机的动态数学模型和坐标变换，异步电动机的动态数学模型的性质，三相异步电动机的多变量非线性数学模型，坐标变换和变换矩阵，三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型，三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程；

7、基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统，矢量控制系统的基本思路，按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用，转子磁链模型，转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统，磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统；

8、基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统，直接转矩控制系统的原理和特点，直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型，直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较。

重点：

变压变频调速的基本控制方式，异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性，电力电子变压变频器的主要类型，交-直-交和交-交变压变频器，变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术，基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统，异步电动机的动态数学模型和坐标变换，基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统，基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统。

难点：

180o导通型和120o导通型逆变器，正弦波脉宽调制（SPWM）技术，消除指定次数谐波的PWM（SHEPWM）控制技术，电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术，电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术（或称磁链跟踪控制技术），桥臂器件开关死区对PWM控制变压变频器工作的影响，三相异步电动机的多变量非线性数学模型，坐标变换和变换矩阵，三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型，三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程。

第七章绕线转子异步电动机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统6学时

主要内容：

本章内容作为一般性了解，主要了解以下内容。

1、异步电机双馈调速工作原理，异步电机转子附加电动势的作用，异步电机双馈调速的五种工况；

2、异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统，串级调速系统的工作原理，串级调速系统的其他类型；

3、异步电动机串级调速时的机械特性，异步电动机串级调速机械特性的特征，异步电动机串级调速时的转子整流电路，异步电动机串级调速机械特性方程式；

4、串级调速系统的技术经济指标及其提高方案，串级调速系统的效率，串级调速系统的功率因数及其改善途径，斩波控制的串级调速系统，串级调速装置的电压和容量；

5、双闭环控制的串级调速系统，双闭环控制串级调速系统的组成，串级调速系统的动态数学模型，调节器参数的设计，串级调速系统的起动方式；

6、异步电机双馈调速系统，双馈调速系统的构成，双馈调速系统的矢量控制。

重点：

异步电机双馈调速工作原理，异步电机双馈调速的五种工况，串级调速系统，串级调速系统的工作原理，异步电动机串级调速时的机械特性，串级调速系统的技术经济指标及其提高方案，双闭环控制的串级调速系统，双馈调速系统的矢量控制。

难点：

异步电机转子附加电动势的作用，异步电动机串级调速时的转子整流电路，异步电动机串级调速机械特性方程式，斩波控制的串级调速系统，串级调速装置的电压和容量，串级调速系统的动态数学模型，双馈调速系统的矢量控制。

第八章同步电动机变压变频调速系统4学时

主要内容：

本章内容随电力电子技术的发展，其重要性不断加强，应该作为重点内容讲授，主要要求学生掌握以下内容。

1、同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型；

2、他控变频同步电动机调速系统，转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统，由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统，按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统，同步电动机的多变量动态数学模型；

3、自控变频同步电动机调速系统，梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统，正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统。

重点：

转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统，由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统，按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统，梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统，正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统。

难点：

同步电动机的多变量动态数学模型，梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统，按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统。

（二）实验教学：

8学时

（一）、实验课的目的与要求

1、电力拖动自动控制系统是电气工程及其自动化专业的特色专业课程，课程实验是教学的重要环节，必须通过实验，使学生增强对交直流调速系统的理解，培养学生的实际动手能力、分析问题和解决实际问题的能力。

2、学生在进行实验前必须认真阅读实验指导书，了解实验设备的性能及其使用方法，熟悉实验内容，明确实验目的、步骤、原理，掌握实验方法，认真完成预习要求。

3、在实验进行中，学生必须独立完成实验，最好每个学生一人一组，使用一台设备，因为实验设备台数少确实做到一人一组有困难的，但至少应保证每组不多于三人。

4、实验后必须认真处理实验数据，分析实验结果，写出符合要求的实验报告。

（二）、实验项目（在以下实验项目中选做8学时实验）

实验—、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验

实验类型：

综合型

实验学时：

2学时

实验目的：

1、了解DDSZ-1型电机及电气技术实验装置、DJDK-1型电机控制系统实验装置的结构、组件及布线情况

2、熟悉晶闸管直流调速系统的组成及基本结构

3、掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法

实验内容：

1、测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R

2、测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L

3、测定直流电动机一直流发电机一测速发电机组的飞轮惯量GD

4、测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td

5、测定直流电动机电势常数Ce和较矩常数Cm

6、测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm

7、测定晶闸管触发及整流装置特性Ud＝f（Uct）

8、测定测速发电机特性Utg=f（n）

实验设备：

1、DDSZ-1型电机及电气技术实验装置或DJDK-1型实验装置主控制屏DJK01一台

2、直流电动机一直流发电机一测速发电机组一套

3、DJK02组件挂箱，DJK04组件挂箱各一台

4、直流电压表、直流电流表各一只

5、双臂滑线电阻器一只

实验仪器仪表及耗材：

光线示波器或记忆示波器一台，万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干。

实验二、单闭环晶闸管直流调速系统实验

实验类型：

综合型

实验学时：

2学时

实验目的：

1、熟悉DDSZ-1型电机及电气技术实验装置或DJDK-l型电机控制系统实验装置主控制屏DJK01的结构及调试方法

2、了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理

3、掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程

4、认识闭环反馈控制系统的基本特性

实验内容：

1、主控制屏DJK01的调试

2、基本控制单元调试

3、Uct不变时的直流电动机开环特性的测定

4、Ud不变时的直流电动机开环特性的测定

5、转速反馈的单闭环直流调速系统

6、电流反馈的单闭环直流调速系统

实验设备：

1、主控制屏DJK01一套

2、直流电动机一直流发电机一测速发电机组一套

3、双臂滑线电阻器一只

实验仪器仪表及耗材：

双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干。

实验三、双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验

实验类型：

综合型

实验学时：

2学时

实验目的：

1、了解双闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理

2、掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定

3、研究调节器参数对系统动态特性的影响

实验内容：

1、各控制单元调试

2、测定电流反馈系数

、转速反馈系数

3、测定开环机械特性及高、低速时完整的系统闭环静态特性n=f（Id）

4、闭环控制特性n=f（Ug）的测定

5、观察、记录系统动态波形

实验设备：

1、主控制屏DJK01一套

2、直流电动机一直流发电机一测速发电机组一套

3、DJK02、DJK04、DJK07组件挂箱各一套

4、双臂滑线电阻器一只

实验仪器仪表及耗材：

双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干

实验四、逻辑无环流可逆直流调速系统实验

实验类型：

综合型

实验学时：

2学时

实验目的：

1、了解、熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成

2、掌握各控制单元的原理、作用及调试方法

3、掌握逻辑无环流可逆直流调速系统的步骤和方法

4、了解逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性

实验内容：

1、控制单元调试

2、系统调试

3、正反转机械特性n=f（Id）的测定

4、正反转闭环控制特性n=f（Ug）的测定

5、系统的动态特性的观察

实验设备：

1、主控制屏DJK01一套

2、直流电动机一直流发电机一测速发电机组一套

3、DJK02、DJK04、DJK08组件挂箱各一套

4、双臂滑线电阻器一只

实验仪器仪表及耗材：

双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干

实验五、双闭环可逆直流PWM（H桥）速系统实验

实验类型：

综合型

实验学时：

2学时

实验目的：

1、熟悉双闭环可逆直流PWM调速系统原理、组成及各主要单元部件的原理

2、熟悉双闭环可逆直流PWM调速系统的调试步骤、方法及参数的整定

实验内容：

1、各控制单元调试

2、测定开环机械特性及高低速时完整的系统闭环静态特性n=f（Id）

3、闭环控制特性n=f（Ug）测定

实验设备：

1、主控制屏DJK01一套

2、直流电动机一直流发电机一测速发电机组一套

3、DJK02、DJK03、DJK11组件挂箱各一套

4、双臂滑线电阻器一只

实验仪器仪表及耗材：

双踪慢扫描示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干

实验六、双闭环三相异步电动机调压调速系统实验

实验类型：

综合型

实验学时：

2学时

实验目的：

1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成

2、了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性

3、通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。

实验内容：

1、测定三相绕线式异步电动机转子串电阻时的人为机械特性

2、测定双闭环交流调压调速系统的静态特性

3、测定双闭环交流调压调速系统的动态特性

实验设备：

1、主控制屏DJK01一套

2、三相绕线式异步电动机一直流发电机一测速发电机一套

3、DJK02、DJK04组件挂箱、DJK08电容挂箱各一套

4、双臂滑线电阻器一只

实验仪器仪表及耗材：

双踪慢扫描示波器一台、记忆示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干

实验七、双闭环三相异步电动机串级调速系统实验

实验类型：

综合型

实验学时：

2学时

实验目的：

l、熟悉双闭环三相异步电机串级调速系统的组成及工作原理

2、掌握串级调速系统的调试步骤及方法

3、了解串级调速系统的静态与动态特性

实验内容：

1、控制单元及系统调试

2、测定开环串级调速系统的静态特性

3、测定双闭环串级调速系统的静态特性

4、测定双闭环串级调速系统的动态特性

实验设备：

1、主控制得DJK01一套

2、三相绕线式异步电动机一直流发电机一测速发电机组一套

3、DJK02、DJK04组件挂箱各一套

4、DJK10三相芯式变压器挂箱一套

5、双臂滑线电阻器一只

实验仪器仪表及耗材：

双踪慢扫描示波器一台、光线示波器或记忆示波器一台、万用表一只、DDSZ-1、DJDK-1设备专用连接插接线若干

五、考试考核办法：

课程中期进行阶段测验，结束后进行理论考试，最后根据完成作业情况、实验操作与实验报告完成情况、阶段测验成绩和课程结束后的理论考试得出本课程的考核成绩。

成绩权值为：

完成作业情况占10％，实验操作与报告占20％，阶段测验成绩占20％，结业理论考试占50％。

六、教材及参考书：

（一）教材：

《电力拖动自动控制系统》第3版陈伯时主编机械工业出版社2004.7

（二）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1992.7

2、《电力拖动自动控制系统习题例题集》童福尧编机械工业出版社2000.7

3、《电力传动自动控制系统》唐永哲编西安电子科技大学出版社2000.5

4、《现代电气控制技术》郑萍主编　　重庆大学出版社2002.5

5、《交流调速控制系统》李华德主编电子工业出版社2004.7

七、其他