电力拖动与运动控制系统B教案.docx
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电力拖动与运动控制系统B教案
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Ｂ
总学时数
56
适用专业
电气工程及自动化
课程编号
学分数
年级
课程类型
必修课
校级公共课（）；专业基础课（√）；专业核心课（）
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（）
教材名称
电力拖动自动控制系统（第四版）
作者
阮毅
出版社及出版时间
机械工业出版社年01月2010
学时分配
容内教学
课堂讲授
课堂讨论
录像
实验
合计
绪论及直流调速系统引言部分第1章
2
章2转速反馈控制的直流调速系统第电动机系统—2.1.1晶闸管
2
电动机系统2.1.2直流PWM-变换器
2
2.2稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
2
2.3转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制直流调速系统的数学模型2.3.1
2
比例控制的直流调速系统2.3.2
2
比例积分控制规律和无静差调速系统2.3.3
2
直流调速系统的稳态误差分析2.3.32.4直流调速系统的数字控制微机数字控制的特殊问题2.4.1
2
转速检测的数字化2.4.2
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态特性双闭环直流调速系统的动态数学模型和3.2
动态性能分析
2
转速、3.3电流反馈控制的直流调速系统的设计
2
按工程设计方法设计双闭环调速系统的3.4转速调节器和电流调节器．
2
课程名称
电力拖动与运动控制系统Ｂ
总学时数
56
适用专业
电气工程及自动化
可逆控制和弱磁控制的直流调速系统第4章可逆调速系统直流PWM4.1
2
可逆直流调速系统4.2V-M4.2.1V-M可逆直流调速系统的主回路及环流可逆直流调速系统的控制4.2.2V-M
2
转速反向的过渡过程分析4.2.3
2
章基于稳态模型的异步电动机调速系统第5异步电动机稳态数学模型和调速方法5.1
2
异步电动机的调压调速5.2
2
异步电动机的变压变频调速5.3
2
5.4电力电子变压变频器直交PWM变频器主回路5.4.1交-技术正弦波脉宽调制（SPWM）5.4.2
2
PWM控制技术5.4.4电流跟踪控制技术电压空间矢量5.4.5PWM（SVPWM）
2
转速开环变压变频调速系统5.5转速闭环转差频率控制的变压变频调速系5.6
统
2
6章基于动态模型的异步电动机调速系统第6.1-6.3异步电动机的多变量数学模型和坐标变换
2
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
2
6.6基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统
2
6.7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验
2
电压源型变频调速实验实验3SPWM
2
参考书目：
《电力拖动控制系统》，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
教学目的及要求
1.自我介绍，了解班级情况
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3.
速中的关键作用。
点重教学
1.电力拖动自动控制系统的应用以及三种调速方法
点难教学
容及安排教学内
视频内容
论讨课堂
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、调速使被拖动机械按预定方式运行，等任务，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。
轻工、电气传动在国民经济起着重要作用，广泛用于冶金、矿山、石化、航空航天等行业，以及日常生活中，用电量占我市场前景国总发电量的60%,产品以每年15%的速度递增以上，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、运动控制系统的转矩控制规律4、生产机械的负载转矩特性5、直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为：
6U?
IR?
nK?
e从上式可以看出，调节电动机的转速有三种方法：
U?
。
3）减弱励磁磁通）改变电2.1）调节电枢供电电压。
R。
对于一定范围内无级平滑调速的系统来说，枢回路电阻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电动机系统—2.1.1晶闸管
第2次课/学时
2学时
教学目的及要求
1.掌握晶闸管—电动机系统的机械特性及传递函数。
2.熟悉晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数系统触发脉冲的相位控制及抑制电流脉动的措施。
3.了解V-M
点重教学
重点是晶闸管1.—电动机系统的机械特性及传递函数
点学难教
系统触发脉冲的相位控制及抑制电流脉动的措施。
1.V-M
排安及容内学教．
视频内容
论讨堂课
系统机械特性，分为电流连续区和电流断续V-M完整的区。
由图可见：
）当电流连续时，特性硬；1呈显著的非线性，理想空载特性很软，2）当电流断续时，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：
?
Ud?
Ks?
Uc晶闸管装置的精确传递函数为：
）U（ss?
T0deK）?
?
W（ssss）sU（c
传递函数可近似成一阶惯性环节。
KsW（s）?
s1?
Tss
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电动机系统变换器-2.1.2直流PWM
第3次课/学时
2学时
教学目的及要求
1.掌握桥式可逆PWM变换器工作原理。
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。
点重教学
控制与变换器的数学模型。
PWM直流脉宽调速系统的机械特性和
点难学教．
变换器工作原理。
PWM桥式可逆
及安排容教学内
视频内容
论讨堂课
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：
Ks?
（s）WsTs?
1s
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稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性2.2
第4次课/学时
2学时
教学目的及要求
1.掌握转速控制的要求和稳态调速性能指标。
2.熟悉生产工艺对转速控制的要求，熟悉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。
点重学教．
1.稳态性能指标以及之间的关系。
掌握开环调速系统及其存在的问题。
2.
点难教学
及容安排教学内
视频内容
论讨课堂
两个调速指标：
调速范围和静差率。
n?
nN?
smax?
D1）调速范围2）静差率nn0min）直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间3的关系：
snN?
D）?
s（1?
nN
开环系统速降：
IRdN?
n?
NCe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转速反馈控制的直流调速系统2.2转速反馈控制直流调速系统的数学模型2.3.1
第5次课/学时
2学时
教学目的及要求
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特性。
2.掌握转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型。
．
点学重教
1.闭环调速系统的组成及其静特性。
点难教学
转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型。
2.
容及安排学教内
视频内容
论讨课堂
转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：
**URKKU?
IKKRInppsnsdd?
n?
?
?
K（?
K）C1?
（K1C（?
KC/）C1epseee开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系：
sn?
D）?
?
D（1Kopop?
?
n?
sopclclcl1?
K1?
K
）
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转速反馈控制的直流调速系统2.3比例控制的直流调速系统2.3.2
第6次课/学时
2学时
教学目的及要求
1.掌握开环系统特性和闭环系统特性的关系
2.反馈控制规律三个基本特征。
3.比例控制闭环直流调速系统的动态稳定性。
点重教学
点难学教
1.开环系统特性和闭环系统特性的关系。
比例控制闭环直流调速系统的动态稳定条件。
2.
排内学容及安教
视频内容
论讨课堂
反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件:
2T?
）T?
TT（slmsK?
TTls右边称作系统的临界放大系数K，当K≥K时，系统将crcr
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
第2章转速反馈控制的直流调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统2.3.3
第7次课/学时
2学时
教学目的及要求
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，使得控制系统具有无静差的特性。
点学重教
比例积分控制规律。
1.
点难学教
1.无静差直流调速系统。
安容及排学教内
视频内容
论讨堂课
一、积分调节器和积分控制规律1.积分调节器）sU（1ex?
（s?
）W积分调节器的传递函数为：
i?
sU（s）in积分调节器的特性如图所示：
）
L（ωUU-20dBL/dBinex
Uexm
O?
ω1/Uex
Uin
ΦO
ω/2π-）ωΦ（Ot
图b）Bode阶跃输入时的输出特性a）
当转速在稳态时达采用积分调节器，、2转速的积分控制规律：
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。
比例调节器的输出只取决于输入偏3比例与积分控制的比较：
、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。
：
比例积分控制综合了比例控制和积分二、比例积分控制规律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U?
maxn?
n转速反馈系数：
max
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直流调速系统的稳态误差分析2.3.3直流调速系统的数字控制2.4微机数字控制的特殊问题2.4.1
第8次课/学时
2学时
教学目的及要求
1.三种调节器在阶跃给定输入的稳定误差；
2.扰动引起的稳态误差3.数字控制的特点
点重教学
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。
点难学教
教学内容及安排
视频内容
论讨课堂
一、阶跃给定输入和扰动引起的稳定误差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。
比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，故存2）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。
数字量化：
量化的原则：
在保证不溢出的前提下，精度1.K越高越好。
可用存储系数来显示量化的精度采样频率的选择2.）采样定理。
在一般情况下，可以令采样香农（Shannon1T为控制对象的最小时间常数。
周期，T?
Tminminsam（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
授课教案
第2章转速反馈控制的直流调速系统转速检测的数字化2.4.2
第9次课/学时
2学时
教学目的及要求
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。
点重教学
1.数字测速指标：
分辨率、误差率。
法测速。
M/T法测速，T法测速，2.M
点难教学
排安及容内学教．
视频内容
论讨堂课
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，用符说明该测速方法的分辨能力越越小，。
Q号Q表示。
n?
n?
Q12强。
．测速误差率2之比定义为测速转速实际值和测量值之差与实际值nn?
n?
测速误差率反映了测速方法的准确性，，误差率，?
%%?
100?
n越小准确度越高。
M法测速3.3.2
，用以计算时间内旋转编码器输出的脉冲个数M测取T1C这段时间内的平均转速，M601r/minn?
称作Ｍ法测速电机的转速为ZTc1?
100?
%?
%M法测速的分辨率：
maxM160M法测速误差率：
?
QZT法测速适用于高速段。
Mc法测速：
记录编码器两个相邻输出脉冲间的高频T3.3.3
：
为高频脉冲频率。
电机转速脉冲个数M，f02f602Zn法测速的分辨率：
T0r/minn?
?
QZn?
60fZM01Ｔ法测速误差率：
2?
%100%?
?
max1M?
2T法测速适用于低速段。
M/T法测速3.3.4
时间内旋转编码器输法结合起来，既检测T把M法和TC又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数，出的脉冲个数M1法测速。
M，用来计算转速，称作M/Tf60MM602011r/min?
?
n电机转速ZMZT2t
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及其静态特性
双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分析3.2
学时/次课10第
学时2
教学目的及要求
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。
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、双环系统抗扰性能及两个调节器的作用不饱的影响）
点重学教
双闭环直流调速系统的静特性。
1.
2.转矩控制的概念，双闭环系统的分析方法。
点学难教
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。
1.
学内容及安排教
视频内容
论讨课堂
一、转速、电流双闭环调速系统组成由根据要求，将电流、转速调节器分别用两个调节器，转速环的输出作为于是调速系统，所以转速环为外环，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、电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制的直流调速系统的设计3.3
第11次课/学时
2学时
教学目的及要求
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。
点重学教
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。
点学难教
教学内容及安排
视频内容
论堂讨课
一．工程设计方法的基本思路――确保系统稳定选择调节器的结构――尽量采用典型系1.统选择调节器的参数――2.满足系统性能指标二．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抗扰性能指标：
动态降落及恢复时间2．三．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
非典型系统典型化：
包括调节器结构选择和传递函数四．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3.4
第12次课/学时
2学时
教学目的及要求
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。
点学重教
1.电流环、转速环的设计。
点难教学
1.退饱和超调量的计算。
及安排内教学容
视频内容
论堂讨课
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
电流调节器参数的计算．3
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可逆调速系统PWM直流4.1
第13次课/学时
2学时
教学目的及要求
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。
桥式PWM组成原理、速度反向的过渡过程和能量回馈。
2.熟悉可逆直流调速系统的组成PWM单片机控制3.
点重教学
桥式PWM变换的原理速度反向时的工作过程。
：
点难教学
排安及容内学教．
视频内容
论讨堂课
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4.2V-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
可逆直流调速系统的控制4.2.2V-M
第14次课/学时
2学时
教学目的及要求．
1.熟悉有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统及其控制。
系统。
V-M2.α=β配合控制
升级会员 