运动控制系统电子教案.doc

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运动控制系统

《运动控制系统》

教案

绪论

（1学时）

教学目的、要求：

本节主要介绍课程的性质、任务、特点以及自动控制系统中的一些基本概念

教学方式：

采用多媒体课件。

教学设计：

最初接触这一门课程，首先介绍课程的性质、解决任务、工程中的地位以及本课程的特点。

讲解清楚教材的特点，选用教材的依据以及教师的讲解思路。

初步使学生建立起本门课程的知识框架，用实际的工程事例激发学生的学习兴趣。

一、课程的性质、任务、特点、分类及工程应用

性质：

理论与实践紧密结合的、自动化专业学生必修的专业技术课。

任务：

研究自动控制系统的控制规律、研究交直流的各种调速方式。

特点：

1）综合性强:

涉及到的课程较多电子技术、变流、电拖、自控原理等；

2）实践性强:

与工程实际相联系；

1、2、3、4章

直流调速

交流调速

3）通用性强:

研究系统的控制规律，如社会、经济、生物等。

控制系统的分类

运动控制系统

过程控制系统、计算机控制系统　

6、7、8章

工程应用实例：

机床的控制、家用电器、电力拖动

实验三个共8学时，其中6学时为必做实验，2学时为选做实验。

其特点：

实践性强，时间占用较长。

二、讲课方式：

多媒体讲解、黑板上讲解、课堂讨论、自学。

讲授方法有：

传统式、启发式、逆向式、讨论式、探究式，展示最新科学技术等方式。

三、参考文献：

孙树朴等，《电力电子技术》，中国矿大出版社，2000，北京。

张明达，《电力拖动自动控制系统》，冶金工业出版社，1983，北京。

贺益康等《电力电子技术》，浙江大学出版社；

四、考核方式：

笔试70分，实验10分，科技论文10分，

作业及课堂表现10分，科技活动奖励5分。

五、电力拖动自控系统一般概念（自动控制原理中已经学过）

1、开环系统

2）闭环系统

增设了控制及反馈装置，利用实测的参数作为反馈信息量，与原先设定的指令相比较，以完成自动调节作用。

3）综合自动化控制

4）系统的性能指标

一）系统的稳定性。

当扰动或给定值发生变化时，输出量将会偏离原来的稳定值。

这时，通过内部自动调节，系统可能回到（或接近）原来的稳定值或跟随给定值稳定下来。

二）系统的动态性能指标。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。

系统的对象和元件通常都具有一定的惯性（如机械惯性，电磁惯性，热惯性等）系统中各种量值的变化不可能是突变的。

因此从一个稳态过渡到新的稳态，都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。

第一章直流单闭环调速系统

§1-1晶闸管—电动机（V-M）调速系统的特点

目的、教学要求：

此部分内容在前述课程《电力电子技术》中已学过，要求学生课后复习，在此基础上掌握晶直流调速电源的特点、闸管—电动机（V-M）调速系统的调速方法。

重点、难点：

触发脉冲相位控制，晶闸管—电动机（V-M）调速系统电流连续、断续时V-M系统机械特性。

主要内容：

电流波形的连续与断续,电流连续时V-M系统机械特性,电流断续时V-M系统的机械特性。

思考：

①晶闸管—电动机（V-M）调速系统电流波形连续与断续的条件？

②与一般直流电源相比，V-M系统的特点？

　③V-M系统机械特性如何？

教学设计：

从直流电动机转速方程入手，分析三种调节电动机转速的方法，通过讲解各种方法的优缺点，引申出本章核心内容：

调压调速。

而调压调速系统需要有专门向电动机供电的可控直流电源。

进一步引入几种主要的可控直流电源。

在对比的基础上，总结出各种可控直流电源的特点，最后明确把晶闸管整流装置输出电压看作直流电源给电动机供电的V-M系统

。

针对晶闸管—电动机（V-M）调速系统的特点，通过启发性的提问使学生回忆先修课《电力电子技术》整流装置的有关内容，再通过调速系统的角度分析

晶闸管整流装置输出电压看作直流电源给电动机供电，与一般直流电源相比，V-M系统的特点：

一、触发脉冲相位控制

二、电流波形的连续与断续  

三、V-M系统的机械特性

教学方式方法：

绪论和可控直流电源、触发脉冲相位控制等容易理解的内容采用多媒体讲授，难点部分教师在黑板上详细讲解，如：

电流连续、断续时V-M系统机械特性。

采用启发式，逆向提出问题→解决问题→设计电路系统

§1-2反馈控制闭环调速系统的稳态分析

目的、教学要求：

使学生准确掌握调速的基本概念、调速性能指标之间的内在关系，以及开环系统所存在的问题。

重点、难点：

静差率与调速范围的的关系与内在联系，静差率与机械特性硬度之间的关系。

主要内容：

调速的基本概念；调速范围、静差率和额定速降之间的关系；开环系统所存在的问题。

思考：

①静差率与机械特性硬度的关系？

③为什么说调速范围和静差率不是彼此孤立的，必须同时考虑才有意义？

教学设计：

简要讲述调速性能指标三个概念调速、稳速、加、减速，静差率及其与机械特性的硬度的关系，联系工程实际，重点探讨调速范围、静差率和额定速降之间的关系。

然后以某一龙门刨床工作台直流电动机开环调速系统为例，分析其性能和存在的问题，该部分内容要求学生自己利用调速指标计算、分析，得出其性能特点，提出问题，思考解决开环系统速降太大的解决方法。

通过启发，由学生提出问题的解决方法－引入反馈控制

教学方式方法：

该部分内容较容易理解，采用多媒体讲授。

§1-3反馈控制闭环调速系统的稳态分析

教学目的、要求：

熟悉掌握闭环系统的组成及静特性、闭环调速系统与开环系统的性能比较，降低速降的实质。

重点、难点：

闭环系统能降低速降的实质。

主要内容：

闭环系统的组成及静特性方程的推导、闭环调速系统与开环系统的性能比较，闭环系统能降低速降的实质是什么？

思考题：

①闭环系统能降低速降的实质是什么？

②写出当负载突减时，系统的自动调节过程。

③闭环静特性是如何形成的？

为什么开环中转速与电流（转矩）的关系称作为机械特性，而闭环系统中转速与电流（转矩）的关系称作闭环静特性？

④单闭环调速系统的基本性质是什么

教学设计：

①通过引入三幅flash动画生动说明静特性与开环机械特性的区别，通过展示实物照片来说明形成闭环的方式手段。

　　　　　②通过一个直流有静差调速系统来计算系统的各部分参数（简要介绍）PPT讲

　　　　　③采用逆向思维方式来提出闭环系统存在的问题，通过启发提出解决问题的办法，由此引出截止环节

一、闭环调速系统的动态数学模型

（一）直流它励电动机的数学模型

该环节的内容从直流电动机等效电路入手，确定直流它励电动机的数学模型及动态结构图，教师讲解思路，学生自学。

以三相半波整流电路为例来讲解，多媒体动画演示

（二）晶闸管触发和整流装置数学模型及动态结构图

失控时间：

Ts的概念。

（）

从控制电压变化开始到发生变化之间的时间间隔称为失控时间，最大失控时间为两个相邻自然换相点之间的时间，即

相对于整个系统的时间响应来说，是不大的。

通常可用简单算术平均值，即，不同整流电路取值不同。

晶闸管触发器和整流装置输入输出关系为

应用拉氏位移定理，其传递函数为

将按泰勒级数展开，则上式变成

由于很小，可忽略高次项，可将晶闸管变流装置近似成一阶惯性环节来处理，其传函为

（三）比例放大器和发电机传函

由于比例放大器和测速发电机输出响应可认为是瞬时变化的，其传函为

，

将上述四个环节按系统中的相互关系连接在一起，便得到闭环调速系统的动态结构图

二、闭环调速系统的数学模型和稳定条件

当不考虑负载，即=0时，系统开环传函为

闭环系统传递函数为

1．稳定条件

根据反馈控制闭环调速系统的特征方程和劳斯--古尔维茨判据，可以推导出其稳定条件为

或

可得

系统的临界放大系数Kcr，当K＞Kcr时，系数将不稳定。

强调：

对于一个自动控制来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。

三、单闭环直流调速系统的组成及静特性

Flash演示

特点：

①把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成闭环控制；

②测速环节：

直流测速发电机，与直流电机同轴联结；；

③设置放大器

1．详细讲述闭环系统的组成及特点

**提问：

运用自控原理的知识，如何推导闭环系统的特性方程？

利用自动控制原理中传函的化简原理，得到调速系统的静特性方程式，从而得出系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同，故定名为“静特性”，

结论：

闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设检测与反馈装置和电压放大器。

然后进行四、开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较分析：

 接下来重点分析降低速降的实质是什么呢？

闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。

以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：

FLASH动画演示

主要例题：

当负载突增时，系统的自动调节过程。

该部分内容采用多媒体讲授。

最后总结具有比例调节器的单闭环调速系统的基本性质，强调指出：

有静差系统的概念。

全面地看，反馈控制系统一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随这给定作用，对给定信号的任何变化都是惟命是从的。

而系统精度依赖于给定和反馈精度

四、反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算

㈠运算放大器：

提问：

比例放大器的放大系数计算方法？

分析其输入输出特性，

该部分在黑板上推导。

总结比例调节器特点：

注意比例调节器的输出电压与输入电压成反比，其输出量能立即响应输入量的变化。

画出其结构图。

㈡晶闸管整流与触发装置

若初步估算，即在条件下，用两个量的设计最大值估算，即。

也可估算，

㈢稳态参数计算举例

以转速单闭环有静差调速系统为例,讨论静态参数计算。

先提出该类问题的分析思路，解题步骤，然后，要求同学们当堂计算，最后点出计算过程中的注意点和难点。

五、单闭环调速系统的限流保护——电流截止负反馈

 首先启发学生明确一点：

闭环存在的问题，引入电流截止环节，然后 请同学们自己设计该环节电路，之后，老师提供出两个实际电路，请同学们比较各自的优缺点。

最后对带电流截止负反馈的单闭环调速系统进行静特性分析：

学生了解了引入电流截止负反馈的目的及所起的作用后，总结对带电流截止负反馈的单闭环调速系统进行静特性分析，也叫“挖土机特性”

§1-4积分、比例积分控制规律和无静差调速系统

教