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2010年01月学时分配教学内容课堂讲授课堂讨论录像实验合计第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2.1.1晶闸管—电动机系统22.1.2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特性22.3转速反馈控制的直流调速系统2.3.1转速反馈控制直流调速系统的数学模型22.3.2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2.4.1微机数字控制的特殊问题22.4.2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23.3转速、电流反馈控制的直流调速系统的设计23.4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2第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统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24.2.3转速反向的过渡过程分析2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25.2异步电动机的调压调速25.3异步电动机的变压变频调速25.4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25.4.4电流跟踪PWM控制技术5.4.5电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术25.5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2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26.4-6.5异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型和状态方程26.6基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统26.7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实验3SPWM电压源型变频调速实验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关键作用。教学重点1.电力拖动自动控制系统的应用以及三种调速方法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,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：eUIRnK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。教学重点1.重点是晶闸管—电动机系统的机械特性及传递函数教学难点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：晶闸管装置的精确传递函数为：传递函数可近似成一阶惯性环节。cdsUUKsTKsUsUsWse)()()(sc0dssTKsWsss1)(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。教学重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。教学难点桥式可逆PWM变换器工作原理。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：1)(ssssTKsW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。教学重点1.稳态性能指标以及之间的关系。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。1）调速范围2）静差率3）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：开环系统速降：edNNCRIn举例计算，以量化的指标感性认识开环系统的问题。maxminnDn0Nnns)1(NNsnsnD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。教学重点1.闭环调速系统的组成及其静特性。教学难点2.转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型。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：开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系：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。)1()1()/1(ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKnKnn1opclKss1opclopclDKD)1(教学重点教学难点1.开环系统特性和闭环系统特性的关系。2.比例控制闭环直流调速系统的动态稳定条件。教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:右边称作系统的临界放大系数Kcr，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。s2ssm)(TTTTTTKll教学重点1.比例积分控制规律。教学难点1.无静差直流调速系统。教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.积分调节器积分调节器的传递函数为：积分调节器的特性如图所示：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ssUsUsW1)()()(inexiL(ω)UexUinUexmtUinUexOa)阶跃输入时的输出特性Φ(ω)ωL/dBO-20dB1/ωΦO-π/2b)Bode图max*maxnnU2.4.1微机数字控制的特殊问题第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.数字控制的特点教学重点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。教学难点教学内容及安排视频内容课堂讨论一、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。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.采样频率的选择香农（Shannon）采样定理。在一般情况下，可以令采样周期min)10~4(1TTsam，minT为控制对象的最小时间常数。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2.4.2转速检测的数字化第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。教学重点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。教学难点教学内容及安排