第0章 电力拖动控制系统运动控制

我为什么要学该课？我会喜欢这门课吗？我能学好吗？课程信息开课院系：工程学院自动化与测控系课程编号：082303101217英文名称：AutomaticControlSystemofElectricalDrives课程总学时：48（含实验或实践学时：12）总学分：3使用教材：《电力拖动自动控制系统》编者：陈伯时出版社：机械工业出版社出版时间及版次：2003年第三版自动化专业最重要的课程是什么？课程教学目标与基本要求本课程是自动化专业的一门的专业课。它应该使学生获得比较宽广的、巩固的有关电机拖动和自动控制的基本理论知识、相应的分析计算能力以及一定的实验技能的训练。培养学生提高分析和解决工程实际问题的能力。在学完本课程后，应达到下列要求１、掌握直流调速系统中单闭环、多环和可逆系统基本组成和控制规律、静态和动态性能分析及工程设计方法，直流调速系统地数字控制。２、掌握交流调压调速系统和变频调速系统的基本组成、工作原理和性能特点。考试形式闭卷考试实验平时考试课程内容第一章闭环控制直流调速系统1．直流调速系统用的可控直流电源2．V-M系统的特殊问题(1学时)3．脉宽调制变换器及调速系统的特殊问题4．反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计5．反馈控制闭环调速系统的动态分析和设计6．无静差调速系统和积分、比例积分控制规律7．电压反馈、电流补偿控制的调速系统课程内容第二章多环控制直流调速系统1．转速、电流双闭环调速系统及其静态特性和动态性能2．调节器的工程设计方法3．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4．弱磁控制的直流调速系统课程内容第三章直流调速系统的数字控制1．微型计算机数字控制的主要特点2．微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件3．数字测速4．数字PI调节器5．按离散系统设计数字控制器课程内容第四章可逆调速系统和位置随动系统1．可逆调速系统的可逆线路、制动问题及其环流问题2．有环流可逆调速系统3．无环流可逆调速系统4．位置随动系统课程内容第五章交流调速的基本类型和交流变压调速系统1．交流调速的基本类型2．闭环控制的交流变压调速系统课程内容第六章异步电动机变压变频调速系统1．变频调速的基本控制方式2．静止式变频装置3．正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器4．异步电动机电压、频率协调控制的稳态机械特性5．转速开环、恒压频比控制的变频调速系统6．转速闭环、转差频率控制的变频调速系统7．异步电动机的多变量数学模型和坐标变换8．矢量控制的变频调速系统交流调速按对象划分异步电动机调速同步电动机调速按Ps变化情况划分Ps功率消耗型Ps功率回馈型Ps功率不变型交流调压调速系统串级调速变频调速实现方式SPWM按对象划分他控同步电动机变频调速系统自控同步电动机变频调速系统实现方式次同步串级调速系统超同步串级调速系统恒U1/ω1控制恒Eg/ω1控制恒Er/ω1控制转速开环恒压频比控制变频调速系统转速闭环转差频率控制变频调速系统矢量控制变频调速系统实验内容实验一:晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验实验二:单闭环不可逆直流调速系统实验实验三:双闭环三相异步电机调压调速系统实验实验四:双闭环三相异步电机串级调速系统实验学习参考书《电力拖动自动控制系统》张明达，冶金工业出版社《电机控制系统》赖福新，上海交通大学出版社《运动控制系统》罗非编著化学工业出版社2001年9月《电力拖动自动控制系统》马志源编著科学出版社2004年3月《实用变频调速技术》张燕宾等编著机械工业出版社2004年8月《电力拖动运动控制系统》丁学文，机械工业出版社2007年9月教学改革的尝试1.加强伺服系统控制比重2.增加步进电机控制、开关磁阻电机、微特电机等内容3.BB网络平台重复考试我为什么要学该课？专业核心课程的具体应用，兼有理论课和技术课的特点，是打通自动化专业理论和实践的桥梁，也是打通强电弱电、机械电子、检测与控制、信息与系统、硬件与软件的桥梁。（练拳不练功，到老一场空；花拳绣腿，非真功夫）我会喜欢这门课吗？课程确实有些枯燥（理论），而且还有危险（强电、电机运动），但是一种修炼，可以受用终生。（职场小说：佛与石阶、长跑）我能学好吗？付出行动、思考、感悟，一定能学好，并从中受益。（没有笨徒弟，只有笨师傅）希望长跑坚持下来的人越多越好！0.绪论0.1运动控制系统0.1.1什么是运动控制系统0.1.2运动控制系统的分类0.1.3运动控制系统的基本结构0.2电力拖动控制系统0.2.1什么是电力拖动控制系统0.2.2电力拖动控制系统的分类0.2.3电力拖动控制系统的基本结构0.3运动控制系统的发展过程及应用0.4运动控制系统的发展趋势0.1.1什么是运动控制系统运动控制系统（motioncontrolsystem）：是以机械运动的驱动设备—电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。0.1.2运动控制系统的分类按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统；以角位移或直线位移为被控量的系统叫位置随动系统，有时也叫伺服系统。按驱动电机类型分：用直流电机带动生产机械的为直流传动系统；用交流电机带动生产机械的为交流传动系统。按控制器的类型分：以模拟电路构成的控制器叫模拟控制系统；以数字电路构成的控制器叫数字控制系统。0.1.3运动控制系统的基本结构图1.1运动控制系统的基本结构表中各部分的不同组合，可以构成不同的运动控制系统。电动机部分、功率驱动部分和控制器中的大部分内容分别在其他课程中有介绍，但它们组合成完整的运动控制系统以后，有哪些新的控制要求，如何分析系统的性能，如何设计控制器使系统达到较高的性能指标，在实际应用中存在哪些具体问题，以及如何解决等，这些都是个课程要解决的问题。0.2.1什么是电力拖动控制系统采用动力设备(或称原动机)带动工作机械作形式不同的运动称为“拖动”，采用电动机作为动力设备的拖动方式称为“电力拖动”，在工业生产中电力拖动是最主要的拖动方式。具有自动控制和调节工作机械的速度或位移的电力拖动系统称为“电力拖动控制系统”。实际上工作机械的速度控制或位移控制是通过控制和调节电动机的转速和转角来实现的。从电能的转换及传递(传输)角度来看，把电力拖动称为电力传动，把电力拖动控制系统称为电力传动控制系统。由于这类系统的基本任务是通过控制和调节电动机的旋转速度或转角来实现工作机械对速度或位移的要求，因此把电力拖动控制系统又称为运动控制系统。0.2.2电力拖动控制系统的分类电力拖动控制系统按被控制量的不同分为两大类：以电动机的转速为被控制量的系统叫做调速系统；以工作机械的角位移或直线位移为被控制量的系统叫做位置伺服系统，又叫做位置随动系统。电力拖动控制系统还有其他多种类型，如张力控制系统，多电动机同步控制系统等。虽然电力拖动控制系统种类很多，但是，各种电力拖动控制系统都是通过控制电动机转速来工作的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。0.2.3电力拖动自动控制系统的基本组成0.3运动控制系统的发展过程及应用由于历史上最早出现的是直流电机，所以19世纪80年代以前，直流电气传动是惟一的电气传动方式。直到19世纪末，出现了交流电，且解决了三相制交流电的输送和分配问题，并制成了经济适用的鼠笼异步电机，这就使交流电气传动在工业中逐步地得到广泛的应用。由于大量使用异步电机，严重影响到电网的功率因数，同步电机的诞生和使用大大缓解了功率因数问题。在20世纪的大部分时间里，基本形成直流调速、交流不调速的格局。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。近三四十年来，使交流调速逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了产品的系列化，从调速性能上完全可与直流调速系统相媲美。目前交流调速系统已占据主导地位。运动控制系统的发展过程及应用（续）随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制，再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速，再后来用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统的快速性、可靠性、经济性不断提高。调速性能的不断提高使直流调速系统应用非常广泛。然而，由于直流电机具有电刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护麻烦，使用环境受到限制等缺点，并且很难向高转速、高电压、大容量发展，因而逐渐显示出直流调速的弱点。0.4运动控制系统的发展趋势(1)高频化。在功率驱动装置中，低频的半控器件-晶闸管在中小功率范围将被高频的全控器件-大功率晶体管所代替，这样既可以提高系统性能，又可以改善电网的功率因数。(2)交流化。随着交流调速系统成本的逐步降低，不仅现有的直流调速系统将被交流调速系统取代，而且，大量的原来恒速运行的交流传动系统将改为交流调速系统，原来直流调速所不能达到的高转速、大功率领域，也将采用交流调速系统。0.4运动控制系统的发展趋势（续）(3)网络化。随着系统规模的扩大和系统复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模的多机协同工作的高度自动化的复杂系统，这就需要计算机网络的支持，传动设备及控制器作为一个节点联到现场总线或工业控制网上，实现集中的或分散的生产过程实时监控。