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1、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：Automation Control System by Power Driving2、课程类别：专业方向课程3、课程学时：总学时64，实验学时84、学 分：45、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
2、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，能够熟练应用典型型、典型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
3、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，
4、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
5、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
6、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
7、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，典型型系统性能指标和参数的关系，典型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
8、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
9、，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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
