运动控制系统教学教案 一、编写说明 （一）本课程的性质、地位和作用 本课程是本科自动化专业工业电气自动化方向的专业限选课之一。通过本课程的学习，使学生掌握直流调速系统、交流调速系统的基本理论以及系统分析、工程设计方法，学会将自动控制的理论和方法应用到交、直流电动机调速系统中，培养学生综合运用所学知识、解决实际问题的能力，为成为电气自动化的工程人员打下良好的理论基础。 （二）教学基本要求 1．通过本课程的学习，学生应了解以下知识：电力拖动自动控制技术的发展、应用以及在本专业学科领域的地位和作用；电力拖动自动控制系统的主要结构特点以及基本性能指标；直流脉宽调速系统的基本控制模式；微机数字控制系统的主要特点；微机数字控制双闭环直流调速系统硬件和软件。 2．通过本课程的学习，学生应熟悉以下知识：建立闭环调速系统各典型环节静态、动态数学模型的一般方法；数字测速与滤波的实现方法；系统工程设计中的近似处理原则和方法；转速、电流双闭环直流调速系统的工程设计思路、方法；有环流可逆闭环调速系统的工作原理和实现方案；SPWM逆变器的控制模式和实现方案；变频调速的基本控制方式。 3．通过本课程的学习，学生应掌握以下知识：利用静态结构框图分析系统稳特性的方法；利用动态结构图分析系统稳定性和动态性能的方法；带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的稳态分析、参数设计；转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程分析、调节器的工程设计；微机数字控制系统中的数字测速；异步电动机变压变频调速系统中的脉宽调制技术；绕线式异步电动机串级调速原理。 （三）课程教学方法与手段 以课堂讲授为主，辅以习题和实验。 （四）实践环节 1．实验：不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 主要内容和要求：测试带转速负反馈有静差调速系统的静特性，并与无转速负反馈时的开环机械特性进行比较。 学时分配：2学时 2．实验：转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统 主要内容和要求：测定开环机械特性及闭环静特性，测定闭环控制特性。 学时分配：3学时 3．实验：双闭环三相异步电动机调压调速系统 主要内容和要求：测定绕线式异步电动机转子串电阻时的人为机械特性及双闭环交流调压调速系统的静特性、动态特性。 学时分配：3学时 4．实验：三相异步电机SPWM变频调速系统的实验 主要内容和要求：测试不同输出频率、不同调制方式时的调速特性及低压补偿特性。 学时分配：2学时 5．实验：双闭环三相异步电动机串级调速系统 主要内容和要求：测定开环串级调速系统的机械特性，测定双闭环串级调速系统的静特性。 学时分配：2学时 （五）教学时数分配表 （六）本课程与其它课程的联系 本课程应在《电机拖动基础》、《电力电子技术》、《自动控制理论》等课程之后开设。本课程综合了运用了多门课程的知识，《电机拖动基础》为学习本课程奠定了交、直流电机原理及应用基础，《电力电子技术》为本课程提供了电力电子功率变换装置方面的知识，《自动控制理论》提供了控制理论知识。 （七）教材与主要参考书 教材： 《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》（第4版） 陈伯时主编 机械工业出版社 2009.8 主要参考书： 1.《电力拖动自动控制系统》（第2版） 陈伯时主编 机械工业出版社 1999 2. 《运动控制系统》 尔桂花主编 清华大学出版社 2002 （八）说明 1.实验内容可以根据实验设备及具体情况稍加变动。实验至少保证12学时。 2.本课程考核以平时成绩占30%，期末考试成绩占70%来评定。平时考核学生出勤情况、完成作业、完成实验、课堂提问等情况，期末考试采用笔试。 二、教学内容纲要 第1章 绪论 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握运动控制系统的基本概念、组成、转矩控制规律。 2．了解运动控制系统的历史及发展情况。 3. 熟悉生产机械的负载转矩特性。 二、教学内容 1.1运动控制系统及其组成 运动控制系统的概念及其组成 1.2运动控制系统的历史与发展 运动控制系统的历史及发展情况 1.3运动控制系统的转矩控制规律 运动控制系统的转矩控制规律 1.4生产机械的负载转矩特性 三类负载转矩特性 第2章 转速反馈控制的直流调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1.掌握直流调速系统用的可控直流电源及其原理、动态数学模型，了解V-M系统、直流PWM调速系统的特点。 2.熟悉调速系统的稳态性能指标，熟记其计算公式，熟练掌握直流调速系统的机械特性。 3.掌握反馈控制直流调速系统的组成、工作原理、稳态结构框图及静特性分析、动态数学模型及动态分析，掌握积分、比例积分控制规律。 4.熟悉直流调速系统的数字控制问题。 4
5.掌握电流截止负反馈环节的工作原理及带电流截止负反馈直流调速系统的静特性。 6.熟悉调速系统的仿真过程。 二、教学内容 2.1 直流调速系统用的可控直流电源 1. V-M系统的触发脉冲相位控制、电流波形连续与断续、 2. V-M系统的原理及其机械特性，晶闸管触发与整流装置的数学模型 旋转变流机组原理及静止可控整流器优缺点 3. PWM变换器工作原理、数学模型，直流PWM调速系统的机械特性 2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 稳态调速性能指标、直流调速系统的机械特性 2.3转速反馈控制的直流调速系统 1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型 2. 比例控制直流调速系统的静特性、反馈控制规律 3. 积分、比例积分控制规律 4. 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 1 微机数字控制的特殊问题、数字测速方法及应用场合 2. 转速检测的数字化、数字PI调节器 2.5反馈控制直流调速系统的限流保护 1.转速反馈控制直流调速系统的过电流问题 2. 电流截止负反馈环节的工作原理及其输入输出特性 3. 带电流截止负反馈的直流调速系统稳态分析、参数计算 2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真 仿真模型的建立、运行及调节器参数的调整 第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性、起动过程分析。 2. 熟悉转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型、动态抗扰性能分析。 3．熟悉调节器的工程设计方法。 4．熟悉转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真。 二、教学内容 3.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性 1. 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 2. 系统稳态结构图与参数计算、静特性分析 3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析 1. 系统起动过程分析 2. 系统动态抗扰性能分析、调节器的作用 3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计 1. 控制系统的动态性能指标 2. 调节器工程设计方法的基本思路 3. 典型Ⅰ型、Ⅱ型系统参数与系统动态性能指标之间的关系，按工程设计法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器 3.4转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真 电流环的＂仿真，转速环的系统仿真 第4章 可逆控制的直流调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握桥式可逆PWM变换器的工作原理，直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程。 2．了解直流PWM功率变换器的能量回馈，单片微机控制的PWM可逆直流调速系统的硬件、软件。 3. 掌握V-M可逆直流调速系统线路、环流问题。 二、教学内容 4.1直流PWM可逆调速系统 1. 桥式可逆PWM变换器电路、工作原理 2. 直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程 3. 直流PWM功率变换器的能量回馈、单片微机控制的PWM可逆直流调速系统 4.2 V-M可逆直流调速系统 1. 系统主电路及环流 2. 配合控制的有环流可逆V-M系统 3. 转速反向的过渡过程分析 第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．了解异步电动机的稳态数学模型，熟悉异步电动机的调速方法。 2．掌握异步电动机调压调速的机械特性，转速闭环控制的交流调压调速系统组成、静特性 3．掌握变压变频调速的基本原理及其机械特性，变频器的基本结构，SPWM技术。 4. 了解转速开环变压变频调速系统结构及实现。 5. 掌握转差频率控制的概念及特点，了解转差频率控制系统结构及性能分析。 5.1异步电动机的稳态数学模型和调速方法 1. 异步电动机的稳态数学模型 2. 异步电动机的调速方法及气隙磁通 5.2异步电动机的调压调速 1. 系统主电路、调压调速的机械特性 2. 闭环控制的调压调速系统 5.3异步电动机的变压变频调速 1. 变压变频调速的基本原理、机械特性 2. 基频以下的电压补偿控制 5.4电力电子变压变频器 1. 变频器的结构分类，交-直-交PWM变频器主电路 2. SPWM技术 3. 消除指定谐波的PWM控制技术、电流跟踪PWM控制技术 5.5转速开环变压变频调速系统 系统结构及实现 5.6转差频率控制的变压变频调速系统 1. 转差频率控制的基本概念及特点 2. 系统结构及性能分析 第6章 绕线转子异步电动机双馈调速系统 一、教学基本要求 通过本章学习，要求学生 1．掌握异步电动机双馈调速工作原理、串级调速系统的工作原理。 2．熟悉串级调速系统类型、机械特性。 3. 掌握双闭环串级调速系统结构、原理。 二、教学内容 6.1绕线转子异步电动机双馈调速工作原理 1 转子附加电动势的作用 2. 双馈调速的五种工况 6.2绕线转子异步电动机串级调速系统 串级调速系统的工作原理 2.串级调速系统的类型 6.3串级调速的机械特性 1 串级调速机械特性的特征、 2. 转子整流电路、机械特性方程式 6.4双闭环控制的串级调速系统 系统结构、原理