电力拖动自动控制系统第一章概论

《运动控制系统设计》课程设计报告设计题目：转速、电流双闭环直流调速系统设计与实践班级：04 级自动化一班学号:姓名：指导教师：设计时间：2007.11.20 —2007.12.14目录摘要第一章概述第二章设计任务及要求2.1设计任务：2.2设计要求：2.3理论设计3.1方案论证3.2系统设计3.2.1电流调节器设计3.2.1.1确定时间常数3.2.1.2 选择电流调节器结构3.2.1.3计算电流调节器参数3.2.1.4 校验近似条件3.2.1.5 计算调节器电阻和电容3.2.2速度调节器设计3.2.2.1 确定时间常数3.2.2.2 选择转速调节器结构3.2.2.3 计算转速调节器参数3.2.2.4 校验近似条件3.2.2.5 计算调节器电阻和电容3.2.2.6 校核转速超调量第三章系统建模及仿真实验4.1MATLAB 仿真软件介绍4.2仿真建模及实验4.2.1单闭环仿真实验4.2.2双闭环仿真实验4.2.3仿真波形分析第四章实际系统设计及实验5.1 系统组成及工作原理5.2 设备及仪器5.3 实验过程5.3.1 实验内容5.3.2 实验步骤第五章总结与体会参考文献摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。

双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。

由于其机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。

动静态性能好，抗扰性能佳。

速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。

电流环校正成典型I型系统。

为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。

根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。

电力拖动自动控制系统虽然主要介绍电机的控制，并且以转速控制为主要对象，但其应用并不局限于此。

在数控机床等伺服控制范畴的应用更为广泛，这类控制与调速控制上的控制学原理是一致的，因此老师增加了位置控制、张力控制等章节，扩大了传动控制的范围，增加了知识点。

电机的控制与温度、流量、压力等控制也有共性，老师在教学过程中适当的引导，有利于拓展我们的思路，有利于我们应用知识能力的培养。

突破自动化就是调速的局限，而把自动化的主要专业课电力拖动自动控制系统作为控制理论和计算机应用的典型示例来讲并扩大其复盖范围，对促进自动化专业的建设和改造有重要意义。

实验在电力拖动自动控制系统课中始终占重要的地位，也是系统课程教改的重点。

目前，学校已经开发了大型综合性的实验，并和课程设计相结合单独设课，对我们实践能力的培养起了重要的作用。

理论教学、实验教学以及课程设计的结合为我们自动化学生工程能力培养创造了良好的机制，也已经发挥了积极作用。

但是在运行中目前的教学形式和手段在激发学生的创造性方面尚显不足。

实验的条件是有限的，一组多人且受时间限制，训练往往不充分，我们要充分利用现有的实验设备，完成任务，达到学习的目标。

主要内容及学习要点：第一章绪论1、电力拖动控制系统的基本类型（1) 直流电机拖动控制系统的基本类型（2）交流电机拖动控制系统的基本类型2、现代电力拖动控制系统的物质基础第二章闭环控制得直流调速系统1、转速控制得要求和调速指标（1）调速范围D（2）静差率S（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系2、闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图3、开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较4、闭环系统能够减少稳态速降得实质5、反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）6、反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算7、截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性8、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数以及稳定条件9、PI调节器的设计10、无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构，积分调节器与比例调节器的区别，比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别11、无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算第三章多环控制的直流调速系统与调节器的工程设计方法1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图2、双闭环直流调速系统PI调节器在稳态时的特性：（1）饱和——输出达到限幅值（2）不饱和——输出未达到限幅值3、双闭环直流调速系统的静特性4、双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系、稳态工作点和稳态参数的计算5、双闭环直流调速系统启动过程中电流和转速的三个阶段：（1）电流上升阶段（2）恒流升速阶段（3）转速调节阶段6、双闭环直流调速系统的动态性能（1）动态跟随性能（2）动态抗绕性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动7、转速、电流两个调节器的作用8、调节器的工程设计方法的基本思路，以及典型Ⅰ、Ⅱ型系统的系统结构、参数和动态性能指标的关系9、按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器（1）电流调节器的设计①电流环的动态结构图②电流调节器的结构选择③电流调节器参数的选择（2）转速调节器的设计①转速环的动态结构图②转速调节器的结构选择③转速调节器参数的选择（3）电流调节器和转速调节器的实现10、双闭环直流调速系统中外环和内环的作用11、带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点第四章可逆控制和弱磁控制得直流调速系统1、晶闸管——电动机系统可逆线路的种类2、晶闸管——电动机系统回馈制动3、环流的概念、种类4、直流平均环流，α=β工作制配合控制得结构、特点、实现和作用5、产生脉动环流的原因，抑制的方法6、有环流可逆调速系统的基本结构，工作状态，以及正向制动过程的三个主要阶段（本组逆变阶段、它组反节制动阶段和它组回馈制动阶段）的特点7、逻辑控制得无环流可逆调速系统的组成、原理框图、工作状态特点，以及无环流逻辑控制器的功能、组成和工作状况8、错位控制得无环流可逆调速系统的结构特点、工作状态，消除环流的原理，以及带电压内环的错位无环流系统的结构，内环的作用第五章基于稳态模型的异步电动机调速系统1、脉宽调制（PWM）变换器的作用、种类2、简单不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（二级管的虚流作用）3、有制动作用的不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（制动情况）、电压和电流波形分析4、双极式H型可逆PWM变换器的原理图、工作原理、特点5、脉宽调速系统的稳态分析6、双闭环直流脉宽调速系统的主要结构组成及各环节的功能，常用的脉宽调节器的种类第六章基于动态模型的异步电机调速系统1、交流异步电机变压调速系统（1）异步电机在不同电压下的机械特性（2）闭环控制得变压调速系统及其静特性2、电磁转差离合器调速系统的特点第七章绕线转子异步电机双馈调速系统1、异步电机串级调速原理及其基本类型2、串级调速时异步电机的机械特性3、转速、电流双闭环串级调速系统的组成、动态数学模型等4、串级调速系统的功率流程第八章同步电动机变压变频调速系统1、同步电动机的稳态模型与调速方法2、他控变频同步电动机调速系统3、自控变频同步电动机调速系统4、同步电动机矢量控制系统5、同步电动机直接转距控制系统。

电力拖动自动控制系统第一章总结电力拖动自动控制系统第一章总结低压电器：低压电器：通常是矩方向与电动机旋转方向相反，指交流1200V及以下与直流1500V及以下的电气设备。

低压电器的作用：根据外界控制信号和控制要求，通过一个或多个器件组合，自动或手动接通、分断电路，连续或断续的改变电路状态，对电路进行切换、控制、保护、检测和调节。

接触器的作用：接触器是一种用来频繁接通和断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。

它具有低压释放保护功能，可进行频繁操作，实现远距离控制，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件。

继电器：是一种根据电量（电流、电压、频率）或非电量（时间、速度、温度、压力等）的变化自动接通和断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。

继电器与接触器的区别：1.继电器可以对各种电量或非电量的变化作出反应，而接触器只有在一定的电压信号下动作。

2.继电器用于切换小电流的控制电路，而接触器则用来控制大电流电路，因此，继电器触头容量较小（不大于5A），且无灭弧装置。

中间继电器的原理：是将一个输入信号变成多个输出信号或将信号放大（即增大触头容量）的继电器。

其实质是电压继电器，但它的触头数量较多（可达8对），触头容量较大（5～10A）、动作灵敏。

时间继电器用途：时间继电器是利用电磁原理或机械原理实现触点延时闭合或延时断开的自动控制电器。

时间继电器分类：常用的种类有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式。

时间继电器延时方式：1.通电延时：接受输入信号后延迟一定的时间，输出信号才发生变化。

当输入信号消失后，输出瞬时复原。

2.断电延时：接受输入信号时，瞬时产生相应的输出信号。

当输入信号消失后，延迟一定的时间，输出才复原速度继电器的选用：速度继电器主要根据所需控制的转速大小、触头数量和电压、电流来选用。

舌簧继电器用途：舌簧继电器包括干簧继电器、水银湿式舌簧继电器和铁氧体剩磁式舌簧继电器。

其中以干簧继电器最为常用，它常与磁钢或电磁线圈配合使用，用于电气、电子和自动控制中做快速切换电路的转换执行元件，如液位控制等。

《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Ⅰ型、典型Ⅱ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。

阮毅、陈伯时《电力拖动自动控制系统（第4版）》复习要点第一章绪论1、运动控制系统的组成2、运动控制系统的基本运动方程式me L d JT T dt ω=-mm d dtθω=3、转矩控制是运动控制的根本问题。

4、负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。

a ）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载。

5、负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。

6、负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。

直流调速系统第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速：e U IR n K -=Φ2、调节直流电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。

3、V-M系统原理图4、触发装置GT 的作用就是把控制电压U c 转换成触发脉冲的触发延迟角α。

改变触发延迟角α可得到不同的U d0，相应的机械特性为一族平行的直线。

5、脉宽调制变换器的作用：用脉冲宽度调制的方法，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电压的大小，以调节电动机转速。

6、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比。

7、静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比。

8、调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)N N n s D n s =∆-N N ND n s n D n ∆=+∆(1)N N n s n D s ∆=-9、转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图10、直流电动机的动态结构11、开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多；（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。

12、当负载转矩增大，闭环调速系统转速自动调节的过程：TL ↑→I d ↑→n ↓→U n ↓→∆U n ↑→U c ↑→U d0↑→n ↑13、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。

电力拖动自动控制系统概述主讲人：张敬南副教授主要内容01 电力拖动自动控制系统的定义02 电力拖动自动控制系统的组成03 电力拖动自动控制系统的发展04 船舶电力推进系统05 课程的主要内容军事领域例如自动装弹系统基于自动控制理论，对作为原动机的电动机加以控制，使其拖动机械负载按照给定的控制规律自动运行的系统，称为电力拖动自动控制系统。

简称为电力拖动控制系统，也被称为运动控制系统。

（1）电动机①直流电动机②异步电动机（感应电动机）③同步电动机（2）功率放大与变换装置广泛采用的是电力电子型功率放大与变换装置。

其发展趋势体现在：①半控型向全控型发展；②低频开关向高频开关发展；③分立的器件向具有复合功能的功率模块发展。

（3）控制器①模拟控制器物理概念清晰、控制信号流向直观；控制规律体现在硬件电路；线路复杂、通用性差；控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。

（3）控制器②以微处理器为核心的数字控制器硬件电路标准化程度高；控制规律体现在软件上，修改灵活方便；拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。

电力拖动自动控制系统及其组成（3）信号检测与处理①信号检测：电压、电流、转速和位置等信号；②信号转换：电压匹配、极性转换、脉冲整形等；③数据处理：信号滤波。

电力拖动自动控制系统与电力拖动自动控制系统相关的学科（1）电力电子技术和微电子技术带动了新一代交流调速系统的兴起与发展，打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局。

进入21世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实。

（2）关于直流电动机及其控制系统直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制，控制思想直观且成熟。

换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。

（3）关于交流电动机交流电动机（尤其是笼型感应电动机）结构简单。

交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，数学模型比直流电动机复杂得多。

（4）关于交流电力拖动自动控制系统主要体现为交流调速系统。