運動控制系統教學教案
運動控制系統教學教案
運動控制系統教學教案
一、編寫說明
（一）本課程的性質、地位和作用
本課程是本科自動化專業工業電氣自動化方向的專業限選課之一。透過本課程的學習，使學生掌握直流調速系統、交流調速系統的基本理論以及系統分析、工程設計方法，學會將自動控制的理論和方法應用到交、直流電動機調速系統中，培養學生綜合運用所學知識、解決實際問題的能力，為成為電氣自動化的工程人員打下良好的理論基礎。
（二）教學基本要求
1．透過本課程的學習，學生應瞭解以下知識：電力拖動自動控制技術的發展、應用以及在本專業學科領域的地位和作用；電力拖動自動控制系統的主要結構特點以及基本效能指標；直流脈寬調速系統的基本控制模式；微機數字控制系統的主要特點；微機數字控制雙閉環直流調速系統硬體和軟體。
2．透過本課程的學習，學生應熟悉以下知識：建立閉環調速系統各典型環節靜態、動態數學模型的一般方法；數字測速與濾波的實現方法；系統工程設計中的近似處理原則和方法；轉速、電流雙閉環直流調速系統的工程設計思路、方法；有環流可逆閉環調速系統的工作原理和實現方案；SPWM逆變器的控制模式和實現方案；變頻調速的基本控制方式。
3．透過本課程的學習，學生應掌握以下知識：利用靜態結構框圖分析系統穩特性的方法；利用動態結構圖分析系統穩定性和動態效能的方法；帶電流截止負反饋單閉環直流調速系統的穩態分析、引數設計；轉速、電流雙閉環直流調速系統的起動過程分析、調節器的工程設計；微機數字控制系統中的數字測速；非同步電動機變壓變頻調速系統中的脈寬調製技術；繞線式非同步電動機串級調速原理。
（三）課程教學方法與手段
以課堂講授為主，輔以習題和實驗。
（四）實踐環節
1．實驗：不可逆單閉環直流調速系統靜特性的研究
主要內容和要求：測試帶轉速負反饋有靜差調速系統的靜特性，並與無轉速負反饋時的開環機械特性進行比較。
學時分配：2學時
2．實驗：轉速、電流雙閉環閘流體不可逆直流調速系統
主要內容和要求：測定開環機械特性及閉環靜特性，測定閉環控制特性。 學時分配：3學時
3．實驗：雙閉環三相非同步電動機調壓調速系統
主要內容和要求：測定繞線式非同步電動機轉子串電阻時的人為機械特性及雙閉環交流調壓調速系統的靜特性、動態特性。
學時分配：3學時
4．實驗：三相非同步電機SPWM變頻調速系統的實驗
主要內容和要求：測試不同輸出頻率、不同調制方式時的調速特性及低壓補償特性。 學時分配：2學時
5．實驗：雙閉環三相非同步電動機串級調速系統
主要內容和要求：測定開環串級調速系統的機械特性，測定雙閉環串級調速系統的靜特性。 學時分配：2學時
（五）教學時數分配表
（六）本課程與其它課程的聯絡
本課程應在《電機拖動基礎》、《電力電子技術》、《自動控制理論》等課程之後開設。本課程綜合了運用了多門課程的知識，《電機拖動基礎》為學習本課程奠定了交、直流電機原理及應用基礎，《電力電子技術》為本課程提供了電力電子功率變換裝置方面的知識，《自動控制理論》提供了控制理論知識。
（七）教材與主要參考書
教材：
《電力拖動自動控制系統——運動控制系統》（第4版） 陳伯時主編 機械工業出版社 2009.8
主要參考書：
1.《電力拖動自動控制系統》（第2版） 陳伯時主編 機械工業出版社 1999
2. 《運動控制系統》 爾桂花主編 清華大學出版社 2002
（八）說明
1.實驗內容可以根據實驗裝置及具體情況稍加變動。實驗至少保證12學時。
2.本課程考核以平時成績佔30%，期末考試成績佔70%來評定。平時考核學生出勤情況、完成作業、完成實驗、課堂提問等情況，期末考試採用筆試。
二、教學內容綱要
第1章 緒論
一、教學基本要求
透過本章學習，要求學生
1．掌握運動控制系統的基本概念、組成、轉矩控制規律。
2．瞭解運動控制系統的歷史及發展情況。 3. 熟悉生產機械的負載轉矩特性。
二、教學內容
1.1運動控制系統及其組成
△運動控制系統的概念及其組成
1.2運動控制系統的歷史與發展
運動控制系統的歷史及發展情況
1.3運動控制系統的轉矩控制規律
運動控制系統的轉矩控制規律
1.4生產機械的負載轉矩特性
三類負載轉矩特性
第2章 轉速反饋控制的直流調速系統
一、教學基本要求
透過本章學習，要求學生
1.掌握直流調速系統用的可控直流電源及其原理、動態數學模型，瞭解V-M系統、直流PWM調速系統的特點。
2.熟悉調速系統的穩態效能指標，熟記其計算公式，熟練掌握直流調速系統的機械特性。 3.掌握反饋控制直流調速系統的組成、工作原理、穩態結構框圖及靜特性分析、動態數學模型及動態分析，掌握積分、比例積分控制規律。
4.熟悉直流調速系統的數字控制問題。
4
5.掌握電流截止負反饋環節的工作原理及帶電流截止負反饋直流調速系統的靜特性。 6.熟悉調速系統的模擬過程。
二、教學內容
2.1 直流調速系統用的可控直流電源
1.○V-M系統的觸發脈衝相位控制、電流波形連續與斷續、
2.△V-M系統的原理及其機械特性，閘流體觸發與整流裝置的數學模型○旋轉變流機組原理及靜止可控整流器優缺點
3.△PWM變換器工作原理、數學模型，直流PWM調速系統的機械特性
2.2 穩態調速效能指標和直流調速系統的機械特性
△穩態調速效能指標、直流調速系統的機械特性
2.3轉速反饋控制的直流調速系統
1△○轉速反饋控制直流調速系統的數學模型
2.△比例控制直流調速系統的靜特性、反饋控制規律
3.△積分、比例積分控制規律 4.○直流調速系統的穩態誤差分析
2.4直流調速系統的數字控制
1△微機數字控制的特殊問題、數字測速方法及應用場合
2.○轉速檢測的數字化、數字PI調節器
2.5反饋控制直流調速系統的限流保護
1.轉速反饋控制直流調速系統的過電流問題
2.△電流截止負反饋環節的工作原理及其輸入輸出特性
3.△○帶電流截止負反饋的直流調速系統穩態分析、引數計算
2.6轉速反饋控制直流調速系統的模擬
○模擬模型的建立、執行及調節器引數的調整
第3章 轉速、電流反饋控制的直流調速系統
一、教學基本要求
透過本章學習，要求學生
1．掌握轉速、電流反饋控制直流調速系統的組成及其靜特性、起動過程分析。 2. 熟悉轉速、電流反饋控制直流調速系統的數學模型、動態抗擾效能分析。
3．熟悉調節器的工程設計方法。
4．熟悉轉速、電流反饋控制直流調速系統的模擬。
二、教學內容
3.1轉速、電流反饋控制直流調速系統的.組成及其靜特性
1.△轉速、電流反饋控制直流調速系統的組成 2.△○系統穩態結構圖與引數計算、靜特性分析
3.2轉速、電流反饋控制直流調速系統的數學模型與動態過程分析
1.△○系統起動過程分析
2.△系統動態抗擾效能分析、調節器的作用
3.3轉速、電流反饋控制直流調速系統的設計
1.△控制系統的動態效能指標 2.△調節器工程設計方法的基本思路
3.○典型Ⅰ型、Ⅱ型系統引數與系統動態效能指標之間的關係，按工程設計法設計轉速、電流反饋控制直流調速系統的調節器
3.4轉速、電流反饋控制直流調速系統的模擬
○電流環的模擬，轉速環的系統模擬
第4章 可逆控制的直流調速系統
一、教學基本要求
透過本章學習，要求學生
1．掌握橋式可逆PWM變換器的工作原理，直流PWM可逆調速系統轉速反向的過渡過程。
2．瞭解直流PWM功率變換器的能量回饋，單片微機控制的PWM可逆直流調速系統的硬體、軟體。
3. 掌握V-M可逆直流調速系統線路、環流問題。
二、教學內容
4.1直流PWM可逆調速系統
1.△橋式可逆PWM變換器電路、工作原理 2.○直流PWM可逆調速系統轉速反向的過渡過程
3.○直流PWM功率變換器的能量回饋、單片微機控制的PWM可逆直流調速系統
4.2 V-M可逆直流調速系統
1.△系統主電路及環流
2.○配合控制的有環流可逆V-M系統 3.△○轉速反向的過渡過程分析
第5章 基於穩態模型的非同步電動機調速系統
一、教學基本要求
透過本章學習，要求學生
1．瞭解非同步電動機的穩態數學模型，熟悉非同步電動機的調速方法。
2．掌握非同步電動機調壓調速的機械特性，轉速閉環控制的交流調壓調速系統組成、靜特性
3．掌握變壓變頻調速的基本原理及其機械特性，變頻器的基本結構，SPWM技術。
4. 瞭解轉速開環變壓變頻調速系統結構及實現。
5. 掌握轉差頻率控制的概念及特點，瞭解轉差頻率控制系統結構及效能分析。
5.1非同步電動機的穩態數學模型和調速方法
1.○非同步電動機的穩態數學模型 2.△非同步電動機的調速方法及氣隙磁通
5.2非同步電動機的調壓調速
1. △系統主電路、調壓調速的機械特性 2.△○閉環控制的調壓調速系統
5.3非同步電動機的變壓變頻調速
1.△變壓變頻調速的基本原理、機械特性 2.△○基頻以下的電壓補償控制
5.4電力電子變壓變頻器
1.△變頻器的結構分類，交-直-交PWM變頻器主電路 2.△○SPWM技術
3.○消除指定諧波的PWM控制技術、電流跟蹤PWM控制技術
5.5轉速開環變壓變頻調速系統
○系統結構及實現
5.6轉差頻率控制的變壓變頻調速系統
1.△轉差頻率控制的基本概念及特點 2.○系統結構及效能分析
第6章 繞線轉子非同步電動機雙饋調速系統
一、教學基本要求
透過本章學習，要求學生
1．掌握非同步電動機雙饋調速工作原理、串級調速系統的工作原理。
2．熟悉串級調速系統型別、機械特性。
3. 掌握雙閉環串級調速系統結構、原理。
二、教學內容
6.1繞線轉子非同步電動機雙饋調速工作原理
1△轉子附加電動勢的作用
2.△○雙饋調速的五種工況
6.2繞線轉子非同步電動機串級調速系統
△串級調速系統的工作原理
2.串級調速系統的型別
6.3串級調速的機械特性
1△串級調速機械特性的特徵、
2.○轉子整流電路、機械特性方程式
6.4雙閉環控制的串級調速系統
△系統結構、原理