最新交直流调速控制系统课程教案

1、North China Electric Power University教案院系：机械教研室：机电教师： 张红莲交直流调速控制系统课程教案课程名称交直流调速控制系统课程学分32课程属性必修课（）专业选修课（V）校定公共选修课（）课程总学 时32 学时其中：讲课：28 学时实验：4 学时先修课程电机学，控制工程基础授课专业、 班级机械电子工程专业方向基本教材 和主要参 考书教材名称出版社作者出版时间电力拖动自动控制系统-运动控制系统机械工业出版社陈伯时2003参考书出版社作者出版时间电力拖动与自动控制系北京航空航天大学 出版社范正翘2003电力拖动直流调速系统华中理工大学出版社张振和1996电

2、力拖动交流调速系统华中理工大学出版社姜泓,赵红恕1996教学目的 及要求交直流调速控制系统课程是机械工程及自动化专业 （机械电子工程专业方 向） 的一门专业课。目的是使学生了解自动控制系统在电力拖动中的应用。掌握电动机的调速原理、基本实现方法，培养学生应用自动控制理论解决系 统的分析和设计问题的能力，为毕业后从事专业工作打下必要的基础。本课程研究直流调速系统和交流调速系统，学后应达到以下基本要求：1了解电机调速的发展，深入理解其工作原理及运行特性。2掌握直流调速控制系统的实现方法。3掌握交流调速控制系统的实现方法。4掌握电机调速的基本实验方法，并能对测试结果的准确性进行分析。表中（）选项请打“

3、V绪论2学时要求学生明确课程的性质和任务；了解电力拖动与控制的发展和应用； 列举实际工农业生产及诸领域的具体事例，通过幻灯片，使学生深入形象地认识电力 拖动及其控制系统的应用。第一次课（2学时）1本次课的教学内容： 绪论 要求学生明确课程的性质和任务；了解电力拖动与控制的发展和应用； 从实际生产应用引出电力拖动控制系统的发展。 直流拖动系统调速方法和特点。交流拖动系统调速方法和特点。 直流拖动的特点和交流拖动的比较。2本次课的教学方式（手段）列举实际工农业生产及诸领域的具体事例，通过幻灯片，使学生深入形象地认识电力拖 动及其控制系统的应用。3.本次课师生活动设计 就电力拖动实例及自动控制系统的

4、发展应用，教师、学生共同讨论。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结）、作业布置 要求学生了解调速系统的发展及现状,掌握直流和交流调速方法及特点。 思考题： 直流和交流调速有哪些方法，并比较其及特点第一章 闭环控制系统的直流调速系统1 本章教学目标及基本要求1了解直流电动机调速的基本方法及特点，重点理解调压调速。2掌握单闭环调速系统的性能分析及设计方法。3比较开环控制和闭环控制的特性。2本章各节教学内容及学时分配1.1可控电源1.2 V-M系统主要问题1.3直流脉宽调速系统主要问题2学时1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计2学时1.5单闭环调速系统的动态分析

5、和设计1.6无静差调速系统2学时3本章教学内容的重点和难点及其处理和解析 重点：开环和闭环控制的特性比较；单闭环控制的特性分析与计算。难点： 单闭环调速系统的性能分析及其计算 处理方法：通过具体实例，使学生了解系统的组成和工作原理及特性，从实际要求出 发，分析系统，提出解决问题的方法。4本章教学内容的深化和拓展 讨论转速反馈的单闭环调速系统时，提出采用电压反馈调速系统，其结果如何，如何 改善，几种调速控制方法的比较。5本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题 本章通过幻灯片和板书相结合的手段开展教学。 注意的问题是明确调速系统的性能指标，复习自动控制原理的相关知识。6 习题1-3、1-6、

6、1-7、1-9、1-10、1-14、1-16、1-18第二次课（2学时）1本次课的教学内容：1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2 V-M系统主要问题1.3直流脉宽调速系统主要问题讨论V-M系统的几个主要问题：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；机械特性；晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。讨论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；机械特性；数学模型；电能回馈与泵升电压的限制。2本次课的教学方式（手段）先介绍几种直流调速系统的可控直流电源，通过课件演示，比较其特点。3.本次课师生活动设计在讲课过程中，通过提问方式，促使学生

7、积极思考。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结）、作业布置主要介绍三种直流电源， 比较了各自的特点，重点掌握V-M系统，PWM-M系统,鉴于PWM-M系统的优点，直流调速系统多采用PWM-M系统。作业布置思考题：直流调速PWM-嘛统有哪些优点？1-1第三次课（2学时）1本次课的教学内容：1.4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统稳态参数的计算限流保护-电流截止负反馈2本次课的教学方式（手段）从具体的生产要求（如龙门刨床

8、）来分析，开环调速系统及其存在的问题，引出若要满 足调速指标工艺要求，那末必须采用闭环调速系统。3.本次课师生活动设计 在讲课过程中，通过提问方式，利用课件，给出相应的原理图和波形图，说明问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结）、作业布置闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈 装置。作业布置1-4、1-5、1-7第四次课（2学时）1本次课的教学内容：1.5单闭环调速系统的动态分析和设计1.6无静差调速系统闭环直流调速系统的动态数学模型 闭环直流调速系

9、统的稳定条件 动态校正PI调节器的设计PI控制规律和无静差调速系统的参数计算2本次课的教学方式（手段）利用课件，给出相应的原理图和波形图，说明问题3.本次课师生活动设计先给同学提出问题，再进行分析比较。求出反馈控制闭环调速系统的动态数学模型； 并根据实际例子讨论稳定条件。利用课件，给出相应的原理图和波形图，说明问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结）、作业布置 本节通过讨论系统的动态性能， 得到稳定条件， 联系稳态性能， 使学生明确必须对系统 进行分析并进行校正，调速系统才能满足稳态和动态指标。作业布置1-10、1-11、1-13、1-14第二章转速、电流双闭环

10、直流调速系统和调节器的工程设计方法1.本章的教学目标及基本要求1要求掌握双闭环调速系统的组成及特性。2掌握调节器的工程设计方法。3学会设计双闭环调速系统的调节器。2本章各节教学内容及学时分配2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其特性1 2学时2.2闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.3调节器的工程设计方法2学时2.4双闭环系统的调节器设计习题集讲解2学时3本章教学内容的重点和难点及其处理和解析重点：闭环直流调速系统性能分析；调节器的工程设计。难点：调节器的工程设计处理方法：通过具体实例，根据调速系统的性能指标要求，分步讨论。4本章课程内容的深化和拓宽针对实际应用，完成调速系统的结

11、构设计和参数选择。5本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题本章通过幻灯片和板书相结合的手段开展教学。注意的问题是利用特性曲线，分析系统性能，进行调节器的设计。6本章的思考题及习题2-1、2-2、2-4、2-5、2-7、2-8、2-10、2-11、2-13、2-14、2-17第五次课（2学时）1本次课的教学内容：2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其特性2.2闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析转速、电流双闭环直流调速系统的组成稳态结构框图和静特性各变量稳态工作点和稳态参数计算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2.本次课的教学

12、方式（手段）从实际应用引出为什么采用转速、电流双闭环直流调速系统，对照起动过程转速电流 波形图使学生深入理解两个调节器的作用。3.本次课师生活动设计在讲课过程中，通过提问方式，利用课件，给出相应的原理图和波形图，说明问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结）、作业布置：注意分析双闭环调速系统的稳态特性和动态性能， 其稳态参数计算与单闭环有静差系统 完全不同， 而是和无静差系统的稳态计算相似， 即根据各调节器的给定与反馈值计算有 关的反馈系数。起动过程和动态抗干扰性能分析。作业布置：2-1、2-2、2-4、2-5、2-7、2-8、第六次课（2学时）1本次课的教学内容

13、：2.3调节器的工程设计方法工程设计方法的基本思路 典型系统及控制系统的动态性能指标 典型I型和II型系统性能指标和参数的关系2本次课的教学方式（手段）先提出问题，分析实现工程设计的必要性可能性，再引出设计的基本思路；利用自动控 制知识，得出为了保证稳定性和较好的稳态精度，选用I型和II型系统的结论。分析动 态性能指标，完成调节器的结构设计和参数选择。通过具体实例，进行分析设计。3.本次课师生活动设计 讲课过程中，通过提问方式，启发学生积极思考，解决问题。利用 课件，给出相应的原理图和波形图，说明问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结） 、作业布置 明确工程设计

14、方法的基本思路：先选择调节器的结构，在选择调节器的参数。认识典型系统（i型系统和n型系统）的特性。根据系统的动态性能指标，设计典型I型系统和n型系统。这是本次课的重点。作业布置2-10、2-11、2-13、2-14、2-17第七次课（2学时）1本次课的教学内容：双闭环调速系统电流调节器和电压调节器的工程设计方法习题讲解2本次课的教学方式（手段）应用上次课的工程设计方法，根据实际例子，先确定电流调节器的结构和参数；化简电 流环，作为调速系统转速环的一个环节，在进行转速调节器的设计。就同学作业中的问题，详细讲解课后习题。3.本次课师生活动设计 讲课过程中，通过提问方式，启发学生积极思考，解决问题。

15、4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结） 、作业布置系统设计的一般原则：先内环后外环。从内环开始，逐步向外扩展。首先设计电流调节 器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。注意：将电流环校正为典型i型系统，将转速环校正为典型n型系统。第三章 直流调速系统的数字控制讨论）2学时1本章的教学目标及基本要求 了解微机数字控制的特点； 认识微机数字控制的双闭环调速系统的硬件结构和软件组成程序。2本章各节教学及学时分配内容3.1微机数字控制的特点3.2微机数字控制的双闭环调速系统组成3本章教学内容的重点和难点及其处理和解析 重点：微机数字控制的双闭环

16、调速系统组成。 难点：微机数字控制的双闭环调速系统的实现。4本章课程内容的深化和拓宽 微机数字控制的双闭环调速系统组成各部分的功能及实现。5本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题 本章通过幻灯片和板书相结合的手段开展教学。注意了解各组成部分的作用，微机控制实现方法。复习微机控制技术内容。6本章的思考题及习题第八次课 课堂讨论（2学时）1本次课的教学内容：第三章 直流调速系统的数字控制 微型计算机数字控制的主要特点 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件数字测速与滤波 数字PI调节器用离散控制系统设计数字控制器2本次课的教学方式（手段）了解同学对计算机控制知识的掌握，教师提出问题，和同

17、学互相讨论。3.本次课师生活动设计 讲课过程中，通过提问方式，启发学生积极思考，解决问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结） 、作业布置 微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，有信息存储、 数据通信 和故障诊断等功能。 微机数字控制系统特点是离散化和数字化， 掌握微机数字控制双闭 环直流调速系统的硬件和软件的功能。作业布置3-1、3-2第九次课（直流调压调速实验2学时）第五章笼型异步电动机变压变频调速系统1本章的教学目标及基本要求1掌握变压变频调速的基本控制方式及电压-频率协调控制时的机械特性;2了解变频器的主要类型，重点掌握变压变频调速系统中

18、的脉宽调制技术。3深入认识基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统。4异步电动机的数学模型和坐标变换。认识矢量控制系统和直接转矩控制系统。2本章各节教学及学时分配内容3本章教学内容的重点和难点及其处理和解析重点：变压变频调速系统的脉宽调制技术难点：电机的动态模型和坐标变换、矢量控制。处理方法：重点阐述正弦脉宽调制，利用图形和公式分析说明坐标变换及矢量控制。4本章课程内容的深化和拓宽比较标量控制和矢量控制，深化现代调速控制系统知识的讲述。5本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题本章通过幻灯片和板书相结合的手段开展教学。注意联系调速系统控制的发展概况。6本章的思考题及习题6-1、6-2、6-

19、3、6-5、6-6、6-7、6-9、6-11、6-13、6-14、6-15第十次课（2学时）1本次课的教学内容：6.1变压变频调速的基本控制方式6.2异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性基频以下和基频以上调速恒压恒频正选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的机械特性基频以上电压频率协调控制的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性2本次课的教学方式（手段）通过几种调速方法的性能比较，说明变压变频调速的优点。利用特性曲线进行分析讲解。3.本次课师生活动设计 讲课过程中，通过提问方式，启发学生积极思考，解决问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.1异步电动机变压变频调速的基

20、本控制方式5.2异步电动机电压-频率协调控制时的机械特性5.3电力电子变压变频器的主要类型5.4变压变频调速系统中的脉宽调制技术2学时5.5基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统学时5.6异步电动机的动态数学模型和坐标变换学时5.7矢量控制5.8直接转矩控制学时5.本次课的小结（或总结）、作业布置笼型异步电机变压变频调速系统（VVVF系统），由于在调速时转差功率不随转速而变化， 调速范围宽， 无论是高速还是低速时效率都较高， 在采取一定的技术措施后能实现高动态性 能。电压Us与频率w1是变频器一异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调 速时需要对这两个控制变量进行协调控制。在基频以下

21、，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同， 其中恒Er/w1控制的性能最好。作业布置6-1、6-2第十一次课（2学时）1本次课的教学内容：6.3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 电压源型和电流源型逆变器180o导通型和120 o导通型逆变器6.4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）2本次课的教学方式（手段）通过几种调速方法的性能比较， 说明变压变频调

22、速的优点。 利用特性曲线进行分析讲解。3.本次课师生活动设计 讲课过程中，通过提问方式，启发学生积极思考，解决问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结） 、作业布置PWM变压变频器具有的一系列优点， 所以应用广泛。掌握PWM调制原理、 控制方式、PWM控制电路PWM、调制方法。 作业布置：6 - 3、6 - 5、66第十二次课（2学时）1本次课的教学内容：6.5基于异步电动机稳态模型的变压变频调速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2本次课的教学方式（手段）根据系统性能的要求，首先介绍转速开环恒压频比

23、控制调速系统 通用变频器-异步电动机调速系统， 解释通用的含义； 在转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统部分， 先引出转 差频率控制的基本概念， 再讨论基于异步电机稳态模型的转差频率控制规律， 然后介绍转差 频率控制的变压变频调速系统。3.本次课师生活动设计 讲课过程中，通过提问方式，启发学生积极思考，解决问题。4.本次课板书设计（或电子教案）见课件。5.本次课的小结（或总结）、作业布置 调速系统的动态性能就是控制转矩的能力。在异步电机变压变频调速系统中，需要控制的是电压（或电流）和频率，电压（电流）和频率来控制电磁转矩，这是寻求提高动态性能时需要解决的问题。 重点掌握通用变频器控制系统的原

24、理和转速闭环转差频率控制的概念及控制规律。 作业布置6-9、6-10第十三次课（2学时） 交流变频调速试验（2学时）第十四次课（2学时）1本次课的教学内容：6.6异步电动机的动态数学模型和坐标变换 异步电动机动态数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2本次课的教学方式（手段）首先通过实例， 提出问题， 引出要实现高动态性能的系统， 必须首先认真研究异步电机的动 态数学模型。 异步电机的动态数学模型和直流电机模型相比有着本质上的区别， 是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量系统。 再说明坐