《电力拖动自动控制系统》教学大纲

第页《电力拖动自动控制系统》教学大纲课程编号：13180422英文名称：AutomaticControlSystemofElectricDrag学分：2.5学时：48（其中理论32学时，实验16学时）课程类别：专业必修课程授课对象：电气工程及其自动化专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第6学期一、课程性质、任务和目标《电力拖动自动控制系统》是关于交、直流电动机原理、控制理论和控制规律，提高运动控制系统性能的专业主干课程，是电气工程及其自动化专业的一门必修课。本课程秉承理论与实际相结合的理念，使学生了解并掌握各类交、直流电动机控制系统工作原理和性能指标，掌握运动控制理论和系统设计方法。本课程是为自动化类专业的三年级学生开设的专业课。本课程主要学习直流电动机转速控制的三种方法、直流电动机供电电路的主要问题和电路的控制系统建模、有静差和无静差调节器的设计、交流电动机的转速控制方法等内容，培养学生分析和解决问题的能力。本课程拟达到的课程目标:课程目标1：掌握直流电动机调速系统结构特点、调速原理和数学模型。掌握交流异步电动机调速时转差功率变化规律和处理方法，交流异步电动机稳态模型和调速方法；掌握异步电动机VVVF调速基本原理及机械特性。课程目标2：理解速度反馈控制原理、熟练掌握调速系统静态和动态性能指标。课程目标3：系统的数学模型与动态过程分析，控制系统的动态性能指标和调速系统中调节器的工程设计方法。掌握MatLab等工具进行系统仿真和验证。课程目标4：掌握电力拖动控制系统的设计和实验方法；了解机电传动控制系统的产业发展情况。课程目标5：掌握闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系，理解转速反馈控制作用，掌握数字测速方法和数字PID算法。掌握转速、电流双闭环反馈控制直流调速。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重对应关系2.4能正确表达一个电机或电力工程问题的解决方案。课程目标11M3.1能够根据用户需求确定电气工程设计目标。课程目标21M3.3能够进行电气工程的电气图设计、硬件配置和控制程序设计。课程目标31M（H—高，M—中，L—低）三、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容基本要求学时教学方式对应课程目标1运动控制系统的概念和直流电机调速方法结合案例，讲授运动控制技术的学习目标、学习方法、以及课程的教学形式、计划、考核要求；学习运动控制系统的定义、应用范围和发展趋势。复习直流电动机的原理，讨论他励直流电动机的改变电枢电阻调速、调压降速和弱磁升速的原理；对比这三种方法的优缺点和应用场合。了解运动控制技术及其应用领域；掌握运动控制系统及其组成；掌握运动控制系统的转矩控制规律。掌握直流电动机的固有机械特性曲线；能根据应用场合选择直流电动机的调速方式。4集中讲授1,2,3,4,52VM和PWM系统的直流电源复习VM系统的结构图；讨论基于VM直流供电系统的调速原理；讲述电流的连续和断续的机械特性、抑制电流断续的措施；讨论建立VM系统的数学模型。复习PWM电路工作原理，讲述和讨论无制动不可逆、有制动不可逆和可逆PWM系统的结构图、调压调速原理、电流回路分析、系统的数学模型、PWM调速系统的问题和解决方法。掌握VM和PWM系统直流调速的公式，元器件参数选型，电路设计参数的选择和传函建模。4集中讲授、课堂讨论1,2,3,4,53转速反馈的直流调速系统的模型和PI控制器的无静差调速系统讲述和讨论调速系统的调速、稳速和加减速定性描述；在定性基础上，提出调速范围（D）和静差率s的关系。讲述和讨论为什么需要转速反馈。转速反馈系统的结构和静特性方程的推导、开环和闭环系统的机械特性对比。讲述和讨论为什么需要无静差调速系统。讲述和讨论积分调节器的控制规律。积分调节器和比例调节器的特性对比。掌握调速系统的定量和定性描述；能推导D和s的关系式；能基于D和s进行计算。理解设计转速反馈的原因；建立系统的各个部分传递函数、系统开环和闭环传函的推导；能理解转速闭环的基本特征。理解和分析抗干扰性能能力分析。理解设计无静差调速系统的原因、掌握积分和比例调节器电路的参数设计。掌握比例和积分调机器的动态调整过程2集中讲授1,2,3,4,54直流调速系统的速度检测方法讲述和讨论转速检测的方法。讲述转速检测的误差、精度。讲述和讨论基于光栅编码器的M法、T法和M/T法三种转速检测的应用场合和性能对比。理解为什么转速检测通常采用光栅编码器。掌握转速检测的性能指标。对比M法、T法和M/T法的性能和应用场景。2集中讲授1,2,3,4,55双闭环直流调速系统及工程设计讲述和讨论为什么需要双闭环直流调速系统,双闭环直流调速系统结构设计、调节器的设计。双闭环直流调速系统的数学模型和动态分析。双闭环直流调速系统的抗干扰性能分析。转速、电流控制器的典型系统校正和调节器设计。掌握转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析。控制系统的动态性能指标和调速系统中调节器的工程设计方法。2集中讲授1,2,3,4,56交流电动机调速系统复习交流异步电动机的原理。讲述和讨论交流异步电动机机械特性建模和转速控制分析。交流调压调速的结构和原理、与直流调压调速系统的对比。交流调压调频（VVVF）的原理和特性曲线。掌握交流异步电动机调速时转差功率变化规律和处理方法，交流异步电动机稳态模型和调速方法；掌握异步电动机变压变频调速基本原理及机械特性。6集中讲授、课堂讨论1,2,3,4,57系统仿真和复习学习基于Matlab的系统仿真设计，并进行总复习。掌握利用已学知识用Matlab进行一个综合性项目并仿真调试。4集中讲授1,2,3,4,5合计32四、课程教学方法1.课内外教学环节（1）本课程课内总学时为48学时。（2）采用课堂教学（课堂讲授和讨论）、课内实验、课外学习和项目设计三个环节。（3）课堂讲授和讨论共32学时，课内实验16学时，课外学习16课时。课内外教学环节的总体安排见表4-1。表4-1课内外教学环节安排表序号教学内容课内教学环节及其学时课外教学环节及其学时教学目标讲授讨论实验小计预习复习调查报告小计1运动控制系统的概念和直流电动机的调速方法44214自选12VM和PWM系统的直流电源42410213转速反馈的直流调速系统的模型和PI控制器的无静差调速系统82414224直流调速系统的速度检测方法2225双闭环直流调速系统及工程设计3148226交流电动机调速系统3148237系统仿真和复习221,2,3合计2661652104141,2,32.课内实验实践环节本课程课内实验实践环节实验，共16课时，采用集中辅导形式。序号教学内容课内教学环节及其学时课外教学环节及其学时教学目标讲授讨论操作小计教材实验小计1转速开环VM调压调速系统实验112411212转速闭环不可逆直流调速系统实验112411223双闭环不可逆直流调速系统实验112411224正弦波脉宽调制SPWM变频调速系统实验11241123合计448164483.课外学习预习与自学：课前预习和自学的重点是教学ppt、教材，初步理解学习内容。复习与练习：课后复习主要是教材习题的练习和作业的实施，在练习和作业过程中，进一步学习教材相关内容，真正理解和掌握相关知识点。作业与调查报告：课后作业必须按要求完成。完成该领域的关键技术和重点企业技术调查报告。该环节对应的教学目标是：1、2、3。五、学业评价和课程考核1．考核方式考试（√）考查（）2．成绩记载百分制（√）五级分制（）3.考核原则强化实践——强化课内外实验突出平时——注重平时作业提前关联——提前与专业学习关联，提高学习的兴趣注重能力——重点考察运动控制系统的设计能力4.成绩总评考核评价构成：期末闭卷考试40%，实验成绩20%，调查报告15%，课内提问和讨论10%，平时作业10%，平时纪律5%。5.考核方案（1）平时纪律考核方案平时纪律占5%，主要考察到课率和课堂表现，学习态度，自主学习能力。旷课一次扣1分；不遵守课堂纪律，一次扣1分；扣完为止。（2）平时作业考核方案平时作业占10%，每次按A、B、C、D四等予以记载,缺交一次扣1分，总评时最终折算成A（10分）、B（9分）、C（7分）、D（5分）。（3）课内小测试 课内测试占10%。每次按A、B、C、D四等予以记载，总评时最终折算成A（10分）、B（9分）、C（7分）、D（5分）。（4）调查报告调查报告占15%。主要选题《运动控制技术》相关企业、主要产品、关键技术和岗位需求情况。按A、B、C、D四等予以记载。（5）实验成绩考核方案实验成绩占20%，共6个实验。总评时，根据总体表现给定优秀、良好、中等、及格、不及格，期末总评时最终折算成优秀（95分）、良好（85分）、中等（75分）、及格（65分），不及格（50分），并根据按该项总得分×占比20%的方式计算得到实验成绩。（6）期末闭卷考试考核方案期末闭卷考试占40%，其考核方案参见表5-2。期末成绩占40%，采用闭卷形式，题型为分析题、设计题，主要考察分析、设计能力。期末考试卷面成绩不能低于50分，低于50分者，其课程总评成绩为不及格。表5-2期末闭卷考试的考核方案序号教学目标考察点分析题画图计算题总分得分123456789101155555515151015151001运动控制系统的概念和直流电动机的调速方法√√102VM和PWM系统的直流电源√√203转速反馈的直流调速系统的模型和PI控制器的无静差调速系