《电力拖动自动控制系统》课程教学大纲（2020版）

一、课程信息

课程代码：D050325201

英文名称：Control Systems of Electric Drives

课程学时：70（其中实验学时12，实践学时16）

课程学分：4.5（其中实验学分0.5，实践学分1）

开课学期：第三学年第5学期

使用专业：电气工程及其自动化专业

课程平台：专业教育平台

课程模块：行业企业人才课程模块

先修课程：电路、电机与拖动、电力电子技术、自动控制原理

选用教材：

《电力拖动自动控制系统》，阮毅、杨影、陈伯时 编/著，机械工业出版社，2020年第5版

参考书目：

1. 《电力拖动自动控制系统》，刘松 编/著，清华大学出版社，2014年第2版

2. 《交直流调速系统》，史国生 编/著，化学工业出版社，2015年第3版

3. 《自动控制系统》，廖晓钟、刘向东 编/著，北京理工大学出版社，2011年第2版

二、课程性质及任务

《电力拖动自动自动控制系统》是电气工程及其自动化专业行业企业人才课程模块课程之一，它包括直流调速和交流调速两大部分内容。本课程综合性、理论性和实践性都较强，要求学生在掌握基本理论的基础上，能综合运用学过的专业知识,根据生产工艺的具体要求，实现对电机的控制和对一般自动控制系统的分析和设计，从而培养学生理论联系实际的能力、分析问题和解决问题的能力，为今后从事电气工程及其自动化有关的专业打下基础。

三、课程目标

（一）具体目标

通过本课程的学习，使学生达到以下目标：

1.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。[毕业要求2 问题分析]

2.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。[毕业要求3 设计/开发解决方案]

3.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。[毕业要求3 设计/开发解决方案]

4.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。[毕业要求2 问题分析]

5.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。[毕业要求2 问题分析]

5.培养学生理论联系实际的能力、分析问题和解决问题的能力，使学生初步具备分析交直流调速系统的能力, 能综合运用学过的专业知识,根据生产工艺的具体要求，实现对电机的控制和对一般自动控制系统的分析和设计，为今后从事电气工程及其自动化有关的专业打下基础。[毕业要求3 设计/开发解决方案]

（二）课程目标与毕业要求的关系

四、课程学习内容

 （一）课程学习内容与课程目标的关系

（二）主要内容

1. 绪论     

本章主要介绍运动控制系统的历史与发展及其与其他相关学科的关系，使学生了解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和生产机械的负载转矩特性。

学习重点： 

    （1）运动控制系统及其组成。

（2）运动控制系统的转矩控制规律。

（3）生产机械的负载转矩特性。

学习难点： 

（1）运动控制系统的转矩控制规律。

（2）生产机械的负载转矩特性。

2. 转速开环控制的直流调速系统

本章主要讨论晶闸管-直流电动机系统和PWM变换器-直流电动机系统的工作原理和调速特性。使学生掌握转速控制的要求和稳态调速性能指标，了解开环直流调速系统的性能和存在的主要问题。

学习重点： 

    （1）PWM变换器-直流电动机系统的工作原理和调速特性。

（2）稳态调速性能指标。

学习难点： 

（1）晶闸管-直流电动机系统的工作原理和调速特性。

（2）PWM变换器-直流电动机系统的工作原理和调速特性。

3. 转速闭环控制的直流调速系统

本章主要讨有静差、无静差转速闭环直流调速系统的结构、工作原理和系统静特性。通过对比开环系统机械特性和闭环控制系统静特性，使学生掌握闭环直流调速系统的控制规律及稳定性分析。使学生了解转速闭环直流调速系统的限流保护措施，了解转速闭环直流调速系统的计算机仿真方法。

学习重点： 

    （1）闭环直流调速系统的控制规律。

（2）开环系统机械特性和闭环控制系统静特性的对比分析。

学习难点： 

（1）比例控制转速闭环直流调速系统的稳定性分析。

    （2）转速闭环直流调速系统的限流保护。

4. 转速、电流双闭环控制的直流调速系统

本章重点讨论转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法。使学生了解转速、电流双闭环调速系统的组成及其静特性，掌握转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型和动态过程分析，重点掌握转速、电流双闭环直流调速系统工程设计方法，能进行静态参数计算和电流环、转速环的设计。使学生了解弱磁控制直流调速系统的基本工作原理。

学习重点： 

    （1）转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型和动态过程分析。

（2）转速、电流双闭环直流调速系统工程设计方法。

学习难点： 

（1）转速、电流双闭环直流调速系统工程设计方法。

    （2）弱磁控制直流调速系统的基本工作原理。

    （3）转速、电流双闭环直流调速系统的制动动态过程分析。

5.直流调速系统的数字控制

本章主要直流调速数字控制系统采样频率的选择，转速检测的数字化测速方法和数字PI调节器的实现算法。使学生了解数字化控制的直流调速系统的各个组成部分及其主要功能，了解数字化控制的直流调速系统控制器的设计方法。

学习重点： 

    （1）数字控制系统采样频率的选择。

（2）转速检测的数字化测速方法。

（3）数字PI调节器的实现算法。

学习难点： 

（1）转速检测的数字化测速方法。

    （2）数字PI调节器的实现算法。

6.基于稳态模型的异步电动机调速系统

本章主要讲解交流调速基本工作原理、分类。使学生掌握交流降压调速的基本工作原理及其静特性，掌握异步电动机变压变频调速系统基本控制方式及其稳态机械特性。了解电力电子变压变频器的主要类型，了解常见的PWM控制技术，重点理解电压空间矢量控制技术。了解转速开环变压变频调速系统的组成、各部分的作用及其工作原理，了解转速闭环、转差频率控制的变频调速系统的基本概念和基本控制规律。

学习重点： 

    （1）交流降压调速的基本工作原理及其静特性。

（2）变压变频调速系统基本控制方式及其稳态机械特性。

（3）电压空间矢量控制技术。

学习难点： 

（1）变压变频调速时基频以下的电压补偿控制。

（2）电压空间矢量控制技术。

    （3）转速闭环、转差频率控制的变频调速系统的基本概念和基本控制规律。

7.基于动态模型的异步电动机调速系统

本章主要讲解空间坐标变换的基本思想，异步电动机在三相静止坐标系下、两相静止坐标系下和两相旋转坐标系下的数学模型。使学生掌握按转子磁链定向的矢量控制系统和按定子磁链定向的直接转矩控制系统的基本思路及其性能特点。

学习重点： 

    （1）空间坐标变换的基本思想。

（2）异步电动机两相旋转坐标系下的动态数学模型。

（3）按转子磁链定向的矢量控制系统的基本思路及其性能特点。

学习难点： 

（1）异步电动机两相旋转坐标系下的动态数学模型。

（2）按转子磁链定向的矢量控制系统的基本思路及其性能特点。

    （3）按定子磁链定向的直接转矩控制系统的基本思路及其性能特点。

五、课程实验内容与要求

本实验课程主要以常见的运动控制系统相关电路及相应仿真为基础，通过本实验课程的学习使学生能够：

1. 熟练掌握基本仪器和基本电路的测量与使用。

2. 熟练掌握利用Matlab/Simulink搭建运动控制系统仿真模型的基本方法，并能够根据仿真结果完善运动控制系统控制器的设计。

3. 掌握本课程相关知识内容的基本原理在实验设备上的验证及仿真验证。

六、课程的实践要求与内容

本课程的实践环节主要以双闭环直流调速系统、异步电机的矢量控制或直接转矩控制系统为研究对象，使学生通过仿真加深对课程相关知识内容的理解。学生需在以下表格中的实践内容中任选一项深入开展仿真研究。

七、成绩评定

1.总成绩构成

总成绩（100%）=平时成绩×10%+期末成绩×50%+实验成绩×20%+实践成绩×20%

2.平时成绩评定

平时成绩（100%）=课堂表现×30%+作业完成情况×60%+课堂考勤10%

3.期末成绩评定

考核方式：考试

考核标准与依据：每个教学环节需要有科学的评分标准和依据（出勤、作业、试卷、实验报告等实际采用的检验教学效果的各项材料）。

执笔人：陈永超

审定人：苗风东

院部审核人：田俊龙

修订时间：   2020  年  6 月 10 日

（1）电力拖动自动控制系统 刘松  清华大学出版社（参考书）

（2）交直流调速系统    史国生  化学工业出版社（附有课程设计内容）

（3）自动控制系统   廖晓钟   北京理工大学出版社 (伺服为重点内容)

（4）交直流调速系统与MATLAB仿真  周渊深  中国电力出版社（仿真内容比较详细）

（5）运动控制系统   张崇巍，李汉强 武汉理工大学出版社（内容较多，含有机器人相关内容）

（6）自动控制系统原理与应用  李琳清华大学出版社 （以5个项目为载体展开相关内容，理论讲解较浅显）

（7）电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真    顾春雷、陈中清华大学出版社 （传统调速方法相关内容为重点，带有仿真实例，没有伺服等相关内容）