运动控制课程综述(最新版)

Hefei University

电力拖动自动控制系统课程综述

课题名称：电力拖动自动控制系统

姓名：

学号：

指导教师：孟芳芳老师

完成时间： 2015.6.13

一、概述

《运动控制系统》是为自动化专业学生开设的一门专业课。该课程的研究对象是生产实践中应用广泛的运动控制系统，包括调速和位置随动自动控制系统，具有理论联系实际的突出特点，对自动化技术专业学生掌握专业知识和技能，提高理论联系实际的能力，起着重要的作用，并为今后的工作打下基础。

电力拖动实现了电能和机械能之间的能量转换，而电力拖动自动控制系统——运动控制系统（以下简称运动控制系统）的任务是通过控制电动机电压、电流和频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按照人们期望的要求去运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。现代运动控制系统技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计（CAD）为研究教学时间安排上，本课程安排了教学周的1～12周进行理论教学，还有三次实验课，任课教师是孙强博士，考核方法是课后作业（5％）＋课堂提问（10%）＋平时考试（15％）＋实验（20%）＋期末考试（50％）。教学目标上，通过本课程的教学，使学生较好地掌握交直流调速系统、随动系统的基本组成、工作原理以及系统的静、动态分析方法，能够按性能指标要求，应用工程设计方法设计运动控制系统。培养理论联系实际的能力，提高分析问题和解决问题的能力。

图1 运动控制系统与其支持学科

二、课程主要内容

教材的主线是控制系统的原理、分析和设计。这本教材设计的主要思路是理论与实际相结合，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计等实际问题。以转矩和磁链（磁通）控制规律为主线，由简入繁、由低及高地循序渐进，按照从开环到闭环、从直流到交流、从调速到伺服的层次论述运动控制系统的静、动态性能和设计方法。直流调速系统是运动控制系统的基础，教材从直流调速系统入门，建立了扎实的控制系统分析和设计的概括和能力之

后，再进入交流调速系统的学习。最后，在掌握了调速系统的基本规律和设计方法的基础上，进一步学习伺服系统的分析和设计。

第一章是绪论部分。绪论部分对运动控制系统的历史与发展以及相关学科做了一个简单的介绍，着重指出转矩控制是运动控制系统的根本规律，磁场（磁链）控制也相当重要。最后介绍了典型的负载特性。

第二章是转速反馈控制的交流调速系统。本章节首先描述两类可控直流电源的特性和数字模型。当用可控直流电源和直流电动机组成一个直流调速系统时，它们所表现出来的性能指标和人们的期望值总是存在差距的，接着对此做出了分析，解决此问题的方法是设计具有转速反馈控制的直流调速系统。接着介绍了转速反馈控制直流调速系统的控制规律，分析了系统的静差率，介绍了P调节器和PI调节器的控制作用。随着技术的发展，各种自动控制系统越来越多采用微机数字控制，然后分析了数字控制系统的特点，着重介绍了数字测速方法和数字调节器。由于只带转速反馈的控制系统的控制对象是转速，没有控制电流，该系统需要实施限流保护，最后分析了限流的方法。同时也介绍了MATLAB/SIMULINK在直流调速系统设计中的基本应用方法，为以后各章节中的电力拖动系统仿真设计打下基础。

第三章是转速、电流反馈控制的直流调速系统。本章节首先介绍转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性，接着阐述系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的控制作用。同时介绍了调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，这种设计方法计算简单，应用方便，容易掌握。应用工程设计方法能很好的解决转速、电流反馈控制直流调速系统两个调节器的设计问题。最后用MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统进行仿真。

第四章是可逆控制和弱磁控制的直流调速系统。本章进一步讨论了可逆直流调速系统和弱磁控制的直流调速系统。首先讨论了直流PWM可逆直流调速系统，PWM调速系统的可逆控制比较简单，但它的可逆控制存在着能量的反馈问题。然后讨论了V-M可逆直流系统，包括主电路的可逆线路、晶闸管装置的逆变与回馈、可逆线路的环流及其控制系统。接着又讨论了弱磁控制的直流调速系统，在转速、电流双闭环直流调速系统的基础上增设电动势控制环和励磁电流控制环，可以控制直流电动机的气隙磁通，实现弱磁调速。

以上三章构成了第一篇章，直流调速系统。

第五章是基于稳态模型的异步电动机调速系统。异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点，早期多用于不可调拖动。随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在可调拖动中逐渐得到广泛的应用。本章首先基于稳态等效电路的异步电动机稳态模型，分析异步电动机调速的基本方法和气隙磁通。接着介绍了调压调速的基本特征和机械特性，讨论闭环控制的调压调速系统，介绍了降压控制在软启动器和轻载降压节能运行中的应用。接着介绍了变压变频调速的基本原理和机械特性，讨论了基频以下的电压补偿控制。通过介绍交流PWM变频器的主电路，讨论了正弦PWM（SPWM）、电流跟踪PWM(CFPWM)、消除指定次数谐波PWM（SHEPWM）和电压空间矢量PWM（SVPWM）四种控制方式，着重分析SVPWM中电压矢量与定子磁链的关系和控制，并介绍交流PWM 变频器在异步电动机调速系统中应用的特殊问题。最后讨论了转速开环电压频率协调控制的变压变频调速系统及其实现和转速闭环转差频率控制系统的工作原理、控制规律和性能分析。

第六章是基于动态模型的异步电动机调速系统。异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制系统，研究高性能异步电动机的调速方案。本章首先讨论了异步电动机的数学模型的非线性、强耦合、多变量的性质，论述了异步电动机三相原始动态数学模型，证明三相原始数学模型的非独立性，说明简化的必要性和可能性。接着讨论两种坐标变换及其物理意义，后又