電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第1章 緒論

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)授課教師：授課教師：田田 偉偉Email：cse_Office：1J1203第第1章章 緒緒 論論n運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成n運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展n運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律n生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)通過通過控制控制電動(dòng)機(jī)電壓、電流、頻率等電動(dòng)機(jī)電壓、電流、頻率等輸入量輸入量，改變改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，使各種工作機(jī)械按人們

2、期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。電電 源源控制設(shè)備控制設(shè)備電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)工作機(jī)構(gòu)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成電力拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以各類電動(dòng)機(jī)為以各類電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象控制對(duì)象，以計(jì)算機(jī)和其他電子裝置以計(jì)算機(jī)和其他電子裝置為為控制手段控制手段，以電力電子，以電力電子裝置為裝置為弱電控制強(qiáng)電的紐弱電控制強(qiáng)電的紐帶帶，以自動(dòng)控制理論和信，以自動(dòng)控制理論和信息處理理論為息處理理論為理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和計(jì)算以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為機(jī)輔助設(shè)計(jì)為研究和開發(fā)研究和開發(fā)的工具的工具。圖圖1-1運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科運(yùn)

3、動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科1.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成 圖圖1-2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)l從類型上分從類型上分直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。l從用途上分從用途上分用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。1.1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大 與變換裝置與變換裝置l電力電子型電力電子型功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置 半控

4、型向全控型發(fā)展半控型向全控型發(fā)展 低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展 分立的器件向具有復(fù)合功能的功率分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展模塊發(fā)展1.1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器l模擬控制器模擬控制器（運(yùn)放及相應(yīng)電氣元件）（運(yùn)放及相應(yīng)電氣元件）物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路線路復(fù)雜、通用性差線路復(fù)雜、通用性差控制效果受到器件性能、溫度等因控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響素的影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器l以微處理器為核心的以微處理器為核心的數(shù)字控制器數(shù)字控制器硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化

5、程度高硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便方便擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能斷等功能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器l模擬控制器模擬控制器 并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間小。并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間小。l微處理器數(shù)字控制器微處理器數(shù)字控制器 串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮?？紤]。1.1.4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè) 與處理與處理l信號(hào)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè) 電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào)電壓、電流、轉(zhuǎn)

6、速和位置等信號(hào)l信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換 電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等l數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 信號(hào)濾波信號(hào)濾波1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展l電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)帶動(dòng)了電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)帶動(dòng)了新一代交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，新一代交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動(dòng)天下的格局。動(dòng)天下的格局。l進(jìn)入進(jìn)入21世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展l直流調(diào)速系統(tǒng)直流

7、調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制。矩易于控制。換向器與電刷的位置保證了電樞換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵(lì)磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電流與勵(lì)磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。電樞電流成正比。1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展l交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電交流電動(dòng)機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單動(dòng)機(jī)）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單交流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直線性、多變量、強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多。流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多。交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)l基于基于穩(wěn)態(tài)模型

8、穩(wěn)態(tài)模型的交流調(diào)速系統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻調(diào)速 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)l動(dòng)態(tài)性能無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比動(dòng)態(tài)性能無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)l基于基于動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型的交流調(diào)速系統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng) 矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)l動(dòng)態(tài)性能良好，取代直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好，取代直流調(diào)速系統(tǒng)1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展l同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，機(jī)械特性硬。格保持同步，機(jī)械特性

9、硬。l電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展，成功地電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展，成功地解決了阻礙同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的失步解決了阻礙同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的失步和啟動(dòng)兩大問題。和啟動(dòng)兩大問題。1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 l運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式mmmmemdtdKDTTdtdJLl忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運(yùn)忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方程式動(dòng)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方程式mmemdtdLTTdtdJ1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 l若采用工程單位制，則若采用工程單位制，則LeTTdtdnGD-3752l轉(zhuǎn)矩控制

10、是運(yùn)動(dòng)控制的根本問題轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的根本問題要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。化率按人們期望的規(guī)律變化。1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 l磁鏈控制同樣重要磁鏈控制同樣重要為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵芯，在一定的電流作用下用電機(jī)鐵芯，在一定的電流作用下盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須盡可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。磁鏈）。1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)

11、矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 基速以下恒磁通（或磁鏈）控制，基速以上采用弱磁控制。基速以下恒磁通（或磁鏈）控制，基速以上采用弱磁控制。1.4 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性l生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入。在的不可控?cái)_動(dòng)輸入。l歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)際負(fù)載可能是多個(gè)典型矩特性，實(shí)際負(fù)載可能是多個(gè)典型負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的具負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的具體情況加以分析。體情況加以分析。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 l負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定，稱作恒定，稱作恒轉(zhuǎn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載矩負(fù)

12、載a）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 由重力產(chǎn)生，由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向具有固定的大小和方向b) 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載大小不變，大小不變，方向始終與轉(zhuǎn)速反向方向始終與轉(zhuǎn)速反向圖1-3 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載LT 常數(shù)恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載l負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率成反比，而功率為常數(shù)，稱作為常數(shù)，稱作恒恒功率負(fù)載功率負(fù)載圖1-4 恒功率轉(zhuǎn)矩負(fù)載 mmLLPT常數(shù)nnPTLL常數(shù)或：260風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載 l負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正速的平方成正比，稱作比，稱作風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載泵類負(fù)載圖1-5 風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載22mnLTn計(jì)劃學(xué)時(shí)計(jì)劃學(xué)時(shí):

13、 共共54學(xué)時(shí)學(xué)時(shí),其中其中:實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)，講課學(xué)時(shí)，講課48學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)，n上課時(shí)間：上課時(shí)間：3-17周（單周周（單周4，雙周，雙周2）n學(xué)習(xí)章節(jié)：學(xué)習(xí)章節(jié)： 第第1章章 緒論緒論 第第1篇篇 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第4章章 可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)可逆控制和弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 第第2篇篇 交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng) 第第5章章 基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 第第6章章 基于動(dòng)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)

14、速系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 授課安排授課安排教材與參考書教材與參考書n教材教材：電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)（第電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)（第4版），版），阮毅，阮毅，陳伯時(shí)，機(jī)械工業(yè)出版社。陳伯時(shí)，機(jī)械工業(yè)出版社。n參考書參考書：自動(dòng)控制原理，胡壽松，科學(xué)出版社。自動(dòng)控制原理，胡壽松，科學(xué)出版社。自動(dòng)控制系統(tǒng)，陳伯時(shí)，機(jī)械工業(yè)出版社自動(dòng)控制系統(tǒng)，陳伯時(shí)，機(jī)械工業(yè)出版社。電力電子技術(shù)，王兆安，機(jī)械工業(yè)出版社。電力電子技術(shù)，王兆安，機(jī)械工業(yè)出版社?，F(xiàn)代控制工程，緒方勝?gòu)ㄈ眨茖W(xué)出版社?，F(xiàn)代控制工程，緒方勝?gòu)ㄈ眨茖W(xué)出版社。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，王離九，華中理工大學(xué)出版社電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，王離九，華中理工大學(xué)出版社電機(jī)控制系統(tǒng)，賴福新，上海交通大學(xué)出版社。電機(jī)控制系統(tǒng)，賴福新，上海交通大學(xué)出版社。電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)（上、下冊(cè)），顧繩谷，機(jī)