运动控制系统电子教案.doc
《运动控制系统电子教案.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运动控制系统电子教案.doc（95页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
运动控制系统
《运动控制系统》
教案
绪论
（1学时）
教学目的、要求：
本节主要介绍课程的性质、任务、特点以及自动控制系统中的一些基本概念
教学方式：
采用多媒体课件。
教学设计：
最初接触这一门课程，首先介绍课程的性质、解决任务、工程中的地位以及本课程的特点。
讲解清楚教材的特点，选用教材的依据以及教师的讲解思路。
初步使学生建立起本门课程的知识框架，用实际的工程事例激发学生的学习兴趣。
一、课程的性质、任务、特点、分类及工程应用
性质：
理论与实践紧密结合的、自动化专业学生必修的专业技术课。
任务：
研究自动控制系统的控制规律、研究交直流的各种调速方式。
特点：
1）综合性强:
涉及到的课程较多电子技术、变流、电拖、自控原理等；
2）实践性强:
与工程实际相联系；
1、2、3、4章
直流调速
交流调速
3）通用性强:
研究系统的控制规律，如社会、经济、生物等。
控制系统的分类
运动控制系统
过程控制系统、计算机控制系统
6、7、8章
工程应用实例：
机床的控制、家用电器、电力拖动
实验三个共8学时，其中6学时为必做实验，2学时为选做实验。
其特点：
实践性强，时间占用较长。
二、讲课方式：
多媒体讲解、黑板上讲解、课堂讨论、自学。
讲授方法有：
传统式、启发式、逆向式、讨论式、探究式，展示最新科学技术等方式。
三、参考文献：
孙树朴等，《电力电子技术》，中国矿大出版社，2000，北京。
张明达，《电力拖动自动控制系统》，冶金工业出版社，1983，北京。
贺益康等《电力电子技术》，浙江大学出版社；
四、考核方式：
笔试70分，实验10分，科技论文10分，
作业及课堂表现10分，科技活动奖励5分。
五、电力拖动自控系统一般概念（自动控制原理中已经学过）
1、开环系统
2）闭环系统
增设了控制及反馈装置，利用实测的参数作为反馈信息量，与原先设定的指令相比较，以完成自动调节作用。
3）综合自动化控制
4）系统的性能指标
一）系统的稳定性。
当扰动或给定值发生变化时，输出量将会偏离原来的稳定值。
这时，通过内部自动调节，系统可能回到（或接近）原来的稳定值或跟随给定值稳定下来。
二）系统的动态性能指标。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。
系统的对象和元件通常都具有一定的惯性（如机械惯性，电磁惯性，热惯性等）系统中各种量值的变化不可能是突变的。
因此从一个稳态过渡到新的稳态，都需要经历一段时间，亦即需要经历一个过渡过程。
第一章直流单闭环调速系统
§1-1晶闸管—电动机（V-M）调速系统的特点
目的、教学要求：
此部分内容在前述课程《电力电子技术》中已学过，要求学生课后复习，在此基础上掌握晶直流调速电源的特点、闸管—电动机（V-M）调速系统的调速方法。
重点、难点：
触发脉冲相位控制，晶闸管—电动机（V-M）调速系统电流连续、断续时V-M系统机械特性。
主要内容：
电流波形的连续与断续,电流连续时V-M系统机械特性,电流断续时V-M系统的机械特性。
思考：
①晶闸管—电动机（V-M）调速系统电流波形连续与断续的条件？
②与一般直流电源相比，V-M系统的特点？
③V-M系统机械特性如何？
教学设计：
从直流电动机转速方程入手，分析三种调节电动机转速的方法，通过讲解各种方法的优缺点，引申出本章核心内容：
调压调速。
而调压调速系统需要有专门向电动机供电的可控直流电源。
进一步引入几种主要的可控直流电源。
在对比的基础上，总结出各种可控直流电源的特点，最后明确把晶闸管整流装置输出电压看作直流电源给电动机供电的V-M系统
。
针对晶闸管—电动机（V-M）调速系统的特点，通过启发性的提问使学生回忆先修课《电力电子技术》整流装置的有关内容，再通过调速系统的角度分析
晶闸管整流装置输出电压看作直流电源给电动机供电，与一般直流电源相比，V-M系统的特点：
一、触发脉冲相位控制
二、电流波形的连续与断续
三、V-M系统的机械特性
教学方式方法：
绪论和可控直流电源、触发脉冲相位控制等容易理解的内容采用多媒体讲授，难点部分教师在黑板上详细讲解，如：
电流连续、断续时V-M系统机械特性。
采用启发式，逆向提出问题→解决问题→设计电路系统
§1-2反馈控制闭环调速系统的稳态分析
目的、教学要求：
使学生准确掌握调速的基本概念、调速性能指标之间的内在关系，以及开环系统所存在的问题。
重点、难点：
静差率与调速范围的的关系与内在联系，静差率与机械特性硬度之间的关系。
主要内容：
调速的基本概念；调速范围、静差率和额定速降之间的关系；开环系统所存在的问题。
思考：
①静差率与机械特性硬度的关系？
③为什么说调速范围和静差率不是彼此孤立的，必须同时考虑才有意义？
教学设计：
简要讲述调速性能指标三个概念调速、稳速、加、减速，静差率及其与机械特性的硬度的关系，联系工程实际，重点探讨调速范围、静差率和额定速降之间的关系。
然后以某一龙门刨床工作台直流电动机开环调速系统为例，分析其性能和存在的问题，该部分内容要求学生自己利用调速指标计算、分析，得出其性能特点，提出问题，思考解决开环系统速降太大的解决方法。
通过启发，由学生提出问题的解决方法－引入反馈控制
教学方式方法：
该部分内容较容易理解，采用多媒体讲授。
§1-3反馈控制闭环调速系统的稳态分析
教学目的、要求：
熟悉掌握闭环系统的组成及静特性、闭环调速系统与开环系统的性能比较，降低速降的实质。
重点、难点：
闭环系统能降低速降的实质。
主要内容：
闭环系统的组成及静特性方程的推导、闭环调速系统与开环系统的性能比较，闭环系统能降低速降的实质是什么？
思考题：
①闭环系统能降低速降的实质是什么？
②写出当负载突减时，系统的自动调节过程。
③闭环静特性是如何形成的？
为什么开环中转速与电流（转矩）的关系称作为机械特性，而闭环系统中转速与电流（转矩）的关系称作闭环静特性？
④单闭环调速系统的基本性质是什么
教学设计：
①通过引入三幅flash动画生动说明静特性与开环机械特性的区别，通过展示实物照片来说明形成闭环的方式手段。
②通过一个直流有静差调速系统来计算系统的各部分参数（简要介绍）PPT讲
③采用逆向思维方式来提出闭环系统存在的问题，通过启发提出解决问题的办法，由此引出截止环节
一、闭环调速系统的动态数学模型
（一）直流它励电动机的数学模型
该环节的内容从直流电动机等效电路入手，确定直流它励电动机的数学模型及动态结构图，教师讲解思路，学生自学。
以三相半波整流电路为例来讲解，多媒体动画演示
（二）晶闸管触发和整流装置数学模型及动态结构图
失控时间：
Ts的概念。
（）
从控制电压变化开始到发生变化之间的时间间隔称为失控时间，最大失控时间为两个相邻自然换相点之间的时间，即
相对于整个系统的时间响应来说，是不大的。
通常可用简单算术平均值，即，不同整流电路取值不同。
晶闸管触发器和整流装置输入输出关系为
应用拉氏位移定理，其传递函数为
将按泰勒级数展开，则上式变成
由于很小，可忽略高次项，可将晶闸管变流装置近似成一阶惯性环节来处理，其传函为
（三）比例放大器和发电机传函
由于比例放大器和测速发电机输出响应可认为是瞬时变化的，其传函为
，
将上述四个环节按系统中的相互关系连接在一起，便得到闭环调速系统的动态结构图
二、闭环调速系统的数学模型和稳定条件
当不考虑负载，即=0时，系统开环传函为
闭环系统传递函数为
1．稳定条件
根据反馈控制闭环调速系统的特征方程和劳斯--古尔维茨判据，可以推导出其稳定条件为
或
可得
系统的临界放大系数Kcr，当K＞Kcr时，系数将不稳定。
强调：
对于一个自动控制来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。
三、单闭环直流调速系统的组成及静特性
Flash演示
特点：
①把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成闭环控制；
②测速环节：
直流测速发电机，与直流电机同轴联结；；
③设置放大器
1．详细讲述闭环系统的组成及特点
**提问：
运用自控原理的知识，如何推导闭环系统的特性方程？
利用自动控制原理中传函的化简原理，得到调速系统的静特性方程式，从而得出系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同，故定名为“静特性”，
结论：
闭环系统可以获得比开环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，须增设检测与反馈装置和电压放大器。
然后进行四、开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较分析：
接下来重点分析降低速降的实质是什么呢？
闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。
以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：
FLASH动画演示
主要例题：
当负载突增时，系统的自动调节过程。
该部分内容采用多媒体讲授。
最后总结具有比例调节器的单闭环调速系统的基本性质，强调指出：
有静差系统的概念。
全面地看，反馈控制系统一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随这给定作用，对给定信号的任何变化都是惟命是从的。
而系统精度依赖于给定和反馈精度
四、反馈控制调速系统的主要部件和稳态参数计算
㈠运算放大器：
提问：
比例放大器的放大系数计算方法？
分析其输入输出特性，
该部分在黑板上推导。
总结比例调节器特点：
注意比例调节器的输出电压与输入电压成反比，其输出量能立即响应输入量的变化。
画出其结构图。
㈡晶闸管整流与触发装置
若初步估算，即在条件下，用两个量的设计最大值估算，即。
也可估算，
㈢稳态参数计算举例
以转速单闭环有静差调速系统为例,讨论静态参数计算。
先提出该类问题的分析思路，解题步骤，然后，要求同学们当堂计算，最后点出计算过程中的注意点和难点。
五、单闭环调速系统的限流保护——电流截止负反馈
首先启发学生明确一点：
闭环存在的问题，引入电流截止环节，然后 请同学们自己设计该环节电路，之后，老师提供出两个实际电路，请同学们比较各自的优缺点。
最后对带电流截止负反馈的单闭环调速系统进行静特性分析：
学生了解了引入电流截止负反馈的目的及所起的作用后，总结对带电流截止负反馈的单闭环调速系统进行静特性分析，也叫“挖土机特性”
§1-4积分、比例积分控制规律和无静差调速系统
教学目的、要求：
掌握PI调节器特性以及与P调节器的区别，PI调节器能解决系统动态快速性与稳态无静差的实质，会分析由PI调节器组成的无静差调速系统调节过程及静特性。
重点、难点：
放大系数K对系统稳定性的影响。
无静差系统特性以及I调节器性能。
无静差系统静特性分析。
主要例题：
以负载突增来分析无静差调速系统调节过程
思考及作业：
㈠PI调节器的特性是什么？
㈡PI调节器能解决系统动态快速性与稳态无静差的实质？
㈢PI调节器的实用电路要考虑哪几方面？
教学设计：
回顾单闭环有静差系统的特点，提问：
使用比例调节器的闭环系统能否完全消除静态偏差？
通过分析，引出无静差概念，PI调节器实现无静差的实质让学生讨论，得出结论。
无静差调速系统概念：
调速系统受到扰动作用后，又进入稳态运行时，系统的给定量与被调量的反馈量保持相等，即=0，也就是扰动前后的稳态转速不变。
一、分析积分调节器（I调节器）及积分控制规律
积分器有三个重要特性
1）延缓性积分调节器输入阶跃信号时，输出按积分线性增长。
2）积累性只要积分调节器输入信号存在，不论信号大小如何变化，积分的积累作用就持续下去，只不过输出值上升速率不同而已。
3）记忆性在积分过程中，如果输入信号变为零，输出电压能保持在输入信号改变前的瞬时值，该电压值就是充电电容C两端的电压值，若要使输出值下降，必须改变输入信号的极性，其变化过程如图所示。
对I调节器性能的性能采用在黑板上讲授。
若初始不为零情况下积分调节器输出值为
比例调节器的输出量完全取决输入量的“现状”；而积分调节器的输出，既取决于输出的初始值，又取决于输入量对时间的积累过程（即历史状况）。
尽管目前=0，只要历史上曾经出现过的值，输出就存在一定数值，这就是比例控制规律与积分控制规律的根本区别。
虽然积分调节器通过不断的积累过程来最后消除误差，但由于积分调节器的输出是逐渐的积累，在控制的快速性上，积分控制远不如比例控制。
而比例调节器虽然响应快，但系统存在静差，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，就把P与I结合起来，取长补短，形成比例积分调节器（PI调节器）。
课后自学：
比例积分调节器的电路实现及传递函数的推导
二、采用比例积分（PI）调节器的单闭环无静差调速系统
1．PI调节器工作原理
采用运算放大器的PI调节器线路及传递函数要求学生课前自学。
课堂提问：
比例积分作用的动态快速性和稳态无静差物理意义的概念：
课堂讨论：
无静差系统静特性的实质。
如何实现？
由此可见，PI调节器满足了系统在动态和静态时放大系数K大小不同的要求，它属于串联校正装置，这样不仅使系统在稳态做到无静差，而且又提高了系统动态的稳定性。
2．具有PI调节器的单闭环无静差调速系统
采用PI调节器的单闭环无静差调速系统的原理如图所示，为了限制起动冲击电流，系统采用电流截止负反馈。
TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。
当时上述系统的稳态结构图示于右图。
现以阶跃负载为例（指突增或突降负载的情况），来讨论PI调节器在扰动调节过程的作用，见图1-36。
3．系统静特性和静态参数计算
以课堂讨论为主要讲授方式。
由于稳态时PI调节器的输入电压，给定电压和反馈电压相等，因此可以按下式计算转速反馈系数
三、PI调节器的实用电路
教师提供几个常用的实际电路，请学生分析其工作原理和各自的优缺点。
§1-5调速系统中检测环节
该环节由教师提出调速系统中各检测环节的作用、原理，指定参考书，鼓励学生通过网络查找相关学习资料，请学生自学。
第一章作业
1．在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数变化时系统是否有调节作用，为什么？
1.放大器的放大系数。
2．供电电网电压。
1.电枢电阻。
2.电动机励磁电流。
3.电压负反馈系数。
2．在带电流截止环节的转速负反馈调速系统中，如果截止比较电压发生变化，对系统的静特性有什么影响？
如果电流反馈电阻大小发生变化，对静特性又有什么影响？
3．试回答下列问题：
1）在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压较之负载变化前是增加、减少还是不变？
2）差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速和整流装置的输出电压是增加、减少还是不变？
3）采用PI调节器的单闭环自动调节系统中，调节对象包含有积分环节，突加给定后PI调节器没有饱和，系统到达稳态前被调量会出现超调吗？
4．发生下列情况，无静差调速系统是否会产生偏差？
为什么？
（12分）
①运算放大器产生零漂；
②给定电压由于稳压电源性能不好而不稳定；
③反馈电容间有漏电电流；
④测速发电机电压与转速不是线性关系。
5．在某以调速系统中，要求调速范围1000~100r/min，静差率S=5%，试问此时允许的静态转速降是多少？
若开环静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大系数为多大？
第二章转速电流双闭环直流调速系统的工程设计
§2-1转速、电流双闭环调速系统及其静特性
教学目的、要求：
让学生熟悉掌握转速、电流双闭环调速系统的组成特点,闭环调速系统的静特性特点，目的是有效地解决单闭环系统存在的问题。
重点、难点：
双闭环系统电路特点、如何实现转速无静差。
主要内容：
转速、电流双闭环调速系统的组成及其电路特点、闭环调速系统的静特性、系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算
主要例题：
系统稳态参数计算
思考及作业：
①什么是最佳过渡过程?
②转速、电流双闭环调速系统电路的特点是什么?
③PI调节器限幅特征？
作业：
预习§2-2双闭环调速系统动态特性的内容，下次课组织学生课堂讨论
讨论主题：
①在启动的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段，ASR、ACR状态如何变化？
②在第Ⅱ阶段，为什么能维持恒加速启动？
③双闭环调速静特性有什么特点？
④在起动的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段，ASR、ACR分别起什么作用？
⑤要求撰写科技论文，双闭环调速系统起动过程分析
§2-1转速、电流双闭环调速系统及其静特性
教学设计：
从单闭环系统的缺点引出双环系统结构，采用逆向思维方式，启发学生思考，让学生积极参与到教学活动中。
一、单闭环调速系统存在的问题
①用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，
②环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。
③电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。
最佳起动过程:
在电机最大电流（转矩）受限制条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值。
为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合在一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分来加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。
如何设计控制框架，让学生思考，逐步引出结构图。
二、转速、电流双闭环调速系统的组成
双闭环调速系统其原理图和静态结构图如下图a和b所示。
该节内容用多媒体讲授，其中多个环节采用FLASH动画演示。
电路特点：
（1）两个调节器，一环嵌套一环；（讲解双环和单环的本质区别）
（2）两个PI调节器均设置有限幅；
（3）电流检测采用三相交流电流互感器；
（4）电流、转速均实现无静差。
提问：
PI调节器限幅特征是什么？
由于转速与电流调节器采用PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为无静差。
转速调节器ASR输入无偏差，实现转速无静差。
三、闭环调速系统的静特性
PI调节器限幅特征：
一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；
（要用图来说明此问题，让学生理解）即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。
而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。
双闭环系统的静特性如图所示
特点：
1）n0-A 的特点
①ASR不饱和，调节硬。
②ACR不饱和，随动
或
n0为理想空载转速。
此时转速n与负载电流无关，完全由给定电压所决定。
电流给定有如下关系
因ASR不饱和，，故。
n0A这段静特性从一直延伸到。
2）A—B段ASR饱和，ACR不饱和，电流跟随，
起到了过流保护作用，稳态时有
3）双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
在起动或堵转时，负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节器作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
强调说明：
双闭环系统只能抑制起动或堵转时的过电流，但当系统发生其他故障引起过电流时，系统不能保护，需另设过电流保护电路。
五、系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作时其输入信号都为零，各变量之间存在以下关系
系统稳态参数计算举例
由以上各关系可以看出，在稳态工作点上，电机转速是由给定电压决定，ASR的输出量由负载电流决定，而与转速给定值无关，ACR的输出量则同时取决于n和的大小。
这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。
比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要所决定的。
电流、转速反馈系统的确定
①可求出反馈系数：
转速反馈系数
②电流反馈系数：
两个给定电压的最大值是受运算放大器的允许输入电压限制的。
布置下节课课堂讨论题目，分小组进行讨论，学生自主上台讲解双闭环系统起动过程。
§2-2双闭环调速系统动态特性
教学目的、要求：
必须掌握转速、电流双闭环调速系统整个启动过程，在启动过程中两调节器的作用,以及启动特点，闭环系统的抗扰性能。
重点、难点：
起动过程分析。
主要内容：
起动过程中两调节器的调节过程；电机电流、转速以及控制电压的变化过程。
思考及作业：
①什么是最佳过渡过程?
②转速、电流双闭环调速系统电路的特点是什么?
③PI调节器限幅特征？
③在整个起动过程第一、第二过程中，两个调节器的作用？
④在起动过程中，转速一定会超调吗？
为什么？
⑤在起动的第二阶段为什么电枢电流能维持最大值基本不变？
实现最大力矩起动？
⑥系统抗干扰作用。
⑦总结ASR，ACR的作用。
§2-2双闭环调速系统动态特性
教学设计：
上课后留出15分钟的时间，让学生进一步预习，然后分组讨论上节课所提出的讨论题目。
每组推选一名学生上讲台讲解，同组同学可以补充。
最后留出20分钟时间，老师进行评讲。
通过学生思考，讨论，锻炼学生的知识组织能力，与人交流的能力，开发思维能力，引导他们逐步学会解决实际问题的能力。
（最后老师进行总结）
§2-3直流电动机的双域控制
教学目的、要求：
让学生掌握双域控制的基本原理
重点、难点：
如何维持电机弱磁升速过程
主要内容：
基速以上减弱磁场升速过程
思考及作业：
①弱磁升速的前提条件是什么？
②在弱磁升速的过程中如何维持E不变？
③弱磁升速过程中励磁电流如何变化？
②弱磁升速的ASR、ACR状态任何改变？
§2.3直流电动机的双域控制
教学设计：
先在黑板上讲解基本原理
升级会员 