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电力拖动自动控制系统
  —运动控制系统

   (陈伯时) 
    [10411‐4]
电力拖动自动控制系统                Created by Kairry 

                      概述

基本概念

运动(motion、movment)是物质的固有性质和存在方式;是物质所固有的根本属性。

有一句基于哲学的释义---没有不运动的物质;也没有离开物质的运动。可见运动涉

及宇宙万物、大到遥远的天体,小到微观的质子和电子,对这些运动的研究覆盖了

整个科学技术领域。

运动控制系统(motioncontrolsystem)是近 10 多年来国际上流行的一个技术术语,

它源于一种狭义的、约定俗成的共识,即它的主要研究内容是机械运动过程中涉及

的力学、机械学、动力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。

拖动---由原动机带动生产机械运动,我们称之拖动。

电力拖动---以电动机作原动机的拖动方式称之电力拖动

控制---按照主体的意愿使事物朝期望的目标发展。

自动控制---在无人参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制装置或控制器),

使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某工作状态或参数(即被控量)自动

地按预定的规律进行变化。

自动控制系统---是由控制器和控制对象结合在一起的,并能对控制对象的某些物理

量进行自动调节、控制的一个有机整体。

电力拖动自动控制系统的定义:

       以机械运动的驱动设备—电动机为被控对象;

       以控制器为核心;

       以电力电子功率变换装置为执行机构;

       在自动控制理论指导下组成的可实现电气传动功能的自动控制系统。

自动控制技术的应用与发展

  自动控制技术在工农业生产、日常生活、交通运输、国防军事和航空航天等各个
电力拖动自动控制系统              Created by Kairry 

领域中应用极为广泛。

 随着生产和科学技术的发展,自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域,成为

促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。

例 满足生产过程及生产工艺要求

1)车床    粗加工(毛坯)吃刀深、速度低        需控制驱动电机在转速低、大转矩

状态;

        精加工(光刀)吃刀浅、速度高        需控制驱动电机在转速高、小转矩

状态;

     结论:提出对电机转速、转矩的控制要求。

2)电动车辆(电动汽车、电力机车、轻轨电车)

 上坡 低速、大转矩;下坡 再生制动(动能回馈)
                       ;平路 高速、小转矩。

     结论:提出对电机实施电动/发电运行状态的控制要求。

3)轧钢机

 稳态时 速度稳定;咬钢时 动态速降小、恢复时间短、转矩动态响应快;

 能正/反转、电动/制动 4 象限运行。

     结论:提出对电机的转矩动态控制和四象限运行的要求。
                        2      3
4)风机/水泵类负载驱动(负载特性 T∝n       P∝n )

 原调节流量方式:电机恒速,挡风板或阀门开度;——消耗大量能源;

 节能调节:取消挡风板或阀门(全开)
                 ,调速调节流量。节能率可达 40%~20%。这

更具社会现实意义。

 直流电机发明于 1833 年,所以早期的电力拖动只有直流电气传动。直至 19 世纪

中后期,鼠笼式异步电动机诞生才有了交流电气传动,不论直流、交流都还不能调

速。

 直到 20 世纪 30 年代,开始使用直流调速控制系统,并经历了    旋转变流机组---
电力拖动自动控制系统              Created by Kairry 

晶闸管可控调压调速---PWM 斩波控制系统           的发展过程,这一时期成现出“直流

调速好,交流不可调”的定式格局;

 而随着半导体器件、
         电力电子技术的突越发展, 20 世纪 60 年代国外交流兴起,
                     在

原来对交流调速的冷淡突然变得热情起来,交流调速也经历了 V/F 控制---转差频率

控制---矢量控制---直接转矩控制 的历程。

我国的交流调速比国外晚起步 20 多年,且初期遇到极大保守阻力。

 20 世纪 90 年代,永磁同步调速系统出现,造船业中全电力推进船舶开始应用。

运动控制系统的发展趋势:

    驱动交流化、超高速、超大型化

           u    节能环保目的   交流恒速→交流调速

           u    方便维护目的   直流调速→交流调速

           u    直流调速不能达到的大功率、高压、高速场合

    系统集成化

           u   功率变换器高频化和集成化;

           u   借助数字和总线技术,组成多机多种控制过程协调的分布式集成控

        制系

    控制数字化、智能化、网络化

           u   新型控制理论和智能控制方应用(如鲁棒控制、非线性控制,自学

        习控制等)

           u   利用已有的网络技术(如 Internet)实现跨地域,实时控制。

课程内容及教材特点

 近年来,应用技术进步体现在三个方面:

 执行机构(电力电子变换器):晶闸管(SCR)→大功率开关器件、相位控制→脉

宽调制(PWM)
       ;
电力拖动自动控制系统                             Created by Kairry 

  控制器:模拟电子控制→数字电子控制

  被控对象:直流拖动系统→交流可调拖动系统(交流拖动技术发展极快)

本教材分上下两篇共 8 章
    直流篇                                        交流篇
1、闭环控制直流调速系统。                              5、闭环控制异步电动机变压调速系统
2、双闭环控制直流调速系统和调节器的工程设计方法                   6、VVVF 系统(笼型异步机变压变频调速)
3、数字控制直流调速系统。                              7、绕线式异步机双馈调速系统
4、可逆直流调速系统和位置随动系统                          8、同步电动机变压变频调速系统




学习本课程所需主要相关学科知识:电子技术、电力电子及变频技术、自动控制原

理、电机与拖动、计算机控制技术等。

教学任务:通过第 1、2 章学习掌握电力拖动控制系统的静、动态特性和控制规律的

基本概念;掌握一般自动控制系统的分析方法;学会运用以经典控制理论为基础的

实用价值较高的工程设计方法;

      通过第 3 章的学习,了解数字控制系统的特点和实现方法;

  本课程结合授课班级实际情况,因在《变频器应用技术》课程已有学过,故对

交流篇不作学习安排,而代之以仿真平台 MATLAB 的课堂实验课,目的在于要求学生

掌握先进的现代工程设计工具及应用技能。

            本课程所涉及的专业知识主要有:
                   电力电子技术;
                   传感器技术;
                   自动控制理论基础;
                   计算机网络技术等。
            课外学习网站 
                Lessonair    http://kairry.brinkster.net
                网站入口 

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  • 2. 电力拖动自动控制系统  Created by Kairry  概述 基本概念 运动(motion、movment)是物质的固有性质和存在方式;是物质所固有的根本属性。 有一句基于哲学的释义---没有不运动的物质;也没有离开物质的运动。可见运动涉 及宇宙万物、大到遥远的天体,小到微观的质子和电子,对这些运动的研究覆盖了 整个科学技术领域。 运动控制系统(motioncontrolsystem)是近 10 多年来国际上流行的一个技术术语, 它源于一种狭义的、约定俗成的共识,即它的主要研究内容是机械运动过程中涉及 的力学、机械学、动力驱动、运动参数检测和控制等方面的理论和技术问题。 拖动---由原动机带动生产机械运动,我们称之拖动。 电力拖动---以电动机作原动机的拖动方式称之电力拖动 控制---按照主体的意愿使事物朝期望的目标发展。 自动控制---在无人参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制装置或控制器), 使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某工作状态或参数(即被控量)自动 地按预定的规律进行变化。 自动控制系统---是由控制器和控制对象结合在一起的,并能对控制对象的某些物理 量进行自动调节、控制的一个有机整体。 电力拖动自动控制系统的定义: 以机械运动的驱动设备—电动机为被控对象; 以控制器为核心; 以电力电子功率变换装置为执行机构; 在自动控制理论指导下组成的可实现电气传动功能的自动控制系统。 自动控制技术的应用与发展 自动控制技术在工农业生产、日常生活、交通运输、国防军事和航空航天等各个
  • 3. 电力拖动自动控制系统  Created by Kairry  领域中应用极为广泛。 随着生产和科学技术的发展,自动控制技术可以说已渗透到各种学科领域,成为 促进当代生产发展和科学技术进步的重要因素。 例 满足生产过程及生产工艺要求 1)车床 粗加工(毛坯)吃刀深、速度低 需控制驱动电机在转速低、大转矩 状态; 精加工(光刀)吃刀浅、速度高 需控制驱动电机在转速高、小转矩 状态; 结论:提出对电机转速、转矩的控制要求。 2)电动车辆(电动汽车、电力机车、轻轨电车) 上坡 低速、大转矩;下坡 再生制动(动能回馈) ;平路 高速、小转矩。 结论:提出对电机实施电动/发电运行状态的控制要求。 3)轧钢机 稳态时 速度稳定;咬钢时 动态速降小、恢复时间短、转矩动态响应快; 能正/反转、电动/制动 4 象限运行。 结论:提出对电机的转矩动态控制和四象限运行的要求。 2 3 4)风机/水泵类负载驱动(负载特性 T∝n P∝n ) 原调节流量方式:电机恒速,挡风板或阀门开度;——消耗大量能源; 节能调节:取消挡风板或阀门(全开) ,调速调节流量。节能率可达 40%~20%。这 更具社会现实意义。 直流电机发明于 1833 年,所以早期的电力拖动只有直流电气传动。直至 19 世纪 中后期,鼠笼式异步电动机诞生才有了交流电气传动,不论直流、交流都还不能调 速。 直到 20 世纪 30 年代,开始使用直流调速控制系统,并经历了 旋转变流机组---
  • 4. 电力拖动自动控制系统  Created by Kairry  晶闸管可控调压调速---PWM 斩波控制系统 的发展过程,这一时期成现出“直流 调速好,交流不可调”的定式格局; 而随着半导体器件、 电力电子技术的突越发展, 20 世纪 60 年代国外交流兴起, 在 原来对交流调速的冷淡突然变得热情起来,交流调速也经历了 V/F 控制---转差频率 控制---矢量控制---直接转矩控制 的历程。 我国的交流调速比国外晚起步 20 多年,且初期遇到极大保守阻力。 20 世纪 90 年代,永磁同步调速系统出现,造船业中全电力推进船舶开始应用。 运动控制系统的发展趋势: 驱动交流化、超高速、超大型化 u 节能环保目的 交流恒速→交流调速 u 方便维护目的 直流调速→交流调速 u 直流调速不能达到的大功率、高压、高速场合 系统集成化 u 功率变换器高频化和集成化; u 借助数字和总线技术,组成多机多种控制过程协调的分布式集成控 制系 控制数字化、智能化、网络化 u 新型控制理论和智能控制方应用(如鲁棒控制、非线性控制,自学 习控制等) u 利用已有的网络技术(如 Internet)实现跨地域,实时控制。 课程内容及教材特点 近年来,应用技术进步体现在三个方面: 执行机构(电力电子变换器):晶闸管(SCR)→大功率开关器件、相位控制→脉 宽调制(PWM) ;
  • 5. 电力拖动自动控制系统  Created by Kairry  控制器:模拟电子控制→数字电子控制 被控对象:直流拖动系统→交流可调拖动系统(交流拖动技术发展极快) 本教材分上下两篇共 8 章 直流篇 交流篇 1、闭环控制直流调速系统。 5、闭环控制异步电动机变压调速系统 2、双闭环控制直流调速系统和调节器的工程设计方法 6、VVVF 系统(笼型异步机变压变频调速) 3、数字控制直流调速系统。 7、绕线式异步机双馈调速系统 4、可逆直流调速系统和位置随动系统 8、同步电动机变压变频调速系统 学习本课程所需主要相关学科知识:电子技术、电力电子及变频技术、自动控制原 理、电机与拖动、计算机控制技术等。 教学任务:通过第 1、2 章学习掌握电力拖动控制系统的静、动态特性和控制规律的 基本概念;掌握一般自动控制系统的分析方法;学会运用以经典控制理论为基础的 实用价值较高的工程设计方法; 通过第 3 章的学习,了解数字控制系统的特点和实现方法; 本课程结合授课班级实际情况,因在《变频器应用技术》课程已有学过,故对 交流篇不作学习安排,而代之以仿真平台 MATLAB 的课堂实验课,目的在于要求学生 掌握先进的现代工程设计工具及应用技能。 本课程所涉及的专业知识主要有: 电力电子技术; 传感器技术; 自动控制理论基础; 计算机网络技术等。 课外学习网站  Lessonair  http://kairry.brinkster.net 网站入口