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電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)(第5版)
本書是在第4版的基礎上修訂而成的,內(nèi)容的主線仍然是電力拖動控制系統(tǒng)的原理、分析和設計。編寫本書的主要思路是:理論與實際相結合,應用自動控制理論解決運動控制系統(tǒng)的分析和設計等實際問題。以轉速、轉矩(電流)和磁鏈(磁通)控制規(guī)律為主線,由簡入繁、由低及高地循序漸進,按照從開環(huán)到閉環(huán)、從直流到交流、從調(diào)速到伺服的層次論述運動控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能和設計方法。
前言本書適用于高等院校電氣工程及其自動化、自動化專業(yè)本科“運動控制系統(tǒng)”或“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程教學,其深入部分也可作為電力電子與電力傳動、工業(yè)自動化等相關學科研究生用書,還可供從事電力拖動控制系統(tǒng)的工程技術人員參考。
本書第1版的書名是《自動控制系統(tǒng)》,于1981年出版,第2版改名為《電力拖動自動控制系統(tǒng)》,于1992年出版,并榮獲第三屆機械部優(yōu)秀教材一等獎。作為普通高等教育“九五”國家級重點教材的第3版改名為《電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)》,于2003年出版。2009年修訂出版第4版,2011年,本書獲上海市普通高校優(yōu)秀教材獎一等獎和中國機械工業(yè)科學技術獎二等獎。本書自第1版出版以來,社會反響良好,獲得相關課程授課教師的廣泛選用及好評。為了進一步促進和提高相關課程的教學質(zhì)量,為教師、學生提供更好的教材,機械工業(yè)出版社將本書第5版再次列入了重點教材精品化建設計劃,以期繼續(xù)完善、提高教材的質(zhì)量。 本書第5版的主線仍然是電力拖動控制系統(tǒng)的原理、分析和設計。主要思路是:理論與實際相結合,應用自動控制理論解決運動控制系統(tǒng)的分析和設計等實際問題。以轉速、轉矩(電流)和磁鏈(磁通)控制規(guī)律為主線,由簡入繁、由低及高地循序漸進,按照從開環(huán)到閉環(huán)、從直流到交流、從調(diào)速到伺服的層次論述運動控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能和設計方法。 交流調(diào)速系統(tǒng)是現(xiàn)代實際應用的主流,但直流調(diào)速系統(tǒng)仍是其理論基礎,所以本書仍從直流系統(tǒng)入門,在建立了扎實的控制系統(tǒng)分析與設計的概念和能力以后,再進入交流調(diào)速系統(tǒng)的學習,最后在掌握了調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和設計方法的基礎上,進一步學習伺服系統(tǒng)的分析與設計。根據(jù)編著者的教學經(jīng)驗,交流電動機的動態(tài)模型、矢量控制系統(tǒng)與直接轉矩控制系統(tǒng)在本科教學中難度較大,應該讓學生掌握其基本概念和分析方法,授課教師可在實際教學中靈活處理其深度。 直流調(diào)速系統(tǒng)部分在沿承第3版的經(jīng)典結構和內(nèi)容、吸收第4版數(shù)字控制精華的基礎上,主要做了如下改動: 1)考慮到中小功率直流調(diào)速系統(tǒng)中已用PWM變換器取代了晶閘管整流器,因此刪減了VM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)部分,以PWM變換器為主要供電方式,并在第4章中先后分析了起動過程和轉速反向過渡過程。 2)更加強調(diào)運動控制系統(tǒng)概念。在第2章闡述電力電子變換器和電動機機械特性時,結合PWM脈沖產(chǎn)生原理,推導控制電壓對電樞電壓和電動機機械特性的控制調(diào)節(jié)作用。在分析起動過程和制動過程時,結合控制電壓變化分析了各階段轉速、電流變化規(guī)律。 3)第4章補充了按照典型Ⅱ型系統(tǒng)進行電流調(diào)節(jié)器設計。 4)第5章結合運動控制系統(tǒng)討論電流環(huán)和轉速環(huán)采樣頻率確定方法;將轉速調(diào)節(jié)器輸出與控制對象之間的零階保持器用一階慣性環(huán)節(jié)來近似,再按照模擬系統(tǒng)設計方法設計數(shù)字調(diào)節(jié)器,保留原工程設計方法簡單明了的優(yōu)勢,又兼顧系統(tǒng)動態(tài)性能。 交流調(diào)速系統(tǒng)基本保留了第4版的內(nèi)容和風格。第6章包括異步電動機穩(wěn)態(tài)模型、PWM技術、調(diào)壓調(diào)速、轉速開環(huán)變壓變頻調(diào)速和轉速閉環(huán)轉差控制系統(tǒng)。第7章包括異步電動機動態(tài)模型、矢量控制系統(tǒng)與直接轉矩控制系統(tǒng),對直接轉矩控制系統(tǒng)做了較大的改動,以切合實際工程應用。第8章的標題改為“繞線轉子異步電機轉子變頻控制系統(tǒng)”,以強調(diào)重點是“轉子變頻控制”,內(nèi)容包括串級調(diào)速系統(tǒng)、雙饋調(diào)速系統(tǒng)和雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)。第9章為同步電動機調(diào)速系統(tǒng),對同步電動機的穩(wěn)定運行、矢量控制和直接轉矩控制做了分析與討論。 第10章為伺服系統(tǒng),包括直流和交流伺服系統(tǒng),建立直流和交流伺服系統(tǒng)的統(tǒng)一模型,討論系統(tǒng)結構,并分析系統(tǒng)的設計方法及穩(wěn)定性。 本書按64學時編寫,根據(jù)編著者的教學經(jīng)驗,在64學時內(nèi),難以全部完成10章內(nèi)容的教學?紤]到各校相應專業(yè)對課程的要求不同,在實際教學中可選用部分內(nèi)容,以第2~7章為重點,帶*部分可作為選講內(nèi)容。本書給出一定數(shù)量的習題和思考題,以供任課教師選用。 本課是一門實踐性很強的課程,實驗是學好本課程必不可少的重要環(huán)節(jié),可以隨課堂教學過程進行,也可以開設單獨的實驗課,其目的在于培養(yǎng)學生掌握實驗方法和運用理論分析解決實際問題的能力。 本書第5版由上海大學阮毅教授、楊影副教授和陳伯時教授修改編寫,其中直流調(diào)速系統(tǒng)部分(第2~5章)由楊影副教授修改編寫,陳伯時教授協(xié)助討論;交流調(diào)速系統(tǒng)部分第8章由陳伯時教授修改編寫;其余各章均由阮毅教授修改編寫。 本書由清華大學楊耕教授主審,楊耕教授認真審閱了全部書稿,提出了許多寶貴而中肯的修改意見,在此謹致衷心的感謝。上海交通大學陳敏遜教授、陳維鈞副教授,上海大學倪國宗副教授和沙立民副教授參加過本教材前幾版的編寫工作,東南大學趙家璧教授曾承擔前幾版的主審工作,自然有其不可磨滅的貢獻。天津大學馬小亮教授根據(jù)自身的工作經(jīng)驗,對調(diào)節(jié)器的設計和數(shù)字調(diào)節(jié)器設計提出了寶貴的意見,在此深表謝意。 我們在修改編寫過程中雖然花了不少精力,但仍難免有錯誤與不足之處,殷切期望廣大讀者批評指正。 編著者 序隨著科學技術的不斷進步,電氣工程與自動化技術正以令人矚目的發(fā)展速度,改變著我國工業(yè)的整體面貌。同時,對社會的生產(chǎn)方式、人們的生活方式和思想觀念也產(chǎn)生了重大的影響,并在現(xiàn)代化建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著與信息科學、計算機科學和能源科學等相關學科的交叉融合,它正在向智能化、網(wǎng)絡化和集成化的方向發(fā)展。 教育是培養(yǎng)人才和增強民族創(chuàng)新能力的基礎,高等學校作為國家培養(yǎng)人才的主要基地,肩負著教書育人的神圣使命。在實際教學中,根據(jù)社會需求,構建具有時代特征、反映最新科技成果的知識體系是每個教育工作者義不容辭的光榮任務。 教書育人,教材先行。機械工業(yè)出版社幾十年來出版了大量的電氣工程與自動化類教材,有些教材十幾年、幾十年長盛不衰,有著很好的基礎。為了適應我國目前高等學校電氣工程與自動化類專業(yè)人才培養(yǎng)的需要,配合各高等學校的教學改革進程,滿足不同類型、不同層次的學校在課程設置上的需求,由中國機械工業(yè)教育協(xié)會電氣工程及自動化學科教育委員會、中國電工技術學會高校工業(yè)自動化教育專業(yè)委員會、機械工業(yè)出版社共同發(fā)起成立了“全國高等學校電氣工程與自動化系列教材編審委員會”,組織出版新的電氣工程與自動化類系列教材。這類教材基于“加強基礎,削枝強干,循序漸進,力求創(chuàng)新”的原則,通過對傳統(tǒng)課程內(nèi)容的整合、交融和改革,以不同的模塊組合來滿足各類學校特色辦學的需要。并力求做到: 1 適用性:結合電氣工程與自動化類專業(yè)的培養(yǎng)目標、專業(yè)定位,按技術基礎課、專業(yè)基礎課、專業(yè)課和教學實踐等環(huán)節(jié),進行選材組稿。對有的具有特色的教材采取一綱多本的方法。注重課程之間的交叉與銜接,在滿足系統(tǒng)性的前提下,盡量減少內(nèi)容上的重復。 2 示范性:力求教材中展現(xiàn)的教學理念、知識體系、知識點和實施方案在本領域中具有廣泛的輻射性和示范性,代表并引導教學發(fā)展的趨勢和方向。 3 創(chuàng)新性:在教材編寫中強調(diào)與時俱進,對原有的知識體系進行實質(zhì)性的改革和發(fā)展,鼓勵教材涵蓋新體系、新內(nèi)容、新技術,注重教學理論創(chuàng)新和實踐創(chuàng)新,以適應新形勢下的教學規(guī)律。 4 權威性:本系列教材的編委由長期工作在教學第一線的知名教授和學者組成。他們知識淵博,經(jīng)驗豐富。組稿過程嚴謹細致,對書目確定、主編征集、資料申報和專家評審等都有明確的規(guī)范和要求,為確保教材的高質(zhì)量提供了有力保障。 此套教材的順利出版,先后得到全國數(shù)十所高校相關領導的大力支持和廣大骨干教師的積極參與,在此謹表示衷心的感謝,并歡迎廣大師生提出寶貴的意見和建議。 此套教材的出版如能在轉變教學思想、推動教學改革、更新專業(yè)知識體系、創(chuàng)造適應學生個性和多樣化發(fā)展的學習環(huán)境、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力等方面收到成效,我們將會感到莫大的欣慰。 全國高等學校電氣工程與自動化系列教材編審委員會
序
前言 常用符號表 第1章緒論 1.1運動控制系統(tǒng)及其組成 1.1.1電動機 1.1.2功率放大與變換裝置 1.1.3控制器 1.1.4信號檢測與處理 1.2運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 1.3運動控制系統(tǒng)的轉矩控制規(guī)律 1.4生產(chǎn)機械的負載轉矩特性 1.4.1恒轉矩負載特性 1.4.2恒功率負載特性 1.4.3風機、泵類負載特性 第1篇直流調(diào)速系統(tǒng) 第2章轉速開環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 2.1晶閘管整流器直流電動機系統(tǒng)的工作原理及調(diào)速特性 2.1.1觸發(fā)脈沖相位控制 2.1.2電流脈動及波形斷續(xù)問題 2.1.3晶閘管整流器直流電動機系統(tǒng)的機械特性 2.1.4晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù) 2.1.5晶閘管整流器直流電動機系統(tǒng)的可逆運行 2.2PWM變換器電動機系統(tǒng)的工作原理及調(diào)速特性 2.2.1不可逆PWM變換器電動機系統(tǒng) 2.2.2可逆PWM變換器電動機系統(tǒng) 2.2.3直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 2.2.4PWM控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學模型 2.2.5直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓 2.3穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和開環(huán)系統(tǒng)存在的問題 2.3.1轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標 2.3.2開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題 思考題 習題 第3章轉速閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 3.1有靜差的轉速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 3.1.1比例控制轉速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結構與靜特性 3.1.2開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的對比分析 3.1.3閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制規(guī)律 3.1.4比例控制轉速閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 3.2無靜差的轉速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 3.2.1積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律 3.2.2比例積分控制規(guī)律 3.2.3無靜差的轉速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 3.3轉速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 3.3.1轉速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的限流問題 3.3.2帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng) 3.4轉速閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 3.4.1轉速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真平臺 3.4.2仿真模型的建立 3.4.3仿真模型的運行 3.4.4調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整 思考題 習題 第4章轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 4.1轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 4.1.1轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 4.1.2穩(wěn)態(tài)結構圖與參數(shù)計算 4.2轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型與動態(tài)過程分析 4.2.1轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 4.2.2轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)過程分析 4.2.3轉速、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用 4.3轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設計 4.3.1控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 4.3.2調(diào)節(jié)器的工程設計方法 4.3.3控制對象的工程近似處理方法 4.3.4按工程設計方法設計轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 4.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的弱磁控制 4.4.1弱磁與調(diào)壓的配合控制 4.4.2勵磁電流的閉環(huán)控制 4.5轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真 思考題 習題 第5章直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 5.1采樣頻率的選擇 5.2轉速檢測的數(shù)字化 5.2.1旋轉編碼器 5.2.2數(shù)字測速方法的精度指標 5.2.3M法測速 5.2.4T法測速 5.2.5M/T法測速 5.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器 5.4數(shù)字控制器的設計 5.5數(shù)字控制的PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 習題 第2篇交流調(diào)速系統(tǒng) 第6章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng) 6.1異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和調(diào)速方法 6.1.1異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型 6.1.2異步電動機的調(diào)速方法與氣隙磁通 6.2異步電動機的調(diào)壓調(diào)速 6.2.1異步電動機調(diào)壓調(diào)速的主電路 6.2.2異步電動機調(diào)壓調(diào)速的機械特性 6.2.3閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 6.2.4降壓控制在軟起動器和輕載降壓節(jié)能運行中的應用 6.3異步電動機的變壓變頻調(diào)速 6.3.1變壓變頻調(diào)速的基本原理 6.3.2變壓變頻調(diào)速時的機械特性 6.3.3基頻以下的電壓補償控制 6.4電力電子變壓變頻器 6.4.1交直交PWM變頻器主回路 6.4.2正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術 6.4.3消除指定次數(shù)諧波的PWM(SHEPWM)控制技術 6.4.4電流跟蹤PWM(CFPWM)控制技術 6.4.5電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(磁鏈跟蹤控制技術) 6.4.6交流PWM變頻器異步電動機系統(tǒng)的特殊問題 6.5轉速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 6.5.1轉速開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結構 6.5.2系統(tǒng)實現(xiàn) 6.6轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 6.6.1轉差頻率控制的基本概念及特點 6.6.2轉差頻率控制系統(tǒng)結構及性能分析 6.6.3最大轉差頻率ωsmax的計算 6.6.4轉差頻率控制系統(tǒng)的特點 思考題 習題 第7章基于動態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng) 7.1異步電動機動態(tài)數(shù)學模型的性質(zhì) 7.2異步電動機的三相數(shù)學模型 7.2.1異步電動機三相動態(tài)模型的數(shù)學表達式 7.2.2異步電動機三相原始模型的性質(zhì) 7.3坐標變換 7.3.1坐標變換的基本思路 7.3.2三相兩相變換(3/2變換) 7.3.3靜止兩相旋轉正交變換(2s/2r變換) 7.4異步電動機在正交坐標系上的動態(tài)數(shù)學模型 7.4.1靜止兩相正交坐標系中的動態(tài)數(shù)學模型 7.4.
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