《《运动控制技术》》课程教学大纲（本科）.docx

运动控制技术(Control Technology for Electric Drives)课程编号：05410137学 分：3.0学 时：48 （其中：课题教学学时：40实验学时：8上机学时：0） 先修课程：电机学、电力电子技术、模拟电子技术、自动控制原理等 适用专业：自动化教 材：电力拖动自动控制系统：运动控制系统（第5版），阮毅，陈伯时 等.北京：机械工业出版社.2010年一、课程目标运动控制技术是自动化专业的一门专业特色课程，同时也是培养一名高素质自 动化专业人员的必修课程。本课程的教学目标，是使学生在学习先修课程电机学、 模拟电子技术、电力电子技术和自动控制原理等课程的基础上，进一步掌握直流拖 动自动控制系统的基本概念、基本结构和基本控制规律及自动控制系统中调节器的 工程设计方法，掌握以交流电动机为控制对象的交流拖动系统的结构、控制规律和 调速方法。在要求学生掌握基本理论知识的同时，增加了目前运动控制系统中广泛 应用的最新实用技术，让学生了解本课程目前的技术水平和发展前景。课程以控制 规律为主线，按照从直流到交流、从开环到闭环，从调速到伺服循序渐进的原则展 开。本课程既有完整的理论体系，又有很强的实践性，在教学过程中开设了单独的 实验课，并将计算机仿真与辅助设计融入运动控制系统的性能分析与设计中，目的 在于培养学生掌握电力拖动自动控制系统的设计、校正和综合设计方法，掌握运用 理论知识和计算机仿真、实验等方法来分析、解决实际问题的能力，培养学生理论 和实际结合的动手能力，为今后从事自动化有关的专业工作打下基础。课程的具体 目标如下：（一）知识方面电力拖动自动控制系统课程在自动控制理论的基础上，以电机控制系统为 对象，以研究系统的控制规律为主线，讲述交、直流电机控制系统的结构、组成、 工作原理和动、静态性能。学习电力拖动自动控制系统的设计方法，并介绍典型系 统和应用实例。在学完本课程之后，学生能够：1）熟悉双闭环可逆直流PWM调速系统原理、组成及各主要单元不见的原 理；2）熟悉双闭环可逆直流PWM调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。2 .实验主要内容1）各控制单元调试；2）测定开环机械特性及高、低速时完整的系统闭环静态特性n=f （Id）;3）闭环控制特性n=f （Ug）的测定。3 .重难点1）改变ASR、ACR参数，观测动态波形变化；2）通主电路电之前给电容充电，结束实验给电容放电。实验四、正弦脉宽调制（SPWM）变频调速系统实验1.实验目的1）加深理解自然采样法生成SPWM波的机理和过程；2）熟悉SPWM变频调速系统中直流回路、逆变桥功率器件和微机控制电路 之间的连接；） 了解SPWM变频器的运行参数和特性。2 .实验主要内容1）用示波器观察、研究SPWM调制波的生成机理；2）用SPWM变频器驱动三相异步电动机，在不同的调制方式下，观察变频 器调制波形、不同负载时的电机端部线电压、线电流波形；3）改变U/f曲线，观察变频器在不同低频补偿条件下的低速运行情况；4）改变变频调速系统的加速时间，观察系统的加速过程。3 .重难点1） SPWM变频器的调制方式有同步调制、异步调制和混合调制，这些调制 方式适合什么频率范围？2）控制电源和功率电源的开关顺序。（二）其它教学活动主要章节均有平时作业，主要知识点有1-2次小测验，每次按照100分记。六' 课程考核与毕业要求达成度计算（一）考核方式课程考核方式包括期末考试、平时及作业情况考核（其中包括笔记、大作业等） 和实验情况考核。期末考试采用闭卷笔试。考核方式 或途径考核要求考核 权重对指标 点支持备注考勤，平时 作业和阶 段测试随机考勤，课后完成10个左右习题， 主要考核学生对课后知识点的复习、理 解和掌握度；以随机的形式，在每章内 容进行中或结束后，随堂测试13题， 主要考核学生课堂的听课效果和课后 及地复习消化本章知识的能力，将考 勤、作业和小测试成绩按照10%计入总 成绩。也可让学生查阅资料，了解本课 程相关技术发展情况，以及新技术、新 工艺、新方法的应用对社会可持续发展 的影响。10%1-5 12-3根据考勤、 平时作业、 小测试得分 取平均值实验完成4个实验，主要考核学生搭建正确 的交直流调速系统，并进行实验的能 力，最后按20%计入课程总成绩。20%4-3评分细则见附录1期末考试试卷题型包括填空题、选择题、判断简 答题、画图题和计算题5大类，以卷面 成绩的70%计入课程总成绩。其中考核 交直流系统原理及应用基础知识及应 用能力的题占70%。70%1-512-3（二）本课程毕业要求达成度计算 课程成绩=平时xlO%+实验x20%+期末考试x70%课程对某条毕业要求指标点达成度的评价值计算方法:评价值=目标值（权重值）x课程支撑指标点平均分课程支撑毕业要求指标点对应的总分 七、参考书目及学习资料1 .电力拖动自动控制系统，张明达主编，北京：冶金工业出版社，19832 .电力拖动自动控制系统习题例题集，童福尧编，北京:机械工业出版社19933 .电力拖动自动控制系统，唐永哲编，西安：西安电子科技大学出版社，19984 .运动控制系统，阮毅主编，北京：清华大学出版社，2006八、大纲说明1 .采用多媒体教学手段，建议采用讲授、讨论相结合，多种教学手段综合运用。2 .课后共需完成大约10道习题作业，以加深学生对所学内容的理解和掌握，建议利用网络教学平台。2017年9月10日附录1考核方式；本实验以考查为主，考核的内容包括实验过程的表现（其中包含分析与解决问 题的能力）、实验报告的质量等。分析与解决问题的能力采用提问和现场操作的方式 进行。实验成绩中出勤、预习占10%,实验过程表现占60%、实验报告及思考题占30% -成绩组成考核/评价环节分值考核/评价细则对应的毕业 要求指标点出勤、预习10%出勤状况，预习评价10能按时到勤，遵守实验规定，不损坏实验设备（占 5%）；能够预习，并理解实验原理及目的（占5%）。4-3实验过程60%实验中的表现60按照预设方案操作实验设备、仪表，正确完成实 验（占25%）；实验结果的准确性（占20%）；利 用所学知识分析解决问题的能力（占15%）o各个 实验在总分中所占权重系数以课时数为标准。4-3实验报告30%实验报告评价30主要考察学生对实验结果进行分析和实验数据进 行处理的能力。要求?艮告字迹工整、格式规范（占 10%）；数据准确（占10%）；并按要求完成相应 思考题（10%）。4-31.1 了解自动控制理论如何应用在具体的电机控制中；理解交、直流调速系统的基本控制方法，掌握控制系统的结构设计及基本调节器参数设计；掌握电力拖动自动控制系统的电气设计原理和调试方法；1.2 掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法;（二）能力与素质方面2.1 能够写出任一个直流拖动自动控制系统的传递函数，并且能够按照具体性能 指标要求，应用工程设计方法对它进行设计和校正；2.2 能够设计一个双闭环直流调速系统，并且通过实验能够验证双闭环系统的快 速起动过程和无静差调速性能；能够掌握变频变压调速系统基本理论及其应用；2.3 能够熟练掌握多种PWM控制技术的基本理论及其应用；能够根据调速指标要求解决基本工程问题；2.4 逐步培养学生的逻辑思维能力、判断和归纳能力；2.5 加深理解电力电子技术、电机与拖动、计算机控制技术、计算机仿真技术在 电力拖动中的应用范围和发展动向；2.6 能针对个人或职业发展的需求，自主深入学习交、直流调速的相关内容，适 应发展需要。二' 课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支持的毕业要求指标点如下：毕业要求指标点1-5.掌握运动控制、过程控制等方向的专业知识，能够用于解 决复杂自动化工程问题的分析、建模和求解。毕业要求指标点4-3.能够基于实验方案构建实验系统，安全的开展实验，提取 有效实验参数或数据。毕业要求指标点12-3.能针对个人或职业发展的需求，采用合适的方法，自主学 习，适应发展。求指标点 课程目葭、指标点1-5指标点4-3指标点12-3课程目标1.1课程目标1.2课程目标1.3课程目标1.4q课程目标2.1课程目标2.2q课程目标2.3课程目标2.4课程目标2.5课程目标2.6课程目标2.7课程目标2.8三、课程的内容及要求第一章绪论本章支持课程目标：1.1 了解自动控制理论如何应用在具体的电机控制中;（一）教学内容与教学方法1 .运动控制系统及其组成；（讲授+案例）2 .运动控制系统的历史与发展；（讲授）3 .运动控制系统的转矩控制规律；（讲授+讨论）4 .生产机械的负载转矩特性；（讲授+案例）5 .课程学习的要求。（讲授）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求1 .了解本课程的性质、研究对象与基本任务。2 .了解运动控制系统的历史与发展。3 .了解运动控制系统的转矩控制规律。4 .了解生产机械的负载转矩特性。5 .熟悉运动控制系统及其组成。（三）重点与难点1 .重点运动控制系统及其组成2 .难点生产机械的负载转矩特性第二章转速负反馈控制的直流调速系统本章支持课程目标：1.2理解直流调速系统的使用基本方法，掌握控制系统的结 构设计及基本调节器参数设计；L4掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法， 系统参数的测量和整定方法；2.1能够写出任一个直流拖动自动控制系统的传递函 数，并且能够应用工程设计方法对它进行设计和校正。（一）教学内容与教学方法1 .直流调速的几种方法；（讲授）2 .直流调速系统用的可控直流电源；（讲授+对比）3 .稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性；（讲授）4 .转速反馈的直流调速系统；（讲授+讨论）5 .转速反馈控制直流调速系统的限流保护。（讲授+讨论）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求1 .掌握V-M直流调速的工作原理；2 .熟悉单闭环直流调速系统的性能指标、熟练掌握反馈控制的基本规律；3 .能够按系统性能指标的要求对单闭环系统进行稳态分析和设计及动态分析和 设计。（三）重点与难点1 .重点反馈控制闭环调速系统的稳态分析和设计；反馈控制闭环调速系统的动态分析 和设计；静差调速系统的积分、比例积分控制规律。2 .难点反馈控制闭环调速系统的稳态分析。第三章转速、电流反馈控制的直流调速系统本章支持课程目标：1.3掌握电力拖动自动控制系统的电气设计原理和调试方 法；L4掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法; 2.1能够写出任一个直流拖动自动控制系统的传递函数，并且能够应用工程设计方法 对它进行设计和校正；2.2能够设计一个双闭环直流调速系统，并且通过实验能够验 证双闭环系统的快速起动过程和无静差调速性能；2.5能够根据调速指标要求解决基 本工程问题。2.6逐步培养学生的逻辑思维能力、判断和归纳能力；2.8能针对个人 或职业发展的需求，自主深入学习交、直流调速的相关内容，适应发展需要。（-）教学内容与教学方法1 .转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性；（讲授）2 .转速、电流反馈控制直流调速系统数学模型与动态过程分析；（讲授+讨论+实 验）3 .调节器的工程设计；（讲授+案例+讨论）4 .转速、电流反馈控制直流调速系统的设计。（讲授+自学+探究）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求1 .掌握转速、电流双闭环调速系统的组成、稳态结构框图及其静特性；2 .阐述双闭环系统的动态数学模型，并就起动和抗扰两个方面分析转速调节器 ASR、电流调节器ACR的作用；3 .了解典型系统的性能指标与参数之间的关系；4 .熟练地掌握调节器的工程设计方法，能用工程设计方法设计符合性能指标要求 的双闭环调速系统。（三）重点与难点1 .重点转速、电流双闭环调速系统构成及其静特性、调节器的工程设计方法、工程设 计方法设计双闭环系统。2 .难点用工程设计方法设计双闭环系统。第4章可逆控制直流调速系统本章支持课程目标：L2理解直流调速系统的使用基本方法，掌握控制系统的结 构设计及基本调节器参数设计；2.5能够根据调速指标要求解决基本工程问题。2.7 加深理解电力电子技术、电机与拖动、计算机控制技术在电力拖动中的应用范围和 发展动向。（一）教学内容与教学方法1 .晶闸管-电动机系统的可逆线路；（讲授）2 .晶闸管-电动机系统的回馈制动；（讲授+讨论）.两组晶闸管可逆线路中的环流；（讲授）3 .有环流可逆调速系统；（讲授+）.无环流可逆调速系统。（讲授+自学+实验）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求.掌握可逆线路的基本结构；1 .掌握V-M系统反并联可逆线路4象限运行的各种工作状态；.掌握可逆系统中环流的种类、抑制环流的方法。（三）重点与难点.重点1）晶闸管-电动机系统的回馈制动；2）环流的概念、环流形成的原因、抑制环流的方法。1 .难点抑制环流的方法。第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统本章支持课程目标：L3掌握电力拖动自动控制系统的电气设计原理和调试方 法；1.4掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法; 2.3能够掌握变频变压调速系统基本理论及其应用。2.4能够熟练掌握几种PWM控 制技术及其应用。2.7加深理解电力电子技术、电机与拖动、计算机控制技术在电力 拖动中的应用范围和发展动向。（一）教学内容与教学方法.交流调速的基本类型和交流变压调速系统；（讲授）1 .变压变频调速的基本控制方式；（讲授+自学）.电力电子变压变频器；（讲授+讨论+实验）2 .转速开环变压变频调速系统；（讲授+探究）.转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统。（讲授+讨论）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求.了解直流电机的不足及交流拖动控制系统的应用领域。；1 .掌握交流调速系统的基本类型；.了解变压调速电路及改变电压时的机械特性及其静特性；2 .掌握基频以下三种电压-频率协调控制时的机械特性的特点并进行比较.了解变频调速的基本原理，变频器的基本结构、应用和参数设置；3 .掌握脉宽调制PWM技术的基本原理及实现方法，正弦波脉宽调制技术 （SPWM）,电压空间矢量PWM （SVPWM）控制技术；4 .掌握转差频率控制的基本概念和控制规律，转差频率控制的变压变频调速系统 的实现，转差频率控制的变压变频调速系统的优点与不足之处；.理解转差频率控制系统的基本概念。（三）重点与难点.重点1）基频以下恒压频比，恒控制，恒属/电控制三种控制方式的特点及优缺 点比较；2）电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术，空间矢量的定义，电压与磁链空间 矢量的关系，六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场，电压空间矢量的线性组 合与SVPWM控制；3）转差频率控制的变压变频调速系统。1 .难点1）基频以下恒压频比，恒控制，恒耳/外控制三种控制方式；2）正弦波脉宽调制技术（SPWM）,电压空间矢量PWM （SVPWM）控制技术。第6章基于动态模型的异步电动机调速系统本章支持课程目标：2.3能够掌握变频变压调速系统基本理论及其应用。2.6逐 步培养学生的逻辑思维能力、判断和归纳能力。2.7加深理解电力电子技术、电机与 拖动、计算机控制技术在电力拖动中的应用范围和发展动向；2.8能针对个人或职业 发展的需求，自主深入学习交、直流调速的相关内容，适应发展需要。（一）教学内容与教学方法.异步电动机动态数学模型及的性质；（讲授+探究）1 .坐标变换；（讲授）.异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型；（讲授）2 .异步电动机在正交坐标系上的状态方程；（讲授）.异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统。（讲授+讨论+自学）（二）知识、能力与素质等方面的基本要求.掌握异步电动机动态数学模型的性质、坐标变换、动态数学模型;1 .了解异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统。（三）重点与难点.重点1）异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型；2）基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统。2.难点基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统。四、学时分配及教学方法及对指标点的支撑章学时分配教学方法对指标 点的支 持讲 课实 验上 机课 外第一章绪论2讲授、案例、讨论1-5第二章转速反馈控制的 直流调速系统8讲授、讨论、对比、讨论1-5,4-3, 12-3第三章转速、电流反馈 控制的直流调速系统102讲授、案例、自学、实验、讨论、探究1-5,4-3, 12-3第四章可逆控制的直流 调速系统42讲授、讨论、自学、实验1-5, 4-3第五章基于稳态模型的 异步电动机调速系统82讲授、探究、自学、实验、 讨论1-5, 4-3第六章基于动态模型的 异步电机调速系统82讲授、探究、讨论、实验、 自学1-5,4-3, 12-3合计408五、本课程开设的实验项目与其它教学活动（一）实验项目编号实验项目名称学时类型要求备注1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验2验证性必做报告2双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验2综合性必做报告3双闭环可逆直流PWM （H）桥调速系统实验2综合性必做报告4正弦脉宽调制（SPWM）变频调速系统实验2综合性必做报告实验一、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验.实验目的1） 了解电机控制系统实验装置的结构及布线情况；2）熟悉晶闸管直流调速系统的组成及基本结构；3）掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。1 .实验主要内容1）测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R；2）测定晶闸管直流调速系统主电路总电感值L；3）测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td；4）测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm;5）测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f （UQ；6）测定测速发电机特性U=f （n）。2 .重难点1）由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数;2）当电机堵转时，大电流测量的时间要短。实验二、双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验.实验目的1） 了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理；2）掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法和参数的整定；3）研究调节器参数对系统动态特性的影响。2 .实验主要内容1）各控制单元调试；2）测定电流反馈系数0、转速反馈系数a；3）测定开环机械特性及高、低速时完整的系统闭环静态特性n=f （Id）;4）闭环控制特性n=f （Ug）测定；5）观察、记录系统动态波形。3 .重难点记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态 特性较为理想的调节器参数。实验三、双闭环可逆直流PWM （H）桥调速系统实验1.实验目的