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电力拖动自动控制系统——运动控制系统(含 1CD)
作者:陈伯时 上海大学 主编
ISBN:7-111-12222-4
所属丛书:面向21世纪课程教材 普通高等教育“九五”国家级重点教材

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本书是根据全国高等院校电工及自动化类专业教学指导委员会制定的教材规划编写的,是本教材的修订第3版。自本书第2版1992年出版以来,有关的科学技术已经取得了很大进步,电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器...
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  • 图书详情
ISBN:7-111-12222-4
装订:平装
编辑:吉玲
开本:16开
出版日期: 2017-01-19
字数:0 千字
定价:35.0
图书简介
本书是根据全国高等院校电工及自动化类专业教学指导委员会制定的教材规划编写的,是本教材的修订第3版。自本书第2版1992年出版以来,有关的科学技术已经取得了很大进步,电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已逐步被MOSFET和IGBT等功率开关器件所取代,变换技术也因此由相位控制转变成脉宽调制(PWM);模拟电子控制器已基本上让位于数字电子控制器;交流可调拖动逐步取代直流拖动已经成为不争的事实,交流拖动控制技术本身也有不小的进展。本书针对这些技术发展进行了全面的修订。 在内容上,本书包括直流拖动控制系统和交流拖动控制系统两篇。编写思路继承了前两版的特色,理论和实际相结合,应用自动控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题,以控制规律为主线,由简人繁、由低及高地循序深入,主要论述了系统的静、动态性能,并发展了实用价值很高的工程设计方法。 本书可作为高等学校电气工程与自动化、电气工程及其自动化专业和自动化专业的教材,也可供有关工程师和技术人员参考。
章节目录
前言
常用符号表
第1篇 直流拖动控制系统
第1章 闭环控制的直流调速系统
1.1 直流调速系统用的可控直流电源
1.1.1 旋转变流机组
1.1.2 静止式可控整流器
1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器
1.2 晶闸管—电动机系统(V-M系统的主要问题
1.2.1 触发脉冲相位控制
1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续
1.2.3 抑制电流脉动的措施
1.2.4 晶闸管—电动机系统的机械特性
1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数
1.3 直流脉宽调速系统的主要问题
1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形
1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性
1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型
1.3.4 电能回馈与泵升电压的限制
1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计
1.4.1 转速控制的要求和调速指标
1.4.2 开环调速系统及其存在的问题
1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性
1.4.4 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系
1.4.5 反馈控制规律
1.4.6 闭环直流调速系统稳态参数的计算
1.4.7 限流保护——电流截止负反馈
1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计
1.5.1 反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型
1.5.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件
1.5.3 动态校正——PI调节器的设计
1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统
1.6.1 积分调节器和积分控制规律
1.6.2 比例积分控制规律
1.6.3 无静差直流调速系统及其稳态参数计算
1.7 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统
1.7.1 电压负反馈直流调速系统
1.7.2 电流正反馈和补偿控制规律
1.7.3 电流补偿控制直流调速系统的数学模型和稳定条件
习题
第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
2.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性
2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成
2.1.2 稳态结构框图和静特性
2.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算
2.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型
2.2.2起动过程分析
2.2.3 动态抗扰性能分析
2.2.4 转速和电流两个调节器的作用
2.3 调节器的工程设计方法
2.3.1 工程设计方法的基本思路
2.3.2 典型系统
2.3.3 控制系统的动态性能指标
2.3.4 典型I型系统性能指标和参数的关系
2.3.5 典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系
2.3.6 调节器结构的选择和传递函数的近似处理——非典型系统的典型化
2.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器
2.4.1 电流调节器的设计
2.4.2转速调节器的设计
2.4.3 转速调节器退饱和时转速超调量的计算
2.5 转速超调的抑制——转速微分负反馈
2.5.1 带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理
2.5.2 退饱和时间和退饱和转速
2.5.3 转速微分负反馈参数的工程设计方法
2.5.4。带转速微分负反馈双闭环调速系统的抗扰性能
2.6 弱磁控制的直流调速系统
2.6.1 变压与弱磁的配合控制
2.6.2 非独立控制励磁的调速系统
2.6.3 弱磁过程的直流电动机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计
习题
第3章 直流调速系统的数字控制
3.1 微型计算机数字控制的主要特点
3.1.1 数字量化
3.1.2 采样频率的选择
3.1.3 微机数字控制系统的输入与输出变量
3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件
3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构
3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图
3.3 数字测速与滤波
3.3.1旋转编码器
3.3.2 M法测速
3.3.3 T法测速
3.3.4 M/T法测速
3.3.5 各种数字测速方法的精度指标
3.3.6 M/T法数字测速软件框图
3.3.7 数字滤波
3.4数字PI调节器
3.4.1 模拟PI调节器的数字化
3.4.2 改进的数字PI算法
3.4.3智能型PI调节器
3.5 按离散控制系统设计数字控制器
3.5.1 具有零阶保持器的数字控制直流调速系统
3.5.2 控制对象传递函数的离散化
3.5.3 数字转速调节器的设计
3.6 数字控制系统的故障检测、保护与自诊断
3.6.1 故障检测
3.6.2 故障保护
3.6.3 故障自诊断
习题
第4章 可逆直流调速系统和位置随动系统
4.1 可逆直流调速系统
4.1.1 单片微机控制的PWM可逆直流调速系统
4.1.2 有环流控制的可逆晶闸管—电动机系统
4.1. 3 无环流控制的可逆晶闸管—电动机系统
4.2位置随动系统
4.2.1 位置随动系统的组成
4.2. 2 位置随动系统的特征及其与调速系统的比较
4.2.3位置传感器
4.2.4 位置随动系统的稳态误差分析和参数计算
4.2.5 位置随动系统的动态校正与控制
习题
第2篇 交流拖动控制系统
第5章 闭环控制的异步电动机变压调速系统——一种转差功率消耗型调速系统
5.1 异步电动机变压凋速电路
5.2 异步电动机改变电压时的机械特性
5.3 闭环控制的变压调速系统及其静特性
5.4 闭环变压调速系统的近似动态结构框图
5.5转差功率损耗分析
5.6 变压控制在软起动器和轻载降压节能运行中的应用
5.6.1 软起动器
5.6.2 轻载降压节能运行
习题
第6章 笼型异步电动机变压变频调速系统VVVF系统)——转差功率不变型调速系统
6.1 变压变频调速的基本控制方式
6.1.1 基频以下调速
6.1.2 基频以上调速
6.2 异步电动机电压—频率协调控制时的机械特性
6.2. 1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性
6.2. 2 基频以下电压—频率协调控制时的机械特性
6.2. 3 基频以上恒压变频时的机械特性
6.2.4 恒流正弦波供电时的机械特性
6.3 电力电子变压变频器的主要类型
6.3.1 交—直—交和交—交变压变频器
6.3.2 电压源型和电流源型逆变器
6.3.3 180度导通型和120度导通型逆变器
6.4 变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术
6.4.1 正弦波脉宽调制(SPWM)技术
6.4.2 消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM)控制技术
6.4.3 电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术
6.4.4 电压空间矢量PWM(SVPWM)控制技术(或称磁链跟踪控制技术)
6.4.5 桥臂器件开关死区对PWM控制变压变频器工作的影响
6.5 基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统
6.5.1 转速开环恒压频比控制调速系统——通用变频器—异步电动机调速系统
6.5.2 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统
6.6 异步电动机的动态数学模型和坐标变换
6.6.1 异步电动机动态数学模型的性质
6.6.2 三相异步电动机的多变量非线性数学模型
6.6.3 坐标变换和变换矩阵
6.6.4 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型
6.6.5 三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程
6.7 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统
6.7.1 矢量控制系统的基本思路
6.7.2 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用
6.7.3转子磁链模型
6.7.4 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统
6.7.5 磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统
6.8 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统
6.8.1 直接转矩控制系统的原理和特点
6.8.2 直接转矩控制系统的控制规律和反馈模型
6.8.3 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较
习题
第7章 绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统
7.1 异步电机双馈调速工作原理
7.1.1 异步电机转子附加电动势的作用
7.1.2 异步电机双馈调速的五种工况
7.2 异步电机在次同步电动状态下的双馈系统——串级调速系统
7.2.1 串级调速系统的工作原理
7.2.2 串级调速系统的其他类型
7.3 异步电动机串级调速时的机械特性
7.3.1 异步电动机串级调速机械特性的特征
7.3.2 异步电动机串级调速时的转子整流电路
7.3.3 异步电动机串级调速机械特性方程式
7.4 串级调速系统的技术经济指标及其提高方案
7.4.1 串级调速系统的效率
7.4.2 串级调速系统的功率因数及其改善途径
7.4.3 斩波控制的串级调速系统
7.4.4 串级调速装置的电压和容量
7.5 双闭环控制的串级调速系统
7.5.1 双闭环控制串级调速系统的组成
7.5.2 串级调速系统的动态数学模型
7.5.3 调节器参数的设计
7.5.4 串级调速系统的起动方式
7.6 异步电机双馈调速系统
7.6.1 双馈调速系统的构成
7.6.2 双馈调速系统的矢量控制
习题
第8章 同步电动机变压变频调速系统
8.1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型
8.2 他控变频同步电动机调速系统
8.2.1 转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统
8.2.2 由交—直—交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统
8.2.3 由交—交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
8. 2.4 按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统
8. 2.5 同步电动机的多变量动态数学模型
8.3 自控变频同步电动机调速系统
8.3.1 梯形波永磁同步电动机(无刷直流电动机)的自控变频调速系统
8.3.2 正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统
习题
附录
附录1 几种传递函数的近似处理条件
附1.1 直流调速系统中电力电子变换器传递函数的近似处理条件
附1.2 三个小惯性环节的近似处理条件
附1.3 忽略反电动势动态影响的近似条件
附录2 典型Ⅱ型系统的闭环幅频特性峰值最小(Mrmin)准则——式(2—34)、式(2—35)、式(2—37)的证明
附录3 第3.5节使用的计算机辅助设计软件
附3.1 程序变量
附3.2 转速调节器设计软件
附3. 3 系统仿真软件
附录4 在功率不变条件下的坐标变换
附4.1 功率不变时坐标变换阵的性质
附4.2 功率不变条件下的3/2变换及匝数比
附录5 由三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系上的变换(3s/2r变换)
附5.1 3s/2r旋转变换阵
附5.2 电压方程的变换
附5.3 磁链方程的变换
附5.4 转矩方程的变换
教学实验参考
实验1 晶闸管直流调速系统参数和基本环节特性测定
实验2 带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统
实验3 转速、电流双闭环直流调速系统
实验4 逻辑无环流可逆直流调速系统
实验5 转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统
实验6 双闭环三相异步电动机调压调速系统
实验7 双闭环三相绕线型异步电动机串级调速系统
实验8 SPWM正弦脉宽调制变频器—异步电动机变频调速系统
实验9 基于DSP的方波无刷直流电动机(BLDM)调速系统
部分习题参考答案
参考文献
前言/序言 展开  + 收缩 —
本书第1版的书名是《自动控制系统》,于1981年出版,第2版改名为《电力拖动自动控制系统》,于1992年出版。现根据全国高等院校电工及自动化类专业教学指导委员会制定的教材规划,修订后出版第3版。目前,全国可能使用本教材的专业有电气工程与自动化、电气工程及其自动化、自动化等。各校自主编制的教学计划有不少差别,有些学校的课程名称照旧,有些使用了“运动控制系统”这一名称,为了适应不同学校的需要,本书修订后的书名改为《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》。 近年来,本书所涉及的主要技术进步体现在以下三个方面,这也是本书修订的依据: 1)在电力电子变换器中,以晶闸管为主的可控器件已经基本上被MOSFET和IGBT等功率开关器件所取代,因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制(PWM)。 2)在控制器中,模拟电子控制已基本上让位于数字电子控制。 3)交流可调拖动系统逐步取代直流拖动系统已经成为不争的事实,而且交流拖动控制技术本身也有不小的进展。 第3版的改编主要体现了这三方面的技术进步,但全书的主线仍然是控制系统的原理、分析和设计。因此,编写本书的主要思路仍继承了前两版的特色,理论和实际相结合,应用自动控制理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题,不是单纯罗列各种控制系统,而是以控制规律为主线,由简人繁、由低及高地循序渐进,论述电力拖动控制系统的静、动态性能。在设计方法上,首先以经典控制理论为基础,发展了实用价值很高的工程设计方法;对于多输人多输出的交流拖动控制系统,则在多变量数学模型的基础上分析其控制规律,并采用解耦或其他方法解决控制系统的设计问题。以上特色已在20余年国内教学和工程应用中证明是很有效的。 在总体内容上,本书和第2版一样,分为直流拖动控制系统和交流拖动控制系统两篇。 在电力电子变换器方面,本书与全国重点教材《电力电子技术(第4版)》(西安交通大学王兆安、黄俊主编,机械工业出版社出版)相衔接,有关的电力电子器件、整流电路、斩波电路、逆变电路和变频电路等都是该书的内容,本书不再详述。但为了承上启下,编写了第1.2节“晶闸管—电动机系统(V—M系统)的主要问题”,第1.3节“直流脉宽调速系统的主要问题”,第6.3节“电力电子变压变频器的主要类型”,而删去第2版中单独设置的第4章“直流脉宽调速系统”。除特殊情况外,在直流控制系统中的电力电子变换器都统一用UPE表示,它既可表示晶闸管可控整流装置,也可表示直流斩波或PWM变换器,具有统一的传递函数在例题中专门给出实例,以证明两种变换器在性能上的差别。 在控制器方面,现在实际系统中已主要应用数字控制器,但模拟控制器的物理意义清晰,从模拟控制器人门,容易掌握控制规律的基本概念。因此第1篇第1、2章仍从模拟控制器人手,接着增设第3章“直流调速系统的数字控制”,在学生已学过微型计算机原理、程序设计基础、计算机控制系统等课程的基础上,首先阐明微型计算机数字控制的主要特点,然后着重讨论以下四项内容: 1)数字测速与滤波。这是数字控制调速系统的特殊要求。 2)数字PI调节器。首先将模拟式PI调节器数字化,然后突出发挥数字控制器的优点,利用其强有力的逻辑判断和数值运算功能,改进数字PI算法,最后举出一类智能型的PI调节器,使读者清楚地认识到,采用数字控制器可以充分提高控制系统的性能。 3)按离散控制系统的方法设计数字控制器。在设计过程中,还介绍了利用软件求控制系统的数值解和利用仿真软件求系统性能指标的方法。 4)简述数字控制系统的故障检测、保护与自诊断。这是数字控制的又一个优点,全面的自诊断问题很多,作为本科教材,本书只能简述一下,达到指出问题的目的。 在交流拖动控制系统方面,本书加强了交流调速系统的基本理论和基本概念,增加了已经发展成熟的新型交流拖动控制系统。但直流拖动控制系统,特别是双闭环控制,仍是交流系统的基础,所以本书第1、2章仍从直流系统入门,建立了扎实的控制系统分析与设计的概念和能力以后,再进入交流系统的学习。对于直流系统,为了建立基础以外的内容,包括第2版的第3、4、5章,则尽量精练,或者删去,本版只留下第4章扼要地介绍可逆调速系统和位置随动系统。交流调速系统按转差功率的去向分类,异步电动机调速系统按转差功率消耗型、不变型和回馈型分成三章,即第5、6、7章,同步电动机转差功率等于零,是一类特殊的转差功率不变型系统,单设为第8章。对于交流调速系统的控制策略,按基于稳态模型和基于动态模型两种情况分别论述。在具体分析高动态性能系统以前,先设专节描述异步电动机的动态数学模型和坐标变换,着重论述它们的基本概念和变换方法,还增加了现在常用的状态方程表示法,而把第2版中有些复杂的推导过程放进附录。对于按转子磁链定向的矢量控制系统,吸收了近年来的研究成果,加强了控制规律、转矩与磁链之间的解耦概念、磁链计算的电压模型和电流模型、直接矢量控制和间接矢量控制的分析。最后增加一节专门描述按定子磁链控制的直接转矩控制系统,并对矢量控制和直接转矩控制的优缺点做出分析和比较。 本书按60学时编写,如果有的学校课程学时更少,可以第1、2、3、6章为重点,其他内容选讲或不讲。为了满足工程技术界读者的需要,或者解决学生毕业后也可能遇到的一些实际问题,书中仍包含了比较全面的内容,而在次要的章节前标上“*”,以便于讲课和自学时选择。 在第2版出版时,曾单独编写了《电力拖动自动控制系统习题例题集》,由浙江大学童福尧教授编著。现根据广大师生的要求,在书中给出少量例题,而在每章后给出一定数量的习题,其计算部分的答案集中附于书后。限于篇幅及学时,所给题目的数量不多,有关教师如果需要,仍可参考已经出版的习题例题集。在此,对童福尧教授谨表衷心的感谢! 本课程是一门实践性很强的课程,实验是学好本课程必不可少的重要环节,可以随课堂教学过程进行,也可以开设单独的实验课,其目的在于培养学生掌握实验方法和运用理论分析并解决实际问题的能力。为了给实验教学提供帮助,书后列出了“教学实验参考”,包含覆盖全书内容的9个实验。称之为“参考”,是因为其具体内容受到我们现有设备的限制,数字化的程度和新型电力电子器件的应用都还是不够的。各校如果有新的教学实验设备,只须参考这里提出的实验要求,完全可以不受所列设备的限制,自行设计实验内容。 为了便于新版教材的教学使用,本书还附赠一张配套的多媒体课件光盘。该课件由上海海运学院汤天浩教授根据亲自授课的教学实践经验,在主编陈伯时教授的指导和帮助下,以教材的电子稿为基础制作完成。课件充分运用了计算机多媒体工具,不仅忠实地体现了教材的教学思路和主要内容,而且形式多样、生动活泼,对丰富教师的教学手段,对学生学习和理解教材的精髓都很有帮助。课件的部分内容已由汤天浩教授在实际教学中试用,取得了良好的效果。 本书由上海大学陈伯时教授主编,第3章和其他有关数字控制部分由上海大学阮毅教授和上海交通大学陈维钧副教授编写,第4章部分内容由上海大学倪国宗副教授编写,第6.4节和第7章由上海交通大学陈敏逊教授编写,其余各章节均由陈伯时编写,并负责全书的统稿工作。倪国宗副教授还编写了除第3章外的全部习题、答案、教学实验参考,并绘制了插图。沈天飞博士、博士生徐静承担了大部分书稿的计算机录人工作。 本书由东南大学赵家璧教授主审,浙江大学冯培悌教授、同济大学周国兴教授、江苏大学刘国海教授共同审稿。他们都审阅了全部书稿,并提出了许多宝贵而中肯的修改意见,在此谨致深切的感谢!清华大学韩曾晋教授曾参加编写本书第1版《自动控制系统》,对本书自然有其不可磨灭的贡献,沈锡臣、窦曰轩副教授都参加了不少工作,在此也谨表谢意。 我们在修编过程中虽然花了不少精力,但仍难免有错误与不足之处,殷切期望广大读者批评指正。
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