北方工业大学：电气工程及其自动化《交直流调速系统》课程教学大纲.pdf_大学文库

2 目录 1 课程基本信息.........................................................................................................................3 2 毕业要求与课程目标.............................................................................................................4 2.1 本课程支撑的毕业要求观测点......................................................................................4 2.2 课程目标..........................................................................................................................4 2.3 毕业要求与课程目标的关系..........................................................................................6 3 课程内容及安排.....................................................................................................................7 3.1 课程学时总体安排..........................................................................................................7 3.2 各知识单元内容和预期学习目标..................................................................................7 4 课堂教学设计和实施载体....................................................................................................12 5 课程实验教学.......................................................................................................................15 5.1 实验名称和安排............................................................................................................15 5.2 实验要求和教学组织....................................................................................................15 5.3 实验预习和实验报告要求............................................................................................17 5.4 实验教学在能力培养方面的具体措施....................................................................... 17 6 课程考核方案和依据...........................................................................................................17 6.1 课程考核方案................................................................................................................18 6.2 课程各考核项评价依据和标准................................................................................... 18 7 本次修订说明.......................................................................................................................22 8 其他需要说明的问题...........................................................................................................22

3 1 课程基本信息课程名称（中文）交直流调速系统课程名称（英文） AC and DC Speed Control System 课程计划学时 64 课外学时建议 9064 计划学时构成理论学时 52 实验学时 12 上机学时 0 课外学时要求线上学习要求：12 自主学习建议学时：52 先修课名称（7120401）自动控制原理、（7020801）电机及拖动基础、（7099811）现代电力电子技术适用专业年级电气工程及其自动化开课单位电气工程系课程简介本课程为电气工程及其自动化专业的专业教育课程必修课，开设于第 6 学期。本课程为学生从事电气工程领域的研究奠定基本的理论基础，让本专业的学生熟悉常用交直流调速系统的工作原理和调试方法，培养学生分析和解决复杂高性能交直流调速系统问题的能力，为后续综合实验课程奠定坚实的基础。本课程注重平时考核和期末考试相结合，理论知识、仿真模拟和实验验证相结合，全面考核学生掌握知识、运用知识和实践解决问题的能力。期末考核形式为笔试闭卷。教材和学习资源基础资料：（1）《电力拖动自动控制系统》（第 5 版），阮毅杨影陈伯时主编，机械工业出版社， 2016 年，ISBN 号：978-7-111-54419-7 （2）《交直流调速系统》，李正熙杨立永主编，电子工业出版社，2013 年， ISBN 号：978-7-121-19493-1 参考资料：（1）《交直流调速系统与 MATLAB 仿真》，周渊深主编，中国电力出版社， 2015 年，ISBN 号：978-7-5123-7250-4 （2）《现代电机控制技术》（第 2 版），王成元夏加宽孙宜标编著，机械工业出版社，2014 年，ISBN：978-7-111-24901-6 （3）Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives，R.Krishnan， 2010，ISBN：978-0-8247-5384-9 大纲版本号 DG7226901-202108 前一版本号 DG7226901-201912 大纲修订人张虎修订时间 2021.08 课程团队负责人张虎实验教学审核人胡长斌

关系：掌握PWM控制器与变换器的动态数学模型：理解掌握四象限运行特性及电能回馈和泵升电压原理。 JZLTS-2:交直流调速系统双闭环调节器工程设计方法建立转速、电流双闭环控制调速系统的动态数学模型：理解并掌握转速、电流双闭环控制调速系统调节器作用及动态过程分析：掌握调节器的工程设计方法及控制对象的工程近似处理方法。 JZLTS-3:基于稳态模型的异步电动机变压变频调速理解并掌握变压变频调速的基本原理、电压补偿控制、不同磁通控制下的机械特性：理解并能解释、描述电压空间矢量PWM控制的基本原理、电压与磁链空间矢量的关系、期望电压空间矢量的合成及SVPWM的实现方法。 JZLTS-4:基于动态模型的异步电动机矢量控制理解异步电动机的三相动态数学模型的性质：理解并能解释、描述坐标变换的基本思路、异步电动机在正交坐标系下的状态方程：理解并掌握按转子磁链定向矢量控制的基本思想、转子磁链计算的基本方法。 JZLTS5:基于动态模型的永磁同步电动机矢量控制理解并掌握同步电动机的转矩角特性：永磁同步电动机动态数学模型的建立：理解并能解释、描述永磁同步电动机在正交坐标系下的状态方程：掌握并能够解释、描述按转子位置定向矢量控制的基本思想。能力目标： JZLTS-6:分析、建模能力能分析交直流调速系统各环节工作机理，建立各环节数学模型，搭建系统仿真模型：能实现交直流调速系统双闭环调节器工程设计方法的数字控制仿真：能实现异步电动机变压变频调速的数字控制仿真。 JZLTS-7:系统设计能力能综合自动控制原理和现代电力电子技术等专业课程的学习知识，针对交直流调速系统工程问题，进行系统各调节器参数设计：能设计完成异步电动机按转子磁链定向矢量控制系统的数字控制仿真。 JZLTS-8:实验能力能根据实验步骤操作实验装置，安全有效地开展交直流调速系统各项实验， 5

5 关系；掌握 PWM 控制器与变换器的动态数学模型；理解掌握四象限运行特性及电能回馈和泵升电压原理。 JZLTS-2：交直流调速系统双闭环调节器工程设计方法建立转速、电流双闭环控制调速系统的动态数学模型；理解并掌握转速、电流双闭环控制调速系统调节器作用及动态过程分析；掌握调节器的工程设计方法及控制对象的工程近似处理方法。 JZLTS-3：基于稳态模型的异步电动机变压变频调速理解并掌握变压变频调速的基本原理、电压补偿控制、不同磁通控制下的机械特性；理解并能解释、描述电压空间矢量 PWM 控制的基本原理、电压与磁链空间矢量的关系、期望电压空间矢量的合成及 SVPWM 的实现方法。 JZLTS-4：基于动态模型的异步电动机矢量控制理解异步电动机的三相动态数学模型的性质；理解并能解释、描述坐标变换的基本思路、异步电动机在正交坐标系下的状态方程；理解并掌握按转子磁链定向矢量控制的基本思想、转子磁链计算的基本方法。 JZLTS-5：基于动态模型的永磁同步电动机矢量控制理解并掌握同步电动机的转矩角特性；永磁同步电动机动态数学模型的建立；理解并能解释、描述永磁同步电动机在正交坐标系下的状态方程；掌握并能够解释、描述按转子位置定向矢量控制的基本思想。能力目标： JZLTS-6：分析、建模能力能分析交直流调速系统各环节工作机理，建立各环节数学模型，搭建系统仿真模型；能实现交直流调速系统双闭环调节器工程设计方法的数字控制仿真；能实现异步电动机变压变频调速的数字控制仿真。 JZLTS-7：系统设计能力能综合自动控制原理和现代电力电子技术等专业课程的学习知识，针对交直流调速系统工程问题，进行系统各调节器参数设计；能设计完成异步电动机按转子磁链定向矢量控制系统的数字控制仿真。 JZLTS-8：实验能力能根据实验步骤操作实验装置，安全有效地开展交直流调速系统各项实验

正确采集和整理实验数据，对实验数据和结果进行分析和解释，并与理论分析进行比较，得出合理有效的结论。 JZLTS-9:现代工具使用能力能使用全数字仿真工具实现交直流调速系统仿真。 JZLTS-10:自学与自律能力能保证出勤，按时完成作业，按时线上学习任务和课程自学内容，善于时间管理。思政目标： JZLTS-11:课程思政与课程教学高质量融合结合“交直流调速系统”课程的特点，从理论与实践相结合、能力培养和服务社会三个方面全面推进课程思政建设，深入挖掘思政元素，实现课程思政与课程教学的高质量融合。从理论与实践结合角度，提出“四维一体”的创新教学模式，设计全数字仿真、半实物仿真以及全实物代码生成实验，其最终的目的都是实现对理论的实验验证。课程环节始终坚持理论与实践的辩证统一思想，充分体现了马克思主义哲学中的实践核心观点。从能力培养角度，课程教学全面培养学生解决复杂电气工程问题的能力，提升创新和创造能力。结合当前国际形势和行业发展现状，学生要肩负起实现中华民族伟大复兴的历史使命，努力提高综合素养，专注专业领域，以扎实的文化知识为日后担起建设祖国重任筑牢基础。树立科学的理想信念，成为有责任、有担当的工程技术人员，为国家攻坚克难。 2.3毕业要求与课程目标的关系毕业要求观测点支撑课程目标贡献权重度 JZLTS-1:PWM变换器.电动机系统的工作原理及调速特性 10% JZLTS-2:交直流调速系统双闭环调节器工程设计方法 25% 工程知识 5 0.15ZLTS-3:基于稳态模型的异步电动机变压变频调速 25% ZLTS4:基于动态模型的异步电动机矢量控制 30% ZLTS5:基于动态模型的水磁同步电动机矢量控制 10% 2问题分析 21 0.1zLTS-6:分析、建模能力 100% 3设计开发 3 0.2ZLTS-7:系统设计能力 100% 研究 4-2 0.1 ZLTS-8:实验能力 100%

6 正确采集和整理实验数据，对实验数据和结果进行分析和解释，并与理论分析进行比较，得出合理有效的结论。 JZLTS-9：现代工具使用能力能使用全数字仿真工具实现交直流调速系统仿真。 JZLTS-10：自学与自律能力能保证出勤，按时完成作业，按时线上学习任务和课程自学内容，善于时间管理。思政目标： JZLTS-11：课程思政与课程教学高质量融合结合“交直流调速系统”课程的特点，从理论与实践相结合、能力培养和服务社会三个方面全面推进课程思政建设，深入挖掘思政元素，实现课程思政与课程教学的高质量融合。从理论与实践结合角度，提出“四维一体”的创新教学模式，设计全数字仿真、半实物仿真以及全实物代码生成实验，其最终的目的都是实现对理论的实验验证。课程环节始终坚持理论与实践的辩证统一思想，充分体现了马克思主义哲学中的实践核心观点。从能力培养角度，课程教学全面培养学生解决复杂电气工程问题的能力，提升创新和创造能力。结合当前国际形势和行业发展现状，学生要肩负起实现中华民族伟大复兴的历史使命，努力提高综合素养，专注专业领域，以扎实的文化知识为日后担起建设祖国重任筑牢基础。树立科学的理想信念，成为有责任、有担当的工程技术人员，为国家攻坚克难。 2.3 毕业要求与课程目标的关系毕业要求观测点支撑权重课程目标贡献度 1 工程知识 1-5 0.15 JZLTS-1：PWM 变换器-电动机系统的工作原理及调速特性 10% JZLTS-2：交直流调速系统双闭环调节器工程设计方法 25% JZLTS-3：基于稳态模型的异步电动机变压变频调速 25% JZLTS-4：基于动态模型的异步电动机矢量控制 30% JZLTS-5：基于动态模型的永磁同步电动机矢量控制 10% 2 问题分析 2-1 0.1 JZLTS-6：分析、建模能力 100% 3 设计开发 3-1 0.2 JZLTS-7：系统设计能力 100% 4 研究 4-2 0.1 JZLTS-8：实验能力 100%

7 5 使用现代工具 5-1 0.1 JZLTS-9：现代工具使用能力 100% 12 终身学习 12-1 0.1 JZLTS-10：自学与自律能力 100% 3 课程内容及安排 3.1 课程学时总体安排课程性质：专业教育课程必修课课内/实验/上机/课外学时:52/12/0/64 理论课（学时）习题课（学时）实验（学时）研讨（学时）社会实践（学时）项目任务（学时）在线学习（学时）其他（学时）课内课外课内课外课内课外课内课外课内课外课内课外课内课外课内课外 52 52 0 0 12 0 0 0 0 0 0 0 0 12 0 0 3.2 各知识单元内容和预期学习目标本课程内容分为 8 章，配有 4 个课内实验。下表介绍课程的章节划分，学时安排，以及学习完成后的预期目标结果。知识单元学习内容和预期结果课程目标学时章、节、点课内课外第 1 章绪论 1.1 运动控制系统及其组成 1.2 运动控制系统的历史与发展 1.3 运动控制系统的转矩控制规律 1.4 生产机械的负载转矩特性学习内容：运动控制系统组成，转矩控制规律，负载机械特性，转速-转矩四象限运行。预期结果：（1）能识记和复述：三种典型的生产机械负载转矩特性，转速转矩正方向定义。（2）能解释和举例：转速-转矩四象限运行的电机运行状态、电磁转矩和负载转矩在不同象限的驱、制动状态。 JZLTS -1 JZLTS-10 2 2 第 2 章转速开环控制的直流调速系统 2.1 PWM 变换器-电动机系统的工作原理及调速特性 2.2 稳态调速性能指标和开环系统存在的问题学习内容：不可逆 PWM 变换器-电动及系统，可逆 PWM 变换器-电动机系统，直流 PWM 调速系统的机械特性，PWM 控制器与变换器的动态数学模型，直流 PWM 调速系统的电能回馈与泵升电压；调速系统的稳态性能指标，PWM-M 系统转速开环直流调速 MATLAB 仿真。预期结果： JZLTS -1 JZLTS -9 JZLTS-10 4 4

9 （4）MATLAB 系统仿真实现：能运用 MATLAB 仿真工具完成 PWM-M 系统转速闭环直流调速仿真。第 4 章转速、电流双闭环控制的直流调速系统 4.1 转速、电流双闭环控制直流调速系统的组成及其静特性 4.2 转速、电流双闭环控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析 4.3 转速、电流双闭环控制直流调速系统的设计 4.4 转速、电流双闭环控制直流调速系统 MATLAB 仿真安排 1 次课内实验学习内容：转速、电流双闭环控制直流调速系统的组成及其静特性；转速、电流双闭环控制直流调速系统的动态数学模型，起、制动动态过程分析；转速、电流双闭环控制直流调速系统的动态性能指标；调节器的工程设计方法；控制对象的工程近似处理方法；按工程设计方法设计转速、电流双闭环控制直流调速系统的调节器；转速、电流双闭环控制直流调速系统 MATLAB 仿真。预期结果：（1）图表绘制：能绘制双闭环直流调速系统的静特性曲线；清楚双闭环调速系统各环节及其传递函数，并能够根据各环节传递函数绘制双闭环直流调速系统动态结构图。（2）能识记和复述：起动过程三阶段分析，制动过程四阶段分析，转速调节器和电流调节器的作用。（3）熟练掌握：典型Ⅰ型系统的工程设计方法，典型Ⅱ型系统的工程设计方法。比例控制转速闭环直流调速系统稳态模型，进行闭环系统静特性与开环系统机械特性对比分析，进行闭环系统和开环系统静差率和调速范围的对比分析。（4）能理解和解释：校正为典型 I 型和Ⅱ型系统的近似处理原则及工程近似处理方法。（5）系统设计：能按照工程设计方法设计转速、电流双闭环控制直流调速系统的调节器。（6）方法应用和数学计算：能根据饱和限幅的 JZLTS -2 JZLTS -6 JZLTS -8 JZLTS-10 14 14

10 非线性控制作用，进行转速调节器的退饱和超调量计算。（7）MATLAB 系统仿真实现：能运用 MATLAB 仿真工具完成转速、电流双闭环控制直流调速系统 MATLAB 仿真。第 5 章直流调速系统的数字控制 5.1 数字系统介绍 5.2 采样频率的选择 5.3 数字 PI 调节器及数字控制器的设计学习内容：采样频率的选择，数字 PI 调节器，数字控制器的设计，数字控制的 PWM 电机调速系统。预期结果：（1）熟练掌握：模拟调节器的数字化，能对模拟 PI 调节器离散化，得到数字控制器的算法。（2）方法应用和算法编写：能编写位置式和增量式数字 PI 调节器算法，实现仿真与实验应用。 JZLTS -2 JZLTS-10 2 2 第 6 章基于稳态模型的异步电动机调速系统 6.1 异步电动机的稳态数学模型和调速方法 6.2 异步电动机的调压调速 6.3 异步电动机的变压变频调速 6.4 电力电子变压变频器 6.5 转速开环变压变频调速系统 6.6 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统 6.7 转速闭环转差频率控制变压变频交流调速系统 MATLAB 仿真安排 1 次课内实验学习内容：异步电动机的稳态数学模型，机械特性；异步电动机变压变频调速，不同磁通控制下的变压变频调速机械特性；电压空间矢量 PWM 控制技术；转速开环变压变频调速系统；转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统。预期结果：（1）能够理解和解释：不同磁通恒定控制下的变压变频调速机械特性。（2）熟练掌握：电压空间矢量 PWM 控制技术，空间矢量定义、电压与磁链空间矢量的关系、期望电压空间矢量的合成及实现方法。（3）方法应用和数学计算：应用转速闭环转差频率控制技术，在保持气隙磁通不变的前提下，通过控制转差角频率来控制转矩，实现变压变频调速。 JZLTS -3 JZLTS -6 JZLTS -8 JZLTS-10 16 16