普通高等数育 十五 “十一五”国家级 规划教材 普通高等教育 电气工程与自动化类 “十三五”规划教材 Hontro Systems of ectric Drives- afion contro Systems 电力拖动自动控制系统 运动控制系统 第5版 阮毅杨影陈伯时编著 杨耕主审 Q热然出原芸
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 普通高等教育电气工程与自动化类“十三五”规划教材 电力拖动自动控制系统 一运动控制系统 第5版 阮毅 杨影 陈伯时 编著 杨耕 主审 机械工业出版社
本书是在第4版的基础上修订而成的，内容的主线仍然是电力拖动控 制系统的原理、分析和设计。编写本书的主要思路是：理论与实际相结 合，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计等实际问题。以转 速、转矩（电流）和磁链（磁通）控制规律为主线，由简入繁、由低及 高地循序渐进，按照从开环到闭环、从直流到交流、从调速到伺服的层次 论述运动控制系统的静、动态性能和设计方法。 本书适用于高等院校电气、自动化类专业本科“运动控制系统”或 “电力拖动自动控制系统”课程教学，其深入部分也可作为电力电子与电 力传动、工业自动化等相关学科研究生用书，还可供从事电力拖动控制系 统的工程技术人员参考。 本书配有免费电子课件，欢迎选用本书作教材的教师发邮件到 jinacmp@163.com索取，或登录www.cmpedu.com注册下载。 图书在版编目(CIP)数据 电力拖动自动控制系统：运动控制系统/阮毅，杨影，陈伯时编著 —5版.—北京:机械工业出版社,2016.8 普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通高等教育电气工程 与自动化类“十三五”规划教材 ISBN 978-7-111-54419-7 1.①电··Ⅱ.①阮··②杨·③陈··Ⅲ.①电力传动-自动控制系 统-高等学校-教材V.①TM921.5 中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第174531号 机械工业出版社（北京市百万庄大街22号邮政编码100037） 策划编辑：吉玲责任编辑：吉玲王康于苏华 责任校对：刘怡丹责任印制：李洋 保定市中画美凯印刷有限公司印刷 2016年11月第5版第1次印刷 184mm×260mm·17.75印张·435千字 标准书号：ISBN978-7-111-54419-7 定价：39.80元 凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换 电话服务 网络服务 服务咨询热线：010-88379833 机工官网：www.cmpbook.com 读者购书热线：010-88379649 机工官博：weibo.com/cmp1952 教育服务网：www.cmpedu.com 封面无防伪标均为盗版 金书网：www.golden-book.com
全国高等学校电气工程与自动化 系列教材编审委员会 主任委员汪櫃生浙江大学 副主任委员（按姓氏笔画排序）】 王兆安西安交通大学 王孝武合肥工业大学 田作华上海交通大学 刘丁西安理工大学 陈伯时 上海大学 郑大钟清华大学 赵光宙浙江大学 赵曜四川大学 韩雪清机械工业出版社 员（按姓氏笔画排序）】 戈宝军哈尔滨理工大学 方敏合肥工业大学 王钦若广东工业大学 白保东沈阳工业大学 吴刚中国科技大学 张化光东北大学 张纯江燕山大学 张波华南理工大学 张晓华哈尔滨工业大学 杨耕清华大学 邹积岩大连理工大学 陈冲福州大学 陈庆伟南京理工大学 范瑜 北京交通大学 夏长亮天津大学 章兢湖南大学 萧蕴诗同济大学 程明东南大学 韩力重庆大学 雷银照北京航空航天大学 熊蕊华中科技大学
序 随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展速度，改变着我 国工业的整体面貌。同时，对社会的生产方式、人们的生活方式和思想观念也产生了重大的 影响，并在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。随着与信息科学、计算机科学和能源科 学等相关学科的交叉融合，它正在向科能化、网络化和集成化的方回发展， 教育是培养人才和增强民族创新能力的基础，高等学校作为国家培养人才的主要基地 肩负着教书育人的神圣使命。在实际教学中，根据社会需求，构建具有时代特征、反映最新 科技成果的知识体系是每个教育工作者义不容辞的光荣任务 教书有人，教材先行。机械工业出版社几十年来出版了大量的电气工程与自动化类教材 有些教材十几年、儿十年长盛不衰，有着很好的基础。为了适应我国目前高等学校电气工程与 自动化类专业人才培养的需要，配合各高等学校的教学改革进程，满足不同类型、不同层次的 学校在课程设置上的需求，由中国机械工业教育协会电气工程及自动化学科教育委员会、中国 电工技术学会高校工业白动化教育专业委员会、机械工业出版社共同发起成立了“全国高等学 校电气工程与自动化系列教材编审委员会”，组织出版新的电气工程与自动化类系列教材。这 类教材基于“加强基础，削枝强干，循序渐进，力求创新”的原则，通过对传统课程内容的 整合、交融和改革，以不同的模块组合来满足各类学校特色办学的需要。并力求做到： 1.适用性：结合电气工程与自动化类专业的培养目标、专业定位，按技术基础课、专 业基础课、专业课和教学实践等环节，进行选材组稿。对有的具有特色的教材采取一纲多本 的方法。注重课程之间的交叉与衔接，在满足系统性的前提下，尽量减少内容上的重复 2.示范性：力求教材中展现的教学理念、知识体系、知识点和实施方案在本领域中具 有广泛的辐射性和示范性，代表并引导教学发展的趋势和方向。 3.创新性：在教材编写中强调与时俱进，对原有的知识体系进行实质性的改革和发展 鼓励教材涵盖新体系、新内容、新技术，注重教学理论创新和实践创新，以适应新形势下的 教学规律 4.权威性：本系列教材的编委由长期工作在教学第一线的知名教授和学者组成。他们 知识渊博，经验丰富。组稿过程严谨细致，对书目确定、主编征集、资料中报和专家评审等 都有明确的规范和要求，为确保教材的高质量提供了有力保障。 此套教材的顺利出版，先后得到全国数十所高校相关领导的大力支持和广大骨干教师的 积极参与，在此谨表示衷心的感谢，并欢迎广大师生提出宝贵的意见和建议。 此套教材的出版如能在转变教学思想、推动教学改革、更新专业知识体系、创造适应学生个 性和多样化发展的学习环境、培养学生的创新能力等方面收到成效，我们将会感到莫大的欣慰。 全国高等学校电气工程与自动化系列教材编审委员会 水桓生浑d 印木钟
前 言 本书适用于高等院校电气工程及其自动化、自动化专业本科“运动控制系统”或“电 力拖动自动控制系统”课程教学，其深入部分也可作为电力电子与电力传动、工业自动化 等相关学科研究生用书，还可供从事电力拖动控制系统的工程技术人员参考。 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，并荣获第三届机械部优秀教材一等奖。作为普通高等教育 “九五”国家级重点教材的第3版改名为《电力拖动自动控制系统 一运动控制系统》，于 2003年出版。2009年修订出版第4版，2011年，本书获上海市普通高校优秀教材奖一等奖 和中国机械工业科学技术奖二等奖。本书自第1版出版以来，社会反响良好，获得相关课程 授课教师的广泛选用及好评。为了进一步促进和提高相关课程的教学质量，为教师、学生提 供更好的教材，机械工业出版社将本书第5版再次列人了重点教材精品化建设计划，以期继 续完善、提高教材的质量 本书第5版的主线仍然是电力拖动控制系统的原理、分析和设计。主要思路是：理论与 实际相结合，应用自动控制理论解决运动控制系统的分析和设计等实际问题。以转速、转 (电流)和磁链（磁通）控制规律为主线，由简人繁、由低及高地循序渐进，按照从开环到 闭环、从直流到交流、从调速到同服的层次论述运动控制系统的静、动态性能和设计方法。 交流调速系统是现代实际应用的主流，但直流调速系统仍是其理论基础，所以本书仍从 直流系统入门，在建立了扎实的控制系统分析与设计的概念和能力以后，再进人交流调速系 统的学习、最后在掌握了调速系统的基本规律和设计方法的基础上，进一步学习同服系统的 分析与设计。根据编著者的教学经验，交流电动机的动态模型、矢量控制系统与直接转矩控 制系统在本科教学中难度较大，应该让学生掌握其基本概念和分析方法，授课教师可在实际 教学中灵活处理其深度。 直流调速系统部分在沿承第3版的经典结构和内容、吸收第4版数字控制精华的基 上，主要做了如下改动： 1)考虑到中小功率直流调速系统中已用PWN变换器取代了品闸管整流器，因此删减 了V-M可逆直流调速系统部分，以PWM变换器为主要供电方式，并在第4章中先后分析了 记动时程和转速反向过薄过理 2)更加强调运动控制系统概念。在第2章阐述电力电子变换器和电动机机械特性时， 结合PWM脉冲产生原理，推导控制电压对电枢电压和电动机机械特性的控制调节作用。在 分析起动过程和制动过程时，结合控制电压变化分析了各阶段转速、电流变化规律。 3)第4章补充了按照典型Ⅱ型系统进行电流调节器设计 4)第5章结合运动控制系统讨论电流环和转速环采样频率确定方法：将转速调节器输 出与控制对象之间的零阶保持器用一阶惯性环节来近似，再按照模拟系统设计方法设计数字 调节器，保留原工程设计方法简单明了的优势，又兼顾系统动态性能。 交流调速系统基本保留了第4版的内容和风格。第6章包括异步电动机稳态模型
电力拖动自动控制系统一动边系能 PWM技术、调压调速、转速开环变压变频调速和转速闭环转差控制系统。第7章包括异步 电动机动态模型、矢量控制系统与直接转矩控制系统，对直接转矩控制系统做了较大的改 动，以切合实际工程应用。第8章的标题改为“绕线转子异步电机转子变频控制系统”，以 强调重点是“转子变频控制”，内容包括串级调速系统、双馈调速系统和双馈风力发电系 统。第9章为同步电动机调速系统，对同步电动机的稳定运行、矢量控制和直接转矩控制做 了分析与讨论。 第10章为同服系统，包括直流和交流伺服系统，建立直流和交流伺服系统的统一模型， 讨论系统结构，并分析系统的设计方法及稳定性。 本书按64学时编写，根据编著者的教学经验，在64学时内，难以全部完成10章内容 的教学。考虑到各校相应专业对课程的要求不同，在实际教学中可选用部分内容，以 第2~7章为重点，带*部分可作为选讲内容。本书给出一定数量的习题和思考题，以供任 课教师选用。 本课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 解决实际问题的能力。 本书第5版由上海大学阮毅教授、杨影副教授和陈伯时教授修改编写，其中直流调速系 统部分（第2~5章）由杨影刚教授修改编写，陈伯时教授协助讨论；交流调速系统部分第 8章由陈伯时教授修改编写：其余各章均由阮毅教授修改编写。 本书由清华大学杨耕教授主审，杨耕教授认真审阅了全部书稿，提出了许多宝贵而中肯 的修改意见，在此谨致衷心的感谢。上海交通大学陈敏逊教授、陈维钧副教授，上海大学 倪国宗副教授和沙立民副教授参加过本教材前几版的编写工作，东南大学赵家璧教授增承担 前几版的主审工作，自然有其不可磨灭的贡献。天津大学马小亮教授根据自身的工作经验 对调节器的设计和数字调节器设计提出了宝贵的意见，在此深表谢意。 我们在修改编写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。 编著者
常用符号表 一、元件和装置用的文字符号 放大器：明节器：电《绕单：A相绕组 M 电动机（总称） ACR MA 异步地动机 E 中站婆的器 直流电动机 为热背图 M 北由动机 电流节器：磁调节器 R 电器 变器 理 位汽调节蔽 RP 行 B SA 控开关，选择开关 转地调节器 正组电子模拟开关 A 转：期书界 A国 反组性子道我开 Av 培指理 s 用影由用 非电电量度换器 变摆 位传感器：转子位置检测器 ↑ 电流互感器：霍耳电流传感器 TAF 箭碰电液感器 CD 电流微分坏 测速发电机 川强单 变交压器 数字车成电路和器 双向品侧管交流调器 DLC 流电程扬离变器 数学转速信号形成环节 换紧：调料程 可控整流器 动作果流保 通变遇 液拉进环情 UPE 力电子变换碧 FR 调速反馈环节 UPEM 柳式可通电为电子变换 张动电路 UPW PW程波牛成环节污 铜爸发电机 收有型 触发装置 URP 敏繁流器 正触发装置 VD 极 T 反组型发装置 正打品情普特洁装 VR 反组品侧管流装器 继电器，接触器 格 超感：电抗理 品体管：品明管：功毕开关器件 二、常用缩写符号 电流踪PWI(Current Follow PW
电力施动自动控制系统一运动控制系城 电流环跟套PW3M《Curren Hysters,Band PWM CVCF IGRT 绝涤概双极品体管(sulated(Gate B时olar Transistor D 化例微分pmn,Daim 比倒积分(Pmportio,egrato同 PID 比例积分微分(Pt,i。ifferenfiti P-MOSFET 场效应福闸管《Power Mos Field Effert Trmsistr PWM 消除指定次数谐被的WM。PWM SPWM 正装波宽制Sins PWM SVPWM VR VVVE 三、参数和物理量文字符号 动能 整流电流：直流平均电流 线加速度：转依方程系数 价被流 感电 电容：输出玻拉变量 转动惯 直流电机在新定遮调下的电动势系 岁湖系统答环省放大系数环药 流中机在痛定形谈通的转距系 好步为下的标】：环系农的中环福 调速花围：转尼数 系：转弹性转矩系数 反电动势感应电动梦（大写为平均 直流电机地动势结构常刻 值成有效值，小写为瞬时值，下同子 人 流出机转正法面清：烫 是接 比放大盛数 电力电子变器放大系 游波次数：最次数 优动误男 州系船 许误 感，自感：对数幅值 感 开关领半 环系统频率特性辐值：调制瘦 传递函数 周内的味中数 重力加速瘦 型】系统两个时据数之 飞轮惯统 中数：线皮比：诺函数分 槽存据度 U 环对特性中 理想空线转速 电流：电电 同步转速 恒装中治 设对数
常用特号表 P.P 功转 替代) 微分算子 WCs) 传递函数：开环传递函数 电随功单 亚 州环传递函 转差功 授制对象传递函数 无功功 磁场储能 电：电同路总电 W.() 环节的传递函数 直流电机电形电阻 电抗 电抗器电 壮图疗 R 电力电子变换器内 负我系 数整炒置内阳 转速反债系数：可控整流器的触发 左的 迟角 视在功 机械角加速度 静差华：转差 B 电流反增系数：可控整流器的逆变角 拉米拉斯是 电压反馈系数：相角格度：PWM电 时间常数：开关周期 时 8 转速领分时间常数料对值：脉冲宽度 电磁转拥 转降落 电椒回路电磁时间常数 偏差电压 负转矩 角差 机电时常数 E 阻尼比 局大动东路落时 效率：减速比 成被阳面常数 电角位移：可控整流器的导通角 开通时同 9. 机被角位移 关斯时间 电机允许过倍 峰值时问 士为中，托位摆的分压系数 附磁系数：转差功率损耗系数，超 电力电子变换器平均失控时间：电力 调量 电子隆器带后时可常数 时间常数：积分时间常数：微分时间 调梦计 款数 复时同 通 电压：电枢供电电国 每极气隙诞通量 变压器二次侧《额定)相电压 相位角：抗角：相铜 控制压 察流电：直流平均电 角转速：角频车 理想空乾整流电国 闭环新有特性指宽 所楼度压 开环顿率样性载止顿 册极动电 机械角转速 峰值电用 一阶系统的白然荡 顶中 转差角转速 变量，的反健电疾(x可用变量符号 同步角转速：同步角 代 变量x的给定电压(：可用变量符号