面向21世纪课程教材 普通高等教育九五”国家级重点教材 电力拖动自动控制系统 运动控制系统 第3版 主编陈伯时 参编阮毅陈维钧 倪国宗陈敏逊 主审赵家璧 机械工业出版社
前 言 本书第1版的书名是自动控制系统》，于1981年出版，第2版改名为患力拖动自动 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 的牧材规划，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 书名改为电力动自动控制系统 一运动控制系统》。 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，以品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WM)。 2)在控制器中，模拟电子控制已基木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，由简入繁、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 于多输入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版一群，分为直流瓶动控生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W-M系统)的主要问题”，第1.3节笪流脉宽调速系 统的主要问题”，第6.3节电力电子变压变频器的主要类型”，而别去第2版中单独设置的 第4章宜流脉宽调速系统”，除特殊情况外，在直流控制系统中的电力电子变换器都统 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T'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，从模拟控制器入门，容易学握控制规律的基本概念。因此第1篇第1、2章仍从模拟控 制器入手，接若增设第3章省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，采用数字注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敏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 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木概念，增加了已 经发展成熟的新型交流拖动控制系统。但直流拒动控制系统，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 瓶尧数授编著。现根据一大师生的要求，在书中给出少量例题，而在每查后给出一定数景的 习题，其计算部分的答案集中附于书后。限于篇幅及学时，所给通目的数量不多，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 稷盖全书内容的9个实骏。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 须参者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，木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投编写，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入工作， 本书由东南大学赵家燮教授主审，浙江大学冯培悌散投、同济大学周国兴教投、江苏大 学刘国海教授共同审稿。他们都审阅了全部书稿，并提出了许多宝责而中肯的修改意见，在 此革致深切的感谢！清华大学韩曾晋教授曾参加编写书第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、实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。 编者
月 录 前言 常用符号表 第十篇直流拖动控制系统 第1章闭环控制的直流调速 问题. .20 系练 .2 143闭环调速系统的组成及其静 1,1宜流调速系统用的可控直流 特性 21 电源· 1.44 开环系统机械特性和闭环 1.1.1灰转变流机组.2 系线静特性 .22 112静止式可整整流器：：：：：：3 1.4.5反控制规种 .25 1.1,3直流斩波器或歌麽调制变 1.4.6闭环直流调速系统稳态参数的 换残 计算 26 1.2品阅管-电动机系V-M系统) 1.4.7限流保护 一电流线止伤 的主要问愿 .5 反错 28 ·1.2.1触发脉冲相位控制 ”6 1.5反馈控制闭环直流训速系的动态 ·1.2.2电流脉动及其波形的连蝶与 分析和设计 30 断续 1.5.1反馈控闭环直流调速系统 ·1.2.3抑制电流脉动的措施.7 的动态数学模型. 30 1.2.4晶闻管 一电动机系的机越 1,5.2反绩持制闭环直流调速系饶 的稳定条件 33 1.2.5 品管触发和整流装置的 1.5.3动态校正 放大系数和传遵函数 设计 .35 1.3宜流脉宽调越系统的主要 1.6比例 分控制规律和无静差调 问题. .31 速系统 .40 ·1.3.1PWM变换器的工作状态 1.6,1积分调节器和积分控制 和电压、电流被形 44.4440 1.3,2直流脉宽调速系统的机械 1.6.2比例积分控制规律.42 特性 16 1.6,3无静差直流调速系统及其稳 1.3.3PWM整制与变换器的数兮 数计算 .43 模型 .17 1.7 电压反资电流补偿控制的直流调速 1.3,4电能回馈与须升电压的 系统. n44 跟制 17 1,7,1电压负反续直流调滤系统.45 1,4反馈控制闭环直流调速系统的 1.7.2电流正反馈和补偿控制 境态分析和设计 18 .46 1.4.1 转速控制 的要求和调速 ·1.7.3电流补偿制直流调遮系统 .18 的数 1.4.2开环调速系统及其存在的 习题 .50
第2章转速、电流双闭环直流调速 ·2.5.4带转速微分负反馈双闭环 统和调节器的工程设计 调地系统的扰扰性能.0 方法 52 ·2.6羽磁控制的直流词速系统.91 21转这、电流发闭环直流测速系统 ·2.6.1变压与到磁的配合控制 .91 的组成及其静特性. .52 ·2.6.2非独立控制励磁的调越 2.1,1转速、电流双闭环直流调速 .92 系线的绍成，53 2.6.3 弱磁过程的直流电动机学 21.2稳春结枸图和静特性 型和树磁控制系统转述 调节器的设计 93 2.1,3各变量的穆态工作点和稳念 习题. 参数计算.5巧 2.2双闭环直流调速系统的数学模型 第3章直流调速系统的数字 和动态性能分析.： 控制 .97 2.2.1 双闭环直流调速系的动态数学 3.1微型计算机数字控制的主要 模型 特点. 3.1,1数字量化 2.2,2起动过程分析 22,3动态抗扰胜能分析. 3.1.2采样颗率的选择. .98 58 313微机数字接倒系统的输入 2.2,4转速和电流两个词节器的 量 2.3调节器的工程设计方法 350 3.2微机数 学控制双闭环直流调 速系统的硬件和件 100 2.3.1工程设计方法的基本思路 60 2.3,2典型系统. 3.2.1微机数字控侧双闭环宜流 2.3.3控制系统的动春性能指标.62 调速系统的硬件结构 ,100 2.3.4典型1型系统性能指标和参 3.2.2微机数字控制双闭环直流 调速系统的软件框图 数的关系 63 3.3数字测速与法波.103 23.5 典型Ⅱ型系统性能指标和参 3.3.1旋转 0 数的关系.68 3.3.2M法测 23,6调节器结构的洗举和传翅函数 3.3.3T法测速· I04 的近似处理一 一非典型系统 33.4M次法测速. 104 的奥型化 .71 3.3.5各种数字测速方法的精度 2.4按工程设计方法设计双闭环系统 105 的调节 .76 336M法数字别谏件框图.106 2.4,1电流调节器的设计 3.3 10 242梦速理背器的设计 数字P 调节 2 2.4.3转速调节器退饱和时转速 3.4.1模拟P1调节器的数字化 超调量的计算 84 3.4.2改进的数字pI算法 110 ·2.5转速超调的抑制 转速微分 3.4.3智能型PI调节器4.110 反馈. .87 3.5按离散控制系统设计数字控 ·2.5.1带转速徽分负反使双闭环 制器. .112 调速系统的基本原理. 3.5. 具有零阶保持器的数字控制 2.5.2 饱和时间和退饱和转速.89 直流调遮 113 2.5.3 转速微分负反馈参数的工程 3.5.2 控制对象传递函数的离 设计方法· 90 散化. 1L3
3.5.3数字转速调节器的设计.114 机系统 ·3.6数字控制系统的故障枪测、 4.1,3无环流控制的可逆品刚管一电动 保护与自诊断.118 机系统. .129 ·61故暗粉荆.4.：118 。42位搅的动系练.，133 ·3.6.2故障保护. 110 4.2.1位置随动东统的组成 133 3.6.3故障自诊断. 4.2.2位置随动系统的特征及其 12 与调速系统的 比软 134 第4章 可逆直流训速系统和位置 4.2.3位登传誉 134 随动系统. 121 4.2.4位置随动系统的稳态误差 ·41可逆直流调速系统 12 分析和参数计算. 136 4.1.1 单片微机整制的PWM可逆 4.2.5位置随动系统的动态校正 直流调速系统. 与控制 。.141 4.1,2有环流控制的可逆晶W管一电动 习 144 第)篇交流拖动控制系统 第5章闭环控制的异步电动机变 步电动机的机械特性· 压调速系统 一种 6.2.2基频以下电压-频率协调 转差功率消耗型调 控制时的机根特性.160 速系统 .+.147 6.2.3 基频以上恒压夜顿时的 ·5,1异步电动机变压调速电路 .147 机械特性 163 5,2异步电动机支变电压时的机 ·6.2.4恒流正弦波供电时的机械 148 特性“. .163 5,3闭环控制的变压调速系线及 ·6.3电力电子变压变领器的主要 其静特性 类型 165 “5.4闭环变压调速系统的近似 6.3.1 交一直-交和交-交变 态结构框图 151 压变须 ‘5,5转差功整报耗分析. 153 ·6,3.2电压源型和电流源型逆 ·5.6变压控制在软起动器和轻载 变器. 167 降压节能运行中的应用 155 ·6.3.3180导通型和120导通 ·56.1款起动器. 型逆变器 5.6.2轻降压节能运行 156 6.4变压变频调速系统中的脉 习 调制PWM)技术 .169 6幸笼型异步电动机变压变频 6.4.1正弦被脉宽调制6PWMD 调速系统只A平系统) 持术： .170 转差功率不变 ·6,4.2消除指定次数谐被的PwM 型调速系统 158 )控制技术 17 6.1变压变须调速的基本控制方式. 15R ·6,4.3电流滞环跟踪PWM CHBPWM) 6.1,1括以下调速. 150 控刹技术.【72 1.2基以上速 160 6.4.4电压空间矢量PWM SVPWM) 6.2 异步电动机电压 颜率协调 制时的机械特性 控制技术) 175 6.2,1恒压恒额正弦被供电时与 6.4.5桥誉件开关死区对PWM
控制变压变频器工作 送型调速系统.28 的影响.182 7.1异步电机双偿调地工作原理.218 6.5基于异步电动机稳态模型的 7.1.1异步电机转子附加电动势 变压变颗调速系统 的作用 219 6.5.1转速开环恒压频比控制调 7.1,2异步电机双演调速的五利 谏系 通用恋师 .220 异步电动机词 7.2异步电机在次同步电动状春下的 速系统 185 双馈系统 一中级谓速系统 ,223 6.5.2转递闭环转差频率控制的 7.2.1申级调速系统的工作原理.223 变压变频拥速系统.187 7.2.2 申级调速系续的其他类 225 6.6异步电动机的动态数学模型和 ·73异步电动机申级调速时的机候 华标亦换 190 将性.225 6.6.1异步电动机动态数学模型 ·7.31异步电动机中级调速机 的姓 9 三相异步电动机的多变量 械特性的特征 .225 6.6.2 非线性数学模型. 7.3.2 动机申级调速时 的转子鉴流电路 6.6.3华标变换和变换矩阵. 195 2 ·7,3.3异步电动机申级调速机 6.6.4三相异步电动机在两相坐 械特性方程式 标系上的数学模型.200 ,228 ·7.4申级调速系统的技术经济 6.6.5三相异步电动机在两相坐 .231 标系上的状态方得 204 指标及其提高方案 6,7基于动态模型按转子磁定向 74.1 申级调速系统的效率 231 的失控制系绕 ·7.4.2中级调速系统的功率因数 及其改碧途径.232 6.7.1矢量控制系统的基本思路. 26 6.7,2按转子型链定向的矢量控 ·7.4.3斩被控制的申级调速系统.233 制方程及其解耦作用· 207 ·7,4.4申级测速装置的电压和 6.7,3转子磁链模型. .209 234 6.7,4转速、磁链闭环控制的失量 7.5双闭环控制的申级调速系统 235 控制振 7.5.1双闭环控制串级调速系 控制系绕 .21 统的组成. 235 6.7,5催链开环转差型矢量拉制系 ·7,5.2串级调速系统的动态 一间接欠量控制系统 213 数学语形. 6.8基于动态模型按定子磁链签喇 7.5.3 调节器参数的设计 23 的直接转矩控制系统. 214 7.5.4申级调速系统的起动方式. 238 6.81直接转矩控制系统的原理 ”7.6异步电机双领调速系绕 239 214 7.6.1双馈调速系统的构成 230 6.8.2 直接转矩控制系统的控制 ·7,6.2双情测速系统的矢量控制.：240 规律和反棋益 24 6.8.3直接转矩控制系统与矢量 ·第8章同步电动机变压变频调速 控制系统的比较. 216 系统 .242 习版. 217 8.1 同步电动机变压变颜词速的特 “第7章绕线转子异步电机双馈调 点及其基本类型 242 速系统 转差功率馈 82能控变须同步电动机调速系统. 243
“8,2.1转速开环恒压比控制的 附33系统仿真软 .262 同步电动机群调速系统.243 刚录4在功案不变条件下的坐标 ·8.2.2由交-直-交电流型负被换 变换.263 流变压变嫌器供电的同步电 附4.1功率不变时坐标变换阵的 动机湖速系统.。 244 性质 .263 8.2.3由交-交变压变频器供电 附4.2 功率不变条件下的32变换 的大型低速同步电动机 及匝数比 263 调速系统 附录5由三相静止坐标系到两相任意 ·8.2.4按气隙磁场定向的同步电 旋转坐标系上的变换Bs2r 动机失量控倒系统： ，245 变换) 265 ·8.2.5同步电动机的多变量动 附513a,旅转变艳陈 444265 态数学摸型. 附5.2电压方积的变 ,。266 83自控变问抄电动机调速系统.25 附53磁链方程的变 268 8.3.1 梯形水同步电动机 无剧 附5.4 转矩方程的变教 270 直流电动机》的自控变颊调 教学实验参考.271 速系统.251 实验1品闸管直流调速系统参数和 8.3.2正弦波水磁同步电动机的自控 基木环节特性刻定 .273 变须调速系统.253 实验2 电止负反的梦速单 习限 闭环直流调系 280 附录 实3 转 ，电流双闭环直流调速 附录1几种传递函数的近似处理 系饶 .283 条件.256 实验4逻辑无环流可逆直流谓速 附1,1直流调速系统中电力电子变 系终：：n *286 换器传递函数的近似处理 实验5转速、电流双闭环可逆直 条件 256 流PWM调速系统 289 附1.2 三个小惯性环节的近似处理 实验6 三相异步电动机调 条件 257 压调速系统 附1.3忽略反电动势动态影响的近 实验7双闭环三相绕线型异步电 似条件. 258 动机市级调离系统.294 附录2典型Ⅱ型系统的闭环幅频特性峰 实验8gDW(正弦就度调到变频 值最小M)准侧 式2-34） 器一异步电动机变频 式0-35).式0 37 速系统 .296 的证明 259 实验9 DSP的方波无刷直流电 附录3第3.5节使用的计算机铺助设 动机 1 BLDM)调速 计软件.260 系统 附3.1程序变量.261 部分习题参考答案. 304 附3,2转速调节器设计软件 .261 参考文献 309
常用符号表 一、元件和装置用的文字符号按国家标准GB个7159一1987) A 放大器、调节器，电枢绕组，A相饶组 血域，电抗器 ACR 电流调节器 M 电动机总称) AE 电动势运算西 MA 异步电动机 Aer 电动势调节器 MD 直流电动机 AFR 励磁电流调节器 MS 同步电动机 位置调节器 R 电阻器， 变阻番 AR 反号器 RP 电位器 ASR 转速调节器 SA 控制开关，选择开关 ATR 转矩调节器 SAB 正组电子模拟开关 AVR 电压调节器 SAR 反组电子模拟开关 AR 链调节 SM 伺服电机 非电量一电量变换器 T 变蓝器 BQ 位置传移器。转子位置检剥无 TA 电流互感器。至尔电流传感数 自整角机 TA 扇磁电流互感器 自整角接收机 测速发电 BST 自整角发送制机 T 逆变变压者 电容器 TVC 双向品何管交流调压器 CD 电流微分环节 TVD 直流电压隔离变换器 8 a 功半变换单元 变换器，调制器 数字集成电路和器料 UCR 可控流 DLC 逻辑控制环节 UI 逆变器 DSP 型字转越信号形成环节 UPE 电力电子变换器 励磁绕组 UPEM 桥式可逆电力电子安换器 具有瞬时 作的 流保护 PWM生品 FBC 电流反惯环方 UR 整流器 FBS 测速反馈环节 URP 相敏整流器 发电机 品间管整流装置 GD 驱动电路 VBT 体三极 GE 磁发电机 VD 二极管 GT 触发装置 VF 正组品间管整流装置 GTE 正组触发劳置 VR 反组品用管整流装置 GTR 反组触发装 稳压管 涉环控制器 品管 功率开关器件 K 继电器，接触器