编辑推荐
本书主要介绍直流和交流调速系统的组成原理和应用,以及调速系统的建模与仿真技术。本书特色:
1.将交、直流调速运动控制技术、智能控制技术和MATLAB/Simulink仿真技术有机结合在一起。
2.适当阐述理论,重点介绍系统的分析和工程应用,以提高读者处理实际问题的能力。
3.叙述简练,概念清楚,由浅入深,实例丰富,体现了应用型本科教学特色。
内容简介
本书主要介绍直流和交流调速系统的组成原理和应用,以及调速系统的建模与仿真技术,在适当阐述理论的基础上,重点介绍系统的分析和工程应用,以提高读者处理实际问题的能力。书中遵循理论和实际相结合的原则,以系统控制规律为主线,在强调闭环控制的前提下,由浅入深地介绍了系统的动、静态性能和设计方法及系统的工程实现。还介绍了MATLAB及其图形仿真界面Simulink的应用基础知识、Simulink模型库的电机模块的功能和使用,并通过实例介绍了交直流调速系统的仿真方法和技巧。
本书适合作为电气工程及其自动化专业、自动化专业和其他以培养应用型人才为目的的相近专业的教材和教学参考书,也可供有关工程技术人员参考。
作者简介
顾春雷,现为盐城工学院副教授,长期从事电气工程专业的教学和科研工作,有着丰富的教学经验。先后主编和参编了《电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真》、《电机学》、《建筑电气控制技术》等教材多部。主持和参与了国家和省部级科研项目多项,发表论文多篇。盐城工学院首届“教学标兵”。
陈中,现为盐城工学院教师,连续多年指导毕业设计和学科竞赛并获奖,拥有丰富的教学经验,先后编写出版《电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真》、《基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真》等多部图书。
陈冲,1982年出生,现为盐城工学院讲师。近年来主持省级项目1项,市级项目3项,发表论文十多篇。
内页插图
目录
第1章单环控制直流调速系统
1.1开环直流调速系统及调速指标
1.1.1直流电动机的调速方法和方案
1.1.2晶闸管�仓绷鞯缍�机开环调速系统
1.1.3V�睲系统的机械特性
1.1.4生产机械对转速控制的要求及调速指标
1.1.5开环调速系统存在的问题
1.2转速负反馈单闭环有静差直流调速系统
1.2.1调速系统的组成及其工作原理
1.2.2闭环调速系统的静特性
1.2.3开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较
1.2.4闭环控制系统的基本特征
1.2.5限流保护——电流截止负反馈
1.3反馈控制闭环直流调速系统的动态分析
1.3.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型
1.3.2单闭环有静差调速系统的动态结构图
1.3.3单闭环有静差调速系统的稳定性分析
1.4比例积分控制规律和无静差调速系统
1.4.1积分调节器和比例积分调节器及其控制规律
1.4.2采用PI调节器的无静差直流调速系统
1.5电压反馈电流补偿控制的直流调速系统
1.5.1电压负反馈直流调速系统
1.5.2电流正反馈和补偿控制规律
思考题与习题
第2章多环控制直流调速系统
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问题的提出
2.1.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成
2.1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性
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结构图
2.2.2起动过程分析
2.2.3双闭环直流调速系统的动态抗扰性能
2.2.4转速和电流两个调节器的作用
2.3双闭环直流调速系统调节器的工程设计
2.3.1调节器工程设计方法的必要性、可能性与基本思路
2.3.2控制系统的动态性能指标
2.3.3典型Ⅰ型系统以及系统性能指标和参数的关系
2.3.4典型Ⅱ型系统以及系统性能指标和参数的关系
2.3.5非典型系统的典型化
2.4按工程设计方法设计双闭环调速系统的调节器
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
思考题与习题
第3章直流电动机可逆调速及直流斩波调速系统
3.1晶闸管�驳缍�机(V�睲)可逆调速系统主电路结构形式
3.2可逆调速系统中环流分析
3.2.1环流的定义
3.2.2直流平均环流产生的原因及消除办法
3.2.3瞬时脉动环流及其抑制
3.3有环流可逆调速系统
3.3.1α=β配合控制的有环流可逆调速系统
3.3.2可控环流可逆调速系统
3.4无环流控制的可逆晶闸管�驳缍�机系统
3.5直流脉宽调速系统
3.5.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形
3.5.2直流脉宽调速系统的机械特性
3.5.3双闭环的PWM可逆直流调速系统
3.5.4交流电源供电时的制动
思考题与习题
第4章MATLAB简介与直流调速系统仿真
4.1MATLAB简介
4.2Simulink/SimPower Systems模型窗口
4.2.1Simulink的工作环境
4.2.2模型窗口工具栏
4.3有关模块的基本操作及仿真步骤
4.4测量模块及显示和记录模块的使用
4.5建立子系统和系统模型的封装
4.6Simulink模型库中的模块
4.7SimPower Systems模型库浏览
4.8仿真算法介绍
4.9单闭环直流调速系统的仿真
4.9.1开环直流调速系统的仿真
4.9.2单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真
4.9.3单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真
4.9.4单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真
4.9.5单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真
4.9.6单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真
4.9.7单闭环转速负反馈调速系统定量仿真
4.10双闭环及PWM直流调速系统仿真
4.10.1双闭环直流调速系统定量仿真
4.10.2转速超调的抑制——转速微分负反馈仿真
4.10.3α=β配合控制调速系统仿真
4.10.4逻辑无环流可逆直流调速系统仿真
4.10.5PWM直流调速系统仿真
思考题与习题
第5章交流调压调速系统
5.1异步电动机改变电压时的机械特性
5.2异步电动机变压调速电路
5.3闭环控制的调压调速系统及其特性
5.3.1具有速度反馈的调压调速系统及其静特性
5.3.2闭环变压调速系统的动态结构图
思考题与习题
第6章交流异步电动机变频调速系统
6.1变频调速的基本控制方式
6.2异步电动机电压�财德市�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�财德市�调控制时的机械特性
6.2.3基频以上恒压变频的机械特性
6.3电力电子变频器的主要类型
6.4电压源型和电流源型逆变器
6.5变压变频调速系统中的脉宽调制技术
6.5.1PWM变频调速系统中的功率接口
6.5.2正弦波脉宽调制技术
6.5.3电流滞环跟踪控制技术
6.5.4电压空间PWM矢量控制技术
6.6基于异步电动机稳态模型的变压变频调速系统
6.7异步电动机的动态数学模型和坐标变换
6.7.1异步电动机动态数学模型
6.7.2坐标变换和变换矩阵
6.8三相异步电动机在不同坐标系上的数学模型
6.9基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统
6.9.1矢量控制系统的基本思路
6.9.2按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用
6.9.3转子磁链模型
6.10磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制
6.11转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统
思考题与习题
第7章绕线转子异步电动机调速系统
7.1绕线转子异步电动机串级调速原理
7.1.1异步电动机转子附加电动势时的工作情况
7.1.2串级调速的各种运行状态及功率传递关系
7.1.3串级调速系统的基本类型
7.2串级调速系统的性能
7.2.1串级调速系统的机械特性
7.2.2串级调速装置的电压和容量
7.2.3串级调速系统的效率
7.2.4串级调速系统的功率因数
7.3转速、电流双闭环串级调速系统
7.3.1双闭环控制串级调速系统的组成
7.3.2串级调速系统的动态数学模型
7.3.3串级调速系统调节器参数的设计
7.3.4串级调速系统的起动方式
7.4超同步串级调速系统
7.4.1超同步串级调速系统的工作原理
7.4.2超同步串级调速系统的再生制动
思考题与习题
第8章交流调速系统的MATLAB仿真
8.1调压调速系统的仿真
8.1.1交流调速系统仿真中常用模块简介
8.1.2单闭环交流电动机调压调速系统的建模与仿真
8.2变频调速系统的仿真
8.2.1SPWM内置波调速系统仿真
8.2.2SPWM外置波调速系统仿真
8.3电流滞环跟踪控制调速系统仿真
8.4电压空间矢量调速系统仿真
8.5转速开环恒压频比的交流调速系统仿真
8.6转速、磁链闭环控制的矢量控制系统仿真
8.7绕线转子异步电动机双馈调速系统的仿真
思考题与习题
第9章智能控制在直流调速系统中的应用
9.1常规PID控制原理
9.2人工神经网络介绍
9.2.1人工神经元模型
9.2.2人工神经网络的结构模型
9.3基于单神经元PID控制的双闭环直流调速系统
9.3.1单神经元PID控制原理
9.3.2双闭环直流调速系统的单神经元自适应PID控制模型建立及
参数设置
9.3.3仿真结果
9.4基于BP神经网络PID控制的双闭环直流调速系统
9.4.1基于BP神经网络参数自整定的PID控制原理
9.4.2双闭环直流调速系统的BP神经网络PID控制模型建立及
参数设置
9.4.3仿真结果
9.5模糊控制基本理论
9.6基于模糊自适应PID控制的双闭环直流调速系统
9.6.1模糊自适应PID控制原理
9.6.2双闭环直流调速系统的模糊自适应PID控制模型建立及
参数设置
9.6.3仿真结果
思考题与习题
参考文献
电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真 (第2版) / 全国普通高校电气工程及其自动化专业规划教材:图书简介 本书聚焦于电力拖动自动控制系统的理论基础、核心技术以及在现代工程实践中的应用,辅以强大的MATLAB仿真平台,为读者提供一个全面、深入的学习体验。本书是为全国普通高校电气工程及其自动化专业量身打造的规划教材,旨在系统性地传授学生该领域的前沿知识与实际操作能力。 第一部分:电力拖动自动控制系统的基本理论与模型 本部分旨在构建读者对电力拖动自动控制系统坚实的理论基础。我们将从最基础的电动机工作原理入手,详细阐述直流电动机和交流电动机(包括同步电动机和异步电动机)的电磁特性、机械特性以及它们在不同运行状态下的行为。深入分析电动机作为自动控制系统中执行单元的特点,包括其动态响应、负载特性以及各种运行模式(如起动、制动、调速等)下的能量转换和损耗机制。 在此基础上,本书将系统地介绍电力拖动自动控制系统的基本组成部分。我们将详细剖析传感器(用于检测转速、位置、电流、电压等参数)、控制器(如PID控制器、模糊控制器、自适应控制器等)以及执行器(即电动机及其驱动装置)在系统中的作用和工作原理。重点在于理解各组成部分之间的相互作用和信息传递过程,为后续的系统建模和分析打下基础。 为了能够对系统进行定量分析和设计,我们还将引入系统建模的方法。针对不同的电动机类型和控制策略,我们将运用数学模型来描述系统的动态行为。这包括建立电动机的数学方程、控制器传递函数以及整个系统的框图模型。我们将详细介绍如何根据实际物理过程推导出这些模型,并探讨不同模型的优缺点及适用范围。尤其会强调如何将实际的电磁、机械和电气特性转化为易于处理的数学表达式,为后续的仿真和分析提供依据。 第二部分:现代电力拖动自动控制系统的核心技术 本部分将深入探讨支撑现代电力拖动自动控制系统的高级技术和控制策略。 变频调速技术:我们将详细解析交流异步电动机变频调速的原理,包括电压-频率(V/f)控制、矢量控制(磁场定向控制)等先进技术。重点关注如何通过改变电压和频率来精确控制电动机的转速和转矩,以及不同控制策略在性能、动态响应和效率方面的差异。本书将深入探讨矢量控制中磁链观测、转矩估算等关键环节,并介绍其在各种工业应用中的优势,例如起重、输送、纺织等。 伺服控制系统:伺服系统是实现高精度位置、速度和力矩控制的关键。我们将详细介绍伺服电动机(如直流伺服、交流伺服)的结构、工作原理和特性。重点分析伺服控制系统的反馈机制,包括位置反馈、速度反馈和电流反馈的结合运用。还将深入探讨PID控制、模糊逻辑控制、模型预测控制等先进控制算法在伺服系统中的应用,以及如何根据具体应用场景(如机器人、数控机床、自动化生产线)选择和优化控制参数。 电力电子驱动与控制:电力电子技术是实现精确、高效电动机驱动的基础。本书将介绍各种电力电子变换器,如三相桥式逆变器、斩波器等,以及它们在电动机驱动中的作用。我们将分析这些变换器的调制技术(如SPWM、SVPWM)如何实现对输出电压和电流的精确控制,从而实现电动机的平稳运行和高效能耗。同时,还将探讨功率器件(如IGBT、MOSFET)的选型、保护以及其对系统性能的影响。 先进控制理论在电力拖动中的应用:除了传统的PID控制,本书还将引入更先进的控制理论,如自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制和模糊PID控制等。我们将阐述这些控制方法如何克服传统控制方法在面对模型不确定性、外部扰动和非线性特性时的局限性。例如,自适应控制如何根据系统参数变化自动调整控制器增益,鲁棒控制如何保证系统在一定参数变化和扰动下仍能保持稳定。 第三部分:MATLAB在电力拖动自动控制系统仿真中的应用 本部分是本书的特色和核心内容之一,旨在教会读者如何利用MATLAB强大的仿真和分析工具来解决实际工程问题。 MATLAB/Simulink基础:我们将从MATLAB和Simulink的基础知识讲起,介绍其基本操作界面、常用工具箱以及仿真建模的基本流程。对于初学者,我们将提供详尽的入门指导,帮助其快速上手。 建立电力拖动系统仿真模型:本书将指导读者如何利用Simulink搭建各种电力拖动自动控制系统的仿真模型。我们将详细介绍如何从“模型库”中选择合适的模块(如电机模型、控制器模块、电源模块、负载模块等),并将它们连接起来构建完整的系统模型。例如,我们将演示如何搭建一个基于PID控制的直流电动机调速系统模型,以及一个基于矢量控制的交流异步电动机变频调速系统模型。 仿真与参数优化:通过MATLAB/Simulink,读者可以方便地对不同参数下的系统进行仿真,并观察系统的动态响应,如起动特性、稳态误差、超调量、响应时间等。本书将重点讲解如何利用仿真结果来分析系统的性能,并指导读者如何通过调整控制器参数(如PID的P、I、D增益)来优化系统的性能指标,使其满足设计要求。 模型验证与实验数据对比:在实际工程中,仿真结果与实际实验结果的吻合程度是衡量仿真模型准确性的重要标准。本书将引导读者如何进行模型的验证,例如将仿真结果与实际测试数据进行对比分析,并探讨可能导致差异的原因及改进方法。 高级仿真应用:除了基本的仿真,本书还将介绍MATLAB在更高级仿真任务中的应用,例如: 蒙特卡洛仿真:用于评估系统在参数不确定性下的鲁棒性。 硬件在环(HIL)仿真:介绍如何利用MATLAB/Simulink与实际硬件进行联合仿真,实现对控制算法的实时验证。 数据可视化与分析:如何利用MATLAB的绘图功能直观地展示仿真结果,并进行数据统计和分析。 第四部分:典型应用与工程实践 本部分将把前述的理论知识和仿真技术应用于具体的工程实践中,展示电力拖动自动控制系统在各个领域的实际应用。 工业自动化生产线:我们将分析在自动化生产线中,如何利用电力拖动自动控制系统实现物料的精确输送、装配和检测。例如,在流水线上的传送带控制、机械臂的精确运动控制、自动化仓储系统的搬运设备控制等。 新能源汽车驱动系统:随着新能源汽车产业的快速发展,电力拖动在其中扮演着核心角色。本书将探讨新能源汽车的电机驱动系统,包括电动汽车的动力总成控制、能量回收系统以及充电管理系统中的自动控制技术。 机器人与智能制造:在机器人技术和智能制造领域,电力拖动自动控制系统是实现高精度运动控制和柔性生产的关键。我们将分析机器人关节的伺服控制、AGV(自动导引车)的导航与路径规划以及智能制造系统中设备的协同控制。 轨道交通与航空航天:在这些对可靠性和性能要求极高的领域,电力拖动自动控制系统也发挥着至关重要的作用。我们将简要介绍列车牵引系统的控制、飞机起落架驱动以及姿态控制等方面的应用。 第五部分:发展趋势与未来展望 最后,本书将对电力拖动自动控制系统领域的未来发展趋势进行探讨。我们将关注以下几个方面: 智能化与网络化控制:探讨人工智能、机器学习在电力拖动系统中的应用,例如故障诊断、预测性维护以及更加智能化的控制策略。同时,也将关注物联网(IoT)技术如何将电力拖动系统与更广阔的网络环境连接起来,实现远程监控和协同控制。 高效节能与绿色能源:随着全球对可持续发展的日益重视,如何进一步提高电力拖动系统的能效、降低能量损耗将是未来的重要研究方向。本书将讨论相关的节能技术和设计理念。 新型电机与驱动技术:展望未来可能出现的更先进的电机类型(如永磁同步电机的高效应用)以及电力电子驱动技术的发展,它们将为电力拖动系统带来新的突破。 仿真技术的进一步发展:探讨更高级的仿真技术,如实时仿真、数字孪生(Digital Twin)等,它们将为系统设计、优化和运行提供更强大的支持。 通过对以上五个部分的系统学习,读者将能够深入理解电力拖动自动控制系统的理论精髓,掌握其核心技术,并熟练运用MATLAB/Simulink这一强大的工具进行系统的建模、仿真、分析和优化,从而为未来在电气工程及其自动化领域的学习和工作打下坚实的基础。本书内容丰富,案例详实,理论与实践紧密结合,是相关专业学生和工程师不可多得的学习资源。