編輯推薦
本書主要介紹直流和交流調速係統的組成原理和應用,以及調速係統的建模與仿真技術。本書特色:
1.將交、直流調速運動控製技術、智能控製技術和MATLAB/Simulink仿真技術有機結閤在一起。
2.適當闡述理論,重點介紹係統的分析和工程應用,以提高讀者處理實際問題的能力。
3.敘述簡練,概念清楚,由淺入深,實例豐富,體現瞭應用型本科教學特色。
內容簡介
本書主要介紹直流和交流調速係統的組成原理和應用,以及調速係統的建模與仿真技術,在適當闡述理論的基礎上,重點介紹係統的分析和工程應用,以提高讀者處理實際問題的能力。書中遵循理論和實際相結閤的原則,以係統控製規律為主綫,在強調閉環控製的前提下,由淺入深地介紹瞭係統的動、靜態性能和設計方法及係統的工程實現。還介紹瞭MATLAB及其圖形仿真界麵Simulink的應用基礎知識、Simulink模型庫的電機模塊的功能和使用,並通過實例介紹瞭交直流調速係統的仿真方法和技巧。
本書適閤作為電氣工程及其自動化專業、自動化專業和其他以培養應用型人纔為目的的相近專業的教材和教學參考書,也可供有關工程技術人員參考。
作者簡介
顧春雷,現為鹽城工學院副教授,長期從事電氣工程專業的教學和科研工作,有著豐富的教學經驗。先後主編和參編瞭《電力拖動自動控製係統與MATLAB仿真》、《電機學》、《建築電氣控製技術》等教材多部。主持和參與瞭國傢和省部級科研項目多項,發錶論文多篇。鹽城工學院首屆“教學標兵”。
陳中,現為鹽城工學院教師,連續多年指導畢業設計和學科競賽並獲奬,擁有豐富的教學經驗,先後編寫齣版《電力拖動自動控製係統與MATLAB仿真》、《基於MATLAB的電力電子技術和交直流調速係統仿真》等多部圖書。
陳衝,1982年齣生,現為鹽城工學院講師。近年來主持省級項目1項,市級項目3項,發錶論文十多篇。
內頁插圖
目錄
第1章單環控製直流調速係統
1.1開環直流調速係統及調速指標
1.1.1直流電動機的調速方法和方案
1.1.2晶閘管�倉綳韉綞�機開環調速係統
1.1.3V�睲係統的機械特性
1.1.4生産機械對轉速控製的要求及調速指標
1.1.5開環調速係統存在的問題
1.2轉速負反饋單閉環有靜差直流調速係統
1.2.1調速係統的組成及其工作原理
1.2.2閉環調速係統的靜特性
1.2.3開環係統機械特性與閉環係統靜特性的比較
1.2.4閉環控製係統的基本特徵
1.2.5限流保護——電流截止負反饋
1.3反饋控製閉環直流調速係統的動態分析
1.3.1反饋控製閉環直流調速係統的動態數學模型
1.3.2單閉環有靜差調速係統的動態結構圖
1.3.3單閉環有靜差調速係統的穩定性分析
1.4比例積分控製規律和無靜差調速係統
1.4.1積分調節器和比例積分調節器及其控製規律
1.4.2采用PI調節器的無靜差直流調速係統
1.5電壓反饋電流補償控製的直流調速係統
1.5.1電壓負反饋直流調速係統
1.5.2電流正反饋和補償控製規律
思考題與習題
第2章多環控製直流調速係統
2.1轉速、電流雙閉環直流調速係統的組成及其靜特性
2.1.1問題的提齣
2.1.2轉速、電流雙閉環直流調速係統的組成
2.1.3雙閉環直流調速係統的穩態結構圖和靜特性
2.2雙閉環直流調速係統的數學模型和動態性能分析
2.2.1雙閉環直流調速係統的動態結構圖
2.2.2起動過程分析
2.2.3雙閉環直流調速係統的動態抗擾性能
2.2.4轉速和電流兩個調節器的作用
2.3雙閉環直流調速係統調節器的工程設計
2.3.1調節器工程設計方法的必要性、可能性與基本思路
2.3.2控製係統的動態性能指標
2.3.3典型Ⅰ型係統以及係統性能指標和參數的關係
2.3.4典型Ⅱ型係統以及係統性能指標和參數的關係
2.3.5非典型係統的典型化
2.4按工程設計方法設計雙閉環調速係統的調節器
2.4.1電流調節器的設計
2.4.2轉速調節器的設計
2.4.3轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算
*2.5轉速超調的抑製——轉速微分負反饋
2.5.1帶轉速微分負反饋雙閉環調速係統的基本原理
2.5.2退飽和時間和退飽和轉速
2.5.3轉速微分負反饋參數的工程設計方法
思考題與習題
第3章直流電動機可逆調速及直流斬波調速係統
3.1晶閘管�駁綞�機(V�睲)可逆調速係統主電路結構形式
3.2可逆調速係統中環流分析
3.2.1環流的定義
3.2.2直流平均環流産生的原因及消除辦法
3.2.3瞬時脈動環流及其抑製
3.3有環流可逆調速係統
3.3.1α=β配閤控製的有環流可逆調速係統
3.3.2可控環流可逆調速係統
3.4無環流控製的可逆晶閘管�駁綞�機係統
3.5直流脈寬調速係統
3.5.1PWM變換器的工作狀態和電壓、電流波形
3.5.2直流脈寬調速係統的機械特性
3.5.3雙閉環的PWM可逆直流調速係統
3.5.4交流電源供電時的製動
思考題與習題
第4章MATLAB簡介與直流調速係統仿真
4.1MATLAB簡介
4.2Simulink/SimPower Systems模型窗口
4.2.1Simulink的工作環境
4.2.2模型窗口工具欄
4.3有關模塊的基本操作及仿真步驟
4.4測量模塊及顯示和記錄模塊的使用
4.5建立子係統和係統模型的封裝
4.6Simulink模型庫中的模塊
4.7SimPower Systems模型庫瀏覽
4.8仿真算法介紹
4.9單閉環直流調速係統的仿真
4.9.1開環直流調速係統的仿真
4.9.2單閉環有靜差轉速負反饋調速係統的建模與仿真
4.9.3單閉環無靜差轉速負反饋調速係統的建模與仿真
4.9.4單閉環電流截止轉速負反饋調速係統的建模與仿真
4.9.5單閉環電壓負反饋調速係統的建模與仿真
4.9.6單閉環電壓負反饋和帶電流正反饋調速係統的建模與仿真
4.9.7單閉環轉速負反饋調速係統定量仿真
4.10雙閉環及PWM直流調速係統仿真
4.10.1雙閉環直流調速係統定量仿真
4.10.2轉速超調的抑製——轉速微分負反饋仿真
4.10.3α=β配閤控製調速係統仿真
4.10.4邏輯無環流可逆直流調速係統仿真
4.10.5PWM直流調速係統仿真
思考題與習題
第5章交流調壓調速係統
5.1異步電動機改變電壓時的機械特性
5.2異步電動機變壓調速電路
5.3閉環控製的調壓調速係統及其特性
5.3.1具有速度反饋的調壓調速係統及其靜特性
5.3.2閉環變壓調速係統的動態結構圖
思考題與習題
第6章交流異步電動機變頻調速係統
6.1變頻調速的基本控製方式
6.2異步電動機電壓�財德市�調控製時的機械特性
6.2.1恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性
6.2.2基頻以下電壓�財德市�調控製時的機械特性
6.2.3基頻以上恒壓變頻的機械特性
6.3電力電子變頻器的主要類型
6.4電壓源型和電流源型逆變器
6.5變壓變頻調速係統中的脈寬調製技術
6.5.1PWM變頻調速係統中的功率接口
6.5.2正弦波脈寬調製技術
6.5.3電流滯環跟蹤控製技術
6.5.4電壓空間PWM矢量控製技術
6.6基於異步電動機穩態模型的變壓變頻調速係統
6.7異步電動機的動態數學模型和坐標變換
6.7.1異步電動機動態數學模型
6.7.2坐標變換和變換矩陣
6.8三相異步電動機在不同坐標係上的數學模型
6.9基於動態模型按轉子磁鏈定嚮的矢量控製係統
6.9.1矢量控製係統的基本思路
6.9.2按轉子磁鏈定嚮的矢量控製方程及其解耦作用
6.9.3轉子磁鏈模型
6.10磁鏈開環轉差型矢量控製係統——間接矢量控製
6.11轉速、磁鏈閉環控製的矢量控製係統——直接矢量控製係統
思考題與習題
第7章繞綫轉子異步電動機調速係統
7.1繞綫轉子異步電動機串級調速原理
7.1.1異步電動機轉子附加電動勢時的工作情況
7.1.2串級調速的各種運行狀態及功率傳遞關係
7.1.3串級調速係統的基本類型
7.2串級調速係統的性能
7.2.1串級調速係統的機械特性
7.2.2串級調速裝置的電壓和容量
7.2.3串級調速係統的效率
7.2.4串級調速係統的功率因數
7.3轉速、電流雙閉環串級調速係統
7.3.1雙閉環控製串級調速係統的組成
7.3.2串級調速係統的動態數學模型
7.3.3串級調速係統調節器參數的設計
7.3.4串級調速係統的起動方式
7.4超同步串級調速係統
7.4.1超同步串級調速係統的工作原理
7.4.2超同步串級調速係統的再生製動
思考題與習題
第8章交流調速係統的MATLAB仿真
8.1調壓調速係統的仿真
8.1.1交流調速係統仿真中常用模塊簡介
8.1.2單閉環交流電動機調壓調速係統的建模與仿真
8.2變頻調速係統的仿真
8.2.1SPWM內置波調速係統仿真
8.2.2SPWM外置波調速係統仿真
8.3電流滯環跟蹤控製調速係統仿真
8.4電壓空間矢量調速係統仿真
8.5轉速開環恒壓頻比的交流調速係統仿真
8.6轉速、磁鏈閉環控製的矢量控製係統仿真
8.7繞綫轉子異步電動機雙饋調速係統的仿真
思考題與習題
第9章智能控製在直流調速係統中的應用
9.1常規PID控製原理
9.2人工神經網絡介紹
9.2.1人工神經元模型
9.2.2人工神經網絡的結構模型
9.3基於單神經元PID控製的雙閉環直流調速係統
9.3.1單神經元PID控製原理
9.3.2雙閉環直流調速係統的單神經元自適應PID控製模型建立及
參數設置
9.3.3仿真結果
9.4基於BP神經網絡PID控製的雙閉環直流調速係統
9.4.1基於BP神經網絡參數自整定的PID控製原理
9.4.2雙閉環直流調速係統的BP神經網絡PID控製模型建立及
參數設置
9.4.3仿真結果
9.5模糊控製基本理論
9.6基於模糊自適應PID控製的雙閉環直流調速係統
9.6.1模糊自適應PID控製原理
9.6.2雙閉環直流調速係統的模糊自適應PID控製模型建立及
參數設置
9.6.3仿真結果
思考題與習題
參考文獻
電力拖動自動控製係統與MATLAB仿真 (第2版) / 全國普通高校電氣工程及其自動化專業規劃教材:圖書簡介 本書聚焦於電力拖動自動控製係統的理論基礎、核心技術以及在現代工程實踐中的應用,輔以強大的MATLAB仿真平颱,為讀者提供一個全麵、深入的學習體驗。本書是為全國普通高校電氣工程及其自動化專業量身打造的規劃教材,旨在係統性地傳授學生該領域的前沿知識與實際操作能力。 第一部分:電力拖動自動控製係統的基本理論與模型 本部分旨在構建讀者對電力拖動自動控製係統堅實的理論基礎。我們將從最基礎的電動機工作原理入手,詳細闡述直流電動機和交流電動機(包括同步電動機和異步電動機)的電磁特性、機械特性以及它們在不同運行狀態下的行為。深入分析電動機作為自動控製係統中執行單元的特點,包括其動態響應、負載特性以及各種運行模式(如起動、製動、調速等)下的能量轉換和損耗機製。 在此基礎上,本書將係統地介紹電力拖動自動控製係統的基本組成部分。我們將詳細剖析傳感器(用於檢測轉速、位置、電流、電壓等參數)、控製器(如PID控製器、模糊控製器、自適應控製器等)以及執行器(即電動機及其驅動裝置)在係統中的作用和工作原理。重點在於理解各組成部分之間的相互作用和信息傳遞過程,為後續的係統建模和分析打下基礎。 為瞭能夠對係統進行定量分析和設計,我們還將引入係統建模的方法。針對不同的電動機類型和控製策略,我們將運用數學模型來描述係統的動態行為。這包括建立電動機的數學方程、控製器傳遞函數以及整個係統的框圖模型。我們將詳細介紹如何根據實際物理過程推導齣這些模型,並探討不同模型的優缺點及適用範圍。尤其會強調如何將實際的電磁、機械和電氣特性轉化為易於處理的數學錶達式,為後續的仿真和分析提供依據。 第二部分:現代電力拖動自動控製係統的核心技術 本部分將深入探討支撐現代電力拖動自動控製係統的高級技術和控製策略。 變頻調速技術:我們將詳細解析交流異步電動機變頻調速的原理,包括電壓-頻率(V/f)控製、矢量控製(磁場定嚮控製)等先進技術。重點關注如何通過改變電壓和頻率來精確控製電動機的轉速和轉矩,以及不同控製策略在性能、動態響應和效率方麵的差異。本書將深入探討矢量控製中磁鏈觀測、轉矩估算等關鍵環節,並介紹其在各種工業應用中的優勢,例如起重、輸送、紡織等。 伺服控製係統:伺服係統是實現高精度位置、速度和力矩控製的關鍵。我們將詳細介紹伺服電動機(如直流伺服、交流伺服)的結構、工作原理和特性。重點分析伺服控製係統的反饋機製,包括位置反饋、速度反饋和電流反饋的結閤運用。還將深入探討PID控製、模糊邏輯控製、模型預測控製等先進控製算法在伺服係統中的應用,以及如何根據具體應用場景(如機器人、數控機床、自動化生産綫)選擇和優化控製參數。 電力電子驅動與控製:電力電子技術是實現精確、高效電動機驅動的基礎。本書將介紹各種電力電子變換器,如三相橋式逆變器、斬波器等,以及它們在電動機驅動中的作用。我們將分析這些變換器的調製技術(如SPWM、SVPWM)如何實現對輸齣電壓和電流的精確控製,從而實現電動機的平穩運行和高效能耗。同時,還將探討功率器件(如IGBT、MOSFET)的選型、保護以及其對係統性能的影響。 先進控製理論在電力拖動中的應用:除瞭傳統的PID控製,本書還將引入更先進的控製理論,如自適應控製、魯棒控製、神經網絡控製和模糊PID控製等。我們將闡述這些控製方法如何剋服傳統控製方法在麵對模型不確定性、外部擾動和非綫性特性時的局限性。例如,自適應控製如何根據係統參數變化自動調整控製器增益,魯棒控製如何保證係統在一定參數變化和擾動下仍能保持穩定。 第三部分:MATLAB在電力拖動自動控製係統仿真中的應用 本部分是本書的特色和核心內容之一,旨在教會讀者如何利用MATLAB強大的仿真和分析工具來解決實際工程問題。 MATLAB/Simulink基礎:我們將從MATLAB和Simulink的基礎知識講起,介紹其基本操作界麵、常用工具箱以及仿真建模的基本流程。對於初學者,我們將提供詳盡的入門指導,幫助其快速上手。 建立電力拖動係統仿真模型:本書將指導讀者如何利用Simulink搭建各種電力拖動自動控製係統的仿真模型。我們將詳細介紹如何從“模型庫”中選擇閤適的模塊(如電機模型、控製器模塊、電源模塊、負載模塊等),並將它們連接起來構建完整的係統模型。例如,我們將演示如何搭建一個基於PID控製的直流電動機調速係統模型,以及一個基於矢量控製的交流異步電動機變頻調速係統模型。 仿真與參數優化:通過MATLAB/Simulink,讀者可以方便地對不同參數下的係統進行仿真,並觀察係統的動態響應,如起動特性、穩態誤差、超調量、響應時間等。本書將重點講解如何利用仿真結果來分析係統的性能,並指導讀者如何通過調整控製器參數(如PID的P、I、D增益)來優化係統的性能指標,使其滿足設計要求。 模型驗證與實驗數據對比:在實際工程中,仿真結果與實際實驗結果的吻閤程度是衡量仿真模型準確性的重要標準。本書將引導讀者如何進行模型的驗證,例如將仿真結果與實際測試數據進行對比分析,並探討可能導緻差異的原因及改進方法。 高級仿真應用:除瞭基本的仿真,本書還將介紹MATLAB在更高級仿真任務中的應用,例如: 濛特卡洛仿真:用於評估係統在參數不確定性下的魯棒性。 硬件在環(HIL)仿真:介紹如何利用MATLAB/Simulink與實際硬件進行聯閤仿真,實現對控製算法的實時驗證。 數據可視化與分析:如何利用MATLAB的繪圖功能直觀地展示仿真結果,並進行數據統計和分析。 第四部分:典型應用與工程實踐 本部分將把前述的理論知識和仿真技術應用於具體的工程實踐中,展示電力拖動自動控製係統在各個領域的實際應用。 工業自動化生産綫:我們將分析在自動化生産綫中,如何利用電力拖動自動控製係統實現物料的精確輸送、裝配和檢測。例如,在流水綫上的傳送帶控製、機械臂的精確運動控製、自動化倉儲係統的搬運設備控製等。 新能源汽車驅動係統:隨著新能源汽車産業的快速發展,電力拖動在其中扮演著核心角色。本書將探討新能源汽車的電機驅動係統,包括電動汽車的動力總成控製、能量迴收係統以及充電管理係統中的自動控製技術。 機器人與智能製造:在機器人技術和智能製造領域,電力拖動自動控製係統是實現高精度運動控製和柔性生産的關鍵。我們將分析機器人關節的伺服控製、AGV(自動導引車)的導航與路徑規劃以及智能製造係統中設備的協同控製。 軌道交通與航空航天:在這些對可靠性和性能要求極高的領域,電力拖動自動控製係統也發揮著至關重要的作用。我們將簡要介紹列車牽引係統的控製、飛機起落架驅動以及姿態控製等方麵的應用。 第五部分:發展趨勢與未來展望 最後,本書將對電力拖動自動控製係統領域的未來發展趨勢進行探討。我們將關注以下幾個方麵: 智能化與網絡化控製:探討人工智能、機器學習在電力拖動係統中的應用,例如故障診斷、預測性維護以及更加智能化的控製策略。同時,也將關注物聯網(IoT)技術如何將電力拖動係統與更廣闊的網絡環境連接起來,實現遠程監控和協同控製。 高效節能與綠色能源:隨著全球對可持續發展的日益重視,如何進一步提高電力拖動係統的能效、降低能量損耗將是未來的重要研究方嚮。本書將討論相關的節能技術和設計理念。 新型電機與驅動技術:展望未來可能齣現的更先進的電機類型(如永磁同步電機的高效應用)以及電力電子驅動技術的發展,它們將為電力拖動係統帶來新的突破。 仿真技術的進一步發展:探討更高級的仿真技術,如實時仿真、數字孿生(Digital Twin)等,它們將為係統設計、優化和運行提供更強大的支持。 通過對以上五個部分的係統學習,讀者將能夠深入理解電力拖動自動控製係統的理論精髓,掌握其核心技術,並熟練運用MATLAB/Simulink這一強大的工具進行係統的建模、仿真、分析和優化,從而為未來在電氣工程及其自動化領域的學習和工作打下堅實的基礎。本書內容豐富,案例詳實,理論與實踐緊密結閤,是相關專業學生和工程師不可多得的學習資源。