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现代电气传动控制系统 Modern Electrical Drive Control System,主讲教师：荣智海 东华大学自动化系，办公室 学院2号楼216 email: ,电(electricity ),电，电是能的一种形式。 电是一种自然现象。摩擦生电。 18世纪时，富兰克林首次提出了电流的概念，他在通过风筝实验，证明了空中的闪电与地面上的电是同一回事。 库仑等建立了静电的概念。 法拉第利用磁场效应的变化，展示感应电流的产生。他提出物理电力线的概念，从电荷转移到电场的概念。 马克斯威尔将电学与磁学统合成一种理论。,什么是电气传动？,蒸汽机电动机 电动机是电力系统中主要的执行机构。 通过对电动机的电压、电流、频率等输入电量的控制，改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种机械按照人们期望的要求运行。 控制目标：调速。 本科相关课程： 运动控制系统 电力拖动控制系统,1.1现代运动控制技术,现代电气传动是电机学、电力电子技术、微电子和计算机技术、控制理论、信号处理等多学科交叉的综合性学科。 现代电气传动的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换的高频化和集成化，控制的数字化、智能化和网络化。,电机学,研究执行机构电动机的结构、原理和性能。19世纪诞生。 相关课程：电机及拖动，顾绳谷主编 直流电机 交流电机,直流电机,直流电机基本方程 电磁转矩：T=KTI, 其中KT转矩常数，磁通，I 电枢电流 感应电动势：E=Ken, Ke 电动势常数 电枢电路电动势平衡方程式：U=E+IR 转速特性：n=(U-IR)/Ke 机械特性： n=U/Ce-RT/CeCT 2 换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。,直流电机,直流电机的优点：容易控制(调压、变阻、弱磁升速)，优良的起制动特性，大范围的平滑调速，在20世纪上半几乎所有高性能调速拖动系统都采用直流电动机，而占电力拖动系统总容量的80%不变速拖动系统采用交流电动机(比如水泵、风机、洗衣机等)。 缺点：电刷和换向器需要维修(航天器)，电火花(产油漆车间)，换向能力限制了其容量和速度。 无刷直流电动机。,爱迪生与特斯拉,爱迪生发明的灯泡通的是直流电， 进而建立了直流电系统。但其很难传输。 特斯拉是前南斯拉夫籍的发明家，开始替爱迪生改进直流电机系统。 1888年，特斯拉在西屋公司支持下研制了交流电发电机及交流电系统。但受到爱迪生的抨击。,交流电机,结构简单、成本低、维护方便。 机械特性： 交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直流电动机复杂得多。 60年代电力电子技术的发展，微电子技术的快速发展(硬件简化)， 70年代矢量控制的发明(定子电流的转矩和励磁分量的分解，控制电机的转矩和磁通),运动控制系统的控制对象 电动机,从类型上分 直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。 从用途上分 用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的伺服电动机。,电力电子技术,电力电子技术就是利用电力电子(半导体)器件对电能的变换和控制。弱点控制强电的媒介。电力有交流和直流两种。 功率放大和变换装置 相关课程：电力电子技术，王兆安、黄俊主编,电力电子技术 （续）,整流(AC-DC) 逆变(DC-AC，有源/无源) 直流斩波(DC-DC) AC-AC(变相/变频，交流调压，直接变频)。,电力电子技术 （续）,50-60年代，不可控器件，水银整流器二极管； 70-80年代，半控器件，晶闸管SCR 门极使其开通但无法关断，相控整流器，有源逆变器，直流PWM调压DC-DC（带换流回路）， 缺点：可逆运行困难，过电压敏感，电力公害； 90年代之后，全控器件(GTO，GTR，MOSFET，IGBT) 门极控制开通和关断，无源逆变，直流调压(无需换流回路)，高频开关，PWM控制技术,电力电子技术 （续）,器件方面：晶闸管功率开关器件 变换技术：相位控制PWM整流(AC-DC) 半控全控，低频高频，分立集成化、模块化 与本课程相关：可控电源：直流电源，交流调频,微电子和计算机技术,集成电路提供了硬件支持(高速大容量内存，高速多功能微处理器)，为系统辨识、参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断和容错控制、系统仿真提供软硬件条件。 相关课程：数字电路、微机原理,控制理论,模拟：运放等分立器件，物理概念清楚，信号理想直观，快速性；系统结构复杂，性能及扩展性差，外界干扰敏感。有利于建立概念！ 数字：成本低，软件是限，灵活！外界干扰少，除调速外，易于扩展功能(智能处理、信息存储通信、故障诊断)；有时滞。 经典控制，现代控制(矢量控制)，智能控制，网络控制。 相关课程：自控原理、数字控制/计算机控制,信息爆炸时代的控制 - 关于控制、动力学和系统未来方向的专家报告,控制是工程系统中使用的算法和反馈，使系统可以自动地适应环境的变化以保持期望的特性。 控制理论：分析和综合控制系统的数学体系。 建模、动态、互联和不确定性 控制技术：传感、执行和计算 与不同领域的交叉是控制领域的传统和特点,控制论,由维纳(Wiener,N.)在控制论:或关于在动物和机器中控制和通讯的科学(1948)中提出。 维纳把控制论看作是一门研究机器、生命社会中控制和通讯的一般规律的科学，更具体他说，是研究动态系统在变的环境条件下如何保持平衡状态或稳定状态的科学。 维纳创造“Cybernetics” 来命名这门科学，它来源希腊文“mberuhhtz”，原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术。柏拉图常用它来表示管理人的艺术。 控制论是多种学科相互渗透的产物，其思想和方法已经渗透到了几乎有的自然科学和社会科学领域。,控制理论与工程的发展历程,194x-195x经典控制理论形成 维纳.控制论 钱学森.工程控制论 IFAC SISO,178x-193x控制理论与技术出现 瓦特.离心调速器 劳斯.代数稳定判据 李亚普诺夫.稳定性 布莱克.负反馈 尼可尔斯.PID,196x-197x现代控制理论形成 庞特利亚金.极大值原理 贝尔曼.动态规划 卡尔曼.状态空间法/能控能观 MIMO,198x-199x智能控制理论形成 大系统理论 鲁棒控制 智能控制 (模糊、神经网络和遗传算法),新世纪： 网络的出现和系统的复杂性 ,现在有哪些系统？,电力系统 机器人系统 飞行器系统 Internet 虚拟社区(blog) 发展趋势：智能化、网络化、复杂性,复杂系统,系统(system)是由相互联系、相互作用的要素（部分）组成的具有一定结构和功能的有机整体。 系统的复杂性 复杂系统是相对牛顿时代以来的简单系统，两者具有根本性的不同。 个体的复杂性 还原论与系统论 个体的非线性本质 量变与质变 相变点处的涌现(emergence) 复杂网络：从系统角度研究网络结构与功能间的相互作用关系 谁在研究？,我现在的主要研究,主持：国家自然科学基金 异质个体的网络演化博弈动力学与调控策略研究2011-2013 参与混合网络下社会集群行为感知与规律研究 人类动力学行为建模与分析,23,Human dynamics,Sent: 14,500 Received: 16,200,Sent: 7,591 Received: 6,530,Human dynamics-Wiki,Full Download ,Internet encyclopaedias go head to head. Jimmy Wales. Nature. 2005(维基百科创始人精确度定性分析) Wikipedias: Collaborative web-based encyclopedias as complex networks. V. Zlatic. PRE. 2006 (文章-文章链接复杂网络分析),开环系统 Open-loop system,下图中给出了开环控制系统框图。它的控制器直接根据给定信号去控制被控对象工作。被控制量在整个控制过程中对控制量不产生影响。 例子：射击，步进电机驱动的硬盘磁头系统,闭环系统 Closed-loop system,下图给出了按偏差进行控制的闭环控制系统框图。 闭环控制系统比开环系统性能提高，然而由于反馈回路的存在，使系统也相应的提高。 例子：鹰击长空、导弹,计算机控制系统基本框图如下图所示。在计算机控制系统中，只要运用各种指令，就能编出符合某种控制规律的程序。微处理器执行这样的程序，就能实现对被控参数的控制。,图 计算机控制系统基本框图,闭环计算机控制系统,信号检测与处理,位于反馈通道 通过传感器检测系统运行状态，进行反馈控制、故障分析和保护。信号转换和数据处理。,运动控制系统及其组成,运动控制系统及其组成,有什么用？,调速系统、随动伺服系统 交通(电力机车) 楼宇(电梯) 工业(机器人) 军事和航天(雷达、自行火炮、导弹跟踪、卫星姿态控制与定位) 消费产品(空调、冰箱、洗衣机、