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現(xiàn)代電氣傳動控制系統(tǒng)ModernElectricalDriveControlSystem,主講教師：榮智海東華大學自動化系，辦公室學院2號樓216email:rongzhh@,電(electricity),電，電是能的一種形式。電是一種自然現(xiàn)象。摩擦生電。18世紀時，富蘭克林首次提出了電流的概念，他在通過風箏實驗，證明了空中的閃電與地面上的電是同一回事。庫侖等建立了靜電的概念。法拉第利用磁場效應(yīng)的變化，展示感應(yīng)電流的產(chǎn)生。他提出物理電力線的概念，從電荷轉(zhuǎn)移到電場的概念。馬克斯威爾將電學與磁學統(tǒng)合成一種理論。,,什么是電氣傳動？,蒸汽機?電動機電動機是電力系統(tǒng)中主要的執(zhí)行機構(gòu)。通過對電動機的電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機械量，使各種機械按照人們期望的要求運行。控制目標：調(diào)速。本科相關(guān)課程：運動控制系統(tǒng)電力拖動控制系統(tǒng),1.1現(xiàn)代運動控制技術(shù),現(xiàn)代電氣傳動是電機學、電力電子技術(shù)、微電子和計算機技術(shù)、控制理論、信號處理等多學科交叉的綜合性學科?，F(xiàn)代電氣傳動的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動的交流化，功率變換的高頻化和集成化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。,電機學,研究執(zhí)行機構(gòu)——電動機的結(jié)構(gòu)、原理和性能。19世紀誕生。相關(guān)課程：電機及拖動，顧繩谷主編直流電機交流電機,直流電機,直流電機基本方程電磁轉(zhuǎn)矩：T=KTΦI,其中KT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ—磁通，I—電樞電流感應(yīng)電動勢：E=KeΦn,Ke—電動勢常數(shù)電樞電路電動勢平衡方程式：U=E+IR轉(zhuǎn)速特性：n=(U-IR)/KeΦ機械特性：n=U/CeΦ-RT/CeCTΦ2換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。,直流電機,直流電機的優(yōu)點：容易控制(調(diào)壓、變阻、弱磁升速)，優(yōu)良的起制動特性，大范圍的平滑調(diào)速，在20世紀上半幾乎所有高性能調(diào)速拖動系統(tǒng)都采用直流電動機，而占電力拖動系統(tǒng)總?cè)萘康?0%不變速拖動系統(tǒng)采用交流電動機(比如水泵、風機、洗衣機等)。缺點：電刷和換向器需要維修(航天器)，電火花(產(chǎn)油漆車間)，換向能力限制了其容量和速度。無刷直流電動機。,愛迪生與特斯拉,愛迪生發(fā)明的燈泡通的是直流電，進而建立了直流電系統(tǒng)。但其很難傳輸。特斯拉是前南斯拉夫籍的發(fā)明家，開始替愛迪生改進直流電機系統(tǒng)。1888年，特斯拉在西屋公司支持下研制了交流電發(fā)電機及交流電系統(tǒng)。但受到愛迪生的抨擊。,交流電機,結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護方便。機械特性：交流電動機動態(tài)數(shù)學模型具有非線性多變量強耦合的性質(zhì)，比直流電動機復(fù)雜得多。60年代電力電子技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)的快速發(fā)展(硬件簡化)，70年代矢量控制的發(fā)明(定子電流的轉(zhuǎn)矩和勵磁分量的分解，控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁通),運動控制系統(tǒng)的控制對象——電動機,從類型上分直流電動機、交流感應(yīng)電動機（交流異步電動機）和交流同步電動機。從用途上分用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機。,電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)就是利用電力電子(半導(dǎo)體)器件對電能的變換和控制。弱點控制強電的媒介。電力有交流和直流兩種。功率放大和變換裝置相關(guān)課程：電力電子技術(shù)，王兆安、黃俊主編,電力電子技術(shù)（續(xù)）,整流(AC-DC)逆變(DC-AC，有源/無源)直流斬波(DC-DC)AC-AC(變相/變頻，交流調(diào)壓，直接變頻)。,電力電子技術(shù)（續(xù)）,50-60年代，不可控器件，水銀整流器—二極管；70-80年代，半控器件，晶閘管SCR門極使其開通但無法關(guān)斷，相控整流器，有源逆變器，直流PWM調(diào)壓DC-DC（帶換流回路），缺點：可逆運行困難，過電壓敏感，電力公害；90年代之后，全控器件(GTO，GTR，MOSFET，IGBT…)門極控制開通和關(guān)斷，無源逆變，直流調(diào)壓(無需換流回路)，高頻開關(guān)，PWM控制技術(shù),電力電子技術(shù)（續(xù)）,器件方面：晶閘管?功率開關(guān)器件變換技術(shù)：相位控制?PWM整流(AC-DC)半控?全控，低頻?高頻，分立?集成化、模塊化與本課程相關(guān)：可控電源：直流電源，交流調(diào)頻,微電子和計算機技術(shù),集成電路提供了硬件支持(高速大容量內(nèi)存，高速多功能微處理器)，為系統(tǒng)辨識、參數(shù)自整定和自學習、智能控制、故障診斷和容錯控制、系統(tǒng)仿真提供軟硬件條件。相關(guān)課程：數(shù)字電路、微機原理,控制理論,模擬：運放等分立器件，物理概念清楚，信號理想直觀，快速性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能及擴展性差，外界干擾敏感。有利于建立概念！數(shù)字：成本低，軟件是限，靈活！外界干擾少，除調(diào)速外，易于擴展功能(智能處理、信息存儲通信、故障診斷…)；有時滯。經(jīng)典控制，現(xiàn)代控制(矢量控制)，智能控制，網(wǎng)絡(luò)控制。相關(guān)課程：自控原理、數(shù)字控制/計算機控制,信息爆炸時代的控制--關(guān)于控制、動力學和系統(tǒng)未來方向的專家報告,控制是工程系統(tǒng)中使用的算法和反饋，使系統(tǒng)可以自動地適應(yīng)環(huán)境的變化以保持期望的特性。控制理論：分析和綜合控制系統(tǒng)的數(shù)學體系。建模、動態(tài)、互聯(lián)和不確定性控制技術(shù)：傳感、執(zhí)行和計算與不同領(lǐng)域的交叉是控制領(lǐng)域的傳統(tǒng)和特點…,控制論,由維納(Wiener,N.)在《控制論:或關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學》(1948)中提出。維納把控制論看作是一門研究機器、生命社會中控制和通訊的一般規(guī)律的科學，更具體他說，是研究動態(tài)系統(tǒng)在變的環(huán)境條件下如何保持平衡狀態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)的科學。維納創(chuàng)造“Cybernetics”來命名這門科學，它來源希臘文“mberuhhtz”，原意為“操舵術(shù)”，就是掌舵的方法和技術(shù)。柏拉圖常用它來表示管理人的藝術(shù)?？刂普撌嵌喾N學科相互滲透的產(chǎn)物，其思想和方法已經(jīng)滲透到了幾乎有的自然科學和社會科學領(lǐng)域。,控制理論與工程的發(fā)展歷程,194x-195x經(jīng)典控制理論形成維納.控制論錢學森.工程控制論IFACSISO,,178x-193x控制理論與技術(shù)出現(xiàn)瓦特.離心調(diào)速器勞斯.代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)李亞普諾夫.穩(wěn)定性布萊克.負反饋尼可爾斯.PID,196x-197x現(xiàn)代控制理論形成龐特利亞金.極大值原理貝爾曼.動態(tài)規(guī)劃卡爾曼.狀態(tài)空間法/能控能觀MIMO,198x-199x智能控制理論形成大系統(tǒng)理論魯棒控制智能控制(模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法),新世紀：網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和系統(tǒng)的復(fù)雜性……,現(xiàn)在有哪些系統(tǒng)？,電力系統(tǒng)機器人系統(tǒng)飛行器系統(tǒng)Internet虛擬社區(qū)(blog)…發(fā)展趨勢：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、復(fù)雜性…,復(fù)雜系統(tǒng),系統(tǒng)(system)是由相互聯(lián)系、相互作用的要素（部分）組成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的有機整體。系統(tǒng)的復(fù)雜性復(fù)雜系統(tǒng)是相對牛頓時代以來的簡單系統(tǒng)，兩者具有根本性的不同。個體的復(fù)雜性還原論與系統(tǒng)論個體的非線性本質(zhì)量變與質(zhì)變相變點處的涌現(xiàn)(emergence)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)：從系統(tǒng)角度研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能間的相互作用關(guān)系誰在研究？,我現(xiàn)在的主要研究,主持：國家自然科學基金《異質(zhì)個體的網(wǎng)絡(luò)演化博弈動力學與調(diào)控策略研究》2011-2013參與《混合網(wǎng)絡(luò)下社會集群行為感知與規(guī)律研究》人類動力學行為建模與分析,23,Humandynamics,,Sent:14,500Received:16,200,Sent:7,591Received:6,530,Humandynamics--Wiki,FullDownloadhttp://download.wikipedia.org,Internetencyclopaediasgoheadtohead.JimmyWales.Nature.2005(維基百科創(chuàng)始人精確度定性分析)Wikipedias:Collaborativeweb-basedencyclopediasascomplexnetworks.V.Zlatic.PRE.2006(文章-文章鏈接復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析),開環(huán)系統(tǒng)Open-loopsystem,下圖中給出了開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。它的控制器直接根據(jù)給定信號去控制被控對象工作。被控制量在整個控制過程中對控制量不產(chǎn)生影響。例子：射擊，步進電機驅(qū)動的硬盤磁頭系統(tǒng),閉環(huán)系統(tǒng)Closed-loopsystem,下圖給出了按偏差進行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。閉環(huán)控制系統(tǒng)比開環(huán)系統(tǒng)性能提高，然而由于反饋回路的存在，使系統(tǒng)也相應(yīng)的提高。例子：鷹擊長空、導(dǎo)彈,計算機控制系統(tǒng)基本框圖如下圖所示。在計算機控制系統(tǒng)中，只要運用各種指令，就能編出符合某種控制規(guī)律的程序。微處理器執(zhí)行這樣的程序，就能實現(xiàn)對被控參數(shù)的控制。,圖計算機控制系統(tǒng)基本框圖,閉環(huán)計算機控制系統(tǒng),信號檢測與處理,位于反饋通道通過傳感器檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，進行反饋控制、故障分析和保護。信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。,運動控制系統(tǒng)及其組成,運動控制系統(tǒng)及其組成,,有什么用？,調(diào)速系統(tǒng)、隨動伺服系統(tǒng)交通(電力機車)樓宇(電梯)工業(yè)(機器人)軍事和航天(雷達、自行火炮、導(dǎo)彈跟蹤、衛(wèi)星姿態(tài)控制與定位)消費產(chǎn)品(空調(diào)、冰箱、洗衣機、電腦),本門課要講什么？,本課程基本內(nèi)容：交流電機的數(shù)學模型和等值電路交流電機的調(diào)速原理和靜態(tài)特性交流電機的變頻調(diào)速PWM逆變理論與實現(xiàn)方法異步電機的矢量控制原理交流伺服系統(tǒng),主要參考書：,美）BimalK.Bose，現(xiàn)代電力電子學與交流傳動機械工業(yè)出版社徐德鴻電力電子系統(tǒng)建模及控制機械工業(yè)出版社陳伯時主編，電力拖動自動控制系統(tǒng)---運動控制系統(tǒng)機械工業(yè)出版社第3版,