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現(xiàn)代電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)ModernElectricalDriveControlSystem,主講教師：榮智海東華大學(xué)自動(dòng)化系，辦公室學(xué)院2號(hào)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(jì)時(shí)，富蘭克林首次提出了電流的概念，他在通過風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，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(xué)與磁學(xué)統(tǒng)合成一種理論。,,什么是電氣傳動(dòng)？,蒸汽機(jī)?電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是電力系統(tǒng)中主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種機(jī)械按照人們期望的要求運(yùn)行?？刂颇繕?biāo)：調(diào)速。本科相關(guān)課程：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)控制系統(tǒng),1.1現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),現(xiàn)代電氣傳動(dòng)是電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、信號(hào)處理等多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科?，F(xiàn)代電氣傳動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)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(jī)學(xué),研究執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和性能。19世紀(jì)誕生。相關(guān)課程：電機(jī)及拖動(dòng)，顧繩谷主編直流電機(jī)交流電機(jī),直流電機(jī),直流電機(jī)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(dòng)勢(shì)：E=KeΦn,Ke—電動(dòng)勢(shì)常數(shù)電樞電路電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：U=E+IR轉(zhuǎn)速特性：n=(U-IR)/KeΦ機(jī)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(lì)磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。,直流電機(jī),直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：容易控制(調(diào)壓、變阻、弱磁升速)，優(yōu)良的起制動(dòng)特性，大范圍的平滑調(diào)速，在20世紀(jì)上半幾乎所有高性能調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)都采用直流電動(dòng)機(jī)，而占電力拖動(dòng)系統(tǒng)總?cè)萘康?0%不變速拖動(dòng)系統(tǒng)采用交流電動(dòng)機(jī)(比如水泵、風(fēng)機(jī)、洗衣機(jī)等)。缺點(diǎn)：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(dòng)機(jī)。,愛迪生與特斯拉,愛迪生發(fā)明的燈泡通的是直流電，進(jìn)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(jìn)直流電機(jī)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(jī)及交流電系統(tǒng)。但受到愛迪生的抨擊。,交流電機(jī),結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便。機(jī)械特性：交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性多變量強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動(dòng)機(jī)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(lì)磁分量的分解，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象——電動(dòng)機(jī),從類型上分直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。從用途上分用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。,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(duì)電能的變換和控制。弱點(diǎn)控制強(qiáng)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(diǎn)：可逆運(yùn)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(jì)算機(jī)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(shí)、參數(shù)自整定和自學(xué)習(xí)、智能控制、故障診斷和容錯(cuò)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(jī)原理,控制理論,模擬：運(yùn)放等分立器件，物理概念清楚，信號(hào)理想直觀，快速性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能及擴(kuò)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(kuò)展功能(智能處理、信息存儲(chǔ)通信、故障診斷…)；有時(shí)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(jì)算機(jī)控制,信息爆炸時(shí)代的控制--關(guān)于控制、動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)未來方向的專家報(bào)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(dòng)地適應(yīng)環(huán)境的變化以保持期望的特性?？刂评碚摚悍治龊途C合控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)體系。建模、動(dòng)態(tài)、互聯(lián)和不確定性控制技術(shù)：傳感、執(zhí)行和計(jì)算與不同領(lǐng)域的交叉是控制領(lǐng)域的傳統(tǒng)和特點(diǎn)…,控制論,由維納(Wiener,N.)在《控制論:或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》(1948)中提出。維納把控制論看作是一門研究機(jī)器、生命社會(huì)中控制和通訊的一般規(guī)律的科學(xué)，更具體他說，是研究動(dòng)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(xué)。維納創(chuàng)造“Cybernetics”來命名這門科學(xué)，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)。控制論是多種學(xué)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(xué)和社會(huì)科學(xué)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(xué)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(fù)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(dòng)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(jì)：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(jī)器人系統(tǒng)飛行器系統(tǒng)Internet虛擬社區(qū)(blog)…發(fā)展趨勢(shì)：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(jī)整體。系統(tǒng)的復(fù)雜性復(fù)雜系統(tǒng)是相對(duì)牛頓時(shí)代以來的簡單系統(tǒng)，兩者具有根本性的不同。個(gè)體的復(fù)雜性還原論與系統(tǒng)論個(gè)體的非線性本質(zhì)量變與質(zhì)變相變點(diǎn)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(xué)基金《異質(zhì)個(gè)體的網(wǎng)絡(luò)演化博弈動(dòng)力學(xué)與調(diào)控策略研究》2011-2013參與《混合網(wǎng)絡(luò)下社會(huì)集群行為感知與規(guī)律研究》人類動(dòng)力學(xué)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(hào)去控制被控對(duì)象工作。被控制量在整個(gè)控制過程中對(duì)控制量不產(chǎn)生影響。例子：射擊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖如下圖所示。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，只要運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)的控制。,圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖,閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),信號(hào)檢測(cè)與處理,位于反饋通道通過傳感器檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行反饋控制、故障分析和保護(hù)。信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成,,有什么用？,調(diào)速系統(tǒng)、隨動(dòng)伺服系統(tǒng)交通(電力機(jī)車)樓宇(電梯)工業(yè)(機(jī)器人)軍事和航天(雷達(dá)、自行火炮、導(dǎo)彈跟蹤、衛(wèi)星姿態(tài)控制與定位)消費(fèi)產(chǎn)品(空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電腦),本門課要講什么？,本課程基本內(nèi)容：交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和等值電路交流電機(jī)的調(diào)速原理和靜態(tài)特性交流電機(jī)的變頻調(diào)速PWM逆變理論與實(shí)現(xiàn)方法異步電機(jī)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(xué)與交流傳動(dòng)機(jī)械工業(yè)出版社徐德鴻電力電子系統(tǒng)建模及控制機(jī)械工業(yè)出版社陳伯時(shí)主編，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)---運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社第3版,