电力电子与现代控制(电机的控制理论和控制系统)第二部分

《现代控制系统》《现代控制系统》是一本经典的自动控制理论教材，被广泛应用于控制工程专业的教学和研究领域。

本书系统地介绍了现代控制理论的基本概念、原理与方法，涵盖了自动控制系统的各个方面，具有很高的学术价值和应用价值。

《现代控制系统》一书共分为七个部分。

第一部分主要介绍了自动控制系统的基本概念和分类，包括控制系统的组成、控制系统的分析与设计方法等。

同时，还介绍了自动控制系统的数学模型，并详细讨论了系统的稳定性和可控性、可观性等重要性能指标。

第二部分介绍了时域分析方法，包括脉冲传递函数法、单位脉冲响应法和步跃响应法等。

这些方法可以用于系统的时域特性分析和设计，使控制系统具有良好的动态性能。

第三部分是频域分析方法，主要介绍了系统的频率响应和频域特性。

通过频率响应分析，可以得到系统的幅频特性和相频特性，并进一步研究系统的稳定性和性能。

第四部分是根轨迹法，这是一种常用的图解法，用于系统的稳定性分析和设计。

通过根轨迹图，可以直观地看出系统的稳定、振荡和失稳情况，并对系统进行合适的校正。

第五部分介绍了状态空间方法，这是现代控制理论的重要分支。

状态空间方法通过描述系统的状态方程和输出方程，研究系统的稳定性和性能，并提出了最优控制的概念和方法。

第六部分是线性二次型控制方法，这是一种针对线性系统设计控制器的重要方法。

线性二次型控制通过优化线性二次型指标函数，使系统达到最佳性能。

第七部分介绍了自适应控制和数字控制。

自适应控制是一种能够根据系统变化自动调整控制参数的方法，具有较好的鲁棒性和适应性。

数字控制是控制系统中的一种新兴技术，通过数字化处理和数字信号处理的方法，实现对系统的精确控制。

总之，《现代控制系统》这本书全面而系统地介绍了现代控制理论的基本概念、原理与方法，为读者提供了深入学习和研究自动控制系统的基础。

这本书不仅适合控制工程专业的学生和教师作为教材使用，也适合控制工程领域的研究人员和工程师作为参考书使用，是一本不可多得的优秀教材。

电机与电力电子掌握电动机的控制与驱动技术电机是现代工业与生活中不可或缺的重要设备，而电力电子作为电机的控制与驱动核心技术，对电机的性能表现和应用提出了更高的要求。

本文将介绍电机的控制与驱动技术，并探讨它们在各个领域的应用。

1. 电机的基本原理电机是将电能转化为机械能的设备。

电机的基本原理是利用电流通过导线产生的磁场与永磁体或电磁体之间相互作用来产生力矩。

根据电机的不同工作原理，可以将其分为直流电机和交流电机。

2. 电机控制技术电机的控制技术是指通过改变电流或电压来控制电机的运行状态。

常见的电机控制技术包括调速、转向、定位等。

其中，电机的调速控制技术是电机控制中最常用的技术之一。

2.1 直流电机控制技术直流电机采用的控制技术主要包括电阻切换控制、PWM控制和矢量控制三种。

2.1.1 电阻切换控制电阻切换控制是通过改变电阻来改变电机的转速。

这种控制技术简单、成本低，但效果较差，不适用于对电机性能要求较高的应用场合。

2.1.2 PWM控制PWM控制是通过改变脉宽来改变电机的转速。

脉宽越大，电机的转速越快。

这种控制技术简单、效果较好，被广泛应用于各种直流电机控制系统中。

2.1.3 矢量控制矢量控制是将直流电机模型转换为交流电机模型进行控制，通过控制电流和电压的相位和幅值来实现电机的精确控制。

矢量控制技术具有高效性能和较高的响应速度，适用于对电机精确度要求较高的应用场合。

2.2 交流电机控制技术交流电机的控制技术主要包括感应电机矢量控制、同步电机矢量控制和直接转矩控制三种。

2.2.1 感应电机矢量控制感应电机矢量控制是通过控制电流和电压的相位和幅值来实现对感应电机的精确控制。

这种控制技术具有较高的效率和较好的响应性能，被广泛应用于传动系统、工业控制等领域。

2.2.2 同步电机矢量控制同步电机矢量控制是通过控制电流和电压的相位和幅值来实现对同步电机的精确控制。

同步电机矢量控制技术具有较高的效率和较好的动态性能，适用于对电机稳定性要求较高的应用场合。

现代控制理论与电机控制刘北070301071电气工程及其自动化0703班现代控制理论在电机控制中的具体应用：自70年代异步电动机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。

这种理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。

这种控制方法现已较成熟，已经产品化，且产品质量较稳定。

因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。

近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题，国内、外学者进行了大量的研究。

伴随着推进矢量控制、直接转矩控制和无传感器控制技术进一步向前发展的是人工智能控制，这是电机现代控制技术的前沿性课题，已取得阶段性的研究成果，并正在逐步实用化。

矢量控制和直接转矩控制技术的一个新的发展方向是直接驱动技术，这种零方式消除了传统机械传动链带来的一系列不良影响，极大地提高了系统的快速响应能力和运动精度。

但是，这种机械上的简化，导致了电机控制上的难度。

为此，需要电机控制技术的进一步提高和创新。

这正是电机现代控制技术有待深入研究和具有广阔开发前景的新领域。

电机的现代控制技术与先进制造装备息息相关，已在为先进制造技术的重要研究领域之一，国内很多学者和科技人员正在从事这方面的研究和开发。

一、三相感应电动机的矢量控制1、 定、转子磁动势矢量三相感应电动机是机电能量转换装置，这种的物理基础是电磁间的相互作用或者磁场能量的变化。

因此，磁场是机电能量转换的媒介，是非常重要的物理量。

为此，对各种电动机都要了解磁场在电动机空间内的分布情况。

感应电动机内磁场是由定、转子三相绕组的磁动势产生的，首先要确定电动机内磁动势的分布情况。

对定子三相绕组而言，当通以三相电流A i 、B i 、C i 时，分别产生沿着各自绕组轴线脉动的空间磁动势波，取其基波并记为A f 、B f 、C f ，显然它们都是空间矢量。

《电力传动控制系统》教学大纲一、课程地位与课程目标（一）课程地位随着电子、信息等高新技术的发展与进步，传统机电技术获得了改造、创新的可能和手段，电气工程及其自动化专业的学生除了需深刻理解电器、机械的原理和系统外，更需要具备运用电子技术（（电力电子技术、微电子技术）、现代控制理论/技术实现传统机电系统高新技术改造的能力,为从事与电气工程专业有关的工作和科学研究打下一定的基础。

《电力传动控制系统》是电气工程及其自动化专业和自动化专业的核心课程，既有完整的理论体系，又有很强的实践性，是一门把理论基础和工具应用到工程实践中去的典范课程。

（二）课程目标1. 能够应用自动控制理论解决运动控制系统的设计问题（1.4）。

2. 能够应用自动控制理论分析运动控制系统的复杂工程问题（2.2）。

3. 具有电力拖动控制系统的工程开发和实验的基本能力（3.3）。

4. 能够基于自动控制理论对运动控制系统设计实验、仿真、分析与解释数据（4.3）。

5. 能够针对运动控制系统进行仿真与辅助设计（5.2）。

二、课程目标达成的途径与方法采用课堂教学的方法。

主要讲解转速开环控制的直流调速系统、转速闭环控制的直流调速系统、转速、电流双闭环控制的直流调速系统、直流调速系统的数字控制、基于稳态模型的异步电动机调速系统、基于动态模型的异步电动机调速系统、绕线转子异步电机双馈调速系统、同步电动机变压变频调速系统的概念、实现方法及具体的应用。

通过实例的讲解，使同学们更好地熟悉或掌握运动控制系统设计的方法和步骤，提高学生对电力传动系统的学习兴趣、培养学生应用理论基础和工具解决实际问题的能力。

课堂教学尽量引入互动环节，使同学们能更好地融入课堂教学，提高教学效果。

实验环节安排在专门的实验课程“电气控制专业实验”。

三、课程目标与相关毕业要求的对应关系2.毕业要求须根据课程所在专业培养方案进行描述。

四、课程主要内容与基本要求五、课程学时安排七、推荐教材与主要参考书（一）推荐教材1．《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》(第5版).阮毅.机械工业出版社.2016年.(普通高等教育“十一五”国家级规划教材普通高等教育电气工程与自动化类“十三五”规划教材).（二）主要参考书：1. 《电力拖动自动控制系统》.李华德等.机械工业出版社.2009年2月.2. 《电力电子技术》(第五版).王兆安.机械工业出版社.2009年5月.3. 《电气传动实验指导书》. 中国计量大学.。

电力电子技术_基础知识一、内容简述本文将阐述电力电子技术的定义与发展历程，及其在现代能源系统中的地位和作用。

我们将让读者理解电力电子技术是如何通过半导体器件将电能从源头转换到最终用户的过程。

此外还将介绍电力电子技术在可再生能源、工业控制、交通运输等领域的应用及其发展趋势。

本节将介绍电力电子系统中的主要组成部分——电力电子转换器与变换器。

这些设备是电力电子技术中的核心部件，用于实现交流（AC）和直流（DC）之间的转换，电压和电流的控制以及调整。

本部分将介绍不同类型转换器的工作原理和特性，并探讨其在各种应用场景中的应用。

本节将详细介绍在电力电子系统中使用的半导体器件和功率模块。

包括二极管、晶体管（如IGBT）、场效应晶体管（MOSFET）等的基本工作原理及其在电力转换和控制中的应用。

此外还将探讨这些器件的性能参数、特点及其在高性能电力系统中的应用挑战。

本部分将介绍电力电子系统中的控制技术和调制策略，通过适当的控制方法，可以实现电力电子系统的稳定运行和精确控制。

本部分将讨论不同类型的控制方法（如PWM调制、空间矢量调制等）以及它们在电力电子系统中的应用和实现。

电力电子系统的安全和稳定运行至关重要，本部分将介绍在电力电子系统中使用的保护和故障诊断技术。

这些技术可以确保系统在异常情况下安全运行并避免损坏，本部分将探讨不同类型的保护措施（如过流保护、过电压保护等）以及现代故障诊断技术的应用和发展趋势。

1. 介绍电力电子技术的概念及其在现代社会的重要性电力电子技术是一种结合了电力工程与电子工程的理论和技术的跨学科领域。

它主要研究利用半导体器件进行电能转换、控制和优化的技术。

简单来说电力电子技术就是研究如何将电能从一种形式转换为另一种形式，以满足不同设备和系统的需求。

这种技术在现代社会中扮演着至关重要的角色，涉及到我们日常生活中的方方面面。

随着科技的快速发展，电力电子技术的重要性日益凸显。

在现代社会的各个领域，从工业制造、交通运输、通讯设备，到家庭生活、数据中心以及可再生能源系统，几乎无处不在都需要电力电子技术的支持。

《现代控制理论》课后习题及答案第一章控制系统的状态空间表达式1-1.试求图1-1系统的模拟结构图，并建立其状态空间表达式。

图1-27系统方块结构图图1-1 系统结构方块图解：系统的模拟结构图如下：图1-30双输入--双输出系统模拟结构图图1-2 双输入—双输出系统模拟结构图系统的状态方程如下：u K K x K K x K K x X K x K x x x x J K x J x J K x J K x x J K x x x pp p p n p b1611166131534615141313322211+--=+-==++--===••••••令y s =)(θ，则1x y =所以，系统的状态空间表达式及输出方程表达式为[]⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡••••••6543211654321111111126543210000010000000000000010010000000000010x x x x x x y uK K x x x x x x K K K K K K J K J J K J K J K x x x x x x p p pp n p b1-2.有电路如图1-3所示。

以电压)(t u 为输入量，求以电感中的电流和电容上的电压作为状态变量的状态方程，和以电阻2R 上的电压作为输出量的输出方程。

U图1-28 电路图图1-3 电路图解：由图，令32211,,x u x i x i c===，输出量22x R y =有电路原理可知：•••+==+=++3213222231111x C x x x x R x L ux x L x R 既得22213322222131111111111x R y x C x C x x L x L R x u L x L x L R x =+-=+-=+--=•••写成矢量矩阵形式为：[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡32121321222111321000*********x x x R y u L x x x CCL L R L L R x x x 。

1. 引入现代永磁同步电机及其在工业应用中的重要性2. 介绍本文的主要内容和结构【第一部分：现代永磁同步电机的原理】1. 现代永磁同步电机的基本结构和工作原理2. 感应电动势和磁链控制3. 磁链观测和控制4. 空间矢量调制原理【第二部分：永磁同步电机控制的matlab仿真代码】1. 永磁同步电机的状态空间模型2. 闭环控制器设计3. 电机性能参数的选择和仿真结果分析【第三部分：实例分析及应用】1. 将仿真代码应用于实际永磁同步电机控制案例2. 讨论实际应用中可能遇到的问题和解决方案【结语】1. 总结现代永磁同步电机控制原理及matlab仿真代码的重要性2. 展望未来永磁同步电机控制技术的发展方向导言随着电力电子技术和数字控制技术的不断发展，各种新型电机在工业生产中得到了广泛应用。

永磁同步电机以其高效率、高功率密度和良好的动态性能，成为工业驱动领域的热门选择。

掌握现代永磁同步电机的控制原理及相应的仿真代码，对于提高电机系统的性能具有重要意义。

【第一部分：现代永磁同步电机的原理】1. 现代永磁同步电机的基本结构和工作原理现代永磁同步电机由定子、转子和永磁体组成。

其工作原理是利用定子产生的旋转磁场与永磁体产生的固定磁场之间的相互作用，从而实现电能转换为机械能。

永磁同步电机的结构简单、体积小、重量轻，但控制较为复杂。

2. 感应电动势和磁链控制在永磁同步电机中，感应电动势和磁链控制是控制电机转矩和速度的重要手段。

通过对电动势和磁链的测量及控制，可以实现对电机的稳定运行和高效能输出。

3. 磁链观测和控制磁链观测是永磁同步电机控制中的关键技术之一。

通过对电机磁链的观测，可以实现对电机转矩的精准控制，提高电机的动态响应性能。

4. 空间矢量调制原理空间矢量调制是永磁同步电机控制中常用的一种控制策略。

通过对电机转子磁链和定子相电流的空间矢量进行调制，可以有效地控制电机的输出转矩和速度，提高电机系统的动态性能。

【第二部分：永磁同步电机控制的matlab仿真代码】1. 永磁同步电机的状态空间模型我们需要建立永磁同步电机的状态空间模型。

现代控制理论在电力系统自动化中的应用摘要：本文综述了近年来模糊逻辑控制、神经网络控制、线性最优控制、自适应控制在电力系统稳定，自动发电控制，静止无功补偿及串联补偿控制，燃气轮机控制等方面应用研究的主要成果与方法，并提出若干需要解决的问题。

关键词：电力系统模糊控制神经网络最优控制自适应控制1 前言电力系统能否安全稳定运行关系到国计民生，因此电力系统稳定性控制技术的选择变得尤为重要。

电力系统是一个越来越大，越来越复杂的动态网络，它具有很强的非线性、时变性且参数不确切可知，并含有大量未建模动态部分。

电力系统地域分布广泛，大部分原件具有延迟、磁滞、饱和等等复杂的物理特性，对这样的系统实现有效的控制是极为困难的，国内外因电压不稳导致的停电事故时有发生。

这些都使电力系统的稳定性控制问题变得越来越复杂，也正是因为问题的复杂性而使得现代控制理论得以在这一领域充分发挥其巨大的优势。

随着越来越先进的电力电子器件的出现和计算机技术的发展，先进的现代控制方法在电力系统领域的应用变的越来越广泛。

本文主要介绍了模糊逻辑控制、神经网络控制、最优控制和自适应控制在电力系统中的应用，并提出相关问题的相应解决方法。

2 电力系统的模糊逻辑控制电力系统的模糊逻辑控制就是利用模糊经验知识来解决电力系统中的一类模型问题，弥补了数值方法的不足。

从Zaden L.A.1965年发表了Fuzzy Sets[1]一文以来，模糊控制理论作为一门崭新的学科发展非常迅速，应用非常广泛。

目前国内外对电力系统模糊控制的研究成果越来越多，这显示了模糊理论在解决电力系统问题上的潜力。

模糊逻辑控制是从行为上模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用的控制方法，它适于解决因过程本身不确定性、不精确性以及噪声而带来的困难。

模糊控制常用来描述专家系统，专家系统作为一种人工智能方法，其在电力系统中得到应用，弥补了数值方法的诸多不足。

专家系统利用专家知识进行推理，由于系统参数的不确定性，专家知识经常采用模糊描述。

《现代控制理论》课程教学大纲学分：3 理论学时：48适合专业：机械制造及自动化课程性质：学位课大纲执笔人：大纲审定人：课程编号：M041001一、说明1.课程的性质、地位和任务《现代控制理论》是机械制造及自动化专业研究生的学位课。

通过本课程的教学，应当使学生了解现代控制理论的体系结构，掌握线性控制系统的状态空间描述、时域分析与离散化等方法，掌握利用状态空间模型分析系统和校正系统及实现最优控制的方法。

2.课程教学基本要求先修课程：《高等数学》、《矩阵理论》、《普通物理》、《电路原理》、《电子技术》、《电机原理及拖动基础》、《自动控制原理》等。

本课程教学应力求使学生掌握现代控制理论的基本概念、系统分析与设计方法，重在提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。

讲授时应及时补充本学科的最新发展成果，使学生了解本学科的重要进展及发展动向。

本课程的教学包括课堂讲授、课外作业和仿真实验等，重点培养学生应用现代控制理论分析和设计控制系统的实际能力。

3.课程教学改革为解决授课学时少授课内容多的矛盾，在有限的教学时间里较好地完成授课任务，授课时应借助多媒体尽量做到突出重点、精讲多练，必要时组织学生进行课堂讨论，调动学生的学习主动性；适当设置一些MATLAB实践课时，提高学生的学习兴趣和拓宽知识面。

二、教学内容绪论（2学时）(1)控制理论的发展(2) 现代控制理论的基本内容学习要求：明确本课程的内容、性质和任务以及学习本课程的意义，了解控制理论的发展概况及现代控制理论的主要特点、内容和研究方法。

第一章控制系统的状态空间数学模型（9学时）(1)状态变量、状态空间表达式(2)系统的一般时域描述化为状态空间描述(3)系统的频域描述化为状态空间描述(4)根据状态变量图列写线性系统的状态空间描述(5)根据系统方框图导出状态空间描述(6)将状态方程化为规范形式学习要求：正确理解线性系统的状态空间数学描述的基本概念，熟练掌握状态空间的表达式，线性变换，线性定常系统状态方程的建立方法。