-1-第1章緒論

1.1系統(tǒng)仿真的基本概念1.2電力電子與傳動控制系統(tǒng)簡介1.3電力電力與交流傳動系統(tǒng)仿真的特點-2-1.1系統(tǒng)仿真的基本概念1.1.1系統(tǒng)與仿真

1.系統(tǒng)

目前在各個不同領域中廣泛使用著一個相同的術語，這就是“系統(tǒng)（system）”。系統(tǒng)的概念可以是具體的，也可以是抽象的。一臺機器是一個系統(tǒng)，一輛汽車是一個系統(tǒng)，一架飛機是一個系統(tǒng)，一個生物體是一個系統(tǒng)，一條生產(chǎn)線是一個系統(tǒng)，一個企業(yè)是一個系統(tǒng)，一項科學技術工程也是一個系統(tǒng)等等。就系統(tǒng)屬性而言，有物理的和生物的；就工程觀點而言，有工程的和非工程的；就運動狀態(tài)而言，有靜態(tài)的和動態(tài)的；就數(shù)學描述而言，有線性的和非線性的。-3-

總之，在自然界和人類社會中，“系統(tǒng)”是無處不有的，大的，大到太陽系，乃至銀河系；小的，小到組成物質的分子，乃至原子。更廣泛地說，我們可以把所要研究或處理的一個事物作為一個系統(tǒng)，甚至可以把自然界和人類社會中各種錯綜復雜的事物聯(lián)系起來看成一個系統(tǒng)。

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由于“系統(tǒng)”這個術語已應用得如此廣泛，所以很難給它一個足以概括其各種應用的確切定義，但是我們可以做一簡潔而容易理解的說明。所謂系統(tǒng)，就是按照某些規(guī)律結合起來，互相作用、互相依存、互相制約的某些部件（或元件）的集合，其中部件是系統(tǒng)的獨立職能單位，具有一定的屬性。

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在機械系統(tǒng)中，彈簧、質塊和阻尼器是組成系統(tǒng)的三個部件，其中彈簧的職能是儲存勢能，質塊的職能是存儲動能，而阻尼器的職能是消耗這些機械能。在電氣系統(tǒng)中，電源、電感、電容和電阻是組成系統(tǒng)的四個部件，其中電源的職能是存儲電能，電感的職能是存儲磁場能，電容的職能是存儲電場能，而電阻的職能是消耗電能。-6-

圖1-2所表示的是一個制造零件，并把零件裝配成產(chǎn)品的工廠系統(tǒng)，其部件包括接受用戶訂貨、負責對各車間分配工作的生產(chǎn)管理部門，負責原料供應的采購部門，生產(chǎn)零件的制造車間，生產(chǎn)成品的裝配車間和發(fā)送成品的裝運部門。這些部件的名稱各自表明了它們的職能，其相互關系在圖中用箭頭表示。-7-

隨著人類社會的進步和科學技術的發(fā)展，在上世紀40年代末形成了控制論這門學科。控制論是研究系統(tǒng)各部件如何進行組織和協(xié)調，使系統(tǒng)穩(wěn)定和有序工作的理論，所以控制論的研究對象就是“系統(tǒng)”。控制論的發(fā)展和成熟，使其理論已成功地應用于工程系統(tǒng)和生物系統(tǒng)，又推廣到非工程系統(tǒng)和非生物系統(tǒng)——經(jīng)濟系統(tǒng)，甚至是社會系統(tǒng)。這應該是“系統(tǒng)”這個術語之所以應用得十分廣泛的又一種緣由。系統(tǒng)工程

-8-2.仿真仿真又稱模擬（Simulation），是用模型來代替實際的系統(tǒng)，該模型與所替代的實際系統(tǒng)之間存在某些相對應的量，并能在某些范圍內重現(xiàn)實際系統(tǒng)的特征。從一般意義上說，系統(tǒng)仿真就是指用某種方法反映或再現(xiàn)實際的系統(tǒng)，以便研究其中的客觀規(guī)律。-9-

建立模型是系統(tǒng)仿真的基礎，其本質是依據(jù)系統(tǒng)之間的相似性，在一對系統(tǒng)之間建立某種對應的關系，從而可以利用模型對實際系統(tǒng)（原型）進行研究。-10-描述這兩個系統(tǒng)的微分方程分別為（1-1）（1-2）機械系統(tǒng)電氣系統(tǒng)

力F

電壓E

質量m

電感L

彈簧摩擦因數(shù)f

電阻R

彈簧剛度因數(shù)k

電容的倒數(shù)1/C

位移x

電量q

速度dx/dt

電流i機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的相似量

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顯然，二者具有相似的數(shù)學描述，并且在參數(shù)上存在一一對應的關系；相應地，兩者的響應也具有相似的振蕩特性。可以設想，假如比例尺寸選擇適當，利用電氣系統(tǒng)進行試驗，其結果在數(shù)值上和利用機械系統(tǒng)進行試驗的結果將完全相同，因此可以將電氣系統(tǒng)看作機械系統(tǒng)的一個模型。實際上，當兩個不同系統(tǒng)的微分方程具有相似性時，則兩個系統(tǒng)就互為相似系統(tǒng)，而在微分方程中占據(jù)相同位置的物理量，就稱為相似量，如上表所示。-12-

根據(jù)模型和原型的關系可以將模型分為如下三類：

(1)形象模型保留原型系統(tǒng)的外觀特征，僅對實際系統(tǒng)的規(guī)模進行放大或縮小。如通過對小型船舶運行特性的研究，在一定范圍內可以達到了解大型船舶運行特性的目的。

-13-(2)類比模型根據(jù)不同物理系統(tǒng)（力學、電學、熱學等）的物理規(guī)律之間的相似性，建立物理意義完全不同的模型。如上述電氣系統(tǒng)，一般比機械系統(tǒng)更容易進行試驗研究，所以可以通過對電氣系統(tǒng)的研究來代替對機械系統(tǒng)的研究。

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(3)符號模型借助文字、字母、符號、圖表或數(shù)學表達式來描述系統(tǒng)的模型。其中，利用數(shù)學表達式來描述實際系統(tǒng)的模型，稱為數(shù)學模型。數(shù)學建模就是根據(jù)研究對象的基本物理規(guī)律，寫出描述其運動過程的數(shù)學方程——微分方程，從而在物理系統(tǒng)和其抽象的數(shù)學描述之間建立對應的關系。-15-1.1.2系統(tǒng)仿真的分類可以從不同的角度對系統(tǒng)仿真加以分類。比較典型的分類方法有：根據(jù)模型的種類分類；根據(jù)仿真所采用的工具類型分類；根據(jù)仿真的用途分類；根據(jù)仿真時鐘與實時時鐘的比例關系分類等等。在上述三類模型的基礎上，系統(tǒng)仿真的方法可以分為兩大類：-16-

(1)物理仿真用物理性質相同或相近的模型（物理模型）來代替原型系統(tǒng)而進行研究的一種仿真方法。物理仿真可以替代對復雜系統(tǒng)顯得特別有價值的試驗研究，并能在保持其物理本質基本不變的情況下研究原型系統(tǒng)中所發(fā)生的現(xiàn)象。基于形象模型和類比模型的仿真即屬于此類。

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(2)數(shù)學仿真當物理模型不便建立，但可用方程式（數(shù)學模型）來描述原型系統(tǒng)的基本特性時，可以采用數(shù)學仿真的方法，這就是基于符號模型（數(shù)學模型）的仿真。-18-

數(shù)學仿真大體上可以分為以下5個步驟：

1)系統(tǒng)分解（系統(tǒng)分析）：針對所研究的問題，對系統(tǒng)進行層次分解，抽取研究對象中與研究目的相關的物理規(guī)律，即對模型加以簡化，建立所謂的集總模型。

2)數(shù)學建模：根據(jù)集總模型的物理規(guī)律建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，即將模型抽象為相應的數(shù)學方程——微分方程組或差分方程組。-19-3)參數(shù)估計（Estimate）：根據(jù)實際系統(tǒng)決定方程中未確定的系數(shù)。

4)模型轉換：由于數(shù)學仿真的實現(xiàn)依賴于計算機程序的運行，因此需將模型的數(shù)學描述變換為相應的計算機程序，這就是所謂的編程過程（仿真模型）。

5)結果分析：通過仿真試驗的結果與實際系統(tǒng)的對比，以驗證模型的正確性，并分析相關參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。-20-

應當指出，上述步驟是一個比較復雜的過程，并沒有一個固定的程序可以遵循。可以說，建模是一門藝術，是邏輯、直覺、抽象、聯(lián)想與技藝的融合。數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)控制與性能評估（李少遠教授上海交通大學自動化系）-21-Model-basedControl系統(tǒng)輸出設定值控制器執(zhí)行

機構系統(tǒng)辨識與參數(shù)估計最小二乘似然估計頻域辨識隨機逼近……系統(tǒng)模型Model-based基于模型的控制系統(tǒng)設計系統(tǒng)模型是對相同性質數(shù)據(jù)的集結系統(tǒng)控制理論和方法：建模-控制器設計-優(yōu)化？過程裝置系統(tǒng)輸出系統(tǒng)設定Controller

根據(jù)實時工況數(shù)據(jù)得到控制量實際生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)海量系統(tǒng)狀態(tài)系統(tǒng)輸入實時數(shù)據(jù)庫Data-drivenData-driven系統(tǒng)控制-23-1.1.3系統(tǒng)仿真的基本工具

數(shù)學仿真是以數(shù)學模型與實際物理系統(tǒng)之間的相似性為基礎的仿真，其主要優(yōu)點在于它完全是建立在計算機軟件基礎之上的，可以根據(jù)研究對象的不同特性隨時對模型和程序進行變動，而不用像物理仿真那樣需要對硬件進行更動，因此簡單易行，經(jīng)濟快捷。-24-

按照工作原理的不同，數(shù)學仿真的基本工具——計算機可以分為以下三種：

(1)模擬計算機（AnalogComputer）基于連續(xù)運算的計算機（由加法器、乘法器、積分器、反相器等模擬電路運算部件組成），操作方便，不僅解題簡單明了，而且速度快（并行運算方式），但是它的精度不太高，通用性較差。

(2)數(shù)字計算機（DigitalComputer）基于離散運算的計算機（由數(shù)字電路組成），精度高，通用性強，以軟件為基礎，調試與修改方便。以往因速度較慢運用較少（串行運算方式），目前發(fā)展迅速，應用廣泛。

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(3)混合計算機（HybridComputer）這是模擬計算機和數(shù)字計算機的結合，不但運算速度快，而且精度高，然而造價較高，只在特定領域使用。本質上，模擬計算機仿真是一種并行仿真，即仿真時代表模型的各部件是并發(fā)執(zhí)行的。早期的數(shù)字計算機仿真則是一種串行仿真，因為當時的數(shù)字計算機只有一個中央處理單元（CPU），計算機指令只能逐條執(zhí)行。為了發(fā)揮模擬計算機快速的并行計算和數(shù)字計算機強大的存儲記憶及控制功能，以實現(xiàn)大型復雜系統(tǒng)的高速仿真，上世紀60~70年代在數(shù)字計算機技術還處于較低水平時，產(chǎn)生了數(shù)字模擬混合仿真，即將系統(tǒng)模型分為兩部分，其中一部分放在模擬計算機上運行，另一部分放在數(shù)字計算機上運行，兩個計算機之間利用模數(shù)和數(shù)模轉換裝置交換信息。-26-

隨著數(shù)字計算機技術的快速發(fā)展，其計算速度和并行處理能力得到很大的提高，模擬計算機仿真和數(shù)字模擬混合仿真已逐步被全數(shù)字仿真所取代。因此，今天的計算機仿真一般指的就是數(shù)字計算機仿真。-27-1.1.4系統(tǒng)仿真技術的應用系統(tǒng)仿真技術不僅可以應用于電力工業(yè)、交通運輸、航空航天和軍事裝備等工程領域，而且還可以應用于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和生物醫(yī)學系統(tǒng)等。特別是近20年來，隨著系統(tǒng)工程與科學的迅速發(fā)展，系統(tǒng)仿真技術已從傳統(tǒng)的工程領域和生物領域擴展到非工程領域和非生物領域，在社會經(jīng)濟系統(tǒng)、教育培訓系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用。-28-

總的來說，系統(tǒng)仿真技術的應用可以歸結為以下兩大類：

(1)在復雜產(chǎn)品研制中的應用。通過系統(tǒng)仿真，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)原型中存在的問題，確定最優(yōu)參數(shù)，從而增加樣機首次運行成功的可能性。還可以設定多組參數(shù)組合來優(yōu)化系統(tǒng)各項性能指標，并可以集中研究系統(tǒng)特定部分的性能，或系統(tǒng)特定過程或時段的性能。另外，在實驗室由于安全原因或是由于成本問題而不能進行的破壞性實驗，可以很容易通過仿真來完成，對故障和異常情況下的響應也可以進行全面的分析。-29-

(2)在人員教育培訓中的應用。對于復雜系統(tǒng)的操作，需要事先對操作人員進行教育和培訓。早期的培訓大都在實際系統(tǒng)上進行。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，復雜程度的提高，特別是系統(tǒng)造價的提高，訓練時有可能因操作不當而造成較大的損失。為了解決這些問題，需要有這樣的系統(tǒng)，它能模擬實際系統(tǒng)的運行環(huán)境和工作狀況，又可以避免采用實際系統(tǒng)時可能帶來的危險及高昂的代價，這就是訓練仿真系統(tǒng)，它屬于我們前面提及的基于形象模型或類比模型的物理仿真。另外，通過系統(tǒng)仿真，能很好地為教學目的服務，使設計或使用人員較快地熟悉系統(tǒng)的工作機理。-30-

基于現(xiàn)代計算機及其網(wǎng)絡的系統(tǒng)仿真技術，不但可以提高工作效率，縮短研發(fā)周期，減少訓練時間，而且不受環(huán)境和氣候限制，在安全性、經(jīng)濟性和可靠性等方面均具有突出的作用。系統(tǒng)仿真技術的作用

-31-1.1.5系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展系統(tǒng)仿真作為一門獨立的學科已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷史，其基礎理論的形成、建模方法的更新、仿真技術的提升均與計算機技術的發(fā)展水平密切相關。

(1)面向過程的仿真這是最基本的仿真技術，就是通過分析系統(tǒng)的工作原理，以及組成系統(tǒng)的各部件在不同階段的行為特征，建立相應的數(shù)學模型，并采用合適的求解算法和程序設計語言，通過計算機編程和調試，完成系統(tǒng)工作過程和工作特性的分析。-32-

面向過程的仿真可以按照以下步驟來實現(xiàn)：

1)系統(tǒng)建模，即針對實際系統(tǒng)及其組成部件建立相應的數(shù)學模型，得到計算機仿真所要求的數(shù)學描述。

2)仿真建模，即根據(jù)實際系統(tǒng)的特點，選擇合適的算法，以滿足計算精度、計算速度和計算穩(wěn)定性的需要。

3)程序設計，即將仿真模型用計算機能執(zhí)行的程序設計語言（Basic、Fortran、C、Matlab）來描述。

4)模型運行，即在計算機上執(zhí)行編制的仿真程序，并做相應的調試。

5)仿真分析，即通過仿真試驗，分析并處理仿真結果。-33-

(2)面向對象的仿真面向對象的方法是一種在分析和設計階段獨立于程序設計語言的概念化過程，它不僅僅是一種程序設計技術，更重要的它是一種新的思維方式。它認為客觀世界是由各種對象所組成，每一個對象（Object）都有自己的內部狀態(tài)和運動規(guī)律，不同對象的組合及相互作用就構成了不同的系統(tǒng)。對象是靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)行為的封裝，屬于某個類，這些類具有某種層次化的結構。對象之間通過消息傳遞來實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。這些觀點與“系統(tǒng)”的基本定義是一致的，可以為復雜大系統(tǒng)的建模與仿真提供新的思路。-34-

面向對象的仿真可以按照以下步驟來實現(xiàn)：

1)明確所建系統(tǒng)要實現(xiàn)的目標，對系統(tǒng)進行對象和類的劃分，建立系統(tǒng)的描述框架。

2)針對每個對象定義其內部組織、靜態(tài)結構和動態(tài)行為模型，輸入/輸出接口，以及對象之間的連接關系。

3)采用面向對象的編程語言（Java、C++）開發(fā)仿真軟件。

4)對模型及軟件進行校核與驗證。

5)運行仿真軟件，對仿真結果進行評估。-35-

(3)分布式交互仿真采用協(xié)調一致的結構、標準和協(xié)議，通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，將分布在各地的仿真系統(tǒng)互聯(lián)，構造一個時、空一致，人也參與其中，并實現(xiàn)動態(tài)的分布式交互仿真環(huán)境。-36-

分布式交互仿真系統(tǒng)具有如下特點：

1)在結構上沒有中心計算機節(jié)點對仿真過程的控制，采用分布式對等的體系結構。

2)仿真節(jié)點具有自治性，節(jié)點間信息以廣播或組播的方式在網(wǎng)絡上傳輸。

3)所有交互的信息都遵循標準的格式和規(guī)范（網(wǎng)絡協(xié)議）。

4)保證在分布環(huán)境下時、空的一致性和網(wǎng)絡資源的共享與重用。-37-

(4)虛擬現(xiàn)實技術與仿真技術近十余年來，計算機技術的發(fā)展進入了虛擬世界的領域，虛擬現(xiàn)實VR（VirtualReality）技術就是其中發(fā)展最快的一項多學科技術。虛擬現(xiàn)實是指在計算機技術支持下的一種人工環(huán)境，是人類與計算機和極其復雜的數(shù)據(jù)進行交互的一種技術，用戶借助必要的設備可以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行交互，從而產(chǎn)生“沉浸”于真實環(huán)境中的感受和體驗。VR技術綜合了計算機仿真技術、計算機圖形技術、傳感技術、顯示技術等多種學科技術，其中仿真技術是虛擬現(xiàn)實技術的基礎。-38-

仿真技術強調仿真模型的建立及在計算機上的實現(xiàn)，雖然越來越重視圖像、聲音等多媒體的顯示功能，但是由于VR系統(tǒng)成本很高，對于沉浸感要求不高的仿真系統(tǒng)，只需要一般的圖像、聲音顯示即可，并非所有的仿真系統(tǒng)都必須包括VR系統(tǒng)。另外，VR技術也并非只用于仿真系統(tǒng)，它在娛樂、醫(yī)學和建筑等領域均有廣泛的應用。VR技術&仿真技術

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(5)人工智能與仿真技術近年來，隨著計算機科學技術的迅猛發(fā)展，研究如何應用計算機來模擬人的思維活動的學科——人工智能AI（ArtificialIntelligence）取得了突破性的進展，作為其重要分支的專家系統(tǒng)ES（ExpertSystem）技術在診斷、監(jiān)視、預測、規(guī)劃、管理、控制、設計和教育等多方面得到應用。將人工智能及專家系統(tǒng)技術嵌入到仿真環(huán)境，可以減小仿真中的人力消耗，提高仿真自動化程度和仿真精度，并拓寬一體化仿真的規(guī)模。-40-

仿真工程師們普遍關注人工智能、專家系統(tǒng)學科的發(fā)展，并期望引入人工智能技術增強系統(tǒng)仿真、建模的能力，其主要表現(xiàn)在：

1)引入知識表達及處理技術，擴大仿真模型的知識描述能力（Prolog、Lisp語言）。

2)在建模、仿真試驗和仿真結果分析等階段，引入專家知識、自動推理和解釋機制，輔助領域工程師做出各種決策。

3)輔助模型的修正和維護。

4)借助多媒體技術，實現(xiàn)友好的人機界面。

5)建立智能化數(shù)據(jù)庫，輔助數(shù)據(jù)的管理與維護。-41-1.2電力電子與傳動控制系統(tǒng)簡介

電力電子與傳動控制系統(tǒng)主要由電力電子變換器、傳動裝置和控制器三部分組成，如圖所示。其中，電力電子變換器主要由電力電子器件所構成，傳動裝置主要分為直流電動機傳動和交流電動機傳動，而控制器通常采用微處理器。該系統(tǒng)涉及的技術主要包括兩個方面，即電力電子技術與傳動控制技術。-42-1.2.1電力電子技術電力電子技術是一門利用電力電子器件對電能進行控制和轉換的學科，屬于新興的高新技術。美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）的電力電子學會對電力電子技術的闡述是：“有效地使用電力電子器件，應用電路和設計理論以及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術，它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換”。-43-

電力電子技術的內容包括三個方面：電力電子器件、變流電路和控制電路。它與多種學科密不可分，可用圖1-4形象地表示電力電子技術與其他學科的聯(lián)系。總體上說，電力電子技術是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科，是一門多學科相互滲透的綜合性學科。-44-(1)電力電子器件電力電子器件是指用半導體材料制成的功率電子器件，它是電力電子技術的基礎，半個多世紀以來已發(fā)展了多種不同類型的器件，常見的有二極管、晶閘管SCR、雙向晶閘管Triac、門極關斷晶閘管GTO、雙極結型晶體管BPT或BJT、電力MOSFET、靜電感應晶體管SIT、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、MOS控制晶閘管MCT、集成門極換向晶閘管IGCT等，大致可分類如下：-45--46-

(2)電力電子變換器以電力電子器件為核心，通過不同的電路拓撲和控制方式來實現(xiàn)對電能的轉換和控制，這就是電力電子變換器，它是電力電子技術的主體。由于電能的兩種形式是直流（DC）和交流（AC），因而電能轉換的關系可用圖1-5來說明。-47-

對晶閘管而言，其控制方法是調整器件的導通角，即控制觸發(fā)信號與主電路之間的相移角，故稱為相控技術。可用來實現(xiàn)交流到直流的變換和控制，即整流；也可用來實現(xiàn)直流到交流的變換和控制，即逆變（包括有源逆變和無源逆變）；還可用來實現(xiàn)交流到交流的變換，包括交流調壓和交-交變頻。-48-

全控型電力電子器件的問世，使得電力電子變換器及其控制技術發(fā)生了巨大的變化，除了整流電路之外，其他幾種變流電路的性能指標都遠遠超過了晶閘管變流電路。由于全控型電力電子器件能由外信號控制其關斷，所以還可以實現(xiàn)DC-DC變換，即構成斬波器。利用斬波器可以把固定或變化的直流電壓變換成可調或恒定的直流電壓，實現(xiàn)所謂“直流變壓器”的作用。由全控型器件組成的變流電路中，不再采用相控技術，而改為脈寬調制（PWM）技術，由PWM技術可以極其有效地進行諧波抑制，動態(tài)響應好，使變流電路的性能大大提高。-49-1.2.2傳動控制技術傳動控制技術以電力電子器件的應用為基礎，以電動機為控制對象，以自動控制理論為指導，以電子技術和微處理器控制及計算機輔助分析為手段，并且與檢測技術和數(shù)據(jù)通信技術相結合，構成一門具有相對獨立性的學科，在生產(chǎn)設備和過程自動化中發(fā)揮著日益重要的作用。-50-

(1)電動機電動機是傳動系統(tǒng)的驅動裝置，它是系統(tǒng)的核心部件，也是系統(tǒng)分類的基本依據(jù)。按照電動機結構及工作原理的不同，一般可分為：-51-(2)傳動控制系統(tǒng)基于電動機型式和控制技術的不同，現(xiàn)代傳動控制系統(tǒng)可分為以下5類：

1)直流電動機傳動控制系統(tǒng)雖然近年來各種交流電動機及其控制系統(tǒng)在很多領域里已經(jīng)取代了直流電動機及其控制系統(tǒng)，但是也應該看到，交流電動機的控制理論和方法是在直流電動機的控制理論和方法的基礎上發(fā)展起來的，例如，異步電動機矢量控制理論，其實質就是把異步電動機模擬成為直流電動機，用直流電動機的控制思路去控制異步電動機。從理論上來說，速度閉環(huán)反饋控制理論、無靜差調速理論、轉速電流雙閉環(huán)控制理論及控制方法是所有電動機傳動控制技術重要的理論基礎，是不可或缺的。

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2)異步電動機傳動控制系統(tǒng)異步電動機是使用最廣泛的一類電動機，其控制技術也是整個傳動控制技術中一個最活躍的分支，內容十分廣泛，傳統(tǒng)的內容包括開環(huán)VVVF控制、基于電動機靜態(tài)數(shù)學模型的轉差頻率閉環(huán)控制、基于矢量控制理論的轉子磁場定向控制、轉差頻率矢量控制等。近年來，人們在直接轉矩控制理論和控制方法上取得了進展，成功應用于異步電動機的控制。隨著高性能微處理器在傳動控制系統(tǒng)中的應用，實時計算能力的提高，無速度傳感器矢量型異步電動機控制系統(tǒng)也已經(jīng)成功應用于生產(chǎn)領域。-53-

從廣義上來說，異步電動機的上述各種控制方法都屬于變頻控制的范疇。實現(xiàn)變頻控制的基礎是脈寬調制（PWM）技術。人們提出的并且已經(jīng)得到了應用的PWM方案有很多種，主要的有正弦PWM、三次諧波注入PWM、空間矢量PWM、最優(yōu)PWM、預測PWM、隨機PWM等，其中最為應用廣泛和最為成熟的是正弦波PWM（SPWM）和空間矢量PWM（SVPWM）。-54-3)永磁同步電動機傳動控制系統(tǒng)全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)正在廣泛應用于傳動控制，包括數(shù)控機床、機器人等各類精密機械的驅動等。從技術角度來看，當今主要的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品基本上都屬于永磁正弦波同步電動機控制系統(tǒng)，從本質上說也屬于自控式變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般采用數(shù)字信號處理器（DSP）完成矢量控制運算和PWM波形的相關運算。采用光電脈沖編碼器或者旋轉變壓器作為位置和速度檢測元件，能夠實現(xiàn)對電動機的高精度的位置、速度和轉矩的控制。在現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中，永磁同步電動機以其高效節(jié)能的優(yōu)勢倍受關注，并已在許多應用領域取代傳統(tǒng)的異步電動機。-55-4)無刷直流電動機傳動控制系統(tǒng)無刷直流電動機本質上屬于永磁同步電動機，相對于有刷直流電動機而言，相當于把有刷直流電動機中定子和轉子互換了位置，從而可以去除機械的電刷和換向器，代之以電子換向器。對于三相無刷直流電動機來說，電子換向器的主電路就是三相逆變器，在電動機的定子上裝有轉子位置傳感器，以檢測轉子的位置，電子換向器在其控制下工作。

由于一般無刷直流電動機的氣隙磁場呈現(xiàn)方波形狀，所以也把無刷直流電動機稱為方波電動機。當前，無刷直流電動機最主要的應用領域包括各種電動車輛的驅動、自動控制門窗的驅動、小型一體化水泵的驅動、自動武器的驅動、家用電器等等。-56-5)開關磁阻電動機傳動控制系統(tǒng)開關磁阻電動機又稱為電流調節(jié)步進電動機，其結構和感應式步進電動機相類似，只是定子磁極對數(shù)和轉子磁極對數(shù)不相等，定子繞組可以是三相，也可以是四相，由于電磁轉矩僅由定、轉子磁阻產(chǎn)生，因此每相繞組只需一個功率器件，即可產(chǎn)生所需轉矩。由于結構簡單，轉矩轉動慣量比高，開關磁阻電動機可實現(xiàn)高速驅動，并非常適合傳動控制系統(tǒng)。其主要缺點是有轉矩脈動和噪聲。目前已提出多種方法來解決這些問題。-57-1.3電力電子與交流傳動系統(tǒng)仿真的特點

進行任何系統(tǒng)的仿真，特別是數(shù)字計算機仿真，首先應該從數(shù)學的角度對該系統(tǒng)的基本性質有充分的認識。

1.系統(tǒng)的基本性質通常，系統(tǒng)所具有的基本性質涉及以下4個方面：

(1)輸入和輸出的關系任何系統(tǒng)都有輸入變量和輸出變量。系統(tǒng)隨時間變化的輸入函數(shù)就是系統(tǒng)的輸入，也稱為激勵；而系統(tǒng)隨時間變化的輸出函數(shù)就是系統(tǒng)的輸出，也稱為響應。系統(tǒng)輸入輸出的關系可表示為（1-3）-58-單輸入單輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)-59-

(2)定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng)如果系統(tǒng)輸入輸出的關系不依賴于所觀察的時間，則稱該系統(tǒng)為定常系統(tǒng)，或時不變系統(tǒng)，其數(shù)學描述如下：設系統(tǒng)輸入輸出的關系為，對任意輸入，若滿足關系式則該系統(tǒng)便是定常系統(tǒng)。否則，該系統(tǒng)為時變系統(tǒng)。（1-4）-60-

(3)線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)當疊加原理適用時，系統(tǒng)便是線性的。疊加原理可表示為：設系統(tǒng)有輸入u1(t)、u2(t)，輸出y1(t)、y2(t)，它們對應的關系分別為，且滿足關系式則該系統(tǒng)便是線性的。否則，該系統(tǒng)為非線性。（1-5）電路與磁路的對比-61-

(4)集總參數(shù)和分布參數(shù)參數(shù)為有限個的系統(tǒng)稱為集總參數(shù)系統(tǒng)，參數(shù)為無限個的系統(tǒng)稱為分布參數(shù)系統(tǒng)。分布參數(shù)系統(tǒng)需用一種包含兩個變量以上的未知函數(shù)，以及未知函數(shù)關于這些變量的偏導數(shù)的偏微分方程來描述；而集總參數(shù)系統(tǒng)用包含僅有一個變量的未知函數(shù)，以及未知函數(shù)關于該變量的常微分方程來描述就可以了。-62-

2.電力電子與交流傳動系統(tǒng)的性質

電力電子與傳動系統(tǒng)的核心部件是電動機。在電機中，存在著儲能密度較大的耦合介質——磁場。為了在一定激勵下能獲得更強的磁場，加強耦合磁場的作用，系統(tǒng)中含有非線性的鐵磁性物質。鐵磁性物質的特性可用圖1-7所示的磁化曲線來描述，顯然其磁通密度B與磁場強度H之間的關系是非線性的，這就導致了電機在本質上的非線性，也稱為固有非線性。-63--64-

對于旋轉電機來說，因其定