电气工程导论

长沙大学电气工程导论结业论文PAGE1长沙学院CHANGSHAUNIVERSITY选修课程考查论文电气工程导论系部：电子与通信工程系专业：年级班级：电气工程及其自动化专业2010级1班姓名：周鹏学号：2010042113成绩评定：（指导教师填写）2012年5月电气工程导论课程考查论文1.对电气工程及其自动化专业的认识：电气工程学是从人们对电磁现象的研究开始逐步发展起来的，电磁理论是电气工程学的理论基础，而电磁理论是从物理学中的电学和磁学逐步发展而形成的。该专业主要是研究电能的产生、传输、转换、控制、储存和利用的专业。近几十年来，有关电能的转换、控制在该专业所占的地位日益重要，专业名称中的“自动化”就反映了该方面。本专业的专业范围主要包括电工基础理论、电气装备制造和应用、电力系统运行和控制三个部分。电工理论是电气工程的基础，主要包括电路理论和电磁场理论。这些理论是物理学中电学和磁学的发展和延伸。而电子技术、计算机硬件技术等可以看成是由电工理论的不断发展而诞生，电工理论是它们的重要基础。电气装备制造主要包括发电机、电动机、变压器等电机设备的制造，也包括开关、用电设备等电器与电气设备的制造，还包括电力电子设备的制造、各种电气控制装置、电子控制装置的制造以及电工材料、电气绝缘等内容。电气装备的应用则是指上述设备和装置的应用。电力系统主要指电力网的运行和控制、电气自动化等内容。当然，制造和运行不可能截然分开，电气设备在制造时必须考虑其运行，如电力系统由各种电气设备组成，其良好的运行必然要依靠良好的设备。电气自动化用于工业控制系统，例如一条设备怎样运行才能保证它能正常生产出合格的产品，现代工业不是全人工，靠人来操作，却是由机器来制作，启动机器，就会自己运行下去，机器之所以能自动运行，就是电气自动化，所谓电气自动化，就是利用继电器、感应器等电气元件实现顺序控制、时间控制的过程。其他如一些仪表或伺服电机，能根据外界环境的变化反馈到内部，从而改变输出量，达到稳定的目的。该专业的毕业生应获得以下几个方面的知识和能力：(1)掌握较扎实的数学、物理等自然科学的基础知识，具有较好的人文、社会科学和管理科学基础知识和外语综合能力；(2)系统掌握本专业领域必需的较宽的技术基础理论知识，主要包括电工理论、电子技术、信息处理、控制理论、计算机软硬件原理及应用、电力传动、电力系统自动化等；(3)获得较好的工程实践训练，具有熟练的计算机应用能力；(4)具有本专业领域内1或2个专业方向的专业知识与技能，了解本专业学科前沿和发展趋势；(5)具有较强的工作适应能力，具有一定的科学研究、科技开发和组织管理能力。电气工程及其自动化专业毕业的学生适应面宽，可在电气工程领域的各类部门(研究机构、高等院校、公司)以及计算机和自动化公司从事科研、教学、开发、工程设计和管理等工作。结合实际谈对电气工程技术的应用雷达伺服控制技术及其发展前景雷达技术雷达的一个标志，就是高高竖起的一块用金属制成的板，或一个天线架。如果把雷达比喻成“侦察兵”，那天线就是它的眼睛。雷达操作时，天线就要不停地转动。天线的作用是把雷达中产生的无线电波按照一定的方向向外发射出去，并把反射回来的无线电波接收下来。正因为天线所起的作用好像人的眼睛一样，所以雷达要注视和侦察整个天空的状况，天线就要不停地转动，用一个驱动马达使天线作360°的旋转，这样它就能在360° 范围内进行“搜索”。伺服控制的定义伺服控制概念的提法很多，其实概念的提法并不重要。为满足某种目的，产生运动和对物体运动进行控制是我们人类最重要的活动之一。所谓伺服控制指对物体运动的有效控制，即对物体运动的速度、位置、加速度进行控制。这种控制正在变得随处可见和越来越普遍。伺服系统的组成原理伺服系统是用来控制被控对象的某种状态(一般是转角和位移)，使其能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律。伺服系统组成框图如下图所示。它由检测装置(用来检测系统的输出信号)、放大装置、执行部件、信号转换电路和补偿装置以及相应的能源设备、保护装置、控制设备和其他辅助设备组成。伺服系统的控制方式从控制方式看，最常用的两种控制方式如下。1)按误差控制的系统如图4-2所示，按误差控制的系统由前向通道G(s)和负反馈通道F(s)构成，也称闭环控制系统。系统闭环传递函数为将系统输出速度v(或角速度)转变成电压信号Uf反馈到系统输入端，用输入信号U与Uf的差来控制系统。按误差控制的系统历史最长，应用也最广。2)按误差和扰动复合控制的系统按误差和扰动复合控制的系统采用负反馈和前馈相结合的控制方式，也称开环-闭环控制系统。其系统的传递函数为式中，B(s)代表前馈通道的传递函数。无论是速度伺服系统，还是位置伺服系统，都可以采用复合控制形式，它的最大优点是引入前馈B(s)后，能有效地提高系统的精度和快速响应，而不影响系统闭环的稳定性。如果撇开具体雷达中所采用的具体技术，那么可以认为，现代雷达系统一般由三部分组成：硬件、软件及外部接口(包括操作员)。雷达的各个分系统又可以包含其中一部分或几部分。下图示出了现代典型相控阵雷达的简化方块图。发展前景引言雷达伺服系统是雷达的重要组成部分,它对于发现目标、跟踪目标以及精确地测量目标的位置和其他参数都起着重要作用。特别是雷达伺服系统精度会直接影响雷达的测角精度。随着雷达技术的发展,对雷达伺服控制系统也提出了更高的要求。近年来,随着对自动控制理论研究的逐渐深入、电力电子技术的不断进步、计算机技术的高速发展、新型传感器件的大量涌现,使得雷达伺服驱动控制技术有了显著进步,现从以下几个方面谈谈雷达伺服控制技术新的发展和变化。1、从直流伺服驱动系统向交流伺服驱动系统的发展趋势20世纪以来,在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域,相当长的时期内几乎都是采用直流电气传动系统。随着电力电子学、微电子技术、现代电机控制理论和计算机技术的发展,为交流电气传动产品的开发创造了有利条件,使得交流传动逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能,并实现了交流调速装置的产品系列化,由于其良好的技术性能,取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。稀土永磁交流伺服系统是这类系统的代表,按照工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同,稀土永磁交流伺服电动机可分为两种基本的运行模式:一种是方波电流驱动的稀土永磁交流伺服电动机,另一种是正弦波驱动的稀土永磁交流伺服电动机。前者又称为稀土永磁无刷直流伺服电动机,简称方波电动机,后者又称为稀土永磁无刷交流伺服电动机或稀土永磁三相同步伺服电动机,简称正弦波电动机。这两种电动机的共同特点是:主要用于中小功率系统,电动机转子采用稀土永磁材料励磁,如钐钴(SmCo)合金、钕铁硼(NdFeB)合金等,使电动机体积和重量大为减小,结构简单、运行可靠、效率高、免维护是其重要特点,在性能上已达到甚至超过了直流伺服装置,而且在坚固性、可靠性等方面比直流伺服装置更优越。由于该系统众多的优点,使其在军事装备、工业机器人、数控机床等领域具备广阔的应用前景。2、从模拟伺服系统向数字伺服系统的发展趋势在一些国家的很多应用场合,数字伺服系统已经代替了模拟式伺服系统。在我国,数字伺服系统的研究已由实验室研究阶段步入应用阶段,在许多行业已批量生产,数字伺服系统在大多数应用场合取代模拟伺服系统将是必然趋势,产生这一趋势的原因如下:自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统技术的两个最主要依托。自动控制理论的高速发展,为数字伺服系统研制者提供了不少新的控制规律以及相应的分析和综合方法。计算机技术的飞速发展,为数字伺服系统研制者提供了实现这些控制规律的现实可能性。以计算机作为控制器、基于现代控制理论的伺服系统,其品质指标无论是稳态,还是动态都相应达到了前所未有的水平,比模拟式伺服系统高得多。计算机之所以能实现这些控制规律是由于它精度高、运算速度快、存储容量大、输入输出功能强以及具有很强的逻辑判断功能。所谓雷达伺服系统的数字化,就是将计算机(主要是微处理机)作为雷达伺服系统的一个环节来进行系统的控制。过去在研制雷达伺服系统时,初步设计后,一般需要建立和实物相近的试验台(至少是缩小比例的试验台),反复进行调整试验来达到系统指标。这样做,需要大量的硬件,因此研制周期很长。如果运用一些专用的程序,进行计算机仿真,不仅能够大大节约时间,节省大量的专用试验设备,而且还能够在众多的方案中找到最佳设计。由于计算机、大规模集成电路的飞速发展,计算机的性能不断提高,价格迅速下降,16位、32位微处理机逐渐普及,为雷达伺服系统数字化提供了物质基础。伺服系统中数字计算机主要完成的工作包括通过软件来实现正割、PID等各种补偿,进行方位和俯仰位置环、速度环的闭合工作状态的转换;变带宽、改变系统的型次(例如一阶无静差系统和二阶无静差系统的相互转换);变增益、消摆;进行滤波、预测、提供精确的雷达输出数据来实现复合控制、最优控制等等。采用数字计算机后,对于提高测角系统的测角精度,提高伺服系统的精度,提高自动化程度、减少操纵人员,缩短雷达的反应时间;减少硬件装置、提高可靠性、可维护性;对雷达适应不同用户需要而应具有的灵活性等方面具有重要意义。雷达伺服系统数字化以后,会带来一系列无法比拟的优点,而成为雷达伺服技术发展的重要方向。预计不久的将来,大部分雷达将采用计算机控制。3、从经典传统伺服控制向现代伺服控制的发展趋势多少年来一直沿用古典理论来进行雷达伺服系统的分析与设计,并为广大技术人员所掌握,无疑这是一种有力的工具,今后仍将被广泛使用。但是,60年代前后发展起来的现代控制理论适应计算机的发展,具有许多古典理论难以比拟的优点,随着计算机技术的发展,现代控制理论在雷达伺服系统中将得到广泛的应用。现代控制理论中的重要部分——线性系统、最优控制、卡尔曼滤波、系统辨识等重要理论都是分析、设计雷达伺服系统的新的重要工具。众所周知,在分析和设计系统时,首先必须建立数学模型。应用古典理论来分析伺服系统时,一般根据牛顿定律、基尔霍夫定律等基本定律来建立雷达伺服系统的数学模型。但是由于许多因素难以一一考虑,许多参数难以精确确定,这种数学模型常常不能很好地反映系统的实际情况,有时甚至会得出错误的结论;若根据系统的输入——输出,应用系统辨识的方法,便有可能建立更加符合实际而又比较简单的数学模型,但这种数学模型必须通过动力学理论进行严格推导,要使输入、输出关系得到良好的拟合。应用现代控制理论中的独特技术,对于提高雷达的轴角精度、提高伺服系统的精度具有重要意义。在雷达测角系统中采用滤波和数字技术将滤波和伺服两者分离,使整个系统由一个窄频带的接收滤波部分和一个宽频带的伺服驱动部分组成,前者提供精确的雷达输出数据,后者只承担对目标的指向跟踪,则可大大提高伺服系统的精度。这种方法就是人们所说的计算机辅助跟踪。当所用的滤波器是最优滤波器时,还可实现最优控制。4、向更高精度发展的趋势位置测量元件是闭环控制系统中的重要部件,它的作用是检测位移并发出反馈信号,一个设计完善的闭环伺服系统,其定位精度和测量精度主要由检测元件决定,因此高精度伺服系统对测量元件的质量要求是相当高的。在国内,以前雷达伺服系统测角元件主要使用旋转变压器或电感移相器,为了提高精度常常采用粗精双通道组合编码的方式,常见的有机械传动的粗精组合和电气变速的粗精组合(多极旋转变压器或电感移相器),通过粗精组合后的测角精度可以达到几个角秒左右,由于受到器件本身制造工艺的限制,用此种方法的测角精度很难进一步提高了。模拟测速元件则主要采用测速发电机,我们知道测速发电机的测速精度一般只能达到千分之几的水平,而且还存在纹波,另外其工作在较高的转速时,还得考虑非线性问题,随着光电技术和加工技术的提高,光电式编码器的制造精度越来越高,甚至可以达到零点几角秒的程度,由于编码器精度的提高,为我们更精确地测量伺服系统的位置、速度等参数提供了有利条件。在雷达扫描线稳定装置中,随着陀螺研制、制造水平的提高,动力调谐陀螺、液浮陀螺、气浮陀螺、压电陀螺精度的进一步提高,光纤陀螺、激光陀螺等新型陀螺的使用,伺服系统对雷达的稳定精度也有了很大的提高。另外,如