开环直流调速控制系统方案
非线性大作业—直流电动机调速系统的建模与控制系统的设计
3、PBH秩判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是，对矩阵A的所有特征值 均成立， （ ）或等价地表示为 ， 也即（SI-A）和B是左互质的。
4、PBH特征向量判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是A不能有与B的所有列相正交的非零左特征向量。也即对A的任一特征值，使同时满足 ， 的特征向量 。
所谓最优控制，就是根据建立的系统的数学模型，选择一个容许的控制规律，在一定的条件下，使得控制系统在完成所要求的控制任务时，使某一指定的性能指标达到最优值、极小值或极大值。本文利用线性二次型最优调节器(LQR）方法对移动高架吊车进行最优控制。控制目的是使移动高架吊车能在不平衡点达到平衡，并且能够经受一定的外加干扰[8]。
能控性的直观讨论：
从状态空间的角度进行讨论：输入和输出构成系统外部变量,状态为系统内部变量。能控性主要看其状态是否可由输入影响。每一个状态变量的运动都可由输入来影响和控制,由任意的始点到达原点,为能控,反之为不完全能控。具体来说就是指外加控制作用u(t) 对受控系统的状态变量x(t)和输出变量y(t)的支配能力，它回答了u(t)能否使x(t)和y(t)作任意转移的问题。
3.1.2能控性判据
我们利用线性系统的能控性判据来判断其能控性。
设线性定常系统状态方程为：
（1）
1、格拉姆矩阵判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是，存在时刻，使如下定义的格拉姆（Gram）矩阵 为非奇异。
其中，该判据的证明用到了范数理论中的矩阵范数，在此不再赘述。
2、秩判据
线性定常系统（1）为完全控的充分必要条件是 ，
2 直流电动机调速系统数学模型的建立
直流电机开环调速系统工作原理
直流电机开环调速系统工作原理1. 什么是直流电机？直流电机，顾名思义，就是那种靠直流电供电的电机。
就像我们日常生活中常见的玩具车、电风扇一样，这些电机在我们生活中可谓是随处可见。
它们能把电能转化为机械能，帮我们完成各种各样的工作。
而开环调速系统，听上去很高大上，但其实就是一种简单的控制方式。
它不像闭环控制那样复杂，所以咱们今天就来聊聊这个“简单明了”的开环调速系统到底是怎么工作的。
2. 开环调速系统的基本原理2.1 电机与电源的关系直流电机的运行离不开电源。
就像人需要吃饭才能有力气一样，电机也需要电源才能转动。
开环调速系统主要是通过调节电机供电电压来实现转速的变化。
简单来说，就是你把电压调高，电机转得快；调低，转得慢。
这个过程就像是给一辆车加油，油加得多，车跑得快，油加得少，车就慢吞吞的。
2.2 转速的变化转速变化的原理其实很简单。
当你给电机输入不同的电压时，电流也会随之改变。
电流越大，产生的磁场越强，电机转动得也就越快。
就像小朋友们在游乐场上玩秋千，推得越用力，秋千摆得越高，乐趣也就越多。
而电机转速的变化也能影响到它的输出功率，就像我们跑步的速度不同，消耗的体力也不一样。
3. 开环调速系统的优势与局限3.1 优势开环调速系统的最大好处就是简单易用，成本低。
对于一些不需要精确控制转速的场合，比如说风扇、玩具车，开环系统就像一位好管家，负责把电源和电机的关系打理得妥妥当当，省去不少麻烦。
而且，系统的设计也比较简单，不需要太多复杂的传感器和控制器，这样可以大大降低维护成本，简直就是一劳永逸。
3.2 局限不过，开环调速系统也有它的不足之处。
最大的局限在于它缺乏反馈机制。
想象一下，如果你的车子没有速度表，你怎么知道自己开得快还是慢？开环系统在负载变化时，无法实时调整电机的转速，可能导致转速不稳定，尤其是在负载变化较大的情况下，电机可能会出现过载或运行不平稳的情况。
这就像一场马拉松，选手们虽然都拼劲十足，但如果没有教练的实时指导，很可能会出现偏离轨道的情况。
开环直流调速控制系统与仿真
《计算机仿真及应用B》答卷学号：姓名：班级：任课老师：开环直流调速控制系统的仿真1、开环直流调速控制系统的组成开环控制系统是根据给定的控制量进行控制，而被控制量在整个控制过程中对控制量不产生任何影响。
对于被控制量相对于其预期值可能出现的偏差，开环控制系统不具备修正能力。
而直流调速开环控制系统通常是采用调节电枢电压方案，具体实现在20世纪60年代晶闸管整流器的应用而采用由晶闸管整流器和电动机（V-M ）系统实现开环或闭环控制调速系统。
2、开环直流调速控制系统仿真（1）基于数学模型的开环直流调速系统仿真。
①开环直流调速控制系统数学模型。
开环直流调速控制系统主要包括给定信号、晶闸管触发装置及整流环节、平波电抗器和直流电动机等4个环节。
这里所说的基于数学模型的系统仿真主要是指基于传递函数的matlab 下的Simulink 下的实现，再通过机理法可以建立开环直流调速控制系统动态结构图，如图1-1所示。
然后，根据系统I 直接给出各个环节的传递函数及参数。
可以得到系统I 开环控制的动态结构图，如图1-2所示。
②开环直流调速系统仿真实现。
图1-1 开环直流调速控制系统动态结构图图1-2 系统I 的开环系统动态结构图根据系统I 的开环系统动态结构图及其参数值，在matlab 的Simulink 环境可以轻松的建立系统的仿真结构，如图1-3所示。
电动机的转速输出动态曲线，如图1-4所示。
I L (S) — n(s) U *n (s) 一 1/R a T d S+1 R a C e T m SC e K s T s S+1 U d (s) I d (s) I L (S) — n(s) U *n (s) 一1/0.08 0.025s+1 0.08 0.185×0.8s 0.185 23 0.0017s+1 U d (s) I d (s)图1-3 系统I仿真模型图1-4 电动机转速输出曲线通过改变给定信号的大小，来实现对电机输出转速的控制与调节的目的。
直流电动机开环调速系统仿真
直流电动机开环调速系统仿真随着电动机在工业、交通等领域的广泛应用，开发一种高效可靠的电动机控制系统对于提高整个工业的精度和效率至关重要。
其中，直流电动机开环调速系统是电动机控制系统中的一种基础环节，其使得直流电动机能够以合适的速度运行，完成工作任务。
一、调速系统的基本原理1. 直流电动机的基本结构与原理直流电动机由定子、转子、刷子、通电电源四个基本部分组成，其中，定子上包覆绕组，绕组所带的电流受到直流电源的控制，与转子上的永磁体受到的作用力相互作用，产生电动力和电磁力，从而使转子旋转。
2. 直流电动机的调速根据直流电动机的转矩-速度特性曲线可知，直流电动机的转速与电极数、电流和电磁力等因素密切相关。
因此，通过控制直流电动机的电流大小，可以达到调节直流电动机转速的目的。
直流电动机开环调速系统主要由电动机本体、电流传感器、减速器以及驱动器等基本组成部分组成。
其中，电流传感器用于检测电动机电流的大小，而驱动器则输出一定的电压或电流，控制直流电动机的运行。
二、仿真实现1. 基本仿真模型基于MATLAB/Simulink软件建立的直流电动机开环调速系统仿真模型主要由瞬时电压、转速检测、控制逻辑、直流电机、直流电阻负载以及电流检测等组成，实时进行电磁转矩的计算，最终得到直流电机的运动状态，从而实现调速功能。
2. 仿真分析通过此仿真模型，我们可以得到直流电动机的运行状态，理解不同负载下的转矩-转速特性曲线以及电流在不同转速下的变化，从而通过调节电流、电压等参数，以达到理想的调速效果。
三、结论直流电动机的开环调速系统是一个重要的电动机控制系统组成部分，其能够有效地提高电动机的自动控制能力，大大提升了直流电动机的工作效率和精度。
本文通过介绍直流电动机调速系统的基本原理和仿真实现，为电动机控制系统研究和开发提供了参考和借鉴，对推动整个行业智能化和自动化发展具有重要意义。
开环直流调速系统方案
电气测量综合控制系统设计报告设计名称：直流电动机开环调速系统仿真姓名：田雪峰学号： 20134680专业班级：自动化13-02 指导教师：侯淑萍、勇系（院）：信息工程学院设计时间： 2016.05.22~2016.06.03 课程设计成绩评定表（在相应栏目打√）评价项目评价质量优秀良好一般及格不及格工作量和态度实验、计算可靠性文字和图表质量总体评价目录1 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1.1 技术数据．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1.2 设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 开环系统直流调速系统的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.1开环直流调速系统的组成与原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.2开环直流调速系统的静特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.3开环直流调速系统的稳态结构图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2.4开环直流调速系统的数学模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 开环系统直流调速系统的硬件电路设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.1晶闸管整流电路及保护电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.2触发控制电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.3系统给定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.4检测电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 转速、电流调节器的设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4.1电流调节器的设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4.2转速调节器的设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 开环直流调速系统仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 设计心得体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．附录：开环直流调速系整体电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 绪论1.1技术数据1.1.1开环控制的作用开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，不具备自动修正的能力。
第二章 直流开环调速系统总结
（a）线路；(b)电流断续时工作波形；(c)电流断续状况得到改善的工作波形；(d)电流连续时工作波形
2.2 晶闸管脉冲相位控制调速系统(V-M)
图2.7 V-M系统机械特性 图2.8 三相零式电路输出电压和电流波形图
（a)电流断续更严重时工作波形； （b)电流断续时工作波形； (c)电流连续时工作波形；
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
3.晶闸管脉冲相位 控制可逆传动系统 可逆系统组成 环流的产生及大小
图2.9 两组晶闸管反并联可逆线路
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
三相桥式可逆系统线路
图2.10 三相桥式可逆线路
（a)反并联线路；(b)交叉连接线路
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
1.晶闸管变流装置的传递函数
U d ( s) K s eTs s U ct ( s)
（2.2）
图2.16 晶闸管触发变流装置的失控时间
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
1.晶闸管变流装置的传递函数
U d ( s) K s eTs s U ct ( s)
Ud RI d LdI d / dt E
（2.6）
（2.7） （2.8） 图2.17 直流电机等效电路
Te TL (GD2 / 375)dn / dt
E Cen
Te Cm I d
（2.9）
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
2.电动机的传递函数（电流连续）
U d ( s) ( Ls R) L( s) E ( s) Te ( s) TL ( s) (GD 2 / 375) sn( s) E ( s) Ce n( s ) Te ( s) Cm I d ( s)
开环直流调速系统.
(对δ一般要求时)
电枢串电阻调速 基速以下 约2 差 差
初投资少，电能损耗大 对调速要求不高的场合 适于恒转矩负载配合
调电压调速 基速以下 约10~12 好 好
初投资多，电能损耗少 对调速要求高的场合 适于恒转矩负载配合
弱磁调速 基速以上 1.2~2（一般电动机） 3~4 （特殊电动机） 较好 好
(3) 电枢反接制动电阻的计算 反接制动过程开始瞬间，电枢 电流的大小与电枢回路总电阻成反比，所串的电阻Rrb 越小， 电 枢电流越大，为使制动时最大电流不超过允许值，应使反接制动 电阻Rrb 为 U N Ea Rrb Ra （4-18） I N 当制动初始转速大于nN 时，可用下列近似公式计算Rrb ，即
工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性 曲线变软。
n n0
n3 n2 n1 nN
N 1 2 3
O
TL
调磁调速特性曲线
Te
他励直流电动机的调速
表4-1 他励直流电动机调速方法的性能比较
n
KM1 KM
他励直流电动机的制动
+
Us a U
KM KM2
+ M
Uf
B 2 -TL O
A
1
_
KM KM1
Reb
_
TL
Te
a) 图 他励直流电动机的能耗制动
a) 控制电路原理图 b) 能耗制动过程
b)
他励直流电动机的制动
1. 能耗制动过程
(1) 能耗制动的机械特性 将U = 0、Φ = ΦN，R = Ra+Reb代入 他励直流电动机机械特性方程式，可得能耗制动时的机械特性
直流电机调速控制系统设计
直流电机调速控制系统设计1.引言直流电机调速控制系统是一种广泛应用于工业生产与生活中的电气控制系统。
通过对直流电机进行调速控制，可以实现对机械设备的精确控制，提高生产效率和能源利用率。
本文将介绍直流电机调速控制系统的设计原理、控制策略以及相关技术。
2.设计原理直流电机调速控制系统的基本原理是通过调整电压或电流来改变电机的转速。
在直流电机中，电压和电流与转速之间存在一定的关系。
通过改变电压或电流的大小，可以实现对电机转速的调节。
为了实现精确的调速控制，通常采用反馈控制的方式，通过测量电机转速，并与设定值进行比较，控制输出电压或电流，以达到期望的转速。
3.控制策略开环控制是指在没有反馈的情况下，直接控制输出电压或电流的大小，来实现对电机转速的调节。
开环控制的优点是简单、成本低，但缺点是无法考虑到外界的扰动和电机的非线性特性，使得控制精度较低。
闭环控制是指在有反馈的情况下，测量电机转速，并与设定值进行比较，控制输出电压或电流。
闭环控制的优点是能够考虑到外界的扰动和电机的非线性特性，提高控制精度。
常用的闭环控制策略有PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
其中，PID控制是最为常用的一种控制策略，具有调节速度快、控制精度高的优点。
4.相关技术在直流电机调速控制系统的设计中，还需要用到一些相关的技术，如编码器、传感器和驱动器等。
编码器是一种测量旋转角度和速度的装置，可以用来测量电机的转速。
根据编码器的测量结果，可以对电机进行控制。
传感器可以用来检测电机的电流、电压和转速等参数，以获得电机的实时状态。
通过对这些参数的测量和分析，可以实现对电机转速的控制。
驱动器是将控制信号转换为电机运行的电路，可以根据输入的电压或电流信号控制电机的运行状态。
5.总结直流电机调速控制系统是一种重要的电气控制系统，可以实现对机械设备的精确控制。
在设计过程中，需要合理选择控制策略和相关技术，以实现期望的控制效果。
通过不断的研究和实践，可以进一步提高直流电机调速控制系统的性能和稳定性，满足不同领域的需求。
开环直流调速控制系统
一、绪论直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。
在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。
晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。
尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。
但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。
现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。
长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。
以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。
因此产生了各种仿真算法和仿真软件。
MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。
它有效的解决了以上仿真技术中的问题。
在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。
另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。
Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型， Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。
传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。
随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。
它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。
开环直流调速系统
实验一开环直流调速系统一、实验目的1．了解晶闸管直流调速系统实验装置的组成。
2．熟悉直流调速系统的组成及基本结构。
3．掌握晶闸管直流调速系统参数及开环系统调速特性的测定。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理图1-1是最简单的晶闸管—直流电动机开环调速系统。
其中，U C是系统的给定输入信号，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使外界交流电源整流出直流电压U do供给直流电动机，使电动机以一定的速度旋转。
改变控制电压U C就可触发器的脉冲控制角及整流电压U do，相应改变电动机的转速，从而达到调速的目的。
这时电动机的机械特性为：n n C R I U C KC R I U K C R I U n o e d c e tr e d c tr e d do ∆-=-=-=-=∑∑∑φφφφ （6-1）其中 φe d C R I n ∑=∆ ——系统的开环稳态速降。
开环系统当给定输入信号一定时，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使交流电源整流出直流电压U do 也是恒定的，电动机就以恒定的速度旋转。
但当外界有扰动（例如负载波动）时，转速就有较大的波动，而开环系统不能自动进行补偿四、实验内容(1)学习DJK01“电源控制屏”的使用方法。
(2)DJK04上的基本单元的调试。
(3)U c 不变时直流电动机开环特性的测定。
(4)U d 不变时直流电动机开环特性的测定。
五、预习要求(1)复习自动控制系统(直流调速系统)教材中有关晶闸管开环直流调速系统、闭环反馈控制系统的内容。
图1-1 开环直流调速系统(2)根据实验原理图，能画出实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。
六、实验方法(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。
②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。
直流电机调速控制系统设计
成绩电气控制与PLC课程设计说明书直流电机调速控制系统设计.Translate DC motor speed Control system design学生王杰学号学院班级信电工程学院13自动化专业名称电气工程及其自动化指导教师肖理庆2016年6月14日目录1 ××11.1 ××××××11.1.1 ××××错误!未定义书签。
1.1.2 ××××1……1.2 ××××××11.2.1 ××××8……2 ×××××82.1 ××××××102.1.1 ××××10……3 ×××××123.1 ××××××123.1.1 ××××12……参考文献13附录14附录114附录2141 直流电机调速控制系统模型1.1 直流调速系统的主导调速方法根据直流电动机的基础知识可知，直流电动机的电枢电压的平衡方程为：R I E U a +=式(1.1)公式中：U 为电枢电压；E 为电枢电动势；R I a 为电枢电流与电阻乘积。
由于电枢反电势为电路感应电动势，故：n C E φe =式(1.2)式中：e C 为电动势常数；φ为磁通势；n 为转速。
由此得到转速特性方程如下：φe a C R I U /)(n -=式(1.3)由式（1.3）可以看出,调节直流电动机的转速有以下三种方法：1.改变电枢回路的电阻R ——电枢回路串电阻调速。
直流开环调速系统课设
中南大学电力电子技术课程设计题目：直流开环调速系统专业：电气工程及其自动化班级：学号姓名：指导老师：前言此次课程设计的要求，是完成直流开环调速系统的设计。
从电网里供给的电流，经过整流变压器后，再进行整流，使得三相交流电变成三相直流电，供给电动机。
电路的设计以此调速系统的安全可靠为目标，除了完成必要的调速功能，对于系统的开关时刻所产生的过电压和过电流，均采取措施来抑制以保证电路的安全稳定性。
在此系统中，采用晶闸管整流，整流电路采用三相桥式全控整流，其六脉波整流方式能够使波形更加平稳。
过电压保护采用RC过电压抑制电路，过电流保护采用快速熔断器。
在实际情况下，脉动电流会增加电机的发热，同时产生脉动转矩，对电动机不利。
所以，我还设置了一个平坡电抗器才抑制电流脉动。
另外，作为电力电子主电路和控制电路的接口的电力电子器件的驱动电路，对于晶闸管这类半控型器件，采用电流驱动，只需要提供开通信号。
这里，采用磁隔离将控制电路和主电路隔离开来，同时有脉冲的放大和输出环节的触发电路。
这个系统虽然提供了很多防止开断过电流过电压的控制方法，但是在实际运用的过程中仍然有很多不足。
同时也没有指出具体的控制电路的设计方法。
文内各种不足和错误，殷切期望老师批评指正。
目录1引言 (4)2 直流开环调速系统原理和总体设计 (5)2.1 原理 (5)2.2 系统总体方案设计 (6)3 主电路设计 (7)3.1 整流电路 (7)3.2 整流变压器 (8)3.3驱动触发电路 (8)3.4 保护电路 (12)4 电路参数计算 (13)4.1晶闸管的选取 (13)4.2 变压器的参数及容量 (14)4.3 滤波电容的选择 (14)4.4 续流二极管的选择 (15)4.5 平波电抗器的计算 (15)5 总结和体会 (15)1引言以前的直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成。
控制系统的硬件非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活，调试困难，阻碍电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
电机速度开环控制和闭环控制
电机速度开环控制和闭环控制实验三⼗三电机速度开环控制和闭环控制（⾃动控制理论—检测技术综合实验）⼀、实验原理1．直流电机速度的控制直流电机的速度控制可以采⽤电枢回路电压控制、励磁回路电流控制和电枢回路串电阻控制三种基本⽅法。
三种控制⽅式中，电枢电压控制⽅法应⽤最⼴，它⽤于额定转速以下的调速，⽽且效率较⾼。
本实验采⽤电枢控制⽅式，如图33-1 所⽰。
本实验装置为⼀套⼩功率直流电机机组装置。
连接于被控制电机的输出轴的是⼀台发电机，发电机输出端接电阻负载，调节电阻负载即可调节被控制电机的输出负载。
发电机输出电压E图33-1 直流电机速度的电枢控制⽅式兼作被控电机速度反馈电压。
2．开环控制和闭环控制由⾃动控制理论分析可知，负载的存在相当于在控制系统中加⼊了扰动。
扰动会导致输出（电机速度）偏离希望值。
闭环控制能有效地抑制扰动，稳定控制系统的输出。
闭环控制原理⽅框图如图33-2。
当积分环节串联在扰动作⽤的反馈通道（即扰动作⽤点之前）时，即成为针对阶跃扰动时的I 型系统，能消除阶跃信号扰动。
图33-2 直流电机速度的闭环控制原理⽅框图采⽤积分环节虽然能⼀定程度上消除系统的稳态误差，但是却对系统的动态性能（超调量、响应时间）和稳定性产⽣不利影响。
因此需要配合进⾏控制器的设计和校正（采⽤根轨迹设计⽅法或频域设计⽅法）。
此外，在扰动可以测量的情况下，采⽤顺馈控制也能有效地对扰动引起的跟踪误差进⾏补偿，减轻反馈系统的负担，见图 33-3。
cDREG 1 G C图 33-3 反馈＋顺馈控制⽅式消除扰动引起的误差式中： G 1= G 1 (s ) 为控制器传递函数，也是扰动输⼊时的反馈通道传递函数；G 2 = G 2 (s ) 为被控对象（本实验中即被控直流电机）的传递函数； G c = G c (s ) 为顺馈控制通道传递函数； R 为指令输⼊，即希望的电机速度；C 为输出被控量，即被控电机的输出速度； E 为系统的稳态误差；D 为系统的扰动输⼊，即电机的负载。
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一、绪论直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。
在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。
晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。
尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。
但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。
现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。
长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。
以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。
因此产生了各种仿真算法和仿真软件。
MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。
它有效的解决了以上仿真技术中的问题。
在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。
另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。
Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型， Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。
传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。
随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。
它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。
调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛。
二、开环直流调速控制系统组成及原理 2.1直流电机调压调速原理直流电动机的稳态转速:n ——转速（r/min ）； U ——电枢电压（V ）； I ——电枢电流（A ）； R ——电枢回路总电阻(Ω）； Ce ——电动机在额定磁通下的电动势系数。
调节直流电动机转速的方法有： （1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。
自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
工作条件： 保持励磁 Φ = ΦN ； 保持电阻 R = Ra 调节过程：改变电压 U N → U ↓；U ↓ →n ↓； n 0 ↓ 调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移，见图1。
图1 调压调速特性曲线2.2晶闸管整流器-电动机系统组成及原理图2给出了晶闸管—电动机调速系统（V —M 系统）的原理图，图中VT 是晶闸管可控整流器，GT 是触发器，L 是平波电抗器，M 是直流电动机，给定信号Uc 能控制GT 触发器的触发角度，从而控制整流器VT 的整流输出电压值，达到控制电机调速的目的。
eU IR n C -=图2 晶闸管—电动机调速系统电气原理图2.3直流电动机开环调速系统仿真的原理直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc 调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。
该系统的仿真模型如图3所示。
在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供。
图3 直流开环调速系统电气原理任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。
例如，最高转速与最低转速之间的围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。
归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：(1) 调速。
在一定的最高转速和最低转速围，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。
(2) 稳速。
以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。
(3) 加、减速。
频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
标合称调速系统的稳态性能指标。
(1) 调速围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速围，用字母D 表示，即m inm ax n n D =其中，和一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。
(2) 静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率S ，即n n s N∆=显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。
它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。
一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
由此可见，调速围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。
在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。
如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。
因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。
(3) 直流变压调速系统中调速围、静差率和额定速降之间的关系在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速，若额定负载下的转速降落为，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即NNN n n n n n s ∆+∆=∆=min min 0 于是，最低转速为()sn s n s n n N N N∆-=∆-∆=1min 而调速围为min min max n n n n D N==将上面的式代入，得()s n sn D N N -∆=1上式表示变压调速系统的调速围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。
对于同一个调速系统，值一定，由上式可见，如果对静差率要求越严，即要求S 值越小时，系统能够允许的调速围也越小。
三、 数学模型建立与动态结构图 3.1晶闸管传递函数)(10s ct s d T t U K U -⋅=利用拉氏变换的位移定理，可求出晶闸管触发器与整流器的传递函数为s T s ct d s s e Ks U s U s W -==)()()(0 由于上式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。
为了简化，将该指数函数按泰勒（Taylor ）级数展开，则变成++++===-3322!31!211)(s T s T s T K e K e K s W ss s ss T s s T s s s s 考虑到很小，因而可忽略高次项，则传递函数便近似成为一阶线性环节。
sT K s W s ss 1)(+≈3.2 直流电动机数学模型他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如图5所示。
图4 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路假定主电路电流连续，动态电压方程为：E dtdI LRI U dd d ++=0 电动机轴上的动力学方程：dtdnGD T T L e 3752=-额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为： ——包括电动机空载转矩在的负载转矩，2GD ——电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量，e m C C π30=——电动机额定励磁下的转矩系数，me m C C RGD T 3752=——电力拖动系统机电时间常数。
在零初始条件下，取拉氏变换，得电压与电流间的传递函数为011()()()1d d I s R U s E s T s =-+电流与电动势间的传递函数为()()d m E s RI s T s =(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图(c ）直流电动机的动态结构框图图5 额定励磁下直流电动机的动态结构框图直流电动机的输入量：施加在电枢上的理想空载电压Ud0，是控制量。
3.3 V-M 开环调速系统的动态结构图 V-M 开环调速系统的动态结构图如图6所示。
图6 V-M 开环调速系统的动态结构图四、 电路仿真 4.1 仿真原理图图4.1 直流电动机开环调速系统仿真结构框图4.2全压启动电动机的转速，转矩和电流的变化情况图4.2 全压启动转速变化情况图4.3 全压启动电流变化情况图4.4 全压启动转矩变化情况4.3全压启动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变化情况图4.5 全压启动后加额定负载时电动机的转速变化情况图4.6 全压启动后加额定负载时电动机的电流变化情况图4.7 全压启动后加额定负载时电动机的转矩变化情况五、总结本课程的课程设计是在学习完《电力拖动自动控制系统》课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,培养应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。
熟悉电力拖动自动控制系统基本知识及Matlab仿真软件。
我通过这次的锻炼学到了很多的东西, 不仅锻炼了自己的思考能力、计算能力、绘图能力，还锻炼了综合运用知识的能力，不仅了解电动机如何调速，而且也会运用计算，直到如何选用适当的电动机。
同时，我也是在这次课程设计中看到了自己的不足，我还有许多未知的知识要学，直到学海无涯，知道了今后需要更加努力，使自我能够不断更加完善。
通过这次的课程设计的锻炼，我学到了很多的东西，可以说是收益非浅。
知识就是力量，我会不断充实自我，用知识武装自我，做个有用的人！六、参考文献[1] 伯时. 电力拖动自动控制. ：机械工业，2008[2] 信康，兴瑶. 电力传动控制系统原理与应用. ：水利水电，1985[3] 周德泽. 电气传动控制系统的设计. ：机械工业，1989[4] 林瑞光. 电机与拖动基础. ：大学，2007[5] 华德. 电力拖动控制系统 . ：电子工业，2006[6] 阎治安，新艺，少平. 电机学. ：交通大学，2006[7] 亮，鹏. 自动控制原理. ：工业大学，2006[8] 王兆安，黄俊. 电力电子技术. ：机械工业，2004. . . .. . . . 目录一、绪论 (1)二、开环直流调速控制系统组成及原理 (2)2.1直流电机调压调速原理 (2)2.2晶闸管整流器-电动机系统组成及原理 (2)2.3直流电动机开环调速系统仿真的原理 (3)三、数学模型建立与动态结构图 (4)3.1晶闸管传递函数 (4)3.2 直流电动机数学模型 (5)3.3 V-M开环调速系统的动态结构图 (6)四、电路仿真 (6)4.1 仿真原理图 (6)4.2全压启动电动机的转速，转矩和电流的变化情况 (7)4.3全压启动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变化情况 (9)五、总结 (10)六、参考文献 (10)。