单闭环直流调速
单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是一种常见的控制系统，用于控制直流电机的转速。
以下是单闭环直流调速系统的基本组成和工作原理：
基本组成：
1. 直流电机：负责将电能转换为机械能。
2. 编码器或传感器：用于测量电机的实际转速。
3. 控制器：通常使用PID控制器，根据实际转速和设定转速之间的误差进行调节。
4. 功率放大器：将控制器输出的信号放大后送至电机，控制电机的转速。
工作原理：
1. 测量阶段：编码器或传感器测量电机的实际转速，并将这个信息反馈给控制器。
2. 比较阶段：控制器将实际转速与设定的目标转速进行比较，计算出误差值。
3. 控制阶段：根据误差值，控制器通过PID算法计算出控制信号，控制电机的转速。
4. 执行阶段：功率放大器根据控制信号控制电机的转速，使实际转速逐渐接近设定转速。
调速过程：
-如果实际转速低于设定转速，控制器会增加电机的供电，使电机加速。
-如果实际转速高于设定转速，控制器会减小电机的供电，使电机减速。
-控制器通过不断地调整电机的供电，使得实际转速稳定在设定的目标转速附近。
通过单闭环直流调速系统，可以实现对直流电机转速的精确控制，广泛应用于工业生产中的传动系统、自动化设备等领域。
单闭环直流调速电路
单闭环直流调速电路
单闭环直流调速电路是一种用于调整电机转速的电路。
它的基本原理是通过改变电机的电压或电流来调整电机的转速。
该电路由两个闭环组成：电压反馈环和转速反馈环。
在电压反馈环中，电路通过测量电机的输出电压来调整电机的电压。
当输出电压高于设定值时，电路会降低电机的电压，使输出电压回到设定值。
当输出电压低于设定值时，电路会增加电机的电压，使输出电压回到设定值。
这样就可以实现对电机输出电压的精确控制。
在转速反馈环中，电路通过测量电机的转速来调整电机的电压或电流。
当转速低于设定值时，电路会增加电机的电压或电流，以提高电机的转速。
当转速高于设定值时，电路会降低电机的电压或电流，以降低电机的转速。
这样就可以实现对电机转速的精确控制。
单闭环直流调速电路可以应用于许多场合，如工业生产、交通运输等领域。
它可以提高电机的效率和运行稳定性，同时降低电机噪声和损耗，从而提高设备的运行效率和寿命。
单闭环直流调速系统实验报告
单闭环直流调速系统实验报告单闭环直流调速系统实验报告一、引言直流调速系统是现代工业中常用的一种电机调速方式。
本实验旨在通过搭建单闭环直流调速系统，探究其调速性能以及对电机转速的控制效果。
二、实验原理单闭环直流调速系统由电机、编码器、电流传感器、控制器和功率电路等组成。
电机通过功率电路接受控制器的指令，实现转速调节。
编码器用于测量电机转速，电流传感器用于测量电机电流。
三、实验步骤1. 搭建实验电路：将电机、编码器、电流传感器、控制器和功率电路按照实验原理连接起来。
2. 调试电机：通过控制器设置电机的运行参数，如额定转速、最大转矩等。
3. 运行实验：根据实验要求，设置不同的转速指令，观察电机的响应情况。
4. 记录实验数据：记录电机的转速、电流等数据，并绘制相应的曲线图。
5. 分析实验结果：根据实验数据，分析电机的调速性能和控制效果。
四、实验结果分析1. 转速响应特性：通过设置不同的转速指令，观察电机的转速响应情况。
实验结果显示，电机的转速随着指令的变化而变化，且响应速度较快。
2. 稳态误差分析：通过观察实验数据，计算电机在不同转速下的稳态误差。
实验结果显示，电机的稳态误差较小，说明了系统的控制效果较好。
3. 转速控制精度：通过观察实验数据，计算电机在不同转速下的控制精度。
实验结果显示，电机的转速控制精度较高，且随着转速的增加而提高。
五、实验总结本实验通过搭建单闭环直流调速系统，探究了其调速性能和对电机转速的控制效果。
实验结果表明，该系统具有较好的转速响应特性、稳态误差较小和较高的转速控制精度。
然而，实验中也发现了一些问题，如系统的抗干扰能力较弱等。
因此，在实际应用中，还需要进一步优化和改进。
六、展望基于本实验的结果和问题，未来可以进一步研究和改进单闭环直流调速系统。
例如，可以提高系统的抗干扰能力，提升转速控制的稳定性和精度。
同时，还可以探索其他调速方式，如双闭环调速系统等，以满足不同的工业应用需求。
直流调速系统单闭环
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
结论： 1. 单闭环有静差晶闸管直流调速系统的动态稳定性
单闭环直流调速系统 -- 一般概念
对主电路微分方程右侧在相同区间积分;有：
1
2
6623EidRLddtiddt
3
式中方括号内;
第一项平均值为：E = Cen = Cen ； 第二项平均值为：IdR ； 第三项平均值为：零;
单闭环直流调速系统 -- 一般概念
因此得到： 1.17U2cosCenIdR n1.17U2cosIdR
(1K) (1K)
1K
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
闭环系统特征方程即为：
T m T T ss3 T m (T T s)s2 T m T ss 1 0 1 K 1 K 1 K
应用劳斯稳定判据可以得到系统的动态稳定条件：
KTm(TTs )Ts2 TTs
式中右侧即为系统临界放大系数 Kcr ;
nminnmin nN(1s)
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
在假设忽略各种非线性因素等条件下;系统中各环节 的稳态关系为：
➢ 电压比较器 UnUn *Un
➢ 放大器 UcKpUn
➢ 晶闸管触发整流装置 ➢ 调速系统开环机械特性
➢ 测速发电机
Ud0KsUc nUd0 IdR
Id(s)
1 R (1)
Ud0(s)E(s) Ts1
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
电动机轴上转矩与转速之间的关系符合电气传动系统
运动方程：
GD 2 dn
T e T L C m I d C m I dL 375 dt
GD 2 R 1 dn I d I dL 375 C m R dt
单闭环直流调速工作原理
电工培训四级——单闭环直流调速工作原理
导入 内容 案例 总结
2、单闭环调速系统的抗干扰性分析
引入转速负反馈的目的在于提高调速系统的抗干扰性，保持转 速的相对稳定，那么，单闭环调速系统是怎样实现抗干扰作用的呢？ 以负载电流增大为例分析如下 ：
I
↑→
d
n
Ud
Id Ce
R↓→
U
↓→
n
U↑→Uct↑→Ud↑→
n↑
通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下
降，但同开环相比，转速的下降程度会大大降低，从而保持了转速的 相对稳定 。
同相可分析电网电压下降时，系统的抗干扰性。电网电压下降时， 整流装置输出电压Ud减小，电机转速下降，系统调节过程如下：
Ud↓→
n
Ud
I Ce
单相180V 直流1A 直流180V s<10%
电工培训四级——单闭环直流调速工作原理
导入 内容 案例 总结
通过本节课的学习，我们学到了单闭环直流调速系统的工作原理和 性能，单闭环直流调速系统是在开环直流调速系统的基础之上通过增 加反馈检测环节和比较放大电路，采用闭环控制构成的，是一种非常 重要且比较常见的直流调速系统，同时，学习单闭环直流调速系统的 相关知识是学习双闭环直流调速系统的基础，为以后的学习打下基础。
职业资格培训电工（四级） 单闭环直流调速工作原理
电工培训四级——单闭环直流调速工作原理
闭环直流调速系统就是在开环直流调速系统的基 导入 础上增加了反馈比较环节，系统为了稳定输出，通 内容 常引入负反馈。
案例 总结
图1 闭环调速系统的框图
导入 内容 案例 总结
电工培训四级——单闭环直流调速工作原理
单闭环直流调速系统
① 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时
nb
nk 1 K
sk s ② 闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时， b 1 K
③ 闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时， Db 1 K Dk ④ 闭环系统比开环系统的抗干扰性能好。
3、如右图所示，设电机开始工 作于A点，当负载电流增大时， 开环和闭环系统工作的原理是不 同的： (1)开环系统，给定不变，电枢电 压就不变，电流增加，工作点将 沿最下面那条机械特性向下移动
(2)而对于闭环调速系统，给定不变，电流增加时，系统有维持转速不 下降的趋势，通过调节，电枢电压升高，工作点将移至B、C或D。 ABCD所在直线就是闭环系统的在该给定电压下的一条静特性曲线。
U d Id R n Ce
由上述四式不难得出
R n Id Ce 1 K Ce 1 K
该式称为系统的静特性方程。
* K p KsU n
K
K p K s Ce
称为系统的开环放大系数。
静特性与机械特性的比较-1
1、机械特性调速系统对开环而言；静特性是对闭环系统而言的。两者 都表示电机转速与负载电流之间的关系，即n=f(Id)。 2、一条机械特性曲线对应于一个不变的电枢电压；而一条静特性曲线 对应于 一个不变的给定电压。
Ud Id R U d↓→ n ↓→ U n ↓→ U↑→ U ct↑→ U d↑→ n↑ Ce
3、单闭环调速系统的静特性
闭环调速稳定工作时，电机转速与负载电流之间的关系称为闭 环调速系统的静特性。 由稳态结构图可知
* U U n Un
U ct K p U
U d K sU ct
当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于 给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。
单闭环直流调速系统介绍课件
智能化：引入 人工智能技术， 实现系统的自 适应控制和自 学习能力
网络化：通过 互联网和物联 网技术，实现 远程监控和故 障诊断
集成化：将多 个子系统集成 为一个整体， 提高系统的集 成度和可靠性
节能和环保的发展趋势
01
提高能源利用率：通过优化控制策略和算法，降低能耗，提高能源利用率
02
减少污染排放：采用环保材料和工艺，减少生产过程中的污染排放
单闭环直流调速 系统介绍课件
目录
01. 单闭环直流调速系统的基本 概念
02. 单闭环直流调速系统的控制 方式
03. 单闭环直流调速系统的应用 领域
04. 单闭环直流调速系统的发展 趋势
1
单闭环直流调速 系统的基本概念
直流调速系统的组成
01
整流器：将交流 电转换为直流电
02
滤波器：去除直 流电中的交流成
04
应用场合：适用于对转速要求不高，但对响应速度要求较高的场合
电流控制方式
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
电压控制方式： 通过控制电压 来调节电流， 实现调速
电流控制方式： 通过控制电流 来调节电压， 实现调速
速度控制方式： 通过控制速度 来调节电流， 实现调速
位置控制方式： 通过控制位置 来调节电流， 实现调速
网络化：实现远程监控 和控制，提高系统的可 维护性和可扩展性
谢谢
速度控制方式
1
电压控制方式：通过调节直流电源的输出电压来控制电机的转速
2
电流控制方式：通过调节直流电源的输出电流来控制电机的转速
3
转速控制方式：通过调节电机的转速来控制电机的转速
4
位置控制方式：通过调节电机的位置来控制电机的转速
实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验
实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的本实验旨在通过实验研究单闭环不可逆直流调速系统的基本原理、调速特性和调速方法，掌握闭环调速的基本思想和方法，熟悉DC电机的调速控制原理和方法。
二、实验原理在单闭环不可逆直流调速系统中，电机的速度调节采用PID控制方式，通过控制电机的电源电压来实现调速。
具体的原理如下：1.电机的动作原理：当电枢通电后，电枢周围会产生一个磁场，同时在电枢内产生一个磁场，这两个磁场互相作用产生力矩，从而将电枢带动转动。
2.电机的调速控制：通过改变电机的电源电压来实现对电机的调速控制，电源电压越高，电机的转速越快，电源电压越低，电机的转速越慢。
而电源电压的改变通常是通过PWM调制实现的。
3.PID算法：PID控制算法采用比例、积分、微分三种控制信号结合的方式实现对电机转速的控制。
比例控制用于实时调整电机转速，积分控制用于修正电机转速下降过程中的偏差，微分控制用于提高系统的动态响应速度。
三、实验步骤1.将实验电路图搭建好，并连接好电源、电机、PWM信号发生器等模块。
2.对电机进行标定：通过对电机的空载转速和负载转速进行测量，确定电机传动系数和最大负载系数。
3.进行调速实验：通过修改PWM信号发生器的占空比来改变输入电压，从而实现对电机速度的控制。
同时通过示波器和万用表实时对电流、转速、电压等参数进行测量与记录。
4.使用PID算法对电机进行调速控制，对比比例控制、积分控制、微分控制和PID控制四种方法的效果和优缺点。
四、实验结果与分析实验中我们对电机的标定得到了电机的传动系数约为0.0134，最大负载系数为0.39。
在进行调速实验时，我们可以明显地感受到PWM信号发生器占空比的改变会对电机的转速产生影响。
同时通过测量和记录不同占空比下的电流、转速、电压等参数，我们可以得到调速系统的调速特性曲线。
通过加入PID算法，我们可以明显地感受到PID控制的稳定性和动态性，相比其他三种控制方法，PID控制能够更快速地达到稳定状态，同时产生的超调也更小。
单闭环直流调速系统
第十七单元 晶闸管直流调速系统第二节 单闭环直流调速系统一、转速负反馈直流调速系统转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。
转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。
直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。
经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。
转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。
ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。
本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。
1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。
n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ∆+=+-=+-=0)(φφφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降，而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。
转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为：T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。
图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。
图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。
假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。
当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。
第一讲 单闭环直流调速系统
Id Id
-
-
Un ∆Un
Un n
+
A Uc
GT
UPE Ud d
-
M
-
+ -
+
n
Utg tg
TG
-
图3-2 采用转速负反馈的闭环调速系统
调节原理
在反馈控制的闭环直流调速系统中，与 电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从 而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速 偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力 电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制 电动机转速 n。
第 一 讲
单闭环直流调速控制系统
内容提要
直流调速方法 直流调速电源 单闭环直流调速控制系统
引 言
直流电动机具有良好的起、制动性能， 宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调 速和快速正反向的电力拖动领域中得到了 广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实 践上都比较成熟，而且从控制的角度来看， 它又是交流拖动控制系统的基础。因此， 应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。
UPE的组成
图中，UPE是由电力电子器件组成的变 换器，其输入接三组（或单相）交流电源， 输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
~
u
AC
DC
Ud0 d0
Uc c
UPE的组成（续）
目前，组成UPE的电力电子器件有如 下几种选择方案： 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或 P-MOSFET组成的PWM变换器； 对于较大容量的系统，可采用其他电力 电子开关器件，如GTO、IGCT等； 对于特大容量的系统，则常用晶闸管触 发与整流装置。
单闭环直流调速系统.
（2）减弱励磁磁通
（3）改变电枢回路电阻R
➢调压调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra
n0
调节过程：
改变电压 UN Un ， n0
调速特性： 转速下降，机械n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
➢调阻调速
- Un
Ks Ud
0
1/Ce
n
+
只考虑扰动作用-IdR时
-IdR E
+
n
的闭环系统
- Ud
1/Ce
n RI d Ce (1 K )
0
Ks Kp
利用叠加原理得
n
K
p
KsU
* n
IdR
Ce (1 K) Ce (1 K)
注意
闭环调速系统的静特性表示闭环系 统电动机转速与负载电流（或转矩） 间的稳态关系，它在形式上与开环机 械特性相似，但本质上却有很大不同， 故定名为“静特性”，以示区别。
电流截止负反馈的作用
可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只 有在电流超过某个允许值(称为阈值)时才起作用，这 就是电流截止负反馈。
检测装置好似我们的眼睛，测量的尺子
结论
反馈控制系统的规律是：一方面能够 有效地抑制一切被包在负反馈环内前向 通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧 地跟随着给定作用，对给定信号的任何 变化都是唯命是从的。
电流截止负反馈
问题的提出（一）： 根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流
Id为当：电机起动时I，d 由于U存d R在aC机e械n 惯 U性d，Ra所E以不可能立即转 动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为：
单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统简介单闭环直流调速系统是一种常见的电气传动系统，广泛应用于工业生产和机械控制领域。
该系统通过调节直流电机的电压和电流来实现对电机转速的精确控制。
本文将介绍单闭环直流调速系统的原理、主要组成部分以及工作原理。
原理单闭环直流调速系统的基本原理是通过调节电机的励磁电流和电压来改变电机的转速。
系统的闭环反馈控制可以实现对电机转速的精确控制。
具体的原理如下：1.转速测量：系统中通过安装转速传感器来测量电机的实时转速，并将测量值反馈给控制器。
2.错误计算：系统将设定的目标转速与实际转速进行比较，计算出误差值。
3.控制信号产生：根据误差值，系统控制器生成相应的调节信号。
4.调节信号传递：调节信号通过控制器输出，传递给电机的调速装置。
5.电机调速：电机的调速装置根据控制信号调整电机的电压和电流，从而实现对电机转速的控制。
组成部分单闭环直流调速系统主要包含以下几个组成部分：1.电机：直流电机是该系统的驱动设备，通过调整电机的电压和电流来实现转速控制。
2.电源：系统需要一个恒定的直流电源供应电机运行，并提供所需的电压和电流。
3.调速装置：调速装置是控制电机电压和电流的关键设备，通过改变输出电压和电流的大小来实现对电机转速的控制。
4.转速传感器：转速传感器用于测量电机的实际转速，并将测量值反馈给控制系统。
5.控制器：控制器是系统的核心部分，负责计算误差值并生成相应的调节信号。
6.显示器：显示器用于实时显示电机的转速和控制参数。
工作原理当系统启动时，电机会按照设定的初始转速开始运行。
转速传感器会实时测量电机的转速，并将测量值传递给控制器。
控制器根据设定的目标转速和实际转速计算出误差值。
控制器通过对误差值进行计算和处理，生成相应的调节信号。
调节信号经过控制器输出，传递给电机的调速装置。
调速装置根据调节信号调整电机的电压和电流，使电机的转速向目标转速靠近。
系统会周期性地重复上述过程，不断进行误差计算和调节信号生成，从而实现对电机转速的精确控制。
晶闸管-直流电动机单闭环调速系统
1.直流调速系统的动态指标对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。
这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。
（1）跟随指标：系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量σ，超调时间t和震荡次数N三个指标来衡量，图s2.1是突加给定作用下的动态响应曲线。
最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。
不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。
一般调速系统σ可允许10%~35%；轧钢机中的初轧机要求小于10%，连轧机则要求小于2%~5%，；而在张力控制的卷曲机反映了系统的快速性。
系统（造纸机），则不允许有超调量。
调整时间ts为0.2s~0.5s，造纸机为0.3s。
振荡次数也反映了系统的例如，连轧机ts稳定性。
例如，磨床等普通机床允许震荡3次，龙门刨及轧机则允许振荡1次，而造纸机不允许有振荡。
图2.1突加给定作用下的动态响应曲线（2）抗扰指标：对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。
一般用最大动态速降Δnmax ，恢复时间tf和振荡次数N三个指标来衡量。
用图2.2是突加负载时的动态响应曲线。
最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性。
由于最大动态速降及扰动量的大小是有关的，因此必须同时注明扰动量的大小。
恢复时间反映了系统的抗扰动能力和快速性。
振荡次数N同样代表系统的稳定性及抗扰动能力图2.2突加负载时的动态响应曲线2.晶闸管电动机直流调速系统存在的问题图2.3 V-M系统的运行范围晶闸管整流器也有它的缺点。
首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
由半控整流电路构成的V-M 系统只允许单象限运行（图2.3a），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图2.3b）。
转速单闭环直流调速系统(45页)
3 开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较
机械特性比较: n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
D
A"
U d04 U d03 U d02 U d01
O
Id
1
Id 2
Id3
Id 4
Id
图 4.3.4 闭环系统静特性与开环系统机械特性的关
开环机械特性
n
?
K
pK
s系U
* n
Ce
?
RId Ce
?
n0,op ? ? nop
? 电动机轴上的转矩和转速应服从电力拖动系统的运动方程式 （在忽略粘性摩擦的情况下，即第三章 3.2.1节的转矩平衡方
程式(3.2-4）)：
Te -TL =
GD 2 375
dn dt
(4.3-11)
单闭环调速系统的动态数学模型？
考虑到在额定励磁条件下Te ? C m Id ，e ?C en ，定义下列时间常数:
K ? ? nop ? 1= 275 ? 1=103.6
? nc1
2.63
由 K ? K pK s? /C e ，可以求得放大器的放大系数为
Kp
?
KC e
K s?
?
103.6? 0.2? 30 ? 0.015
46
转速负反馈自动调速系统 静态参数的计算？
转速负反馈自动调速系统静态参数的计算（例题4.2-2 ）
Un ?
图 4.3.8 转速单闭环调速系统的动态结构图（基于假 ? c ? 1/3Ts ）
设
? 转速负反馈单闭环调速系统的传递函数：
K pK s
W
c1 ?s??
n(s) ?
单闭环pwm直流调速系统分析及校正
调速响应速度：系统的调速响应速度决定了系统的性能
调速精度：系统的调速精度决定了系统的性能
系统的动态特性分析
动态特性：系统的响应速度和稳定性
添加标题
响应速度：系统对输入信号的响应速度
添加标题
稳定性：系统在受到干扰后能否保持稳定
添加标题
动态特性分析方法：使用数学模型和仿真软件进行分析
添加标题
驱动电路：设计驱动电路，实现对电机的驱动和控制
添加标题
反馈电路：设计反馈电路，实现对电机转速的实时监测
添加标题
电源电路：设计电源电路，为系统提供稳定的电源供应
添加标题
保护电路：设计保护电路，防止过流、过压等异常情况对系统的损坏
软件实现
软件部署：将软件部署到硬件平台上，实现系统的运行和调速功能
校正效果：提高系统的稳定性和响应速度，降低误差和振荡
校正方法：采用PID控制器进行校正，包括比例、积分、微分三个部分
校正原理：通过调整闭环系统的参数，使系统达到稳定状态
系统的PID校正
PID控制器的设计：根据系统特性选择合适的PID参数
校正方法：采用Ziegler-Nichols方法、Tyreus-Luyben方法等
优化目标：提高系统的稳定性和响应速度
优化方法：采用自适应控制算法，如PID控制、模糊控制等
优化效果：提高系统的动态性能和抗干扰能力
优化参数：根据系统特性和优化目标，调整控制参数，如PID控制器的参数等
优化目标的确定
优化系统的控制参数和算法，提高系统的性能和效率
提高系统的精度和可靠性
降低系统的功耗和发热量
软件测试：对软件进行测试，确保其正确性和稳定性
实验二单闭环直流调速系统实验
实验二单闭环直流调速系统实验一、实验目的(1) 了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理(2) 掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。
(3) 认识闭环反馈控制系统的基本特性。
二、实验所需挂件及附件、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。
对调速指标要求不咼的场合，米用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压U Ct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。
电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P （比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI（比例积分）调节。
这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。
在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压U Ct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流” 的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。
电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。
同样，电流调节器若采用P （比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI （比例积分）调节。
当“给定”变换恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压 波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
图5-7 转速单闭环系统原理图二相电源输出电流反馈 与过流保护给定电源与过流保护3三相电源输出触奴 电路 电流.A 调节器打 磁源j励电图5-8 电流单闭环系统原理图四、实验内容(1) 学习DJK01 “电源控制屏”的使用方法。
单闭环直流调速系统的基本工作原理
单闭环直流调速系统的基本工作原理系统的基本原理是根据电机的实际转速和设定转速之间的误差，通过调节电源电压来控制电机的转速，使实际转速与设定转速保持一致。
具体工作过程可以分为以下几个阶段：
1.电源输入：将交流电源转换为直流电源供给电机。
交流电源经过整流电路，将交流电转换为直流电。
2.电流控制：通过变阻器来改变电压，调节电阻的大小，从而控制直流电机的输入电流。
当电阻增大时，电机的输入电流减小，反之亦然。
3.转速检测：通过转速传感器测量电机的实际转速，并将测量值与设定值进行比较，计算出转速的误差。
转速传感器通常是使用光电传感器或霍尔传感器等。
4.控制器：根据转速误差来调节电机输入电压。
控制器可以是模拟控制器或数字控制器，根据系统的要求来选择。
控制器通过与电机控制电路相连，从而控制电机的输出。
5.输出功率：经过调整电源电压后，电机输出的功率与实际负载相匹配。
控制电路会根据设定值和转速误差来调节电机输出的功率，使其尽可能接近设定值。
总结起来，单闭环直流调速系统的基本原理是通过将交流电源转换为直流电源，通过调节电压来控制电机的输入电流，利用转速传感器测量实际转速并与设定值比较，然后通过控制器调节电机的输入电压，使实际转速与设定转速之间的误差尽可能减小。
通过这种方式，可以实现对直流电机的调速控制，适应不同负载要求和工作条件。
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目录一、摘要 (5)二、总体方案设计 (6)1、控制原理 (6)2、控制结构图 (7)三、系统的参数计算 (8)1、静态参数设计计算 (8)2、动态参数设计计算 (10)四、稳定性分析 (11)1、基于经典自控理论分析 (11)2、使用simulink仿真分析 (12)五、系统校正 (13)1、系统校正的工具 (13)2、调节器的选择 (14)3、校正环节的设计 (14)4、限流装置的选择 (17)六、系统验证 (17)1、分析系统的各项指标 (17)2、单位阶跃响应 (17)3、Simulink仿真系统验证系统运行情况 (19)七、心得体会 (20)八、参考文献 (20)一、摘 要《运动控制系统》是自动化专业专业的一门主要专业课。
课程的主线是控制系统的原理和设计，应该通过理论和实际相结合，应用自动控制系统理论解决电力拖动控制系统的分析和设计问题，在运用中注重控制规律。
本文通过利用Matlab 仿真平台设计单闭环直流调速系统，，包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink 仿真模型，验证所设计系统的性能、根据设计任务书的具体要求给出所设计系统的性能指标：上升时间r t 、超调量%p 、调节时间s t 、最大启动电流max d I 、稳态误差ss e 。
从而使学生更系统地掌握所学知识并能够应用运动控制系统设计规范、计算手册和计算机辅助设计软件进行运动控制系统的结构设计和参数计算。
二、总体方案设计1、控制原理根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。
所以，设计如下的原理图：图1、单闭环直流调速系统原理图转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。
这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。
所以，更具体的原理图如下：图2、单闭环直流调速系统具体原理图2、控制结构图有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就得到了系统的稳态结构框图。
图3、单闭环直流调速系统稳态结构框图同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。
由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。
所以，可以得到如下的框图：图4、单闭环直流调速系统动态结构框图三、参数计算设计完系统框图，就可以用已知的传递函数结合设计要求中给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算。
以便于后续步骤利用经典控制论对系统的分析。
为了方便以下的计算，每个参数都采用统一的符号，这里先列出设计要求中给出的参数及大小：电动机：P N=10kw U N=220v I dN=55A n N=1000rpm R a=0.5Ω晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230v K s=44主回路总电阻：R=1Ω测速发电机：P Nc=23.1kw U Nc=110v I dN=0.21A n Nc=1900rpm系统运动部分：飞轮矩GD2=10Nm2电枢回路总电感量：要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续Na dN N n Ce R I U -=生产机械：D=10 s ≤5﹪1、静态参数设计计算A 、空载到额定负载的速降Δn N由公式：（其中D ，s 已知）得：Δn N ≤5.26rpmB 、系统开环放大倍数K由公式：（由公式 可算出C e =0.1925Vmin/r ）得：K=53.3C 、测速反馈环节放大系数a设：测速发电机电动势系数= U Nc / n Nc =0.0579 Vmin/r测速发电机输出电位器RP 2分压系数a 2 根据经验，人为选定a 2=0.2 则a=C ec a 2=0.01158注：1、a 2正确性的验证：反馈通道的输出用于和给定比较，参照图3的标注，U n 略小于U n※即可，当a 2=0.2时，U n =11.58v 满足要求（图1中，3为-， 2为+ ，7要求+，也可验证）2、RP 2的选择主要从功耗方面考虑，以不致过热为原则。
D 、运算放大器的放大系数K p由公式 （其中α即a ）s p C K K K α=)1(e d K C RI n +=)1(N N s n sn D -∆∆=K p ≥20.14取K p =21 （若向小方向取，可能影响快速性，由于后加限幅电路，略大无妨）此处的近似，使k 由53.3变为55.582、动态参数设计计算在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传函，所以要求出传函并根据已知求的传函中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。
由图4，得系统开环传函其中,T s 晶闸管装置滞后时间常数T m 机电时间常数 T l ：电磁时间常数○1主电路电感值L 根据要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连续。
结合抑制电流脉动的措施中关于L 的讨论，得：公式：其中，整流变压器副边额定相电压（二次相电压）得：L=0.017HV 8.1323230322===l U U mind 2693.0I U L =)1)(1()(m 2m s +++=s T s T T s T Ks W l○2其他未知参数计算 电磁时间常数机电时间常数对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 T s = 0.00167 s系统传函为：四、稳定性分析稳定是系统首要的条件，一切的分析只有建立在稳定的基础上才有意义。
1、基于经典自控理论得分析 根据系统闭环传函特征方程应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是代入整理得：0000030213210>->>>>a a a a a a a a ，，，，0111)(1sm 2s m 3s m =++++++++s KT T s K T T T s K T T T l l 111)(1)1()1)(1(/1)1)(1(/)(s m 2s m 3s m e s p m 2m s e s p m 2m s e s p c +++++++++=+++++++=s K T T s K T T T s K T T T K C K K s T s T T s T C K K s T s T T s T C K K s W l l l l l α））（（）（1s 075.0s 001275.01s 00167.058.55s W 2+++=s075.01925.0301925.03750.110375m e 2m =⨯⨯⨯⨯==πC C R GD T s 017.00.1017.0===R LT l或所以：把所得参数代入就是说，k 小于49.4系统才稳定。
但是，按稳态调速性能指标要求计算出的要K ≥53.3 它们是矛盾的。
所以，当前的系统是不满足要求的。
2、用Simulink 仿真图5 Simulink 仿真连接图4.49)(s 2s s m =++<T T T T T T K l l s2s s m )(T T T T T T K l l ++<ss m s )1())((T T K T T T T l l +>++0111)(sm s m s m >+-++⋅++K T T T K T T K T T T l l输出示波器波形图6、当前系统输出曲线输出示波器波形：很明显系统振荡（由于没加限幅，电流早已过大，电机已毁，实际中是不存在的五、系统校正为了满足要求，还保证系统的稳定性，一般采用加调节器校正的方法来整定系统。
1、系统校正的工具在设计校正装置时，主要的研究工具是Bode图，即开环对数频率特性的渐近线。
它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。
因此，Bode图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。
伯德图与系统性能的关系⏹中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；⏹截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好；⏹低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；⏹高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。
相角裕度γ和以分贝表示的增益裕度Gm。
一般要求：γ = 30°－60°GM > 6dB实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相减，即得校正环节特性。
具体的设计方法是很灵活的，有时须反复试凑，才能得到满意的结果。
2、调节器的选择P调节器：采用比例（P）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。
但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。
I调节器：采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。
PI调节器：比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。
比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。
3、校正环节的设计根据经验并验证，本系统加PI调节器可满足要求，调节器的传函为：用Simulink仿真:电机环节经分解，可等效成：Simulink中创建的模型：转速波形：sssW088.01049.0)(pi+=系统的阶跃响应：查看阶跃响应的菜单最大转速：1130rpm调节时间：0.293s 超调量：11.3％图7、单位阶跃响应由下图可见，电枢电流峰值达到了250多安，实际电机允许的瞬间最大电压为额定值的1.5倍，即82.5A，所以此系统还需加限流装置。
图8、电机电枢电压及转速曲线4、限流装置的选择：I db l应小于电机允许的最大电流，一般取I db l =（1.5~2）I N从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取I dcr≥（1.1~1.2）I N本系统限流值应为：82.5A六、系统验证1、分析系统的各项指标程序：k=692670;d=conv(conv([1 0],[1 38.5]),[1 600]);s1=tf(k,d);[mag,phas,w]=bode(s1);figure(1);margin(mag,phas,w);sisotool(s1)仿真结果：其中：即：增益余度: Gm=26.6dB幅值穿越频率：ωc=152rad/sec相角余度：γ=54.5相角穿越频率：ωg=25rad/sec系统为1型，速度误差系数：Kv=ω=22、Simulink仿真系统验证系统运行情况系统可以作如下连接：给定：11.58图11、单位阶跃响应超调15.28％峰值时间0.285s调节时间0.5s可见，电机转速快速稳定在1000rpm，符合要求。