四单闭环直流调速系统

单闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告摘要：本文基于基本原理和方法，设计和仿真了一个单闭环直流调速系统。

首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，包括PID控制器的参数调整方法。

接下来使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，对系统的性能进行评估。

最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。

关键词：直流电机调速、单闭环控制系统、PID控制器、仿真实验一、引言直流电机广泛应用于机械传动系统中，通过调节电机的电压和电流实现电机的调速。

在实际应用中，需要确保电机能够稳定运行，并满足给定的转速要求。

因此，设计一个高性能的直流调速系统至关重要。

本文基于单闭环控制系统的原理和方法，设计和仿真了一个直流调速系统。

首先介绍了直流电机调速的基本原理，然后根据系统要求，设计了控制系统的结构和参数，并采用PID控制器进行调节。

接着使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，并对系统的性能进行评估。

最后根据仿真结果对系统进行分析和总结，并提出了可能的改进方法。

二、直流电机调速的基本原理直流电机调速是通过调节电机的电压和电流实现的。

电压变化可以改变电机的转速，而电流变化可以改变电机的转矩。

因此，通过改变电机的电压和电流可以实现电机的调速。

三、控制系统设计和参数调整根据系统的要求，设计一个单闭环控制系统，包括传感器、控制器和执行器。

传感器用于测量电机的转速，并将信息传递给控制器。

控制器根据测量的转速和给定的转速进行比较，并调节电机的电压和电流。

执行器根据控制器的输出信号来控制电机的电压和电流。

在本实验中，采用PID控制器进行调节。

PID控制器的输出信号由比例项、积分项和微分项组成，可以根据需要对各项参数进行调整。

调整PID控制器的参数可以使用试错法、频率响应法等方法。

四、系统仿真实验使用Matlab/Simulink软件进行系统仿真实验，建立直流调速系统的模型，并对系统进行性能评估。

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。

第一章直流电机调速系统实验实验一单闭环不可逆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三、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)。

对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，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“转速变换”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”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。

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.转速负反馈宜流调速系统转速负反馈直流调速系统的原理如图17-40所示。

转速负反馈直流调速系统由转速给左、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。

经分圧器分圧取出与转速n 成正 比的转速反馈电压Ufn 0转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压A U=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入 端。

ASR 输出电圧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Udo 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nl 稳定运行，此时电枢电流为Idl,对应 转速反馈电圧为Ufnl,晶闸管变流器输出电压为Udi 。

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，A U=Ugn-Ufn 加。

转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角a 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 t — Id t — ld （R 》+Rd ） t I -*Ufn I U t — Uc t -* a | —Ud t -*n t 。

图17-41所示为闭坏系统静特性和开环机械特性的关系。

n亠 =H o + A//图17—41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Idl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，但由丁•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&点，转速只能相应下降。

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。

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）。

实验一、单闭环直流调速系统实验（注意：本实验为本学期的考核试验，考核时间为第14~15教学周，第14周为1、2班考核时间，第15周为3、4班考核时间。

考核前学生可以到实验室进行实验复习。

实验室开放时间为：每周一、二、三、四下午。

）二、实验所需设备及仪器三、转速单闭环直流电机调速系统原理及实验系统组成以直流电机转速为反馈信号的单闭环系统叫做转速单闭环直流电机调速系统。

在本实验系统中，用以测量电机转速的装置为测速发电机，该装置可将电动机实际转速转换位于电机转速成正比的电压信号反馈到系统输入端。

反映转速变化的电压信号在与期望转速相关的给定电压比较后，其偏差信号送入速度调节器。

速度调节器对偏差进行控制运算后得到的便是控制晶闸管的移相控制电压U ct，整流桥的触发电路产生的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，进而改变直流电机的转速，从而构成了速度负反馈闭环系统。

其动态结构框图如图1所示。

单闭环直流电机调速实验系统由被控对象、控制器和执行器三部分组成，它们之间的关系如图2所示。

（1）被控对象被控对象就是直流电动机M，它在主回路直流电压的作用下旋转，其转速为系统的被控参数。

测量直流电动机转速的装置为与直流电动机同轴安装的测速发电机TG，TG的输出电压与直流电机转速成正比，该电压通过速度变换电路反馈到控制器的输入端与给定信号相比较。

本系统使用一台带有负载电阻R的发电机来模拟直流电机的负载，改变可变电阻R的大小也就改变了直流电动机M的负载。

为平滑直流电动机的电流，在供电回路中接有300mH的平滑电抗器。

（2）控制器控制器为本实验的主要内容之一，为使系统为无差系统，本系统采用了PI（比例-积分）调节器，依靠其中的积分作用实现了转速的无差调节。

（3）执行器执行器就是三相整流电路及其触发电路部分，它起着将控制器输出电压转换为电动机两端的直流电压的作用。

四、实验内容（1）基本单元测试。

比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真一、实验目的1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。

2．通过改变比例系数以及积分时间常数τ的值来研究和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。

二、实验内容1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析三、实验要求建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。

四、实验原理图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。

转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。

在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。

当t=0时突加输入时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到，实现了快速响应；随后按积分规律增长，。

在时，输入突降为0，=0，=，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。

五、实验各环节的参数及和1/τ的参数的确定5.1各环节的参数：_-_+直流电动机：额定电压=220V，额定电流=55A,额定转速=1000r/min,电动机电动势系数=0.192V •min/r。

假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数=44，滞后时间常数=0.00167s。

电枢回路总电阻R=1.0Ω，电枢回路电磁时间常数=0.00167s电力拖动系统机电时间常数=0.075s。

转速反馈系数=0.01V •min/r。

对应额定转速时的给定电压=10V。

稳态性能指标D=20，s 5% 。

5.2 和1/τ的参数的确定：PI调节器的传递函数为其中，。

（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数；2）转速滤波时间常数；3）转速环小时间常数；（2）计算参数按跟随和抗扰性都较好的原则，取h=5，则调节器超前时间常数，即积分时间常数：，则由此可得开环增益：于是放大器比例放大系数：六、仿真模型的建立如图6-1为比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真框图，根据仿真框图，利用MATLAB下的SMULINK软件进行系统仿真，建立的仿真模型如图6-2所示。

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。