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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。
目录一、摘要 (2)二、总体方案设计 (3)1、控制原理2、控制结构图三、参数计算 (5)1、静态参数设计计算2、动态参数设计计算四、稳定性分析 (8)1、基于经典自控理论得分析2、利用MATLAB辅助分析A、利用根轨迹分析B、在频域内分析奈氏曲线：bode图利用单输入单输出仿真工具箱分析用Simulink仿真五、系统校正 (14)1、系统校正的工具2、调节器的选择3、校正环节的设计4、限流装置的选择六、系统验证 (15)1、分析系统的各项指标2、单位阶跃响应3、Simulink仿真系统验证系统运行情况七、心得体会 (20)八、参考文献 (20)一、摘要运动控制课是后续于自动控制原理课的课程，是更加接近本专业实现应用的一门课程。
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。
所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。
本设计首先进行总体系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，在稳定的基础上，进行整定以达到设计要求。
另外，设计过程中还要以matlab为工具，以求简明直观而方便快捷的设计过程。
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。
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得原理如图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成正比得转速反馈电压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ＴL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。
当电动机负载ＴＬ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,于就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与开环机械特性得关系。
图中①②③④曲线就是不同Uｄ之下得开环机械特性。
假设当负载电流为Iｄ1时,电动机运行在曲线①机械特性得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、但在闭环系统中有转速反馈装置,转速稍有降落,转速反馈电压Uｆn就相应减小,使偏差电压△U增加,通过转速调节器ASＲ自动调节,提高晶闸管变流器得输出电压Ud０由Ud01变为Ud02,使系统工作在随线②机械特性上,使电动机转速有所回升,最后稳定在曲线②机械特性得B点上。
同理随着负载电流增加为Iｄ3,Iｄ4,经过转速负反馈闭环系统自动调节作用,相应工作在曲线③④机械特性上,稳定在曲线③④机械特性得C,D点上。
将Ａ,Ｂ,C,Ｄ点连接起来得ＡＢCD直线就就是闭环系统得静特性、由图可见,静特性得硬度比开环机械特性硬,转速降Δn要小。
闭环系统静特性与开环机械特性虽然都表示电动机得转速-电流(或转矩)关系,但两者就是不同得, 闭环静特性就是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)得静态关系,它只就是闭环系统调节作用得结果,就是在每条机械特性上取一个相应得工作点,只能表示静态关系,不能反映动态过程。
当负载突然增加时,如图所示由Idｌ突增到Id2时,转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降,然后随着Ｕd01升高为Ud02,转速n再回升到B点稳定运行,整个动态过程不就是沿着静特性AB直线变化得。
２.转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析对调速系统来说,转速给定电压不变时,除了上面分析负载变化所引起得电动机转速变化外,还有其她许多扰动会引起电动机转速得变化,例如交流电源电压得变化、电动机励磁电流得变化等,所有这些扰动与负载变化一样都会影响到转速变化。
对于转速负反馈调速系统来说,可以被转速检测装置检测出来,再通过闭环反馈控制减小它们对转速得影响。
也就就是说在闭环系统中,对包围在系统前向通道中得各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流得变化等)对被调量(如转速)得影响都有强烈得抑制作用、但就是对于转速负反馈调速系统来说,转速给定电压Uｇn得波动与测速发电机得励磁变化引起得转速反馈电压Ｕfｎ变化,闭环系统对这种给定量与检测装置得扰动将无能为力。
为了使系统有较高得调速精度,必须提高转速给定电源与转速检测装置得精度。
在图17—4０所示得转速负反馈调速系统中,当转速调节器AＳＲ采用比例调节器时,则该系统对于给定量Ugn来说,就是有静差调速系统、这种调速系统在稳态时,反馈量与给定量不相等,存在偏差△U,△Ｕ =Ｕgn-Ufn、因为这种调速系统就是依靠偏差△Ｕ≠0为前提工作得,就是通过偏差△U得变化来进行调节得,因此系统得反馈量只能减小偏差△U得变化而不能消除偏差,即偏差△U始终存在,不能为零。
假如偏差△U=０,则转速调节器(比例调节器)ASＲ得输出电压Uc=Kp△U=0,晶闸管变流器输出电压Ud0=0,电动机也将不可能运行,系统无法正常运行。
为了分析方便,假定系统中所有环节都就是工作在线性范围内,也就就是说各环节(如调节放大器、触发器及晶闸管变流器、测速发电机等)得输入输出关系都就是线性得,并且假定晶闸管－电动机系统得电动机全部工作在电流连续段,即它得开环机械特性全就是连续段。
对于图17－40所示得转速负反馈单闭环调速系统来说,各环节得静态(稳态)方程式如下:转速调节器采用比例放大器:式中 Kｐ-—放大器得电压放大倍数。
触发器与晶闸管变流器:式中 Uｄ0——晶闸管变流器得空载输出电压;uｃ——触发器得移相控制电压(即转速调节器输出电压);Ku-—晶闸管变流器得电压放大倍数。
晶闸管一电动机系统:测速发电机:式中 Kfn—-测速发电机得反馈系数。
从上述四个关系式中消去中间变量并整理后,即可求得转速负反馈单闭环调速系统得静特性方程为:式中 K——闭环系统得开环放大系数,K=KpＫuKfｎ/(Ｃeφ);ｎ0b——闭环系统得理想空载转速;Δnb—-闭环系统得静态速降。
3.开环系统与闭环系统得比较在图17-4０所示得转速负反馈单闭环调速系统中,当断开转速反馈回路时,系统即为开环系统,其机械特性为:式中 n0k——开环系统得理想空载转速; 、Δnk—-开环系统得静态速降。
由以上分析可知,开环系统与闭环系统相比较有以下几方面得特点:(１)在转速给定电压Ugn相同时,开环系统得理想空载转速n0K为闭环系统得理想空载转速ｎ0b得(１＋K)倍、这就是由于闭环系统得转速反馈电压Ufn抵消大部分得转速给定电压Uｇn,使加在转速调节放大器ASR输入端得电压(U=Ugn－Ufn)很小得缘故。
(2)闭环系统静特性比开环系统机械特性硬,在相同负载电流条件下,闭环系统得静态转速降Δｎb仅为开环系统静态转速降Δｎk得1/(1＋K)倍。
(３)当闭环系统得理想空载转速nOb与开环系统得理想空载转速nOk相同时,此时闭环系统得静差率Ｓb()仅为开环系统得静差率Sk()得1／(1+Ｋ)倍,系统闭环后静差率可显著减小。
(4)当系统静差率Ｓ要求一定时,闭环系统可大大提高调速范围Ｄ。
当开环系统与闭环系统电动机得最高转速都为ne,而最低静差率得要求相同时,闭环系统得调速范围可达开环系统调速范围得(１+K)倍、(5)闭环系统中,一方面转速紧紧跟随转速给定电压变化,另一方面对包围在闭环系统前向通道中各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流变化等)得影响有强烈得抑制作用。
４。
转速负反馈无静差调速系统如前所述,当转速负反馈调速系统中转速调节器采用比例调节器时,系统就是依靠偏差为前提而工作得,这就是有静差得调速系统、当转速负反馈调速系统中转速调节器采用积分调节器或比例积分调节器时,由于积分调节器或比例积分调节器具有积分控制作用,不仅能依靠△Ｕ本身,还能依靠偏差△U得积累进行调节。
当系统给定量与反馈量一出现,△U就进行调节,以消除偏差直到△Ｕ=０,但其积分仍存在,有相应得输出(不像比例调节器当△U为零时,其输出也为零),从而使调速系统在稳态时无静差,这就就是无静差得调速系统,所以转速调节器采用积分调节器或比例积分器得调速系统就是无静差系统、虽然采用积分调节器得调速系统就是无静差系统,使系统在稳态时没有静差,但它得动态响应速度很慢。
当实际转速n偏离给定转速时,在转速调节器ASＲ(积分调节器)得输人端虽然立即产生偏差信号△U,但就是转速调节器ASR(积分调节器)得输出电压Ｕｃ不就是迅速地紧跟输入信号得变化而变化,而就是随时间线性增加(或减小),它得动态响应速度很慢。
因而实际应用中转速调节器ASＲ很少采用积分调节器,都就是采用比例积分调节器。
图17－42为转速调节器ＡSＲ采用比例积分调节器得单闭环转速负反馈无静差调速系统。
由前面分析可知,比例积分调节器得输出由比例与积分两部分组成、比例部分能迅速反映调节作用,而积分部分则能最后消除静态偏差、比例积分调节器得等效放大倍数在静态与动态过程中就是不同得。
当突加输入电压Ui得瞬间,电容C相当于短路,等于反馈回路只有反馈电阻Rｆ得情况,此时相当于比例调节器动态等效放大倍数Rｆ/R1比较小;而在稳态(静态)时,电容相当于开路,调节器相当于开路,等效放大倍数很大,近似等于运算放大器得开环放大倍数(104～ｌ０８),可以使系统做到基本无静差。
由于系统就是无静差调速系统,系统得静特性很硬,静态转速降Δn≈Ｏ,因而没有必要进行静特性计算。
下面详细分析负载变化时系统得调节过程。
稳态时,对应于转速给定电压Ugｎ及负载转矩TＬ1,电动机稳定转速为n1,电动机得电流为Iｄ１。
此时转速反馈电压为Ufnl,转速调节器AＳR(比例积分调节器)得输入偏差电压△Ｕ=Ugn1-Ufnl＝0,(即Uｇnl=Ufnｌ),而ASR得输出电压Uc由于积分作用保持在Ｕc１,使晶闸管变流器输出电压为Ｕd1,以维持电动机在转速给定n１下运转。
当负载转矩在某一瞬间突然由TL１增加到ＴＬ2,负载转矩大于电动机得电磁转矩而造成电动机转速开始下降,于就是转速偏离给定值n1而产生转速偏差Δn,使转速调节器ASＲ输入偏差电压△U=Ｕgn1－Ufｎl>0,于就是通过转速调节器ＡＳR(比例积分调节器)产生调节作用而消除偏差。
为了分析方便起见,先分别考虑转速调节器ASR得“比例"与“积分”两部分得调节作用,然后再叠加起来分析总得调节过程、首先考虑AＳR转速调节器得比例部分得调节作用。
当△U>0后,比例部分立即输出Kp△Ｕ,相应使晶闸管变流器输出电压增加△Ud1,△Udｌ得大小与转速偏差△n成正比,如图ｌ7-43c所示得曲线①。
△n越大,△Ud1也越大,调节作用也越强,使转速缓慢下降直到回升,如图l7—４3ｂ所示。
随着n回升,△n逐渐减小,△Uｄ1也逐渐减小。
当转速回升至ｎ１时,△n=0,Ufn1=Ugｎ1,△U=0,△Ud1=0,比例部分得调节作用结束、AＳR调节器得积分调节作用主要就是在调节过程得后一阶段,积分部分得输出电压等于偏差电压△U得积分,相应使晶闸管变流器输出电压增加△Uｄ2,△Uｄ２得增长速度与偏差电压△U成正比,如图1７－４３c所示得曲线②。
开始阶段△n很小,△Ｕ也小,△Ｕｄ2增加很慢。
