实验一 直流电机调速系统的数学模型_2014
第一章 直流电动机的数学模型及其闭环控制系统
图 1-10 PWM控制器与变换器的框图
图1-9不可逆PWM变换器—直流电动机系统
结合PWM变换器工作情况可以看出：当控制 电压变化时，PWM变换器输出平均电压按线性规 律变化，因此，PWM变换器的放大系数可求得， 即为
4.直流调速系统的广义被控对象模型
（1）额定励磁状态下直流电动机的动态结构图 图1-12所示的是额定励磁状态下的直流电动机动 态结构图。
图1-12 额定励磁状态下直流电动机的动态结构框图
由上图可知，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢
上的理想空载电压U d0 ，另一个是负载电流 I L 。前者是控制输入量，
它已不起作用，整流电压并不会立即变化，必须等
到 t3时刻该器件关断后，触发脉冲才有可能控制另
一对晶闸管导通。
设新的控制电压
U ct2
U
对应的控制角为
ct1
2 1 ，则另一对晶闸管在 t4 时刻导通，平均整
流电压降低。假设平均整流电压是从自然换相点
开始计算的，则平均整流电压在 t3 时刻从U d01降
Tm
GD2 R
375K
e
K
m
2 d
（1-23）
因其中d 的减小而变成了时变参数。由此 可见，在弱磁过程中，直流调速系统的被控对象 数学模型具有非线性特性。这里需要指出的是， 图1-15所示的动态结构图中，包含线性与非线性 环节，其中只有线性环节可用传递函数表示，而 非线性环节的输入与输出量只能用时域量表示， 非线性环节与线性环节的连接只是表示结构上的 一种联系，这是在应用中必须注意的问题。
Ks
U d U ct
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
实验1转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真
实验1 转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真
一、实验目的
加深对它励式直流电机工作原理的理解，学会使用仿真软件MATLAB中的SIMULINK模块，搭建三相桥式可控整流电路模型和三相桥式驱动电路——6脉冲驱动发生器，并且将其与直流电机的双闭环控制相结合，并利用仿真模型，分析在直流电机开环时的仿真波形，以及在双闭环的原理和在此控制下的相关波形。
二、实验系统组成及工作原理
转速电流双波换控制直流系统的原理电路
三、实验所需软、硬件设备及仪器
（1）计算机（装有windows XP以上操作系统）；
（2）MATLAB 6.1版本以上软件；
四、实验内容
直流电机的转速电流双闭环控制，电源的相电压为220V的三相交流，励磁绕组电压为220V的直流。
首先观测直流电机在开环控制，空载下的转速，电枢电流，励磁电流以及转矩的波形，其次在空载下，加上双闭环控制电路，控制三相整流桥的触发角，从而达到调整励磁电流的目的，直至电机稳定工作，得到相关波形，最后给电机加载，观察波形的变化。
α°）
（1）开环控制（30
=
（2）双闭环控制（α由控制器的输出得到）
（3）加载时，双闭环控制下的波形
五、步骤及方法
六、课后思考与总结
（1）撰写仿真实验报告；
（2）采用双闭环控制的目的；
（3）在转速、电流双闭环直流调速系统中，如要改变电动机的转速，通常可以调节哪些参数？。
基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统
基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统本文主要研究基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统。
直流电机是工业生产中常用的电机，其调速系统对于保证生产效率和质量至关重要。
因此，研究直流电机调速系统的控制方法和参数设计具有重要意义。
本文将首先介绍直流电机的数学模型和调速系统的工作原理，然后探讨常规PID控制器的设计方法和参数控制原理，最后通过MATLAB仿真实验来研究数字PID控制器的设计和应用。
2 直流电机调速系统的数学模型直流电机是一种常见的电动机，其数学模型可以用电路方程和动力学方程来描述。
电路方程描述了电机的电气特性，动力学方程描述了电机的机械特性。
通过这两个方程可以得到直流电机的数学模型，为后续的控制器设计提供基础。
3 直流电机调速系统的工作原理直流电机调速系统是通过控制电机的电压和电流来改变电机的转速。
其中，电压和电流的控制可以通过PWM技术实现。
此外，还可以通过变换电机的电极连接方式来改变电机的转速。
直流电机调速系统的工作原理是控制电机的电压和电流，从而控制电机的转速。
4 常规PID控制器的设计方法和参数控制原理常规PID控制器是一种常见的控制器，其控制原理是通过比较实际输出值和期望输出值来调整控制器的参数，从而实现控制目标。
常规PID控制器的参数包括比例系数、积分系数和微分系数，这些参数的选取对于控制器的性能有重要影响。
常规PID控制器的设计方法是通过试错法和经验公式来确定参数值。
5 数字PID控制器的设计和应用数字PID控制器是一种数字化的PID控制器，其优点是精度高、可靠性强、适应性好。
数字PID控制器的设计方法是通过MATLAB仿真实验来确定控制器的参数值。
数字PID控制器在直流电机调速系统中的应用可以提高系统的控制精度和稳定性。
6 结论本文主要研究了基于MATLAB的数字PID直流电机调速系统，介绍了直流电机的数学模型和调速系统的工作原理，探讨了常规PID控制器的设计方法和参数控制原理，最后研究了数字PID控制器的设计和应用。
matlab直流电动机调速系统仿真实训心得
一、概述在现代工业生产中，直流电动机广泛应用于各种设备和机械中，其调速控制系统的稳定性和性能直接影响到整个生产线的效率和质量。
为了提高学生的实践操作能力和掌握直流电动机调速系统的原理和方法，我校开设了相关的仿真实训课程。
在本次实训中，我主要使用Matlab 软件，进行了直流电动机调速系统的仿真实验，获得了丰富的经验和收获，现将心得体会整理如下。
二、理论基础1. 直流电动机调速原理直流电动机调速系统是通过调节电动机的电流或电压来实现转速的调节。
常用的调速方法包括电阻调速、调速励磁和PWM调速等。
2. Matlab在仿真中的应用Matlab是一种功能强大的科学计算软件，广泛用于工程技术领域。
其仿真环境和信号处理工具箱可以方便地进行电机控制系统的建模和仿真。
三、实训内容与步骤1. 系统建模我根据直流电动机的特性和调速原理，进行了系统的建模工作。
通过Matlab的Simulink工具，搭建了直流电动机的数学模型，包括电动机的等效电路、控制系统和负载模型等。
2. 参数设置与仿真在建立完毕电机系统模型后，我对电机的各项参数进行了设置，包括额定转速、额定电流、负载惯量等。
利用Matlab进行了系统的仿真实验，观察了不同调速方法对电机性能的影响。
3. 实验结果分析通过对仿真实验数据的分析，我发现了不同调速方法的优缺点，比较了电机在不同负载和控制参数下的性能表现，提出了一些改进和优化控制策略的建议。
四、心得体会与经验总结1. 对仿真实验的认识通过本次实训，我深刻体会到仿真实验的重要性。
在实际工程中，通过仿真可以事先评估系统设计的合理性，降低试错成本，提高工程质量。
2. 对Matlab的认识与应用Matlab作为工程领域的标准软件之一，其强大的建模和仿真能力为工程师提供了便利。
在实训中，我更加熟练地掌握了Matlab的使用技巧，对其在电机控制系统仿真中的应用有了更深刻的理解。
3. 对直流电动机调速系统的认识通过本次实训，我对直流电动机调速系统的原理和方法有了更加深入的了解，认识到了控制系统设计和参数调节对电机性能的影响，为今后的工程实践打下了坚实的基础。
直流自动调速系统实验
实验七 直流自动调速系统实验一、实验目的：1、了解直流自动调速系统的组成与各个环节的传递函数；2、掌握直流自动调速系统静态特性测试方法，求出系统开环放大倍数)/(s rad K V ，分析V K 与稳态误差ss e 之间的关系：3、掌握直流自动调速系统开环加校正时频率特性的测试方法，绘出系统Bode 图的相角裕度γ、幅值裕度)/(s rad K V 和开环传递函数G （S ）。
二、实验原理：1、 直流自动调速系统方块图如图1所示：图中：直流自动调速系统传递函数、各点参数如下：1K —前置放大器增益 R U —给定电压（控制量）2K —功率放大器增益n —电动机转速（被控制量）C K —直流测速发电机传递系数Ue ∆—偏差量α—分压器分压系数K U —前置放大器输出电压PD —)1/(1+-=TS S G C τG U —校正电压PI —BTS S K G C /)1(42τ+-= D U —直流电动机电枢电压PID —)()()(21S G S G S G C C C +=FZ M —干扰信号（负载转矩）13+S T K m —直流电动机传递函数C U —反馈电压R —电枢回路等效电阻f U —反馈电压Cm —电动机的转矩常数 2．直流电动调速控制系统抗干扰的物理过程： 直流电动机的机械特性 Φ-=e aa D C R I U n闭环控制系统,抗干扰的顺序过程是：在干扰信号FZ M 的作用下（FZ M 的数值下降），使系统直流电动机的转速n 上升、测速发电机电压C U 上升、负反馈电压f U 上升、在给定电压R U 不变的情况下偏差电压)(Ue U U Ue f R ∆=-∆下降。
由直流电动机机械特性的公式知道，在其它参数不变的条件下，加在电枢两端的电压D U 下降，使直流电动机的转速下降，闭环控制系统靠这样的顺序过程实现自动调速的。
同理得出结论，闭环系统能够有效地抑制一切被包围在反馈环内的扰动作用。
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验24、SIMULINK建模我们借助SIMULINK，根据上节理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如下所示：图7 双闭环调速系统的动态结构图（1）系统动态结构的simulink建模①启动计算机，进入MATLAB系统检查计算机电源是否已经连接，插座开关是否打开，确定计算机已接通，按下计算机电压按钮，打开显示器开关，启动计算机。
打开Windows开始菜单，选择程序，选择MATAB6.5.1，选择并点击MATAB6.5.1，启动MATAB程序，如图8，点击后得到下图9：图8选择MATAB程序图9 MATAB6.5.1界面点击smulink 中的continuous,选择transfor Fc n（传递函数）就可以编辑系统的传递函数模型了，如图10。
图10 smulink界面②系统设置选择smulink界面左上角的白色图标既建立了一个新的simulink模型，系统地仿真与验证将在这个新模型中完成，可以看到在simulink目录下还有很多的子目录，里面有许多我们这个仿真实验中要用的模块，这里不再一一介绍，自介绍最重要的传递函数模块的设置，其他所需模块参数的摄制过程与之类似。
将transfor Fc n（传递函数）模块用鼠标左键拖入新模型后双击transfor Fc n（传递函数）模块得到图11，开始编辑此模块的属性。
图11参数表与模型建立参数对话栏第一和第二项就是我们需要设置的传递函数的分子与分母，如我们需要设置电流环的控制器的传递函数：0.01810.0181()0.2920.0180.062ACR s s W s s s++=⋅=，这在对话栏的第一栏写如：[0.018 1]，第二栏为：[0.062 0]。
点击OK ，参数设置完成。
如图12。
图12传递函数参数设置设置完所有模块的参数后将模块连接起来既得到图7所示的系统仿真模型。
在这里需要注意的是，当我们按照理论设计的仿真模型得到的实验波形与理想的波形有很大的出入。
课程设计实验报告-直流电机测速 (1)
直流电机测速摘要设计一种直流电机调速系统，以STC89C52 为控制核心，通过ULN2003 驱动电机，使用ST151 测量转速，实现了按键输入、电机驱动、转速控制、转速显示等功能。
关键词：直流电机, 80C51, ULN2003, 转速控制第一章题目描述直流小电机调速系统：采用单片机、ul n2003 为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。
要求：1、电机速度分30r /m、60r /m、100r /m共3 档；2、通过按选择速度；3、检测并显示各档速度。
所需器件：实验板（中号）、直流电机、STC89C52、电容（30pFⅹ2、10uF ⅹ2）、数码管（共阳、四位一体）、晶振（12M H z ）、小按键（4 个）、ST151、电阻、发光二极管等。
第二章方案论述按照题给要求，我们最终设计了如下的解决方案：用户通过键盘键入控制指令（开关），微控制器在收到指令后改变输出的 PW M波，最终在 U LN2003 的驱动下电机转速发生改变。
通过 ST151 传感器测量电机扇叶的旋转情况，将转速显示在数码管上。
在程序主循环中实现按键扫描与转速显示，将定时器0 作为计数器，计数ST151 产生的下降沿，可算出转速，并送至数码管显示。
第三章硬件部分设计系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。
在硬件搭建前，先通过Pr ot eus Pr o 7. 5 进行硬件仿真实现。
1. 时钟电路系统采用12M 晶振与两个30pF 电容组成震荡电路，接STC89C52 的 XTAL1 与 XTAL2 引脚，为微控制器提供时钟源2. 按键电路四个按键分别控制电机的不同转速，即控制 PW M波高电平的占空比，以实现电机的速度控制，采用开环控制方法，不是十分精确，但控制简单，易实现，代码编写简单3. 显示部分系统采用4 位共阴极数码管实现转速显示。
数码管的位选端1~4 分别接STC89C52 的P2. 0~P2. 3 管脚，端选段A~G与 D P分别接 STC89C52 的 P0. 0~P0. 7 管脚。
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实验一 直流电机调速系统的数学模型
一、实验目的
1．通过实验掌握直流伺服电机的数字模型的建立方法。
2．通过实验掌握PWM 变换器（可控电源）的数字模型的建立方法。
二、实验内容
1电机参数的测量
1） 电势常数k E Φ的测定 用另一台电动机牵引被测电机运在额定转速，测出电机的电势Ea ，则
电势常数：C E =k E Φ=
N
a
n E 。
（1） 2）电机转矩常数C m Φ 转矩常数可由C E 求出：E
m C C π
30=。
（2）
3）飞轮矩GD 2的测定 已知电机的运动方程为：
dt
dn
GD T T l e 3752=- （3）
电机接可调稳压电源，测速发电机接数字示波器的Y 轴输入，调节稳压电源电压使电机运行在额定转速附近，测量此时的空载电流I O 。
断开电源使电机自由行使，测出电机的下降时间t ∆(若为指数下降曲线，则按其初始斜率求下降时间t ∆)，则电机的飞轮矩可由下式求出：
GD 2 =
t
n I C o
m ∆∆Φ375 （4）
4）电枢电阻的测定 电机电枢接可调稳压电源，卡住电机轴不让转动，调节稳压电源使电机电流为一定值，测出一组V 1，I 1 。
电机轴转动一定位置，重复测量得另一组数据，V 2，I 2 。
测出4、5组数据。
则当电流为某一值时的电枢电阻a R ：
a R =
n
Rn
R R ++21 （5）
5）电源内阻的测定 在H 桥输出端接电压表，电流表和直流伺服电机（带
上负载（一台发电机）），调节控制电压U C 使PWM 电路输出为额定电压的2
1
，此
电压为V 1；调节发电机的负载电阻使电动机电流为额定电流I N ，此电流为I 1；保持控制电压不变，调节发电机的负载电阻，使电动机的电流约为额定电流的0.8
倍，测出电动机的电流为I 2，测出PWM 变换器的电压为V 2，则按下式可算出电源的等效内阻：
R pwm =
2
11
2I I V V -- （6） 6）电枢电感的测定 自耦变压器输出与电机联接在如图所示。
交流电流应大于额定值，测得电压，电流分别为U 和I ，则电枢电感a L 为：
a L =
f
R I U a π22
2
-⎪⎭
⎫
⎝⎛ （7）
7）电磁时间常数l T 的确定 电磁时间常数l T 的表达式为： l T =R
L
（8） R ：为回路的总电阻
8）机电时间常数m T 的确定 机电时间常数m T 的表达式为：
m T =2
2375Φm e C C R
GD （9） 3 开环静差率测量 PWM 变换器输出端按上电机，改变控制电压U c ,使电机在额定转速下运行，保持U c 不变，电机带额定负载时，测出电机转速，由下式计算开环静差率。
S op =
n n N
∆ （10） 4 PWM 变换器环节的传递函数
1）以Uc 为横轴，U d 为纵坐标，描出各点。
并将各点用直线相连，求出该直
线的斜率k PWM =
C
d
U
U
∆∆，即为PWM 环节的比例系数。
用频率计或示波器测出
PWM 的频率f ，求出周期T 。
则PWM 环节的传递函数可用图2表示：
U C
U d0
12
+S T
k PWM
图2 PWM变换器环节的传递函数
2）根据测出的控制系统传递函数，画出速度控制系统开环传递函数结构图。
5实验感想
通过实验我们学会了哪些？。