转速单闭环直流调速系统
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。
转速反馈单闭环直流调速系统仿真
实验一、转速反馈单闭环直流调速系统仿真一、实验内容：直流电机模型框图如下图所示，仿真参数为R=0.6，T l=0.00833，T m=0.045，Ce=0.1925。
本次仿真采用算法为ode45，仿真时间5s。
1.开环仿真：用Simulink实现上述直流电机模型，直流电压U d0取220V，0~2.5s，电机空载，即I d=0；2.5s~5s，电机满载，即I d=55A。
画出转速n的波形，根据仿真结果求出空载和负载时的转速n以及静差率s。
改变仿真算法，观察效果（运算时间、精度等）。
实验步骤：（1）按照上图把电机模型建立好，其中u d0设置为常数，并把其幅值设置为220，把其它相应的环节也设置好。
把I d设置为“阶跃信号”，且在0~2.5s之间其幅值为0，而2.5~5s之间其幅值为55，在对系统中其它参数进行设置。
为了观察输出地波形，在输出处接上一个示波器。
（2）对仿真模式进行设置，系统默认的仿真算法为ode45,只需要把仿真时间设置为5s即可。
（3）对系统进行仿真。
仿真结果：（1）仿真算法为ode45:图1 上图即为电机转速的仿真结果图，同图上我们可以看出来分为了两个阶段，其中第一个阶段（0~2.5s）为空载转速，第二阶段（2.5~5s）为满载转速。
空载转速为1142n/min。
在2.5s时加入了负载，通过仿真结果我们可以看出来，负载转速为972n/min。
这可以看出来在加入负载之后，电机的转速开始下降。
根据电机转差率的公式s=（n0-n）/ n0=(1142-972)/1142=0.149。
转差率还是比较小的，说明该电机效率比较高。
通过观察该仿真的时间，其运算时间为T=9.134*10^-7s。
（2）仿真算法为ode23:仿真结果图如图2所示，由图我们可以看出来，结果基本上和计算方法为ode45的结果一样，但是运算时间却不一样，该算法的运算时间为T=3.636*10^-7s。
运算时间比ode45的时间短。
(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ks
Ud0 + _ E
1/Ce
n
Un
n
开环机械特性
闭环静特性
B
C
A
A’
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
O
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图2.19 闭环系统静特性和开环机械特性的关系
由此看来，闭环系统能够减少稳态速 降的实质在于它的自动调节作用，在于它 能随着负载的变化而相应地改变电枢电压， 以补偿电枢回路电阻压降。
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组网 功率驱动装置 电动机
3. 开环系统机械特性 和闭环系统静特性的关系
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静 特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如
果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
单闭环直流调速系统
模块一 单闭环直流调速系统
• 项目一 单闭环直流调速系统的概念 和性能指标
• 项目二 转速负反馈有静差直流调速 系统
• 项目二 转速负反馈有静差直流调速 系统
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项目一 单闭环直流调速系统的 概念和性能指标
• 任务一 直流调速系统的基本概念
• 直流电动机调速系统在电力拖动调速系统中占据很重 要 的 地 位 ， 由 于 直 流 电 动 机 具 有 良好 的 运 行 和 控 制 特 性，并且直流调速系统的理论和实践都很成熟，因此 在 许 多 工 业 领 域 得 到广 泛 的 应 用 ， 如 挖 掘 、 轧 钢 、 造 纸、纺织等诸多领域。
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项目一 单闭环直流调速系统的 概念和性能指标
• ２. 抗 扰 性 能 指 标 • 当控制系统在稳定运行过程中受到电动机负载变化、
电 网 电 压 波 动 等 干 扰 因 素 的 影 响时 ， 会 引 起 输 出 量 的 变 化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的稳态。 这 一 恢 复 过 程 就是 系 统 的 抗 扰 过 程 。 一 般 以 系 统 稳 定 运 行 中 突 加 负 载 的 阶 跃 扰 动 后 的 过 渡 过 程 作 为 典 型 的 抗扰 过 程 ， 如 图 １ －４ 所 示 。 • （ １） 动 态 降 落 Δｎ ｍａｘ ％。 系 统 稳 定 运 行 时 ， 突 加 一 个 扰 动 量 后 引 起 的 最 大 转 速 降 落 Δｎ ｍａｘ称 为 动 态 降 落 ， 用 输 出 量 的 原 稳 态 值 ｎ∞１的 百 分 数 来 表 示 。 当 输 出 量 在 动 态 降 落 后 又 恢 复 到新 的 稳 态 值 ｎ∞２时 ， 偏 差 （ ｎ • ∞１－ ｎ∞２） 表 示 系 统 在 该 扰 动 作 用 下 的 稳 态 降 落 ， 一 般 动 态 降 落都 大 于 稳 态 降 落 。
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
带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统概要
带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统概要概述直流调速系统是现代工业中常见的一种控制系统，其主要作用是通过控制电机的转速来调节其输出的功率。
转速单闭环直流调速系统是其中一种常见的控制系统，它采用了带电流截至负反馈的技术，可以有效地提高系统的稳定性和响应速度。
系统结构转速单闭环直流调速系统主要由三部分组成：电机控制电路、转速测量电路和控制器。
其中电机控制电路用于控制电机的转速，转速测量电路用于测量电机的转速，控制器用于计算误差并发送控制信号到电机控制电路。
具体来说，电机控制电路包括电源、电机以及功率调节器等组件。
电源提供电流给电机，功率调节器则可以控制电流的大小和方向，从而实现对电机转速的控制。
转速测量电路主要用于测量电机的转速，它通常包括一些传感器和信号处理电路。
传感器可以检测电机转子的位置，信号处理电路则将传感器输出的信号转换为脉冲信号，供控制器使用。
控制器是这个系统的核心部件，它负责计算误差并发送控制信号到电机控制电路。
具体来说，控制器可以将目标转速和实际转速之间的差值作为误差，通过算法计算出电机电流的大小和方向，从而实现对电机转速的控制。
技术应用转速单闭环直流调速系统广泛应用于各种需要精确控制电机转速的场合，比如机床、风扇、电动机车、水泵等等。
用转速单闭环直流调速系统可以实现对电机的精确的控制，提高设备的工作效率和稳定性。
此外，带电流截至负反馈的技术也可以应用于其他类型的控制系统中，比如温度控制系统、光照控制系统等等。
它的优点是可以提高系统的稳定性和响应速度，从而提高设备的性能和可靠性。
转速单闭环直流调速系统是一种常见的控制系统，它采用了带电流截至负反馈的技术，可以实现对电机转速的精确控制。
该系统结构简单，应用广泛，可用于机床、风扇、电动机车、水泵等设备的控制。
此外，该技术也可以应用于其他类型的控制系统中，提高设备的性能和可靠性。
单闭环直流调速系统的动态分析
促进工业自动化技术的发展
对单闭环直流调速系统的深入研究，有助于推动工业自动化技术的进步，提升我国工业的国际竞争力 。
单闭环直流调速系统
02
概述
系统组成和工作原理
系统组成
单闭环直流调速系统主要由转速控制器、功率放大器和直流电机等组成。
结论与展望
06
研究成果总结
01 建立了单闭环直流调速系统的数学模型，并 对其动态性能进行了深入分析。
02
提出了基于PI调节器的控制策略，有效提高 了系统的动态响应速度和稳定性。
03
通过实验验证了所提控制策略的有效性，并 与其他方法进行了对比分析。
04
分析了系统在不同工况下的性能表现，为实 际应用提供了理论依据。
数据存储
将处理后的数据妥善保存，以便后续仿真模型建立与 验证使用。
仿真模型建立与验证
数学模型建立
根据单闭环直流调速系统的原理，建立系统的数学模型， 如传递函数、状态方程等。
01
仿真软件选择
选择合适的仿真软件，如Simulink、 Matlab等，建立仿真模型。
02
03
模型验证
将实验数据代入仿真模型中进行验证， 比较仿真结果与实验结果的差异，评 估模型的准确性和可靠性。
直流电机调速的重要性
直流电机调速在工业自动化控制系统 中具有重要作用，能够实现精确的速 度控制和快速响应，提高生产效率和 产品质量。
目的和意义
研究单闭环直流调速系统的动态性能
通过对单闭环直流调速系统的动态分析，了解其响应速度、稳定性、抗干扰能力等方面的性能表现， 为实际应用提供理论依据。
转速负反馈单闭环直流调速系统
为负载电流。
传递函数
在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得 电压与电流间的传递函数
Id(s) 1/ R Ud0 (s) E(s) Tls 1
电流与电动势间的传递函数
E(s) R Id (s) IdL (s) Tms
动态结构图
Ud0
+
- E(s)
1/R Tl s+1
Id (s)
Id (s)
检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制 系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出 精度。
2.3.2 单闭环调速系统的动态分析
通过稳态性能的研究可知：引入转速负 反馈并使放大倍数 K 足够大，就可以减少稳 态速降，满足系统的稳态要求。但是放大系 数过大，会使闭环系统动态性能变差，甚至 造成不稳定，因此有必要对系统进行动态性 能的分析。
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
失控时间Ts的分析
u
2
O
ud
Ud01
t Ud02
O
Uc
Uc1
O
1
1
Ts
Uc2
t
2
2 t
O
t
图2.23 晶闸管触发与整流装置的失控时间
最大失控时间Tsmax的计算
显然，失控制时间是随机的，它的大小随发 生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是 两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频 率和整流电路形式有关，由下式确定
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Kp
KCe
Ks
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 ）
例 4.2-2 某 V—M 直流调速系统的直流电动机的额定值为 60kW， 220V，305A，1000r／min，主回路总电阻 R=0.18Ω，电枢电阻
Ra =0.066Ω，要求 D＝20， s 5％。开环调速系统能否满足要求?
解：已知系统当电流连续时，
CE N (U N RaIdN ) / nN 0.199 0.2 V·min／r；
nN
IN R CE N
305 0.18 274.5r / min 0.2
如果要满足 D＝20， s 5％的要求，可以根据式(4.2-8)求得额定
Cm 为, CCemCCETNN
(V gmin/ r) (Nm / A)
(4.3-1a)
Ea CE n Ea Cen Te CT Ia Te Cm Ia (Id )
比较：
根据磁场能量计算电磁力和电磁转矩（用 2.5 节的磁共能：
f Wm (i, x) x
ic
Te
Wm (i,
)
ic
公式“riBL ”r： r f (i B)l
Ce
理想空载转速 静态速降
电压比较环节：
U n
U
* n
Un
控制器（设为比例调节器）：Uct KpUn
可控直流电源：
Ud0 KsUct
(4.3-2)
电机的开环机械特性: 测速发电机：
n Ud0 IdR Ce
Un n
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。
(4.3-2)
Id 1/ Cm
Te TL
U
* n
U ct Kp
Ud0 Ks
R
n
1 Ce
图 4.3.3 转速负反馈单闭环调速系统静态结构图
转速单闭环调速系 统的静特性方程？
静特性方程
n
KPKS Ce (1 K
)
U
* n
Ce
R (1
K
)
Id
n0,cl ncl
↑↑
闭环系统的开 环放大系数
K K p Ks
§4.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
4.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 4.3.2 单闭环调速系统的动态模型、动态分析和校正 4.3.3 单闭环调速系统的限流保护
重点: 数学模型, 闭环的结构及闭环的意义 静特性的分析方法 动特性: 稳定性,PI的物理意义
单闭环调速系统的组成？
4.3.1单闭环调速系统的组成及静特性
闭环系统静特性描述？
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
I d1
I d2
I d3
I d4
Id
图 4.3.4 闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系
开环机械特性 n
Kp
KsU
* n
Ce
RId Ce
开环调速系统存在的问题:至少有静态（稳态）误差 （没有讨论跟随性能、抗扰性能等）。
为了解决各种指标之间的矛盾，以满足较高的调速 指标要求，采用闭环控制。
即：引入被调量转速的负反馈。
输入量
控制器
扰动量 输出量
可控电源 被控对象
检测单元 图 4.3.1 闭环系统方框图
转速单闭环调速系 统的组成？
1 转速单闭环调速系统的组成
(1) 忽略各种非线性因素，各环节的输入输出关系都是线性的；
(2) 由可控直流电源供电的直流电机的电枢电流是连续的（由
电力电子技术知，不连续时一般使得机械特性变为非线性）；
(3)
忽略提供
U
* n
的直流电源的负载效应；
(4) 电机磁通 为常数 N 。
转速单闭环调速系 统的静特性？
电机磁通 为常数 N ： 额定励磁条件下新的常数电动势转速比 Ce 和电磁转矩电流比
④
当给定电压相同时，
n0,c1
n0,op 1 K
.
结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静态特性。在 满足一定静差率的要求下，闭环系统大大提高了调速范围。 但是闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。
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 4.3-1 对于例 4.2-2 所示的开环系统，采用转速负反馈构 成单闭环系统，且已知晶闸管整流器与触发装置的电压放大 系数 Ks ＝30，转速反馈系数 0.015Vgmin/ r ，为了满足给 定的要求，计算放大器的电压放大系数 Kp 。
转速单闭环调速系
按左手定则确定 f iBl
统的静态结构图？
各环节的静态输入输出关系:
电压比较环节：
U n
U
* n
Un
控制器（设为比例调节器）：Uct KpUn
可控直流电源：
Ud0 KsUct
电机的开环机械特性: 测速发电机：
n Ud0 IdR Ce
Un n
静态结构图（虚框内为电机模型）
L us
U
* n
U ct
Id
Un A
UCR Ud
M
n
TG
Un
图 4.3.2 转速负反馈单闭环调速系统的构成
▪结构原理图(以晶闸管整流电源为例，A为调节器)
转速单闭环调速系 统的静特性？
2 转速负反馈闭环调速系统的静特性
静特性方程：表示系统静态的各量之间的关系 分析：定性分析，定量计算。
为突出主要矛盾，先作如下假定
负载下的转速降落 nN 为
nN
nN s
D 1
s
1000 0.05 20(1 0.05)
2.63
r
/ min
单闭环调速系统的基本特征？
4单闭环调速系统的基本特征（反馈控制的基本规律）
(1)具有比例放大器的单闭环调速系统是有静差的； (2)闭环系统具有较强的抗干扰性能： (3)闭环系统对给定信号和检测装置中的扰动无能为源自。n0,opnop
(4.3-4)
闭环机械特性
n
Kp
KsU
* n
Ce 1 K
Ce
RId
1
K
n0,cl
ncl
(4.3-5)
闭环系统静特性特点？
特点：
①
nc1
nop 1 K
.
②
当理想空载转速相同，即 n0,op n0,cl 时，
sc1
sop 1 K
.
③ 当要求的静差率一定时, Dc1 1 K Dop .
解： 由例 4.2-2 知，系统的开环速降 nop 275r / min ，满足指 标要求的速降为 nc1 2.63r / min ，则由式(4.3-5)可以求得闭 环系统的开环放大系数为
K nop 1= 275 1=103.6
nc1
2.63
由 K KpKs / Ce ，可以求得放大器的放大系数为