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第五章直流传动控制系统


机 电 传 动 控 制

沈阳理工大学机械学院
主讲:陈白宁

第5章 直流传动控制系统
5.1 概述 一、自动控制系统的组成和分类 1. 自动控制系统的组成

2. 自动控制系统的组成 (1)按采用不同的反馈方式,可分为转速负反馈、电势负反馈、电压负 反馈及电流正反馈 (2)按自动调节系统的复杂

程度,可分为单环自动调节系统和多环自动 调节系统 (3)按系统稳态时被调量与给定量有无差别,可分为有静差调节系统和 无静差调节系统 (4)按给定量变化的规律,可分为定值调节系统、程序控制系统和随动 系统 (5)按调节动作与时间的关系,可分为断续控制系统和连续控制系统,或 无级调速和有级调速。 (6)按系统中所包含的元件特性,可分为线性控制系统和非线性控制系 统 (7)按电机调速特性分,可分为恒转矩调速和恒功率调速

二 调速系统主要性能指标

静态指标
动态指标

调速系统的调速技术指标
1. 静态技术指标 1) 静差度S: 静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。

速度稳定性指标

n0 ? ne ?ne ?ne ? n0 ? ne ? ?静态速降 ? n0 n0 当负载变化时,生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内,即要求静差 度S小于一定数值。 S?
普通设备
S≤50%

普通车床
S≤30%

龙门刨床
S≤5%

冷轧机
S≤2%

热轧机
0.2%~0.5%

造纸机
S≤0.1%

电动机的机械特性愈硬,则静差度愈小,转速的相对稳定性就愈高 ; 在一个调速系统中,如果在最低转速运行时能满足静差度的要求,则在其他 转速时必能满足要求。

2)调速范围D 在额定负载下,允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提 下所能达到的最低转速之比称为调速范围 。

nmax D? nmin
车床 20~120 龙门刨床 20~40 钻床 2~12 铣床 20~30 轧钢机 3~15 造纸机 10~20 进给机械 5~30000

3)D 、Δn和S的关系

nmax nmaxS D? nmin ?n (1 ? S )

3)D 、Δn和S的关系

nmax nmax nmax D? ? ? nmin n02 ? ?nN n (1 ? ?nN ) 02 n02 nmax S ? ? ?nN ?nN (1 ? S ) (1 ? S ) S nmax

2. 动态技术指标 从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转所经过的一段过渡过程, 称为动态过程。 1. 最大超调量

nmax ? n2 ?? ?100% n2

?超调量太大,达不到生产工艺上的要求; ?超调量太小,会使过渡过程过于缓慢,不利于生产率的提高

范围:

? ? 10% ~ 35%

2. 上升时间tr

3. 过渡过程时间ts

4. 振荡次数 N

系 统 1 2

超调 量 0 大

过渡过程 时间T 长 长

振荡次 数 无 多

性能 不好 不好

3









例5.1 有一生产机械要求调速范围D=5,静差率≤5%, 电动机额定数据为10KW,220V,55A,1000r/min,电枢回 路总电阻R=1Ω ,KeΦ =0.1925 V.r/min,问开环系统能否 满足要求?
解:由式(5.2),要满足D,s 要求,在额定负载时允许的稳态速降为:

nmax S 1000? 0.05 ?n ?? ? ? 12.52 r/min D(1 ? S ) 5 ? (1 ? 0.05)
' N

开环系统中,当电流连续时,有:

U N ? I N Ra nN ?? ? n0 ? ?nN Ke?

开环系统中,速度降为:

Ra 1 ?nN ? IN ? ? 55 ? 285.7 r/min Ke? 0.1925

?n ? ?nN
' N

开环系统中速度降大大的超过了允许的转速降落,为了改善调速系统, 要求采用闭环负反馈控制。

三、根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式
1.生产机械的负载特性

2.电动机调速过程中的负载能力 在调速过程中应保持电枢电流Ia为额定值IN,在不同 转速下电动机轴上输出的转矩和功率就是电动机所能允许 长期输出的最大转矩和最大功率,亦即电动机调速过程中 的负载能力。 3.电动机的调速性质与生产机械的负载特性的配合 负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转 矩性质的调速方式,且电动机的额定转矩T应等于或 略大于负载转矩TL; 负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功 率性质的调速方式,且电动机的额定功率PN应等于 或略大于生产机械的静负载功率PL。

5.2 晶闸管-电动机直流传动控制系统
分类: 按结构的不同: 单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统

可逆系统 无静差直流调速系统 按静态误差的不同: 有静差直流调速系统 任务: ? 调节速度; ? 扩大调速范围,减小静态误差。

一、单闭环直流调速系统 1. 有静差转速负反馈调速系统:系统的给定值与反馈值不相等, ΔU=Ug-Ui ≠ 0,采用比例P调节器。 1) 基本组成

放大器

触发回路

可控整流回路
+

励磁回路
-

电枢回路 速度给定 测速反馈回路

晶闸管的工作原理

带电阻性负载的单相可控整流电路

2) 工作原理 (1) 稳态( Ug、Uf 不变) ?U ? U g ? U f 不变 ? U k不变 ? ? 不变 ? U d 不变 ? n 不变 当Ug、Uf不变时,电动机的转速不变,这种状态称为稳态。 (2) 调速(Uf不变,改变Ug的大小) U g ?? ?U ? ? U g ? U f ? U k ? ? ? ? ? U d ?? n ?
U g ?? ?U ?? U g ? U f ? U k ?? ? ?? U d ?? n ? 改变Ug的大小可改变电动机的转速,这种状态称为调速.

(3) 稳速(Ug不变、负载变化使Uf变化 )
当负载增加使 n ?? U f ?? ?U ?? U g ? U f ? U k ?? ? ?? U d ?? n ? 当负载减小使 n ?? U f ?? ?U ?? U g ? U f ? U k ?? ? ?? U d ?? n ?

当负载发生变化使速度发生变化后,系统通过反馈能维持速度基本不变,这 种状态称为稳速。

3) 静特性分析 静特性:电动机的转速与负载电流之间的大小关系。
(1) 各环节输入输出的关系 电动机电路

Ud ? K e?n ? I a R? ? Ce n ? I a R?
可控硅和触发电路

U d ? K p KsU k
放大器电路

Uk ? K P ?U ? K p (U g ? U f )
反馈电路

U f ? ?n

(2)分析与结论

n?

K GU g

KG ? K P K S K?

Ce ( 1 ? K ) Ce ( 1 ? K )

?

I a R?

? nof ? ?n f

?
Ce

? ?闭环系统的静特性

KP KS

n?

K GU g Ce

?

理想空载转速
设 转速降

R? I a ? n0 ? ?n Ce

n0 f ? n0
?n f ?
R? ?n Ia ? Ce ( 1 ? K ) 1? K

? ?开环系统的静特性

调速范围
在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下,

Df ? (1 ? K )D

转速负反馈闭环系统的稳态结构图

结论:

?提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。 系统的放大倍数越大,准确度就越高,静差度就越小,调速范围就越大。但是放 大倍数也不能过分增大,否则系统容易产生不稳定现象。
?由于放大倍数不可能为无穷大,即静态速降不可能为0,因此,上述系统只能 维持速度基本不变。这种维持被调量(转速)近于恒值不变,但又具有偏差的反 馈控制系统通常称为有差调节系统(即有差调速系统)。

?采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用(如负载的变化、电动机励磁的变化、 晶闸管交流电源电压的变化等)对电动机转速的影响。

2. 无静差转速负反馈调速系统:系统的给定值与反馈值保持相等,

ΔU=Ug-Ui=0, 采用比例积分PI调节器。
1)比例积分(PI)调节器 比例调节器 积分调节器

其输入输出之间的关系如下:

其输入输出之间的关系如下:

R Uo ? ? 1 Ui R0

Uo ? ?

1 1 i1dt ? ? ? ? U i dt C RoC

比例积分调节器

U 0 ? ? I1R1 ?

1 ? I1dt C1

? I1 ? I 0 ? U i / R0
R1 1 ? U0 ? ? Ui ? ? U idt R0 R0C1

2) 采用PI调节器的无静差调速系统

3) 动态调节过程

二、双闭环直流调速系统
? Ia

1.转速、电流双闭环调速系统的组成
Ia, n, Ud Ud Iam Id Iam Ia t 理想的启动波形 n (Iam-Ia)R∑

0

t2

t1

t

IamR∑

启动时的电压波形

启动时电动机电压

U d ? I am R? ? Ce n U d ? I a R? ? Ce n

启动结束时电压

? ?

2.转速、电流双闭环调速系统的分析 1)静态分析
-Ugi ASR +Ufi △Ui UK ACR

TA

L Ia

+Ugn △Un

α Ud

M

-Ufn

BR

?
?

2.转速、电流双闭环调速系统的分析 2)系统分析
Ia Iam

IL n ng t

t1 t2

t3

t4

t

?

2.转速、电流双闭环调速系统的静态分析分析 TA +Ufi △Ui L Ia α Ud M

+Ugn

△Un -Ufn

-Ugi
ASR

UK ACR

BR Ia Iam

IL n ng t

t1 t2

t3

t4

t

三、正反转控制
1. 利用接触器的可逆线路
+ ~ KM1 Ud A Ia M (Ia) B KM2

KM2

KM1

?

2. 可控硅切换线路
+ ~ VT1 A Ud VT3 Ia M (Ia) B VT4 VT2

5.5 有一直流调速系统,其高速时的理想空载转速n01=1480r/ min,低速时的理想空载转速n02=157r/min,额定负载时的转 速降△nN=10r/min。试画出该系统的静特性(即电动机的机械 特性),求出调速范围和静差度. 5.11 某一有静差调速系统的速度调节范围为75r/min— 1500r/min,要求静差度S=2%,该系统允许的静态速降是 多少?如果开环系统的静态速降是100r/min,则闭环系统的开 环放大倍数应有多大? 5.12 某一直流调速系统调速范围D=10,最高额定转速 nmax=1000r/min,开环系统的静态速降是100r/min。试问该 系统的静差度为多少?若把该系统组成闭环系统,保持n02不变 的情况下,使新系统的静差度为5%,试问闭环系统的开环放 大倍数为多少?

第六章 交流电动机的工作原理及特性 ? 了解三相异步电动机的基本结构及工作原理; ? 掌握三相异步电动机的机械特性;

? 掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数;
? 掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性; ? 掌握实现三相异步电动机启动、调速和制动的各种方法及它们 的使用场所;

6.1 三相异步电动机的基本结构和工作原理

一、三相异步电动机的基本结构
三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成

1.定子 定子由定子铁心、绕组 以及机座组成。 2.转子
转子由铁心与绕组组成。

鼠笼式异步电动机转子绕 组是在转子铁心槽里插入铜条,

再将全部铜条两端焊在两个铜
端环上而组成。 线绕式异步电动机转

子绕组是由线圈绕组放入转
子铁心槽内,并分为三相对 称绕组,与定子产生的磁极 数相同。

二、三相异步电动机的工作原理 1.定子旋转磁场

?1?t ? 0时
iA=0 iB为负,iC为正;

?2?t ? T

iA ? 0 iB=0 iA为正, iB为负; iA为正, iC为负; iB为正,iC为负

6时 iC=0

?3?t ? T

3时

?4?t ? T

2时

2.旋转磁场的旋转方向

如果将三相定子绕组中的任意两相对调,旋转磁场的方向就改变

3.旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中,旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速

度,用n0表示。

n0 ?
4.转差率 S

60 f p

n0 ? n S? n0

6.2 三相异步电动机的额定参数 一、 三相异步电动机定子绕组的接法 1.两种接法

二.机械特性 1.固有机械特性 异步电动机在额定电压和额定频率下,用规定的接线方式, 定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有 (自然)机械特性。 根据 T ?

SR2U 2
2 R2 ? ( SX 20 )2

S?

n0 ? n n0

?1?T ? 0 , n ? n0 , S ? 0
理想空载工作点:

(1) (2) (4)

?2?T ? TN , n ? nN , S ? S N
额定工作点:

?3?T ? Tst , n ? 0, S ? 1
启动工作点

PN TN ? 9.55 nN

n0 ? nN SN ? n0
R2U 2
2 2 R2 ? X 20

(3)

Tst ? K

?4?T ? Tmax , n ? nm , S ? Sm
临界工作点
Tmax ? K

U2 2X 20

Sm ? R2 / X 20

通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比

?m ? Tmax / TN
称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负 载的能力大小,是电动机的又一个重要运行参数。 鼠笼式异步电动机 线绕式异步电动机

?m ? 1.8 ~ 2.2

?m ? 2.5 ~ 2.8

2.人为机械特性

T?

SR2U 2
2 R2 ? ( SX 20 )2

n0 ?

60 f p

n0 ? n S? n0

改变定子电压U 定子电源频率f 定子电路串入电阻或电抗 转子电路串入电阻或电抗等,都可得到异步电动机的人为机 械特性。

(1)降低电动机电源电压时的人为特性

? 60 f ? n0 ? p ? ? R2 n0 ? nm ? ? Sm ? X 20 n0 ? ? U2 ? ?Tmax ? K 2 X 20 ? ? R2U 2 ?Tst ? K 2 2 ? R2 ? X 20 ? ?? ? Tmax ? TN ?

n0

不变 Sm 不变 随着电压的减小而大大地减小 随着电压的减小而大大地减小

Tmax Tst

(2)定子电路接入电阻或电抗时的人为特性

(3)改变定子电源频率时的人为特性 n0 ? f 60 f ? ? n0 ? p Sm ? 1 / f ? ? S ? R2 ? n0 ? nm Tst ? 1 / f ? m X n0 20 ? Tmax 不变 2 ? U Tmax ? K ? 2 X 20 ? ? R2U 2 ?Tst ? K 2 2 ? R2 ? X 20 ? ?? ? Tmax ? TN ? ?注意到:X 20 ? f , K ? 1 f

(4)转子电路串电阻时的人为特性

? 60 f ? n0 ? p ? ? R2 n0 ? nm ? ? Sm ? X 20 n0 ? ? U2 ? ?Tmax ? K 2 X 20 ? ? R2U 2 ?Tst ? K 2 2 ? R2 ? X 20 ? ?? ? Tmax ? TN ?

n0 不变 Tmax 不变

Sm 随着串接电阻的增加而增大,

6.3 三相异步电动机的启动特性 采用电动机拖动生产机械,对电动机启动的主要要求如下。 (1)有足够大的启动转矩,保证生产机械能正常启动。

(2)在满足启动转矩要求的前提下,启动电流越小越好。
(3)要求启动平滑,即要求启动时加速平滑,以减小对生产机 械的冲击。 (4)启动设备安全可靠,力求结构简单,操作方便。 (5)启动过程中的功率损耗越小越好。

一、 鼠笼式异步电动机的启动方法 1.直接启动(全压启动)

直接启动就是将电动机的定子绕组通 过闸刀开关或接触器直接接入电源,在额 定电压下进行启动。

? 特点:电动机定子绕组的工作电压和 启动电压相等。 ? 对象:小容量电动机。

2.电阻或电抗器降压启动

特点:
启动转矩随定子电压的平方下降,故它只适用于空载或轻载启动的场合;

不经济,在启动过程中,电阻器上消耗能量大,不适用于经常启动的电动机, 若采用电抗器代替电阻器,则所需设备费较贵,且体积大。

3.Y-?降压启动

I stY ? U1
所以

3Z I st? ? 3U1 / Z
I st? I stY ? 3

Y-?降压启动方法的特点: ? 设备简单、经济、启动电流小; ? 启动转矩小,且启动电压不能 按实际需要调节,故只适用于

空载或轻载启动的场合;
? 只适用于正常运行时定子绕组接线为?的异步电动机。

4.自耦变压器降压启动

U 2 ? KU1

U2 N2 K? ? ?1 U1 N 1

特点: ? 与Y-?降压启动时情况一样,只是在Y-?降压启动时的K为定值,而自耦变
压器启动时的K是可调节的。

? 变压器的体积大、重量重、价格高、维修麻烦,且启动时自耦变压器处
于过电流(超过额定电流)状态下运行,因此,不适于启动频繁的电动机。

二、线绕式异步电动机的启动方法 鼠笼式异步电动机的启动转矩小,启动电流大,因此不能满足 某些生产机械需要高启动转矩低启动电流的要求。 线绕式异步电动机由于能在转子电路中串电阻,因此具有较大 的启动转矩和较小的启动电流,即具有较好的启动特性。

1.逐级切除启动电阻法

6.4 三相异步电动机的调速特性
SR2U 2
2 R2 ? ( SX 20 )2

T?

60 f n ? (1 ? S ) P

?5.37 ?

只要改变U 攺变速度

、R、f、P就可

一、调压调速 离心风机
特点: 1)无极调速 2)调速范围 窄

恒转矩 负载

采用高阻转子, 同时采用转速 负反馈实现调 压调速

一、调压调速

特点: 1)无极调速 2)调速范围 窄 采用高阻转子, 同时采用转速 负反馈实现调 压调速 闭环静特性

二、转子串电阻调速
针对线绕式异步电动机的起重设备上

特点:
1)有级调速 2)R越大, 耗能越大

三、 改变极对数调速
特点: 有机调速 多速电机

P=2

P=1

四、 变频调速 适用于鼠笼式电动机
特点:

1)无极调速
2)调速范围宽

1.FR:触点闭合正向启动 RR:触点闭合反向启动 正向 停车 功能

惯性 滑行

反向
FR RR ① ①最先选择的方向拥有最高优先权 ②当FR触点断开时,运动方向开始改变 ② ③

③若正向启动(FR)和反向启动(RR)同时为高,则正向具有优 先权

2.多段速度曲线控制 正向 RST 正转 反转 多段1 多段2 多段3 COM UVW 正转 M 多段1 多段2 多段3

6.5 三相异步电动机的制动特性
一、反馈制动 n>n0 n与T反向

6.5 三相异步电动机的制动特性
一、反馈制动 n>n0 n与T反向
变极或变频调速时的反馈制动

6.5 三相异步电动机的制动特性
二、反接制动
1)电源反接制动

n与T反向 任意两相相序反接

6.5 三相异步电动机的制动特性
二、反接制动
2)倒拉反接制动

n与T反向 转子串大电阻 只适于线绕式电动机

6.5 三相异步电动机的制动特性
三、能耗制动 n与T反向 U=0

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 分类: (1)非自动切换电器:依靠人力或其他外力来接通或切断 电路,如刀开关、转换开关、行程开关等。 (2)自动切换电器:按照指令、信号或参数变化而自动动

作,使工作电路接通和切断,如接触器、继电器、自动开
关等。

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.1 非自动控制电器
刀开关动画

1)开关
(1)刀开关

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.1 非自动控制电器

1)开关
(2)自动空气开关--QF

自动空气开关动画

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.1 非自动控制电器

2)转换开关--SA

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.1 非自动控制电器

3)主令控制器

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.1 非自动控制电器

4)按钮--SB

按钮动画

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.1 非自动控制电器

5)行程开关--SA

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.2 自动控制电器

1)接触器---KM

接触器动画

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.2 自动控制电器 2)中间继电器--KA

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.2 自动控制电器

3)热继电器--FR

热继电器动画

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.2 自动控制电器

4)时间继电器—KT
(1)通电延时型

时间继电器动画

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.2 自动控制电器

4)时间继电器—KT
(2)断电延时型

时间继电器动画

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.2 自动控制电器

4)时间继电器--KT

第8章 继电器--接触器控制系统
8.1 常用控制电器 8.1.2 自动控制电器

5)速度继电器--KS

速度继电器动画

第8章 继电器--接触器控制系统 8.2 继电器-接触器自动控制的基本线路 8.2.1 继电器-接触器控制线路原理图的画法规则

CY6140车床电气原理图

第8章 继电器--接触器控制系统 8.2 继电器-接触器自动控制的基本线路 8.2.2 继电器-接触器基本控制电路 一、异步电动机的起停控制

1. 直接启停控制

1. 直接启停控制

动画

2. 降压启动控制

1)星角降压启动

2. 降压启动控制

1)星角降压启动

动画

二、异步电动机的正反转控制电路

二、异步电动机的正反转控制电路

三、异步电动机的制动控制电路 1.电源反接制动

三、异步电动机的制动控制电路 1.电源反接制动

动画

三、异步电动机的制动控制电路 2.能耗制动

动画

三、异步电动机的制动控制电路 2.能耗制动

动画

四、行程的自动控制电路

动画

四、行程的自动控制电路

动画

五、双速异步电动机的调速控制

五、双速异步电动机的调速控制

双速电机

按钮控制

六、其它基本控制电路 1.点动与长动控制

动画

六、其它基本控制电路 1.点动与长动控制

动画

六、其它基本控制电路 2.多地点控制

动画

六、其它基本控制电路 3.顺序控制

六、其它基本控制电路 4.联合控制与分别控制


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