电力拖动自动控制系统(陈伯时)第3章直流调速系统的数字控制.ppt
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电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统1直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制电力拖动自动控制系统第第33章章1电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统2主要内容主要内容l3.13.1微型计算机数字控制的主要特点微型计算机数字控制的主要特点l3.23.2微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件和软件l3.33.3数字测速与滤波数字测速与滤波l3.43.4数字数字PIPI调节器调节器l*3.53.5按离散控制系统设计数字控制器按离散控制系统设计数字控制器l*3.63.6故障检测、保护与自诊断故障检测、保护与自诊断2电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统3l学习要点:
学习要点:
1.1.介绍:
离散化、数字化;介绍:
离散化、数字化;2.2.数字量化和采样频率选择;数字量化和采样频率选择;3.3.控制系统的输入、输出变量控制系统的输入、输出变量;4.4.介介绍绍数数字字控控制制双双闭闭环环直直流流调调速速系系统统的的硬硬件件电路和软件。
电路和软件。
重点:
重点:
数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和数字控制双闭环直流调速系统的硬件电路和软件的结构。
软件的结构。
3电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统4模拟系统的优、缺点模拟系统的优、缺点优点优点:
物理概念清晰物理概念清晰;控制信号流向直观控制信号流向直观。
缺点缺点:
控制规律体现在硬件电路上,线控制规律体现在硬件电路上,线路复杂、通用性路复杂、通用性差差;控制效果受到器件的性能、温度控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。
等因素的影响。
4电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统53.13.1微型计算机数字控制的主要特点微型计算机数字控制的主要特点q硬件电路标准化程度硬件电路标准化程度高高,不受器件温度漂不受器件温度漂移的影响;移的影响;q进行逻辑判断和复杂运算,实现不同于一进行逻辑判断和复杂运算,实现不同于一般线性调节的控制规律,般线性调节的控制规律,q控制软件更改灵活方便。
控制软件更改灵活方便。
q具有信息存储、数据通信和故障诊断等功具有信息存储、数据通信和故障诊断等功能。
能。
5电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6微机数字控制系统的主要特点微机数字控制系统的主要特点是是离散化离散化和和数字化数字化。
离散化和数字化离散化和数字化6电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统7Otf(t)原信号Onf(nT)1234采样离散化离散化对模拟的连续对模拟的连续信号采样形成一连信号采样形成一连串的脉冲信号,即串的脉冲信号,即离散的模拟信号,离散的模拟信号,这就是离散化。
这就是离散化。
7电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统8数字化数字化离散信号经保持离散信号经保持器保持后,还须经过器保持后,还须经过数字量化,即用一组数字量化,即用一组数码(如二进制码)数码(如二进制码)来逼近离散的模拟信来逼近离散的模拟信号号。
保持保持OnN(nT)Na(nT)(电电压压)Nd(nT)(数码数码)8电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统9离散化和数字化的负面效应离散化和数字化的负面效应q离散化离散化:
时间上的不连续性;时间上的不连续性;q数字化数字化:
量值上的不连续性。
量值上的不连续性。
负面效应:
负面效应:
qA/D转换的转换的量化误差量化误差,影响控制精度和平滑性。
,影响控制精度和平滑性。
qD/A转换的转换的滞后效应滞后效应,提高控制系统传递函数分母,提高控制系统传递函数分母的阶次,使系统的稳定裕量减小,甚至会破坏系统的阶次,使系统的稳定裕量减小,甚至会破坏系统的稳定性。
的稳定性。
9电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统103.1.13.1.1数字量化数字量化量量化化的的原原则则是是:
在在保保证证不不溢溢出出的的前前提提下,精度越高越好。
下,精度越高越好。
存储系数显示量化的精度,其定义为存储系数显示量化的精度,其定义为微微机机数数字字控控制制系系统统中中的的存存储储系系数数相相当当于于模模拟拟控制系统中的反馈系数。
控制系统中的反馈系数。
10电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统11微机数字控制微机数字控制数字化数字化示例示例:
在微机数字控制系统中,将模拟量数字量化的原则是:
在保证在微机数字控制系统中,将模拟量数字量化的原则是:
在保证不溢出的前提下,精度越高越好。
不溢出的前提下,精度越高越好。
定义存储系数定义存储系数K来显示量化精度,其定义为:
来显示量化精度,其定义为:
K=计算机内部存储值计算机内部存储值物理量的实际值物理量的实际值存储系数存储系数K与物理量的变化范围和计算机内部定点数的长度有关。
与物理量的变化范围和计算机内部定点数的长度有关。
例:
某直流电动机的额定电枢电流为例:
某直流电动机的额定电枢电流为136A,允许过载倍数,允许过载倍数1.5,额定速度,额定速度1460r/min,计算机内部定点数占一个字的位置(,计算机内部定点数占一个字的位置(16位),试确定电枢电流和转速存位),试确定电枢电流和转速存储系数。
储系数。
解:
定点数长度为一个字(解:
定点数长度为一个字(16位),但最高位用于符号位,只有位),但最高位用于符号位,只有15位可表示量化数值,位可表示量化数值,故最大存储值故最大存储值Dmax=215-1=32767。
K=215-11.8*136A=133.86A-1电枢电流允许过载倍数电枢电流允许过载倍数1.5,考虑到调节过程中瞬时值可能超过该值,故实际取值为,考虑到调节过程中瞬时值可能超过该值,故实际取值为1.8倍的额定电枢电流倍的额定电枢电流,因此,电枢电流的存储系数:
因此,电枢电流的存储系数:
额定转速为额定转速为1460r/min,取,取nmax=1.3倍的额定转速,则转速的存储系数为:
倍的额定转速,则转速的存储系数为:
K=215-11.3*1460r/min=17.26min/r11电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统123.1.23.1.2采样频率的选择采样频率的选择ShannonShannon采样定理采样定理:
ffsamsam应不小于信号最高频率应不小于信号最高频率ffmaxmax的的22倍倍,即即ffsamsam22ffmaxmax这样,经采样及保持后,原信号的频谱不发这样,经采样及保持后,原信号的频谱不发生明显的畸变,系统保持原有的性能生明显的畸变,系统保持原有的性能。
12电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统13采样频率采样频率实际系统中信号的最高频率很难确定,实际系统中信号的最高频率很难确定,尤其对非周期性信号(系统的过渡过程)尤其对非周期性信号(系统的过渡过程),其,其频谱为频谱为00至至的连续函数,最高频的连续函数,最高频率理论上为无穷大。
率理论上为无穷大。
因此,难以直接用采样定理来确定系统因此,难以直接用采样定理来确定系统的采样频率。
的采样频率。
13电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统14系统采样频率的确定系统采样频率的确定在一般情况下,可以令采样周期在一般情况下,可以令采样周期TTminmin为控制对象的最小时间常数。
为控制对象的最小时间常数。
或用采样角频率或用采样角频率samsamcc为控制系统的截止频率为控制系统的截止频率。
14电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统153.1.33.1.3微机数字控制系统的输入与输出微机数字控制系统的输入与输出变量变量可以是模拟量,也可以是数字量可以是模拟量,也可以是数字量:
模模拟拟输输入入量量必必须须经经过过A/DA/D转转换换为为数数字字量量,而而模模拟拟输输出出量量必必须须经经过过D/AD/A转转换换才才能得到。
能得到。
数数字字量量是是量量化化了了的的模模拟拟量量,可可以以直直接参加运算。
接参加运算。
15电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统16
(1).
(1).系统给定系统给定a)模拟给定模拟给定b)数字给定数字给定16电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统17
(2).
(2).状态检测状态检测状态量检测的作用:
构成反馈控制,保护和故障诊断信息的来源。
11)转速检测:
)转速检测:
模拟和数字检测方法。
22)电电流流和和电电压压检检测测:
一般需要A/D转换。
17电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统18转速检测转速检测转速检测有模拟和数字两种检测方法:
转速检测有模拟和数字两种检测方法:
(11)模拟测速一般采用测速发电机,其输出电)模拟测速一般采用测速发电机,其输出电压不仅表示了转速的大小,还包含了转速的方向,压不仅表示了转速的大小,还包含了转速的方向,在调速系统中(尤其在可逆系统中),转速的方在调速系统中(尤其在可逆系统中),转速的方向也是不可缺少的。
向也是不可缺少的。
因此必须经过适当的变换,因此必须经过适当的变换,将双极性的电压信号转换为单极性电压信号,经将双极性的电压信号转换为单极性电压信号,经A/DA/D转换后得到的数字量送入微机。
转换后得到的数字量送入微机。
(22)对于要求精度高、调速范围大的系统,往)对于要求精度高、调速范围大的系统,往往需要采用旋转编码器测速,即数字测速。
往需要采用旋转编码器测速,即数字测速。
18电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统19测速基本方式测速基本方式19电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统20极性转换极性转换多多数数状状态态量量为为双双极极性性(大大小小和和方方向向),A/DA/D转换电路一般是单极性的,必须进行极性转换。
转换电路一般是单极性的,必须进行极性转换。
经经A/DA/D转转换换后后得得到到以以偏偏移移码码表表示示的的数数字字量量,再用软件将偏移码变换为再用软件将偏移码变换为原码原码或或补码补码。
20电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统21原码、补码和偏移码原码、补码和偏移码实际值原码补码偏移码1277FH7FHFFH000H00H80H-127FFH81H01H-12880H00H21电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统22(3).(3).输出变量输出变量可可以以用用开开关关量量直直接接控控制制功功率率器器件件的的通通断断,也也可可以以用用经经D/AD/A转转换换得得到到的的模拟量去控制功率变换器。
模拟量去控制功率变换器。
22电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统233.23.2微机数字控制双闭环直流调速系统微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件的硬件和软件3.2.0系统组成方式系统组成方式数字控制直流调速系统的组成方式大数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种:
致可分为三种:
1.1.数模混合控制系统数模混合控制系统2.2.数字电路控制系统数字电路控制系统3.3.微型计算机控制系统微型计算机控制系统23电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统241).数模混合控制系统数模混合控制系统U*nUnU*iUcUi-数字电路-功率放大电路24电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统25数模混合控制系统特点:
数模混合控制系统特点:
转速采用模拟调节器,也可采用转速采用模拟调节器,也可采用数字调节器;数字调节器;电流调节器采用数字调节器;电流调节器采用数字调节器;脉冲触发装置则采用模拟电路。
脉冲触发装置则采用模拟电路。
25电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统262).数字电路控制系统数字电路控制系统数字电路主电路-Uc特点:
特点:
除主电路和功放电路外,转速、电流调节除主电路和功放电路外,转速、电流调节器,以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成器,以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成26电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统273).微机数字控制系统微机数字控制系统主电路微机控制电路-U*nUnUiU*iUc27电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统28在数字装置中,由计算机软硬件实现其在数字装置中,由计算机软硬件实现其功能,即为计算机控制系统。
系统的特点:
功能,即为计算机控制系统。
系统的特点:
双闭环系统结构,采用微机控制;双闭环系统结构,采用微机控制;全数字电路,实现脉冲触发、转速给全数字电路,实现脉冲触发、转速给定和检测;定和检测;采用数字采用数字PIPI算法,由软件实现转速、算法,由软件实现转速、电流调节电流调节28电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统293.2.13.2.1微机数字控制双闭环直流调速系微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构统的硬件结构微机数字控制双闭环直流调速系统硬件系微机数字控制双闭环直流调速系统硬件系统组成:
统组成:
主电路主电路检测电路检测电路控制电路控制电路给定给定与与显示电路显示电路29电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统30下标下标“digdig”表表示数示数字量字量微机数字控制的双闭环直流调速系统微机数字控制的双闭环直流调速系统30电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统31微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图电容串联提高耐压等级31电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统32主回路主回路微机数字控制双闭环直流调速系统主微机数字控制双闭环直流调速系统主电路中的电路中的UPEUPE有两种方式:
有两种方式:
l直流直流PWMPWM功率变换器功率变换器l晶闸管可控整流器晶闸管可控整流器32电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统33检测回路检测回路检测回路包括电压、电流、温度和检测回路包括电压、电流、温度和转速检测(数字测速)转速检测(数字测速),其中:
其中:
l转速检测用数字测速;转速检测用数字测速;l电压、电流和温度检测由电压、电流和温度检测由A/DA/D转换通转换通道变为数字量送入微机。
道变为数字量送入微机。
33电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统34电流和电压检测电流和电压检测电流和电压检测除了用来构成相应电流和电压检测除了用来构成相应的反馈控制外,还是各种保护和故障的反馈控制外,还是各种保护和故障诊断信息的来源。
诊断信息的来源。
电流、电压信号也电流、电压信号也存在幅值和极性的问题,需经过一定存在幅值和极性的问题,需经过一定的处理后,经的处理后,经A/DA/D转换送入微机转换送入微机,其,其处理方法与转速相同。
处理方法与转速相同。
34电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统35电流检测方法电流检测方法(11)电流互感器)电流互感器电流检测电路TA电流互感器UU0035电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统36
(2)霍尔效应电流变换器)霍尔效应电流变换器UH=KHBIclKH为霍尔常数;lB为与被测电流Id成正比的磁通密度;lIc为控制电流。
R1R0A1R0R1UHIdIcUi36电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统37故障综合故障综合对电压、电流、温度等信号进行分析对电压、电流、温度等信号进行分析比较,若发生故障立即通知微机,以便比较,若发生故障立即通知微机,以便及时处理,避免故障进一步扩大。
及时处理,避免故障进一步扩大。
37电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统38数字控制器数字控制器专为电机控制设计的微处理器:
专为电机控制设计的微处理器:
除了带有除了带有A/DA/D转换器、通用转换器、通用I/OI/O和通信接口;和通信接口;还带有一般微机并不具备的故障保护、数字还带有一般微机并不具备的故障保护、数字测速和测速和PWMPWM生成功能。
生成功能。
如:
如:
Intel8X196MCIntel8X196MC系列系列或或TMS320X240TMS320X240系列等。
系列等。
(见“电机控制专用集成电路”相关资料)38电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统393.2.23.2.2微机数字控制双闭环直流调速系微机数字控制双闭环直流调速系统的统的控制控制软件软件微机数字控制双闭环直流调速系统的软微机数字控制双闭环直流调速系统的软件有:
件有:
l主程序主程序l初始化子程序初始化子程序l中断服务子程序等中断服务子程序等39电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统40主程序主程序完成实时性完成实时性要求不高的功能,要求不高的功能,系统初始化后,系统初始化后,键盘处理、刷新键盘处理、刷新显示、数据通信显示、数据通信等功能等功能。
40电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统41初始化子程序初始化子程序硬件工作方式硬件工作方式的设定、系统运的设定、系统运行参数和变量的行参数和变量的初始化等。
初始化等。
41电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统42中断服务子程序中断服务子程序实时性强,由相应的中断源提出申请,实时性强,由相应的中断源提出申请,CPUCPU实时响应。
实时响应。
q转速调节中断子程序(中断级别最低)转速调节中断子程序(中断级别最低)q电流调节中断子程序(中断级别居中)电流调节中断子程序(中断级别居中)q故障保护中断子程序(优先级别最高)故障保护中断子程序(优先级别最高)42电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统43转速调节中断转速调节中断子程序子程序转速反馈转速反馈转速调节转速调节启动测启动测速速43电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统44电流调节中断子程序电流调节中断子程序电流反馈电流反馈电流调节电流调节PWMPWM生成生成44电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统45故障保护中断故障保护中断子程序子程序封锁封锁PWMPWM输出输出分析故障原因分析故障原因显示故障并报警显示故障并报警45电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统46l作业:
作业:
3-146电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统4747主要内容主要内容l微型计算机数字控制的主要特点l微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件l数字测速与滤波l数字PI调节器l*故障检测、保护与自诊断47电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统4848l学习要点:
学习要点:
1、数字测速方法:
M法、T法、M/T法;2、比较测速方法的精度;3、数字PI调节器的实现,软件算法;重点、难点:
数字PI调节器的设计、实现。
48电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统49493.33.3数字测速与滤波数字测速与滤波n数字测速精度指标n数字测速方法nM/T法测速软件框图49电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统50503.3.1数字测速精度指标数字测速精度指标(11)分辩率)分辩率改变一个计数字所对应的转速变化量改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率来表示分辨率QQ。
QQ越小,测速装置的分辩能力越强越小,测速装置的分辩能力越强。
50电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5151(22)测速误差率)测速误差率测量值与实际值的相对误差来表示,测量值与实际值的相对误差来表示,的大小与测速方法和测速元件的制造精度有关。
51电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统52523.3.23.3.2数字测速方法数字测速方法1)旋转编码器旋转编码器在数字测在数字测速中,常用速中,常用光电式旋转光电式旋转编码器作为编码器作为转速或转角转速或转角的检测元件。
的检测元件。
光电转换光电转换52电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5353旋转编码器旋转编码器光电式光电式旋转编码旋转编码器是转速器是转速或转角的或转角的检测元件。
检测元件。
增量式旋转编码器示意图增量式旋转编码器示意图53电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5454两对发光与接收装置,错开光栅节距的两对发光与接收装置,错开光栅节距的1/4,两,两组脉冲序列组脉冲序列A和和B的相位相差的相位相差90图3-11区分旋转方向的A、B两组脉冲序列若码盘光栅数为N,则转速分辨率为1/N;常见光栅数1024、2048、4096采用倍频电路可以有效地提高转速分辨率四倍频电路54电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统55552)测速原理)测速原理由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲,测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。
脉冲数字转换方法:
(1)M法脉冲直接计数方法;
(2)T法脉冲时间计数方法;(3)M/T法脉冲时间混合计数方法。
55电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统56563.3.3M法测速PLG倍频电路BusZ记录Tc时间内旋转编码器PLG发出的脉冲数M1,则Z=倍频系数PLG光栅数测速原理与波形图Counter56电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5757M法测速的分辨率和误差率MM法测速适用于高速。
法测速适用于高速。
分辨率:
误差率:
57电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5858PLG倍频电路ConterCPUINTnf03.3.4T法测速记录PLG一个脉冲间的高频脉冲个数M2,f0为高频脉冲频率,则电路与波形58电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统5959T法测速的分辨率和误差率分辨率:
误差率:
TT法测速适用于低速段。
法测速适用于低速段。
59电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6060lM法测速在高速段分辨率强;lT法测速在低速段分辨率强;因此,可以将两种测速方法相结合,取长补短。
n两种测速方法的比较60电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6161M/TM/T法既检测法既检测TTcc时间内时间内PLGPLG输出输出的脉冲个数的脉冲个数MM11,又检测相同时间间隔,又检测相同时间间隔的高频时钟脉冲个数的高频时钟脉冲个数MM22。
应保证高频时钟脉冲计数器与应保证高频时钟脉冲计数器与PLGPLG输出脉冲计数器同时开启与关闭,输出脉冲计数器同时开启与关闭,以减小误差以减小误差。
3.3.5M/T3.3.5M/T法测速法测速61电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6262M/TM/T法测速波形图法测速波形图编码器输出脉冲高频时钟脉冲允许计数时间高速时,相当于M法测速最低速时,M1=1,自动进入T法测速62电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6363M/TM/T法测速法测速转速计算转速计算误差率误差率63电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统运动控制系统运动控制系统6464M/TM/T法测速法测速误差率在误差率在低速时趋向于低速时趋向于TT法,法,在高速段在高速段M/TM/T法相当于法相当于TT法的法的MM11次平均,而在这次平均
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