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文檔簡介
瀟湘學(xué)院課程設(shè)計報告題目: 帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真專業(yè): 電氣工程及其自動化 班級: 姓名: 學(xué)號: 指導(dǎo)教師: 陳敏 初始條件:1技術(shù)數(shù)據(jù) 輸出功率為:7.5Kw 電樞額定電壓220V電樞額定電流 36A 額定勵磁電流2A額定勵磁電壓110V 功率因數(shù)0.85電樞電阻0.2歐姆 電樞回路電感100mH電機機電時間常數(shù)2S 電樞允許過載系數(shù)1.5額定轉(zhuǎn)速 1430rpm2技術(shù)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)指標(biāo):無靜差(靜差率s2%, 調(diào)速范圍 D10 ) 動態(tài)指標(biāo):系統(tǒng)穩(wěn)定要求完成的主要任務(wù): 1技術(shù)要求: (1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié),負(fù)載電機不可逆運行,具有較寬的調(diào)速范圍(D10),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作 (2) 根據(jù)指標(biāo)要求進(jìn)行動態(tài)校正,選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù),并確定電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù), (3) 系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù) 2設(shè)計內(nèi)容:(1) 根據(jù)題目的技術(shù)要求,分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成,畫出系統(tǒng)組成的原理框圖 (2) 根據(jù)帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖, 分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流截止負(fù)反饋的作用, (3) 通過對調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計, 得到轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形,并由仿真波形通過MATLAB來進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié)。 (4) 繪制帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖(要求計算機繪圖) (5) 整理設(shè)計數(shù)據(jù)資料,課程設(shè)計總結(jié),撰寫設(shè)計計算說明書 目錄摘要41.閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)構(gòu)成51.1 主電路51.2 原理框圖62帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析62.1電流截止負(fù)反饋的提出62.2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)72.3 帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性83 參數(shù)設(shè)計103.1整體分析103.2穩(wěn)定性參數(shù)計算和判斷113.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器校正123.3.1 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)123.3.2 調(diào)節(jié)器的選擇133.4 電流截止負(fù)反饋參數(shù)設(shè)計164. 電流MATLAB仿真174.1 將設(shè)計的參數(shù)進(jìn)行仿真174.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整185.電氣總圖196.結(jié)束語20參考文獻(xiàn)21摘要為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能,通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(主要包括單閉環(huán)、雙閉環(huán))。而在對調(diào)速指標(biāo)要求不高的場合,采用單閉環(huán)即可。閉環(huán)系統(tǒng)較之開環(huán)系統(tǒng)能自動偵測把輸出信號的一部分拉回到輸入端,與輸入信號相比較,其差值作為實際的輸入信號;能自動調(diào)節(jié)輸入量,能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在對調(diào)速系統(tǒng)性能有較高要求的領(lǐng)域常利用直流電動機,但直流電動機開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性不能夠滿足要求,可利用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)提高穩(wěn)態(tài)精度,而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的,為了消除系統(tǒng)靜差,可采用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。關(guān)鍵詞:直流調(diào)速 單閉環(huán) 穩(wěn)態(tài)精度 比例調(diào)節(jié)帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1.閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)構(gòu)成1.1 主電路本控制系統(tǒng)采用含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋主電路結(jié)構(gòu),其原理圖如圖1所示。圖1 含電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋原理圖圖中的電動機的電樞回路由晶閘管組成的三相橋式整流電路供電,通過與電動機同軸剛性連接的測速發(fā)電機TG檢測電動機的轉(zhuǎn)速,并經(jīng)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)分壓后取出合適的轉(zhuǎn)速反饋信號,此電壓與轉(zhuǎn)速給定信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)器ASR綜合調(diào)節(jié),ASR的輸出作為移相觸發(fā)器的控制電壓,由此組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。改變即可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。在本系統(tǒng)中ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器,屬于無靜差調(diào)速系統(tǒng)。為了防止在起動和運行過程中出現(xiàn)過大的電流沖擊,系統(tǒng)引入了電流截止負(fù)反饋以限止電流不超過其允許的最大值。1.2 原理框圖將開環(huán)系統(tǒng)改為單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng),并采用PI調(diào)節(jié)器,就既保證動態(tài)性能,又能作到轉(zhuǎn)速的無靜差,較好的解決開環(huán)系統(tǒng)的不足,此閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理是:將直流電動機轉(zhuǎn)速變化信號反饋到觸發(fā)環(huán)節(jié),來自動增大或減小觸發(fā)角來自動調(diào)節(jié)整流輸出電壓Uds,即可達(dá)到穩(wěn)定,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與系統(tǒng)原理圖如圖2所示轉(zhuǎn)速反饋Un給定IdRUcUnUnKpKs1/CeUd0n圖2 單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實驗是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號,經(jīng)“速度變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端,與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后,得到移相控制電壓UCt,用作控制整流橋的“觸發(fā)電路”,觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間,以改變“三相全控整流”的輸出電壓,這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化,電機最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定,速度調(diào)節(jié)器采用P(比例)調(diào)節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差,要想消除上述誤差,則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時當(dāng)“給定”恒定時,閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用,當(dāng)電機負(fù)載或電源電壓波動時,電機的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。2帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析2.1電流截止負(fù)反饋的提出(1)起動的沖擊電流-直流電動機全電壓起動時,如果沒有限流措施,會產(chǎn)生很大的沖擊電流,這不僅對電機換向不利,對過載能力低的電力電子器件來說,更是不能允許的。(2)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流-采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時,由于慣性,轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來,反饋電壓仍為零,相當(dāng)于偏差電壓,差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍。這時,由于放大器和變換器的慣性都很小,電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值,對電動機來說,相當(dāng)于全壓起動,當(dāng)然是不允許的。(3)堵轉(zhuǎn)電流-有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如,由于故障,機械軸被卡住,或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬,若無限流環(huán)節(jié),硬干下去,電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù),一過載就跳閘,也會給正常工作帶來不便。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題,系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理,要維持哪一個物理量基本不變,就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。那么,引入電流負(fù)反饋,應(yīng)該能夠保持電流基本不變,使它不超過允許值。2.2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)通過對電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的分析??紤]到,限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用,正常運行時應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減,采用電流截止負(fù)反饋的方法,則當(dāng)電流大到一定程度時才接入電流負(fù)反饋以限制電流,而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如圖3和圖4所示 . 圖3 利用獨立直流電源作比較電壓 圖4 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 圖5 封鎖運算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 圖6 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)輸入輸出特性如圖6所示。 圖3中用獨立的直流電源作為比較電壓,其大小可用電位器調(diào)節(jié),相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。圖4中利用穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓Ubr作比較電壓,線路要簡單得多,但不能平滑的調(diào)節(jié)截止電流值。圖5是反饋環(huán)節(jié)與運放的連接電路。2.3 帶電流截止負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示: 圖7 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)兩段靜特性的方程式:當(dāng)時,電流負(fù)反饋被截止,靜特性與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋相同 當(dāng)時,引入電流負(fù)反饋,靜特性變?yōu)椋?靜特性的幾個特點:(1)電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻 KpKsRs ,因而穩(wěn)態(tài)速降極大,使特性急劇下垂。(2)比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致, 好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到 (3)兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當(dāng)挖土機遇到堅硬的石塊而過載時,電動機停下,電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流,在式(1)中,令 n = 0,得 一般,因此(4)最大截止電流應(yīng)小于電機允許的最大電流,一般取 :Idbl =(1.52.0) IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看,希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大,截止電流大于電機的額定電流,一般?。?Idcr (1.11.2)IN(5)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程如圖8圖9所示 圖8帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖9理想的快速啟動過程3 參數(shù)設(shè)計3.1整體分析本題目要求設(shè)計帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),為滿足以上技術(shù)要求和性能指標(biāo)的要求,選擇以下方案設(shè)計系統(tǒng):1) 系統(tǒng)要求平滑調(diào)速,可采用調(diào)壓調(diào)速方式。因為調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)是在保持他勵直流電動機的磁通為額定值的情況下,將電樞兩端的電壓(電源電壓)降低為不同的值時,可以獲得與電動機固有機械特性相互平行的人為機械特性,調(diào)速方向是基速以下,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的,即可實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速,調(diào)速范圍可以達(dá)到很寬。2) 系統(tǒng)靜特性良好,無靜差。在參數(shù)設(shè)置合理的情況下,帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)本身可以做到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。3) 本設(shè)計中的電力電子變換裝置采用三相橋式控制的晶閘管整流裝置,應(yīng)用題目要求中給定的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,其Rrec=0.5,Ks=40。4) 在帶電流截止負(fù)反饋環(huán)中,截止電流的上限選擇需要根據(jù)電機的品牌和參數(shù)論證,以保證電機不至于因電流過大而燒毀。3.2穩(wěn)定性參數(shù)計算和判斷為了滿足D=10,s2%,額定負(fù)載時調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為: 根據(jù),求出系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù): 計算測速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和參數(shù): 設(shè)在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)時的給定電壓為,則須有 故轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù):驗證系統(tǒng)在此控制器下的穩(wěn)定性:電樞回路電磁時間常數(shù) 電力拖動機電時間常數(shù) 三項橋式整流電路的失控時間常數(shù) 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定,開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足按動態(tài)性能指標(biāo),得,而按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)有,說明比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能要求是矛盾的,此系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器校正3.3.1 PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 如圖10所示是PI調(diào)節(jié)器即比例積分調(diào)節(jié)器既結(jié)構(gòu)圖,用于實現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差調(diào)速系統(tǒng)圖10 PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖 比例積分調(diào)節(jié)器的控制傳遞函數(shù)為:=/ ,為PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù),= /,為PI調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀,而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時Un =0,只要歷史上有過Un ,其積分就有一定數(shù)值,足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓。如圖11為采用PI調(diào)節(jié)器單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)校正特性 圖11 采用PI調(diào)節(jié)器單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.3.2 調(diào)節(jié)器的選擇在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時,常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況,這時,必須設(shè)計一個合適的動態(tài)校正裝置,用它來改造系統(tǒng),使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面要求。動態(tài)校正的方法很多,而且對于一個系統(tǒng)來說,能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中,最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單,也容易實現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),由于其傳遞函數(shù)的階次較低,一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。PID調(diào)節(jié)器中有PD、PI和PID三種類型。由于PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正,可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度,并獲得足夠的快速性,但穩(wěn)定精度可能受到影響;由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正,可以保證穩(wěn)定精度,卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主,對快速性要求差一些,所以采用PI調(diào)節(jié)器。現(xiàn)在我們利用PI調(diào)節(jié)器來校正,原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下其中, ,由于因此分母中的二次項可以分解成兩個一次項之積, 編寫Matlab程序如下k=109.46/(0.00167*0.161*0.07);z= ; p=-1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161; num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);grid 校正前伯德圖如圖12所示: 圖12 校正前伯德圖由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定,表現(xiàn)為放大系數(shù)K過大,截止頻率過高,應(yīng)該設(shè)法把他們壓下來。因此,把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)置在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率處,令,使校正裝置的比例微分項與原始系統(tǒng)中時間常數(shù)最大慣性環(huán)節(jié)對消,從而選定。其次,為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度,它的對數(shù)幅頻特性應(yīng)以的斜率穿越線,將原始的對數(shù)幅頻和相頻特性壓低,使校正以后系統(tǒng)的對數(shù)幅頻和相頻特性的截止頻率。這樣,在處,應(yīng)有根據(jù)以上兩點,校正環(huán)節(jié)添加部分的對數(shù)特性就可以確定下來了:取,為了使,取,在伯德圖上查得相應(yīng)的,因而因為 ,所以 ,于是PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為: 最后選擇PI調(diào)節(jié)器的阻容參數(shù),選取,則,取,取校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為編寫Matlab程序如下:k=372.3/(0.00167*0.54*0.07);z= ;p=-1/0.00167 -1/0.07 0;num,den=zp2tf(z,p,k);bode(num,den);margin(num,den);grid所得伯德圖如圖13所示:圖13 校正后伯德圖由圖13可以看出,校正后系統(tǒng)的幅值裕度和穩(wěn)定裕度都滿足穩(wěn)定的條件,但截至頻率變低,快速性被壓低,顯然這是一個偏于穩(wěn)定的方案,最終能使系統(tǒng)穩(wěn)定。綜上所述,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的類型和參數(shù)選擇是正確的,即選為PI調(diào)節(jié)器,參數(shù)為,。3.4 電流截止負(fù)反饋參數(shù)設(shè)計其工作原理如圖3,是利用獨立的直流電源作為比較電壓,其大小可用電位器調(diào)節(jié),相當(dāng)于可調(diào)截至(保護(hù))電流值。當(dāng) 時,二極管導(dǎo)通,電流截止負(fù)反饋信號加到放大器上去,從而使晶閘管系統(tǒng)輸出電壓減小,機械特性呈下垂特性;當(dāng)時,二極管截止,消失。由所給的技術(shù)參數(shù)值可知,。為了減小所產(chǎn)生的功耗,選擇為,可得。4. 電流MATLAB仿真4.1 將設(shè)計的參數(shù)進(jìn)行仿真仿真原理框圖如圖14所示:圖14 仿真原理圖電流仿真波形如圖15所示,擾動加在2秒時:圖15 電流仿真波形轉(zhuǎn)速波形如圖16所示:圖16 轉(zhuǎn)速仿真波形在圖15中可以看到電流經(jīng)2秒時的給定擾動后后先波動了一下,然后迅速又回到穩(wěn)態(tài),電流初始輸出值未超過在26.25A,即1.5In滿足電流截止要求,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定于1500r/min。4.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整 在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改變系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能。在采用了PI調(diào)節(jié)器后,構(gòu)成的是無靜差調(diào)速系統(tǒng),改變比例系數(shù)和積分系數(shù),可得到振蕩、有靜差、無靜差、超調(diào)大、啟動快等不同轉(zhuǎn)速曲線。如圖15,16的調(diào)節(jié)其參數(shù)是Kp=0.294, =0.54,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)無超調(diào),但調(diào)節(jié)時間較長。若改為Kp=0.8, =0.06,則波形如圖17所示,可見系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)較大,有擾動,但是啟動快速性好。圖17 調(diào)節(jié)參數(shù)后轉(zhuǎn)速波形5.電氣總圖帶電流截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖如圖18所示:圖18 電氣總圖6.結(jié)束語通過本次課程設(shè)計,我學(xué)到了很多東西。我鞏固了軟件MATLAB的運用,對一些理論知識的實際運用有了更深的理解,特別是晶閘管、變壓器等元件的綜合運用。我鍛煉了獨立思考的能力,對電拖的基礎(chǔ)知識和綜合運用有了深層的理解,尤其是對
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