運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真---實(shí)驗(yàn)講義.doc

運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)講義謝仕宏實(shí)驗(yàn)一、閉環(huán)控制系統(tǒng)及直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真一、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 已知控制系統(tǒng)框圖如圖所示：圖1-1 單閉環(huán)系統(tǒng)框圖 圖中，被控對象，Gc(s)為PID控制器，試整定PID控制器參數(shù)，并建立控制系統(tǒng)Simulink仿真模型。再對PID控制子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，要求可通過封裝后子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置頁面對Kp、Ti、Td進(jìn)行設(shè)置。2. 已知直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1-2所示。試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR并進(jìn)行Simulink建模仿真。圖1-2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖三、實(shí)驗(yàn)過程：1、建模過程如下：（1）PID控制器參數(shù)整頓根據(jù)PID參數(shù)的工程整定方法（Z-N法），如下表所示， Kp=0.24，Ti=300，Td=75。表1-1 Z-N法整定PID參數(shù)控制器類型由階躍響應(yīng)整定由頻域響應(yīng)整定KpTiTdKpTiTdP無無無無PI無無PID（2）simulink仿真模型建立 建立simulink仿真模型如下圖1-3所示，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：圖1-3 PID控制系統(tǒng)Simulink仿真模型圖1-3中 ，step模塊“階躍時(shí)間”改為0，Transport Delay模塊的“時(shí)間延遲”設(shè)置為150，仿真時(shí)間改為1000s，如下圖1-4所示：圖1-3 PID控制參數(shù)設(shè)置運(yùn)行仿真，得如下結(jié)果：圖1-5 PID控制運(yùn)行結(jié)果（3）PID子系統(tǒng)的創(chuàng)建首先將參數(shù)Gain、Gain1、Gain三個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示：圖1-6 PID參數(shù)設(shè)置然后建立PID控制器子系統(tǒng)，如下圖1-7所示：圖1-7 PID子系統(tǒng)再對PID子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，選中“Subsystem”后，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Mask subsystem”，彈出封裝編輯器，并進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，如下圖1-8、1-9所示，圖 1-8 PID子系統(tǒng)封裝文本顯示圖1-9 PID子系統(tǒng)封裝參數(shù)設(shè)置在對圖1-9所示封裝變量設(shè)置完成后，封裝后的PID子系統(tǒng)如下圖1-10所示圖1-10封裝后 PID控制仿真模型雙擊圖1-10中的PID子系統(tǒng)，按圖1-11作參數(shù)設(shè)置，即可完成PID參數(shù)設(shè)置。圖1-11 PID控制器參數(shù)設(shè)置封裝后運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖1-12所示：圖1-12封裝后系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果2、建模方法：圖1-2中r(t)為給定輸入，采用階躍信號。Y(t)為系統(tǒng)輸出，表示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，由PI調(diào)節(jié)器組成。ACR為電流調(diào)節(jié)器，也是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程整定方法，進(jìn)行ASR和ACR的參數(shù)整定時(shí)，首先斷開轉(zhuǎn)速環(huán)，整定電流調(diào)節(jié)器ACR。然后接通轉(zhuǎn)速環(huán)，整定轉(zhuǎn)速環(huán)ASR，同時(shí)調(diào)節(jié)電流環(huán)參數(shù)。根據(jù)上述分析，首先建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的高層仿真模型，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器由空白子系統(tǒng)組成，如圖1-13所示。圖2-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)Simulink仿真模型圖1-13中給定速度輸入信號R(t)由信號源模塊庫的Step（階躍）信號生成，通過改變階躍信號的幅值，可以改變雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)給定輸入電壓，其變化范圍為-10V10V。負(fù)載電流信號IL也由階躍信號生成，通過改變階躍輸入信號的幅值和時(shí)間，可觀察系統(tǒng)在不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)。輸入濾波環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)、電流反饋環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入濾波環(huán)節(jié)及其他模塊為傳遞函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型，在Simulink仿真中，可使用Continue（連續(xù)系統(tǒng)）模塊庫的Transfer Fcn模塊實(shí)現(xiàn)。增益模塊可以使用Math（數(shù)學(xué)）模塊庫的Gain來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR首先由兩個(gè)空白子系統(tǒng)組成，結(jié)果如圖1-13所示。下面對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖1-14和圖1-15所示。對圖1-14和圖1-15所示的子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，可得如圖1-16所示的結(jié)果。利用工程整定及Simulink動態(tài)調(diào)試的方法，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，參數(shù)結(jié)果如圖1-16所示。 圖1-14 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器子系統(tǒng)Simulink模型圖1-15 電流調(diào)節(jié)器子系統(tǒng)Simulink模型圖1-16 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR與電流調(diào)節(jié)器ACR封裝后參數(shù)設(shè)置對話框Simulink求解器取系統(tǒng)默認(rèn)值，運(yùn)行仿真可得如圖1-17所示的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)曲線及圖1-18所示的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出和電流調(diào)節(jié)器輸出。從仿真結(jié)果可以看出，電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求。圖1-17 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流及速度響應(yīng)圖1-18 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器輸出試驗(yàn)二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真分析一、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、建立三相橋式不可控整流電路，帶10 歐姆電阻負(fù)載，觀察輸入電流，輸出電壓波形。并對輸入電流作諧波分析 。2、建立PWM逆變電路仿真模型，在帶三相對稱的純電阻負(fù)載時(shí)，每相電阻10歐姆，觀察輸出50Hz時(shí)的電壓波形，并對比不同載波頻率下輸出電壓諧波分量。3、將1和2中的整流和逆變電路連接起來，構(gòu)建完整的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。4、帶15kw電機(jī)負(fù)載。負(fù)載轉(zhuǎn)矩20Nm。觀察50Hz下電源側(cè)輸入電流波形及諧波含量；觀察頻率由25Hz變換到50Hz時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩的波形。三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、 建立三相橋式不可控整流電路，帶10 歐姆電阻負(fù)載，觀察輸入電流，輸出電壓波形。并對輸入電流作諧波分析 。三相橋式整流電路建模如下（1）構(gòu)建仿真模型圖2-1 三相橋式全控整流電路（2）設(shè)置仿真參數(shù)圖2-2三相電源參數(shù)設(shè)置圖2-3通用橋模塊參數(shù)設(shè)置圖2-4 電阻模型參數(shù)設(shè)置圖2-5電流示波器參數(shù)設(shè)置仿真最大步長設(shè)置為0.0001,仿真時(shí)間設(shè)置為0.2s，運(yùn)行仿真，輸入a相電流波形如下圖2-6所示：圖2-6三相橋式不可控整流輸入A相電流波形單擊Powergui模塊，再彈出的窗口中單擊FFT“ Analysis ”菜單按鈕，打開傅立葉分析窗口，如圖2-8所示。圖2-7 Powergui模型圖2-8 傅立葉分析窗口 按圖2-8所示設(shè)置參數(shù)，按后單擊“Display”按鈕，即可完成對Ia 電流信號的諧波分析?？傊C波電流含量30.42%。 2、建立PWM逆變電路仿真模型，在帶三相對稱的純電阻負(fù)載時(shí)，每相電阻10歐姆，觀察輸出50Hz時(shí)的電壓波形，并對比不同載波頻率下輸出電壓諧波分量。 建立PWM逆變電路如下圖2-9所示圖2-9 PWM逆變電路仿真模型圖中模塊參數(shù)設(shè)置：圖2-10 直流電源模塊和電阻負(fù)載模塊參數(shù)設(shè)置圖2-11 通用橋模塊參數(shù)設(shè)置圖2-12 PWM發(fā)生器模塊參數(shù)設(shè)置圖2-13 電壓示波器參數(shù)設(shè)置圖2-13 電流示波器參數(shù)設(shè)置將仿真算法改為ode15s，仿真時(shí)間改為0.4s，最大仿真步長改為0.00001s，運(yùn)行仿真，可得電壓電流波形如下：圖2-14 PWM逆變電路相電流及相電壓/線電壓波形單擊Powergui模塊，再單擊FFTAnalysis按鈕，進(jìn)行諧波分析： 圖2-15 A相電流諧波分析圖2-16 線電壓UAB諧波分析改變PWM逆變模塊參數(shù)設(shè)置，再次仿真并分析電流諧波含量.圖2-17 PWM發(fā)生器模塊參數(shù)改動前后對比圖 2-18 輸出線電壓諧波分析3 將1和2中的整流和逆變電路連接起來，構(gòu)建完整的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。圖2-19 AC-DC-AC 電路仿真模型將圖2-19中電容C的參數(shù)由1e-3改為1e-2，觀察改變前后直流環(huán)節(jié)的電壓電流。再觀察輸入交流電流波形。 圖2-20直流環(huán)節(jié)電流、電壓波形（