《機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真》實驗指導(dǎo)書(研究生)

1、 機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真實 驗 指 導(dǎo) 書王紅茹 編 寫適用專業(yè)： 機(jī)械工程 _江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2015年11月實驗一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析實驗學(xué)時：2實驗類型：綜合實驗要求：必修一、實驗?zāi)康?. 掌握運(yùn)用MATLAB/Simulink進(jìn)行多閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)仿真分析的方法。二、實驗內(nèi)容及原理主要針對工程領(lǐng)域常用的自動控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真實驗，并對其原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。采用PI控制器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但不能滿足調(diào)速系統(tǒng)對動態(tài)性能要求較高時的場合，且對擾動的抑制能力也較差。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是在單閉環(huán)調(diào)速的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)速和電流分開控制

2、，分別設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流兩個控制器，且轉(zhuǎn)速控制器的輸出作為電流控制器（內(nèi)環(huán)）的給定輸入，從而形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。這種雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速的一種典型形式。以雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)為例，介紹運(yùn)用MATLAB/Simulink進(jìn)行雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)分析的方法。雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖中，直流電機(jī)參數(shù)：，電樞電阻，系統(tǒng)主電路總電阻，電樞回路電磁時間常數(shù)，機(jī)電時間常數(shù)；三相橋平均失控時間，觸發(fā)器放大系數(shù)； 電流反饋系數(shù)，電流環(huán)濾波時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)。圖1.1 雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)選型原則。電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中

3、不超過允許值，且突加控制作用時超調(diào)量越小越好。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，兩個慣性時間常數(shù)之比為。由于型系統(tǒng)的超調(diào)量小，因此將電流環(huán)按型系統(tǒng)設(shè)計。轉(zhuǎn)速環(huán)按型系統(tǒng)設(shè)計，目的是實現(xiàn)無靜差控制，且提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。為保證電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)，且保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的各元器件不致?lián)p壞，應(yīng)在電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出端分別設(shè)置一個限幅裝置，本實驗采用飽和非線性特性來實現(xiàn)。通過對設(shè)置不同的比列、積分系數(shù)可實現(xiàn)電流環(huán)及整個系統(tǒng)的動態(tài)仿真。三、實驗教學(xué)方法與手段本實驗教學(xué)采用指導(dǎo)老師“講解+演示”的方式進(jìn)行教學(xué)。四、實驗組織運(yùn)行要求根據(jù)本實驗的特點(diǎn)、要求和具體條件，采用“以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開

4、放模式組織教學(xué)”。五、實驗條件計算機(jī)、信號發(fā)生裝置、信號顯示裝置及搭建控制系統(tǒng)所需的元器件；實驗用專業(yè)軟件、教材和實驗指導(dǎo)書。六、實驗步驟對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，將其分為電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)分別進(jìn)行MATLAB計算與仿真。圖1.2 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示，圖中電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為和。分別以下兩種情況下，進(jìn)行仿真實驗，并分析電流環(huán)的性能、保存仿真結(jié)果：忽略干擾，給定信號用單位階躍信號代替；分別加入兩個干擾信號（用單位階躍信號代替），繪制擾動曲線。轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如1.3，圖中，擾動信號3代表負(fù)載變化引起的擾動；擾動信號2代表電網(wǎng)電壓波動、晶閘管整流與移相觸發(fā)器參數(shù)變化引起的擾動

5、。針對圖1.3，通過兩個實驗分析系統(tǒng)的動態(tài)性能：忽略擾動影響，在單位階躍信號作用下，繪制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線；轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾動過程的仿真，在2、3出分別加入擾動信號，繪制擾動響應(yīng)曲線。圖1.11 雙閉環(huán)V-M直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖七、思考題1. 創(chuàng)建系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的一般步驟是什么？八、實驗報告實驗報告基本內(nèi)容詳見附件。九、其它說明認(rèn)真閱讀相關(guān)實驗設(shè)備注意事項，正確使用各實驗設(shè)備。附件: 學(xué)生實驗報告基本內(nèi)容要求實驗一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析實驗報告班級&學(xué)號： 姓名： 一實驗預(yù)習(xí) 1.實驗?zāi)康?2.實驗原理 3.實驗步驟二實驗記錄三思考題解答實驗二：復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計與仿真實驗學(xué)時：2實驗類型：綜合

6、實驗要求：必修一、實驗?zāi)康?. 學(xué)會運(yùn)用MATLAB/Simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真的方法。二、實驗內(nèi)容及原理通過對某小功率角度跟蹤系統(tǒng)控制器的設(shè)計，來介紹機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與仿真的方法。 某小功率角度跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，其中整定系統(tǒng)可調(diào)放大系數(shù)，濾波器時間常數(shù)，伺服電動機(jī)拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)。圖2.1 小功率角度跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對該位置隨動系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并設(shè)計合理的PD控制器（或PID控制器）和反饋控制器對其進(jìn)行全面仿真計算。三、實驗教學(xué)方法與手段本實驗教學(xué)采用指導(dǎo)老師“講解+演示”的方式進(jìn)行教學(xué)。四、實驗組織運(yùn)行要求根據(jù)本實驗的特點(diǎn)、要求和具體條件，采用“以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放

7、模式組織教學(xué)”。五、實驗條件計算機(jī)、信號發(fā)生裝置、信號顯示裝置及搭建控制系統(tǒng)所需的元器件；實驗用專業(yè)軟件、教材和實驗指導(dǎo)書。六、實驗步驟 （1）無校正時，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.2所示。圖2.2 小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)上圖，運(yùn)行仿真，記錄仿真結(jié)果，并分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。（2）設(shè)計PD控制器，進(jìn)行串聯(lián)校正參考PD控制器： （2.1）則進(jìn)行PD串聯(lián)校正的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.3所示。圖2.3 帶PD串聯(lián)校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖2.3，運(yùn)行仿真，記錄仿真結(jié)果，比較加入PD串聯(lián)校正后系統(tǒng)的動態(tài)性能。（3）設(shè)計控制器，進(jìn)行反饋校正參考反饋校正控制器： （2.2）對原系統(tǒng)在PI串聯(lián)校正的基礎(chǔ)上，調(diào)整使，則反饋校正閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。對圖2.4進(jìn)行仿真，記錄仿真結(jié)果，并比較其與PD串聯(lián)校正的優(yōu)缺點(diǎn)。圖2.4 帶反饋校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 七、思考題1、試比較串聯(lián)校正和反饋校正的優(yōu)缺點(diǎn)。八、實驗報告實驗報告基本內(nèi)容詳見