哈工大仿真技術(shù)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、仿真技術(shù)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目 錄前 言I目 錄II實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2實(shí)驗(yàn)1 利用替換法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型實(shí)驗(yàn)21.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求21.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求3實(shí)驗(yàn)2 利用根匹配法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型實(shí)驗(yàn)42.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求42.5實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求5實(shí)驗(yàn)3 利用數(shù)值積分算法的仿真實(shí)驗(yàn)63.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求63.5實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求7實(shí)驗(yàn)四 基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設(shè)計(jì)84.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?4.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求84.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求9實(shí)驗(yàn)五 基于Simulink三相電路仿真105.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?05.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求105.5 實(shí)

2、驗(yàn)報(bào)告要求12實(shí)驗(yàn)六 基于Simulink的直流斬波電路仿真實(shí)驗(yàn)136.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?36.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求146.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求15實(shí)驗(yàn)七 基于Simulink的簡單電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)167.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?67.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求167.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求17實(shí)驗(yàn)8 基于Simulink的伺服系統(tǒng)仿真178.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?78.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求18- 16 -仿真技術(shù)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)1 利用替換法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型實(shí)驗(yàn)1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 熟悉MATLAB的工作環(huán)境；2) 掌握MATLAB的 .M文件編寫規(guī)則，并在命令窗口調(diào)試和運(yùn)行程序；3) 掌握利用替換法構(gòu)造系統(tǒng)離散模型的方法,并對(duì)仿真結(jié)

3、果進(jìn)行分析。1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)電路如圖1.1所示。電路元件參數(shù)：直流電壓源，電阻，電感，電容。電路元件初始值：電感電流，電容電壓。系統(tǒng)輸出量為電容電壓。連續(xù)系統(tǒng)輸出響應(yīng)的解析解為： （1.1）其中，1.2.2 實(shí)驗(yàn)要求1） 分別利用簡單替換法和雙線性替換法構(gòu)建與原系統(tǒng)相似的離散系統(tǒng)模型，并求出離散系統(tǒng)的輸出量響應(yīng)曲線；2） 對(duì)比分析利用簡單替換法和雙線性替換法構(gòu)建的與原系統(tǒng)相似的離散系統(tǒng)模型的仿真精度與模型運(yùn)行的穩(wěn)定性問題；3） 利用Matlab軟件的.m文件編寫系統(tǒng)仿真程序；4） 利用subplot和plot函數(shù)將輸出結(jié)果畫在同一個(gè)窗口中，每個(gè)子圖加上對(duì)應(yīng)的標(biāo)題。

4、1.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求） 給出利用簡單替換法及雙線性替換法構(gòu)建離散系統(tǒng)模型的過程及其傳遞函數(shù)模型和差分方程模型；） 給出系統(tǒng)仿真程序；） 選擇一組典型的采樣周期，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，給出仿真試驗(yàn)曲線；） 分析仿真結(jié)果，從仿真模型實(shí)現(xiàn)的難易性、模型的穩(wěn)定性、模型的精度等方面，對(duì)兩種方法構(gòu)造的離散系統(tǒng)模型進(jìn)行對(duì)比分析，并給出分析結(jié)論。實(shí)驗(yàn)2 利用根匹配法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型實(shí)驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 熟悉MATLAB的工作環(huán)境；2) 掌握M文件編寫規(guī)則及在MATLAB命令窗口運(yùn)行程序；3) 掌握利用根匹配法構(gòu)造系統(tǒng)離散模型的方法，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求2.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)電路如圖

5、2.1所示。電路元件參數(shù)：直流電壓源，電阻，電感，電容。電路元件初始值：電感電流，電容電壓。系統(tǒng)輸出量為電容電壓。連續(xù)系統(tǒng)輸出響應(yīng)的解析解為： （2-1）其中，。2.2.2 實(shí)驗(yàn)要求1） 利用跟匹配法構(gòu)建與原系統(tǒng)相似的離散系統(tǒng)模型，并求出離散系統(tǒng)的輸出量響應(yīng)曲線；2） 對(duì)比分析利用簡單替換法、雙線性替換法和跟匹配法構(gòu)建的與原系統(tǒng)相似的離散系統(tǒng)模型的仿真精度與模型運(yùn)行的穩(wěn)定性問題；3） 利用Matlab軟件的.m文件編寫系統(tǒng)仿真程序；4） 將離散系統(tǒng)仿真結(jié)果輸出到文件中。編寫.m文件程序調(diào)用該數(shù)據(jù)文件，并利用plot函數(shù)將離散系統(tǒng)仿真結(jié)果與原系統(tǒng)的解析解畫在同一個(gè)坐標(biāo)系中。2.5實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求）

6、給出利用根匹配法構(gòu)建離散系統(tǒng)模型的過程及其傳遞函數(shù)模型和差分方程模型；） 給出系統(tǒng)仿真程序；） 選擇一組典型的采樣周期，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，給出仿真試驗(yàn)曲線及算法誤差曲線（與準(zhǔn)確解相比）；） 分析仿真結(jié)果。從仿真模型實(shí)現(xiàn)的難易性、模型的穩(wěn)定性、模型的精度和算法誤差與采樣周期的關(guān)系角度，對(duì)算法的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并與雙線性變換法的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)3 利用數(shù)值積分算法的仿真實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 熟悉MATLAB的工作環(huán)境；2) 掌握MATLAB的 .M文件編寫規(guī)則，并在命令窗口調(diào)試和運(yùn)行程序；3) 掌握利用歐拉法、梯形法、二階顯式Adams法及四階龍格庫塔法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型的方法,并

7、對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求3.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)電路如圖2.1所示。電路元件參數(shù)：直流電壓源，電阻，電感，電容。電路元件初始值：電感電流，電容電壓。系統(tǒng)輸出量為電容電壓。連續(xù)系統(tǒng)輸出響應(yīng)的解析解為： （2-1）其中，。3.2.2 實(shí)驗(yàn)要求1） 利用歐拉法、梯形法、二階顯式Adams法及顯式四階Runge-Kutta法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，并求出離散系統(tǒng)的輸出量響應(yīng)曲線；2） 對(duì)比分析利用歐拉法、梯形法、二階顯式Adams法及顯式四階Runge-Kutta法構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型的仿真精度與模型運(yùn)行的穩(wěn)定性問題；3） 分別編寫歐拉法、梯形法、二階顯式Adams法及顯式四階Runge-Ku

8、tta法的.m函數(shù)文件，并存入磁盤中。.m函數(shù)文件要求輸入?yún)?shù)為系統(tǒng)狀態(tài)方程的系數(shù)矩陣、仿真時(shí)間及仿真步長。編寫.m命令文件，在該命令文件中調(diào)用已經(jīng)編寫完成的上述.m函數(shù)文件，完成仿真實(shí)驗(yàn)；4） 利用subplot和plot函數(shù)將輸出結(jié)果畫在同一個(gè)窗口中，每個(gè)子圖加上對(duì)應(yīng)的標(biāo)題。3.5實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求） 給出歐拉法、梯形法、二階顯式Adams法及顯式四階Runge-Kutta法構(gòu)建離散系統(tǒng)模型的過程；） 給出系統(tǒng)仿真程序；） 給出仿真試驗(yàn)曲線；） 分析仿真結(jié)果，從仿真模型實(shí)現(xiàn)的難易性、模型的穩(wěn)定性、模型的精度等方面，對(duì)歐拉法、梯形法、二階顯式Adams法及顯式四階Runge-Kutta法構(gòu)造的離散

9、系統(tǒng)模型進(jìn)行對(duì)比分析，并給出分析結(jié)論。實(shí)驗(yàn)四 基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設(shè)計(jì)4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?熟悉Simulink的工作環(huán)境及其功能模塊庫；） 掌握Simulink的系統(tǒng)建模和仿真方法；） 掌握Simulink仿真數(shù)據(jù)的輸出方法與數(shù)據(jù)處理；） 掌握利用Simulink 進(jìn)行控制系統(tǒng)的時(shí)域仿真分析與綜合設(shè)計(jì)方法；） 掌握利用 Simulink對(duì)控制系統(tǒng)的時(shí)域與頻域性能指標(biāo)分析方法。4.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求4.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖4.1為單位負(fù)反饋系統(tǒng)。分別求出當(dāng)輸入信號(hào)為階躍函數(shù)信號(hào)、斜坡函數(shù)信號(hào)和拋物線函數(shù)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)輸出響應(yīng)及誤差信號(hào)曲線。若要求系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿足如下條件：a) 動(dòng)態(tài)

10、過程響應(yīng)時(shí)間；b) 動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)上升時(shí)間；c) 系統(tǒng)最大超調(diào)量。按圖4.2所示系統(tǒng)設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。圖4.1 單位反饋控制系統(tǒng)框圖圖4.2 綜合設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖3.2.2 實(shí)驗(yàn)要求） 采用Simulink系統(tǒng)建模與系統(tǒng)仿真方法，完成仿真實(shí)驗(yàn)；） 利用Simulink中的Scope模塊觀察仿真結(jié)果，并從中分析系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)（系統(tǒng)階躍響應(yīng)過渡過程時(shí)間，系統(tǒng)響應(yīng)上升時(shí)間，系統(tǒng)響應(yīng)振蕩次數(shù)，系統(tǒng)最大超調(diào)量和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差）；） 利用Simulink中Signal Constraint模塊對(duì)圖4.2系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以確定其參數(shù)；） 對(duì)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)前后的主要性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，并給出P

11、ID參數(shù)的改變對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響。4.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求） 給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)任務(wù)、系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)圖；） 給出系統(tǒng)仿真模型及仿真過程，如模型的建立、仿真方法的選擇及仿真參數(shù)的設(shè)置等；） 給出PID參數(shù)的整定過程及其整定參數(shù)；） 給出仿真試驗(yàn)曲線，并對(duì)其進(jìn)行分析和討論；） 數(shù)據(jù)整理和計(jì)算結(jié)果，盡量以表格列出，并標(biāo)明物理量的單位；） 對(duì)比分析有無PID控制器時(shí)，系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化；） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出結(jié)論，并給出實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題、實(shí)驗(yàn)的收獲、心得體會(huì)、對(duì)實(shí)驗(yàn)的建議等；） 報(bào)告要求文理通順，簡明扼要，字跡清楚。 實(shí)驗(yàn)5 基于Simulink三相電路仿真5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握Simulink的

12、工作環(huán)境及SimPowerSystems功能模塊庫的應(yīng)用；） 掌握Simulink的電路系統(tǒng)建模和仿真方法；） 掌握Simulink仿真數(shù)據(jù)的輸入與輸出方法；） 掌握三相電源及負(fù)載的連接方式，了解三相負(fù)載不同連接方式對(duì)線路電壓、電流和負(fù)載功率的影響；） 了解不對(duì)稱負(fù)載作星形連接時(shí)對(duì)中點(diǎn)電壓的影響；5.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求5.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容三相工頻電路如圖5.1所示。三相工頻電源為對(duì)稱三相電源，其中。為線路電阻。三相負(fù)載為對(duì)稱三相負(fù)載，其中，。三相開關(guān)在時(shí)間時(shí)刻合閘。在有中線和無中線條件下，分析電路在負(fù)載對(duì)稱和不對(duì)稱工作狀態(tài)下的線（相）電壓、線（相）電流、中線電壓和電流以及負(fù)載有功功率與無功功率，

13、并給出其瞬時(shí)值曲線及電路穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載相電壓和電流的幅值和相角值。圖5.1 三相對(duì)稱電路5.2.2 實(shí)驗(yàn)要求） 利用Simulink系統(tǒng)建模與系統(tǒng)仿真的方法，完成系統(tǒng)仿真分析實(shí)驗(yàn)；） 利用simulink庫和SimPowerSystems庫中的元件模型建立三相電路的有功功率、無功功率、電壓與電流的幅值與相角及瞬時(shí)功率測量系統(tǒng)。對(duì)組建的測量系統(tǒng)進(jìn)行封裝，建立其子系統(tǒng)；） 仿真輸出結(jié)果若為時(shí)間曲線，則利用Scope模塊顯示結(jié)果。仿真輸出結(jié)果若為數(shù)值，則利用Display模塊顯示結(jié)果。測量數(shù)據(jù)的傳遞，利用From與Goto模塊完成；） 將三相電路的相同物理量（如電壓）顯示在同一坐標(biāo)系中，并在Scopy顯

14、示界面中標(biāo)注顯示的物理量名稱及符號(hào)。5.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求給出系統(tǒng)仿真模型及仿真過程，如模型的建立、仿真方法的選擇及仿真參數(shù)的設(shè)置等。給出仿真試驗(yàn)曲線，并對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，給出系統(tǒng)在暫態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段系統(tǒng)電壓、電流及其功率的變化曲線。實(shí)驗(yàn)6 基于Simulink的直流斬波電路仿真實(shí)驗(yàn)6.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握Simulink的工作環(huán)境及SimPowerSystems功能模塊庫的應(yīng)用；） 掌握Simulink的電力電子電路建模和仿真方法；） 掌握Simulink下數(shù)學(xué)模型的仿真方法；） 掌握升壓、降壓斬波電路（Buck Chopper）的工作原理及其工作特點(diǎn)；） 掌握PID控制對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響。

15、6.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求6.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容Buck降壓型電路原理圖如圖6-1所示。圖中，功率管VT為MOSFET開關(guān)調(diào)整組件，其導(dǎo)通與關(guān)斷由控制脈沖決定；二極管VD為續(xù)流二極管，開關(guān)管截止時(shí)可保持輸出電流連續(xù)。為輸出電壓給定參考量；為負(fù)載電阻。系統(tǒng)基本參數(shù)為：電源電壓；變壓器BT為理想變壓器，其變比為；PWM頻率為；誤差放大器放大倍數(shù)為；電阻；整流濾波電容，PWM濾波電容、電感；負(fù)載電阻。系統(tǒng)基本參數(shù)見表6.1。分析Buck變換器的工作特性。表6.1 系統(tǒng)基本參數(shù)（）（）（）（）（）（）0.011000100.051010002:120006.2.2 實(shí)驗(yàn)要求） 在Simulink仿真環(huán)境中，利

16、用SimPowerSystems庫模型建立系統(tǒng)仿真模型；） 分析Buck變換器系統(tǒng)參數(shù)的改變對(duì)輸出電壓的影響；） 根據(jù)PWM信號(hào)發(fā)生器原理構(gòu)建其Simulink仿真模型，并封裝成子系統(tǒng)。6.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求給出系統(tǒng)仿真模型及仿真過程，如模型的建立、仿真方法的選擇及仿真參數(shù)的設(shè)置等。給出仿真試驗(yàn)曲線，并對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，給出負(fù)載變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)七 基于Simulink的簡單電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)7.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握Simulink的工作環(huán)境及SimPowerSystems功能模塊庫的應(yīng)用；） 掌握Simulink的powergui模塊的應(yīng)用；） 掌握發(fā)電機(jī)的工作原理及穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)的計(jì)算

17、方法；） 掌握開關(guān)電源的工作原理及其工作特點(diǎn)；） 掌握PID控制對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響。7.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求7.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單機(jī)無窮大電力系統(tǒng)如圖7-1所示。平衡節(jié)點(diǎn)電壓。負(fù)荷功率。線路參數(shù)：電阻；電感。發(fā)電機(jī)額定參數(shù)：額定功率；額定電壓；額定勵(lì)磁電流；額定頻率。發(fā)電機(jī)定子側(cè)參數(shù)：，。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)：，。發(fā)電機(jī)阻尼繞組參數(shù)：，。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和極對(duì)數(shù)分別為和。發(fā)電機(jī)輸出功率時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在發(fā)電機(jī)輸出電磁功率分別為和時(shí)，分析發(fā)電機(jī)、平衡節(jié)點(diǎn)電源和負(fù)載的電流、電磁功率變化曲線，以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率角的變化曲線。7.2.2 實(shí)驗(yàn)要求） 利用SimPowerSystems庫中的發(fā)電機(jī)模

18、型、三相負(fù)荷模型建立系統(tǒng)的仿真模型；） 利用powergui模塊，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及發(fā)電機(jī)的初始值進(jìn)行分析，并給發(fā)電機(jī)付初始值；） 利用Bus Selector模塊分選出需要的發(fā)電機(jī)輸出參數(shù)。利用Three-Phase V-I Measurement模塊測量三相電壓與電流參數(shù)。） 給出平衡節(jié)點(diǎn)電源和負(fù)載的電流、電磁功率變化曲線，以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率角的變化曲線7.5 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求給出系統(tǒng)仿真模型及仿真過程，如模型的建立、仿真方法的選擇及仿真參數(shù)的設(shè)置等。給出仿真試驗(yàn)曲線，并對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)8 基于Simulink的伺服系統(tǒng)仿真8.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握Simulink的工作環(huán)境及SimPowerSystems功能模塊庫的應(yīng)用；） 掌握Simulink的電力電子電路建模和仿真方法；） 掌握Simulink下數(shù)學(xué)模型的仿真方法；） 掌握PID控制對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響。8.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求8.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直流電機(jī)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成如圖8.1所示。圖8.1中，為給定輸入量，為系統(tǒng)速度輸出量，為系統(tǒng)偏差控制量?？刂破鬟x用PI調(diào)節(jié)控制方式，功率放大器選用PWM功率放大器，電機(jī)選用他勵(lì)直流電機(jī)。系統(tǒng)參數(shù)見表8-1。