運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真---實(shí)驗(yàn)講義（精編版）

1、運(yùn)動(dòng)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(duì)象 g( s) 10 e 150s ，pid 控制器要求可通過(guò)300s 1 gc(s)為 pid 控制器，試整定參數(shù)， 并建立控制系統(tǒng) simulink 仿真模型。 再對(duì) pid 控制子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，封裝后子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置頁(yè)面對(duì) 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

2、流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1、建模過(guò)程如下：（ 1）pid 控制器參數(shù)整頓kp= 1. 2t = ，ti= 2 =300，k根據(jù) pid 參數(shù)的工程整定方法（ z-n 法），如下表所示，td= 0. 5 =75。表 1-1 z-n 法整定 pid 參數(shù)由階躍響應(yīng)整定ti由頻域響應(yīng)整定控制器類型tdkptitdkp無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)0.5k ctpk0. 9t無(wú)0. 4k c無(wú)pi30.8tck1 .2t0. 6k c0 .5tcpid0.52k0. 12tc（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) si

3、mulink 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(duì) pid 子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，選中“ subsystem”后，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“ mask subsys

4、tem ”，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(duì)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1-12 所示：封裝后運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖圖 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(hào)。 y(t)為系統(tǒng)輸出，表示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

5、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(kāi)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(hào) r(t)由信號(hào)源模塊庫(kù)的 step （階躍）信號(hào)生成，通過(guò)改變階躍信號(hào)的幅值，可以改變雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)給

6、定輸入電壓，其變化范圍為 - 10v 10v 。負(fù)載電流信號(hào) il 也由階躍信號(hào)生成，通過(guò)改變階躍輸入信號(hào)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0. 0070. 01s 10 . 050 . 002s 11、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入濾波、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) 1濾波環(huán)節(jié)、電流反饋環(huán)節(jié)0 . 01s及其他模塊為傳遞函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型，在transfer fcn 模塊實(shí)現(xiàn)。增益模塊可以使用simulink 仿真中，可使用continue （連gain 來(lái)實(shí)現(xiàn)。環(huán)節(jié)10. 002s 1續(xù)系統(tǒng)）模塊庫(kù)的math （數(shù)學(xué)）模塊庫(kù)的轉(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

7、1-13 所示。下面對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)調(diào)試的方法，對(duì)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(duì)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

8、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。（ a）電流響應(yīng)（ b）速度響應(yīng)圖 1-17 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流及速度響應(yīng)（a）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出 （ b）電流調(diào)節(jié)器輸出圖 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(duì)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(duì)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(duì)比不同載波頻率下輸出電壓諧波

9、分量。3、將1和2中的整流和逆變電路連接起來(lái)，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(duì)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(zhǎng)設(shè)置為 ,仿真時(shí)

10、間設(shè)置為，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?gòu)棾龅拇翱谥袉螕?fft“ analysis ”菜單按鈕，打開(kāi)傅立葉分析窗口，如圖 2-8 所示。圖2-7 powergui 模型圖2-8按圖2-8 所示設(shè)置參數(shù)，按后單擊“ 分析?？傊C波電流含量 %。傅立葉分析窗口display ”按鈕，即可完成對(duì) ia 電流信號(hào)的諧波2、建立 pwm逆變電路仿真模型，在帶三相對(duì)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(duì)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

11、 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，最大仿真步長(zhǎng)改為，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(dòng)前后對(duì)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(lái)， 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