《機電系統(tǒng)建模與仿真》實驗指導(dǎo)書(研究生)

./《機電系統(tǒng)建模與仿真》實驗指導(dǎo)書王紅茹編寫適用專業(yè)：機械工程________________________XX科技大學機械工程學院2015年11月實驗一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析實驗學時：2實驗類型：綜合實驗要求：必修一、實驗?zāi)康?.掌握運用MATLAB/Simulink進行多閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)仿真分析的方法。二、實驗內(nèi)容與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)進行建模與仿真實驗,并對其原理進行詳細介紹。采用PI控制器的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(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,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,介紹運用MATLAB/Simulink進行雙閉環(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)圖圖1.1雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖①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Ⅰ型系統(tǒng)的超調(diào)量小,因此將電流環(huán)按Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計。轉(zhuǎn)速環(huán)按Ⅱ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。②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)與整個系統(tǒng)的動態(tài)仿真。三、實驗教學方法與手段本實驗教學采用指導(dǎo)老師"講解+演示"的方式進行教學。四、實驗組織運行要求根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件,采用"以學生自主訓練為主的開放模式組織教學"。五、實驗條件計算機、信號發(fā)生裝置、信號顯示裝置與搭建控制系統(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。圖1.2電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖分別以下兩種情況下,進行仿真實驗,并分析電流環(huán)的性能、保存仿真結(jié)果：①忽略干擾,給定信號用單位階躍信號代替；②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。針對圖1.3,通過兩個實驗分析系統(tǒng)的動態(tài)性能：①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；②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&____一．實驗預(yù)習1.實驗?zāi)康?.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)計與仿真實驗學時：2實驗類型：綜合實驗要求：必修一、實驗?zāi)康?.學會運用MATLAB/Simulink進行控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真的方法。二、實驗內(nèi)容與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),伺服電動機拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)。圖2.1小功率角度跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖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行全面仿真計算。三、實驗教學方法與手段本實驗教學采用指導(dǎo)老師"講解+演示"的方式進行教學。四、實驗組織運行要求根據(jù)本實驗的特點、要求和具體條件,采用"以學生自主訓練為主的開放模式組織教學"。五、實驗條件計算機、信號發(fā)生裝置、信號顯示裝置與搭建控制系統(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,進行串聯(lián)校正參考PD控制器：〔2.1〕則進行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?！?〕設(shè)計控制器,進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。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。八、實驗報告