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

1、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： 6 學(xué)時二、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sessg150130010)(，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

2、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=kt2.1=，ti= 2 =300，td=5. 0=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kp ti td kp ti td p kt無無ck5.0無無pi kt9. 03無ck4. 0ct8. 0無pid kt2.125.0ck6. 0ct5 .0ct12. 0（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

3、 ，step模塊“階躍時間”改為0，transport delay 模塊的“時間延遲”設(shè)置為150，仿真時間改為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

4、、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pi

5、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， 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

6、時間，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)101.01s、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)101.0007.0s、電流反饋環(huán)節(jié)1002.005.0s、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入濾波環(huán)節(jié)1002.01s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， 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

7、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)

8、（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： 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，每相電阻10歐姆，觀察輸出 50hz時的電壓波形，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

9、 25hz變換到 50hz時電機(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,仿真時間設(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，再彈出的窗口中單擊fft “ analysis ”菜單按鈕，打開傅立葉分

10、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 % 。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，每相電阻10歐姆，觀察輸出 50hz時的電壓波形，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

11、電流示波器參數(shù)設(shè)置將仿真算法改為ode15s，仿真時間改為，最大仿真步長改為，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