《機電系統(tǒng)建模與仿真》實驗指導(dǎo)書(研究生)(DOC)

1、i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)：機械工程江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院2015年11月實驗一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析2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)進行建模與仿真 實驗，并對其原理進行詳細(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，分別設(shè)

2、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)：Pnom=10kW，Unom=220V，I圖=53.5A，nnom=1500r/min，電樞電阻Ra=0.3V1，系統(tǒng)主電路總電阻 R=0.4，電樞回路電磁時間常數(shù)Ta= 0.0128s， 機電時間常數(shù)Tm= 0.042s;三相橋平均失控時間Ts=0.00167s，觸發(fā)器放

3、大系數(shù)Ks=30;電流反饋系數(shù) 心=0.0727/A，電流環(huán)濾波時間常數(shù)J = 0.002s;轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)Kt-0.0067V min/r，轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)Ton= 0.01s。3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, 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001283.49：10。由于I型系統(tǒng)的超調(diào)量小，因此將電流環(huán)TsToi0.00167 0.002按I型系統(tǒng)設(shè)計。轉(zhuǎn)速環(huán)按U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)，且保護調(diào)速系統(tǒng)的各元器件 不致?lián)p壞，應(yīng)

4、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”的方式進行教學(xué)。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(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模 式組織教學(xué)”。五、實驗條件電流環(huán)濾波電流反饋系數(shù)擾動信號ToiS-H1TH轉(zhuǎn)速環(huán) 信號濾波平衡Is轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1屮01電流環(huán)濾波平衡-P +3s電流調(diào)節(jié)器KSTs+1S1/ RaT s U1TonS*轉(zhuǎn)速環(huán)濾波圖 1.1 雙閉環(huán)可控硅整流器a _電機電樞Tms傳動裝置Ce電勢系數(shù)7 )電

5、機 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)V-M 調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖且突加控制作4計算機、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)分別進行MATLAB計算與5仿真電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2I = 25。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(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

6、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。圖中電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為P = 0.32 和1input0.0(2S+1電流環(huán)濾波平衡電流 調(diào) 節(jié)器圖仁電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)濾波0.0(2S+1PID限幅電 流 反饋晶系 O.072干 3 閘數(shù)擾管T 10.00167S+11 -11r電動機電樞0.01S+1280 4360.01s+11轉(zhuǎn)速環(huán)濾波+轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1n轉(zhuǎn)速環(huán)平衡濾波N11.11雙閉環(huán)V-M直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系 0.0

7、067數(shù) *電動機電樞360/1o s I電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)平衡濾波0.00s+11367晶閘管0.00167s+10.01s+1藥 5傳動0.00s+12Ik電流環(huán)濾波0.072378七、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9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:.實驗預(yù)習(xí)1實驗?zāi)康?.實驗原理3實驗步驟.實驗記錄.思考題解答10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：綜合實驗要求：必修一、實驗?zāi)康?.學(xué)會運用MAT

8、LAB/Simulink進行控制系統(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)Q =1，K2=800，濾波器時間常數(shù)TL= 0.0024s，伺服電動機拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)TM二0.2s。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(xué)方法與手段本實驗教學(xué)采用指導(dǎo)老師“講解+演示”的方式進行教學(xué)。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(xué)生自

9、主訓(xùn)練為主的開放模 式組織教學(xué)”。五、實驗條件計算機、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11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: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。（3）設(shè)計控制器，進行反饋校正 參考反饋校正控制器：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GPD0.0 2 8+10.00 15 1(2.1)H(s)0.000452 s20.0435s 1(2.2)對原系統(tǒng)在PI串聯(lián)校正的基礎(chǔ)上,調(diào)整 K2使K2=120，則反饋校正閉環(huán)系統(tǒng)圖 2.2 小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖則進行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12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、