運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)講義

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:.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0s)10 ,e 150s , Gc(s)為PID控制器，試整定 PID控300s1制器參數(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，要求可通過(guò)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。.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(guò)程:1、建模過(guò)程如下：PID控制器參數(shù)

2、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= = ,Ti= 2 =300,KTd=0. 5 =75。表1-1 Z-N法整定PID參數(shù)控制器類(lèi)型由階躍響應(yīng)整定由頻域響應(yīng)整定KpTiTdKpTiTdPTX無(wú)無(wú)0.5Kc無(wú)無(wú)PI0.9TK3無(wú)0.4Kc0.8Tc無(wú)PID1.2TK20.50.6Kc0.5Tc0.12Tcsimulink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，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10

3、00s,如下圖1-4所示：日 Functicn Block Parametefs;. Transport Delay7上與斗|口門(mén)口1到ly specified. deL lu the imulDejtI icuuriey isncLiead vhan ths dolssr ie than the snuleftiam stapQHE.Ini-t i al but61 me:咖Uae buffer sn?Diz ee:t feEdiRtai-Eh zniut durzrig JLzne bj- i 1 ionFade Dickr (fo.E lir-eiiizatinn :L me elHe

4、Ip魚(yú)PP1 了運(yùn)行仿真，得如下結(jié)果:圖1-3 PID控制參數(shù)設(shè)置1P1D View Sirrulacior Format Tooktirntal110000 24Gai ftGamJ hTt,3inrcu/Ct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、Gainl、Gain三個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示:Function Block Par6m已小任 GainS3Sltnud vit aui / EL*ui iiatm 3. 1K* ol r j+R：,tt nb-z.lult iplzEat ElrrieiFuncti&i) Block Punwten:

5、GfinlixiiJi.ELeitiirt-wTiie j Jim (y =-Iiplievtiuh-r EliEhientjnr91e t im ( for 】nh Siiul Attribct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)再又PID子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，選中“Subsystem”后，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“Mask-i- msubsystem”，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，朗 Mask Editor; SubsystemIcon Drawing commands dispC PID Controller

6、)Icon & Portt Pdrame:er Initialization DocumenttioriOptionsElock Frame visible Icon TransparencyOpaqueIcon UnitsAutomateIc on Rotation FixedFon RotationDefaultExsmpks of drswinq commandsCoimmand 了。電q&qL ;t*,史二。portsjSyntax portjabel (outpu tJr X FxyTUnmaskOK Cancel Help Apply圖1-8 PID子系統(tǒng)封裝文本顯示羽 Mask

7、Editor : SubsystemDialog parametersOptions for selected parameterType-specific optioirio t/pc-specific qUnmaskOK g Cancel Help1 a - i rr* 1-， L: 1ApplyIcon & Port5 Paramerers Initialization Docunnentation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)

8、設(shè)置，即可完成 PID參數(shù)設(shè)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。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)圖1-12封裝后系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果. l-unction Hlofk Parampters: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:昌圖Q只月拗強(qiáng)璃Subsysteft :hask)0. 24CancelApplyPID Central erSubsystemTime offset: JF0O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 ASM口 ACR勺參數(shù)整定時(shí)，首

9、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) Rt）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)給定輸入電壓，其變化范圍 為-10V10V。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)。輸入濾波環(huán)節(jié)1轉(zhuǎn)速0.01s 1反饋環(huán)節(jié)0.007 、電流反

10、饋環(huán)節(jié)0. 05、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入濾波環(huán)節(jié) 10.01s 10.002s 10.002s 1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(kù)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(kù)的Gain來(lái)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(gè)空白子系 統(tǒng)組成，結(jié)果如圖1-13所示。下面對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASRf口電流調(diào)節(jié)器ACRa行設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖1-14和圖1-151-16所示的結(jié)果所示。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

11、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寸裝后參數(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)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

12、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PW成變電路仿真模型，在帶三相對(duì)稱(chēng)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。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)

13、構(gòu)建仿真模型Three-Phase Sourcenode 10ScopelThyristorUniversal Bridge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)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仰目電流波形菜單按鈕，打開(kāi)傅單擊Powergui模塊，再?gòu)棾龅拇翱谥袉螕?FFT “ Analysis立葉分析窗口，如圖2-8所示。Q sh iya r 2z:h e n q I i u/ pow e rcju iSim

14、ulstnn and confiolotion optionsCo 畸 gu屯 pa-amatorcAnalic toolsSteady Ste Voltages and CirrertsInitdl Statac SttlingLnnrl -|nw mnd pJacnnp hirialiAtnnIn pedarxe vs r(equency Medbu&menl口n前逑由ReportHysteresis Design Tool圖 2-7 Powergui 模型E3 Powergui FFT Analysis Toolhl白 Edit Viev/ Inrt i ools Deletop Win

15、dow Halp國(guó)| 口一 Si gnal to analyze Display selected sigr Displav FFT windiowSelecled signal: 10 cyces. FFT window (in red): 5 cycles 500-5000.050.1015Tlnrws /cl-FFT analysisFundamental 50Hz)- 56.81 , THD- 30 42%20151050 02004D06008001000Frequency (Hz)0.2Digplay etf la :(relati/e lo ftjndam Bas |10一Fie

16、cjuency Mi htelz/Mas Frequerw-r (Hz).10CO:亟迦 iOdam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(duì)Ia電流信號(hào) 的諧波分析?？傊C波電流含量 %2、建立PW成變電路仿真模型，在帶三相對(duì)稱(chēng)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PW嵯變電路如下圖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:0 Bkxx Parameters： DC Voltage SourceDC ?plt age Scurce(lirta)Idal DC

17、voltage source.FiiineteisJjr.pLitud# (V):540。戶(hù)？LJUETiFritW W m HROK法CajueUAB圖2-10直流電源模塊和電阻負(fù)載模塊參數(shù)設(shè)置w biock raranneiers: universal urage(JnivcEsal Briilge I,Mask) (lirfcarhis blcick uiplenenLl a bridgs f sel&1:ed pover electranu divicec-EC snubbsr circuit2 ir# connecisd inparallel with each switch dvi

18、cg Fress Help Coi琴tt寫(xiě)nubber values when the model is disccetised. For nct applicat ions the ini ernal iniuct sni3a Loin of diodes an.1 thyristtiifs shauld be set to zeroPaiaiitt t?SSuraLjeir yf IjiiJge ains; 3Snubber resist an?c Rf (Ohns)leSSnubber c&pacLt 馴ne Cs，：F)_inf-Power Elecironic device 1CB7

19、 / Diodes艮。n ：0hiiM)Iff-3Forward TroLtafes1 口&疝。目 Vf V) # Diode 7f d()T 0 iTf/TtJe-ti , 2e-ti Meaurenenl:哀 Note(I萬(wàn)+If/.-OKCatice LHelp Apply圖2-11通用橋模塊參數(shù)設(shè)置Kcjuit 巳 Block Paridg63.D-p就由凱g wi ihw i-iufiber bEidgfr 0門(mén)國(guó)i人 thftC|；ooj?工忒口匚 Modr- paxanstcii th# blucfc； can ba ujud tith(工 fnr single-pkaie dx

20、 tlire-piia!3iE- t VJfl canl ml. QE. J I Cancal JjaLp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:3u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:Powergui FFT Analysis ToolFile Edit View Insert Took Desktop Window HelpDC3 J i 4 ，二門(mén) 工 /

21、 息口明口Signa tn analyze9 Diisplay slactad Display FFT windowSelected signal 5 cycles. FFTwindow jn red). 5 cycles20 0-2000 020.040 060.D80.1TirrLa. /eJl-FFT ana lys Is1Fu Marnertal (50Hz) -1078 THD- 5628%傳105 O (_m-uolEPcnLLJO里)-Available signalsStructure.IAInputinput 1Signal numbsr1-7 PTwindowStjrt ：

22、ineNimbsr ofrundflmenlflil 5G00O008006004我2Frequency (Hz；圖2-15 A相電流諧波分析T stLhigsDisjilsy stle:Rar (relatiw tn fun日前石白： |1.口- IFrequency ani5;lieftzMax Fnqu-sncy (H2): TODisplayClosePowergui FFT Analysis Tool,File Edit View Jniert Tunis Desktop Window Help-Sign J to analyze- Dkpla? aelucted Display F

23、FT AirdowSuIgcmU signal. 5 cdas. FFT wir,dg ( n &一 5 燈cl 5000-50000.020040.M0080 1TirrwaGpFFT 3nHMJsFl idam?rtalf50Hzi= 1fi6 5 71 舊=56 22%5 0 5 0 (_f3uEEPLInLl_00小006O8000WFrequency (Hz】-Available signalESvucMe ： u,Inpul; UABSignal nutnbr.11-FFT 所 nd 0內(nèi)Sisri Mep 口Nurib5i at |SFurdanental 50fft seeng

24、sDisplay giylp Br (rolx vo IQ ftm OweHRFroqiiMicf axis: HeilzIxla Freqjerc? (Ft):ioro圖2-16線電壓UABi皆波分析改變PW隨變模塊參數(shù)設(shè)置，再次仿真并分析電流諧波含量0 Source & Mk Patwehc出 PVMM Generator BudFM Gfrrwntar 3adM (linh)Th.ii hl oct EF.erKe j pulses for rarTie-lisJHd FW CFlr-idhh Eduli.t.jqri)ii .oMiLlavdl i曲ftlOEi OE FBIi* L*

25、，3r0 Source Block Parameters: PWM Ge.0;(j.uL) ClhETiU-b bl i.Lk g 肝J 歸館13 JAkld； f寫(xiě) fuE VdElltflbrd E* Mdtk 心加口吐10-1 3C If- r-TWiiit fft bnj Lwlictv-d par ui=i *pf the hl口匚k Can b- lb=e or t?!re=-Dh：izE： P肛 control-3daLii bjzdg.e 6 pLi.J se-x)V Ir.t emil arier：at ion rf udduIsiiiz slee.bL fa 01nt inti indsr (Dn. ll :JFreaucny ttf cimout w