运动控制系统仿真---实验讲义（精编版）

1、运动控制系统仿真实验讲义谢仕宏实验一、闭环控制系统及直流双闭环调速系统仿真一、实验学时： 6 学时二、实验内容：1. 已知控制系统框图如图所示：图 1-1 单闭环系统框图图中，被控对象sessg150130010)(，gc(s)为 pid 控制器，试整定pid 控制器参数，并建立控制系统 simulink 仿真模型。再对 pid 控制子系统进行封装， 要求可通过封装后子系统的参数设置页面对kp、ti、td 进行设置。2. 已知直流电机双闭环调速系统框图如图1-2 所示。试设计电流调节器acr 和转速调节器 asr 并进行 simulink 建模仿真。图 1-2 直流双闭环调速系统框图三、实验过

2、程：1、建模过程如下：（1）pid 控制器参数整顿根据 pid 参数的工程整定方法（ 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 参数控制器类型由阶跃响应整定由频域响应整定kp ti td kp ti td p kt无无ck5.0无无pi kt9. 03无ck4. 0ct8. 0无pid kt2.125.0ck6. 0ct5 .0ct12. 0（2）simulink 仿真模型建立建立 simulink 仿真模型如下图1-3所示，并进行参数设置：图 1-3 pid 控制系统simulink 仿真模型图 1-3 中

3、 ，step模块“阶跃时间”改为0，transport delay 模块的“时间延迟”设置为150，仿真时间改为1000s，如下图1-4 所示：图 1-3 pid 控制参数设置运行仿真，得如下结果：图 1-5 pid 控制运行结果（3）pid 子系统的创建首先将参数gain、gain1、gain 三个模块的参数进行设置，如下图所示：图 1-6 pid 参数设置然后建立pid 控制器子系统，如下图1-7 所示：图 1-7 pid 子系统再对 pid 子系统进行封装，选中“subsystem”后，单击鼠标右键，选择“mask subsystem” ，弹出封装编辑器，并进行相应参数设置，如下图1-8

4、、1-9 所示，图 1-8 pid 子系统封装文本显示图 1-9 pid 子系统封装参数设置在对图 1-9 所示封装变量设置完成后，封装后的pid 子系统如下图1-10 所示图 1-10 封装后pid 控制仿真模型双击图 1-10 中的 pid 子系统，按图1-11 作参数设置，即可完成pid 参数设置。图 1-11 pid 控制器参数设置封装后运行仿真，结果如图1-12 所示：图 1-12 封装后系统运行结果2、建模方法：图 1-2 中 r(t)为给定输入，采用阶跃信号。y(t)为系统输出，表示直流电机的转速。asr 为转速调节器，由 pi 调节器组成。 acr 为电流调节器，也是一个pi

5、调节器。根据直流双闭环调速系统工程整定方法，进行 asr 和 acr 的参数整定时， 首先断开转速环， 整定电流调节器acr。然后接通转速环， 整定转速环 asr，同时调节电流环参数。 根据上述分析， 首先建立直流双闭环调速系统的高层仿真模型，其中转速调节器和电流调节器由空白子系统组成，如图1-13 所示。图 2-1 直流双闭环调速系统simulink 仿真模型图 1-13 中给定速度输入信号r(t)由信号源模块库的step（阶跃）信号生成，通过改变阶跃信号的幅值，可以改变双闭环调速系统给定输入电压，其变化范围为- 10v10v。负载电流信号il 也由阶跃信号生成，通过改变阶跃输入信号的幅值和

6、时间，可观察系统在不同负载下的转速响应。输入滤波环节101.01s、转速反馈环节101.0007.0s、电流反馈环节1002.005.0s、转速调节器输入滤波环节1002.01s及其他模块为传递函数描述的数学模型，在simulink 仿真中，可使用continue（连续系统）模块库的transfer fcn 模块实现。增益模块可以使用math（数学）模块库的gain 来实现。转速调节器asr 和电流调节器acr 首先由两个空白子系统组成，结果如图1-13 所示。下面对转速调节器asr 和电流调节器acr 进行设计， 结果如图1-14 和图 1-15 所示。对图 1-14和图 1-15 所示的子

7、系统进行封装，可得如图1-16 所示的结果。利用工程整定及simulink 动态调试的方法，对转速调节器和电流调节器进行参数整定，参数结果如图1-16 所示。图 1-14 转速调节器子系统simulink 模型图 1-15 电流调节器子系统simulink 模型图 1-16 转速调节器asr 与电流调节器acr 封装后参数设置对话框simulink求解器取系统默认值，运行仿真可得如图1-17 所示的转速、电流响应曲线及图1-18所示的转速调节器输出和电流调节器输出。从仿真结果可以看出，电流、转速响应达到工程设计要求。（ a）电流响应（ b）速度响应图 1-17 直流双闭环调速系统电流及速度响应

8、（a）转速调节器输出（ b）电流调节器输出图 1-18 转速调节器及电流调节器输出试验二、交 - 直- 交变频调速系统仿真分析一、实验学时： 6 二、实验内容：1、建立三相桥式不可控整流电路，带10 欧姆电阻负载， 观察输入电流， 输出电压波形。并对输入电流作谐波分析。2、建立 pwm逆变电路仿真模型，在带三相对称的纯电阻负载时，每相电阻10欧姆，观察输出 50hz时的电压波形，并对比不同载波频率下输出电压谐波分量。3、将1和2中的整流和逆变电路连接起来，构建完整的交-直-交变频调速系统仿真模型。4、带15kw电机负载。负载转矩 20nm。观察50hz下电源侧输入电流波形及谐波含量；观察频率由

9、 25hz变换到 50hz时电机输出转速及电磁转矩的波形。三、实验步骤：1、 建立三相桥式不可控整流电路，带10 欧姆电阻负载，观察输入电流，输出电压波形。并对输入电流作谐波分析。三相桥式整流电路建模如下（1）构建仿真模型图 2-1 三相桥式全控整流电路（2）设置仿真参数图2-2三相电源参数设置图 2-3通用桥模块参数设置图2-4 电阻模型参数设置图 2-5电流示波器参数设置仿真最大步长设置为,仿真时间设置为，运行仿真，输入a相电流波形如下图2-6所示：图2-6三相桥式不可控整流输入 a相电流波形单击powergui模块，再弹出的窗口中单击fft “ analysis ”菜单按钮，打开傅立叶分

10、析窗口，如图 2-8所示。图2-7 powergui 模型图2-8 傅立叶分析窗口按图2-8所示设置参数，按后单击“ display ”按钮，即可完成对 ia 电流信号的谐波分析。总谐波电流含量 % 。2、建立 pwm逆变电路仿真模型，在带三相对称的纯电阻负载时，每相电阻10欧姆，观察输出 50hz时的电压波形，并对比不同载波频率下输出电压谐波分量。建立pwm逆变电路如下图 2-9所示图2-9 pwm逆变电路仿真模型图中模块参数设置：图2-10 直流电源模块和电阻负载模块参数设置图2-11 通用桥模块参数设置图 2-12 pwm 发生器模块参数设置图 2-13 电压示波器参数设置图 2-13

11、电流示波器参数设置将仿真算法改为ode15s，仿真时间改为，最大仿真步长改为，运行仿真，可得电压电流波形如下：图 2-14 pwm 逆变电路相电流及相电压/线电压波形单击 powergui 模块，再单击fftanalysis 按钮，进行谐波分析：图 2-15 a 相电流谐波分析图 2-16 线电压 uab 谐波分析改变 pwm 逆变模块参数设置，再次仿真并分析电流谐波含量. 图 2-17 pwm 发生器模块参数改动前后对比图 2-18 输出线电压谐波分析3 将 1 和 2 中的整流和逆变电路连接起来，构建完整的交 -直-交变频调速系统仿真模型。图 2-19 ac-dc-ac 电路仿真模型将图 2-19 中电容 c 的参数由1e-3 改为 1e-2，观察改变前后直流环节的电压电流。再观察输入交流电流波