运动控制系统仿真---实验讲义

1、运动控制系统仿真实验讲义谢仕宏xiesh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，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、实验过程：1、建模过程如下：（1）PID控制器参数整顿根据PID

2、参数的工程整定方法（Z-N法），如下表所示， Kp=0.24，Ti=300，Td=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KpTiTdKpTiTdP无无无无PI无无PID（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 ，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

3、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、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

4、。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

5、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时间，可观察系统在不同负载下的转速响应。输入滤波环节、转速反馈环节、电流反馈环节、转速调节器输入滤波环节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

6、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，

7、电流、转速响应达到工程设计要求。图1-17 直流双闭环调速系统电流及速度响应图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

8、量；观察频率由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0.0001,仿真时间设置为0.2s，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 ”

9、菜单按钮，打开傅立叶分析窗口，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30.42%。 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

10、2-13 电流示波器参数设置将仿真算法改为ode15s，仿真时间改为0.4s，最大仿真步长改为0.00001s，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形。 图2-20直流环节电流、电压波形（