《机电系统建模与仿真》实验指导书(研究生)(DOC)

1、i机电系统建模与仿真实验指导书王红茹 编写适用专业：机械工程江苏科技大学机械工程学院2015年11月实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析2实验学时：2实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的1.掌握运用MATLAB/Simulink进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。二、实验内容及原理主要针对工程领域常用的自动控制系统-双闭环控制系统进行建模与仿真 实验，并对其原理进行详细介绍。采用PI控制器的转速负反馈单闭环调速系统能在系统稳定的前提下实现转速 无静差，但不能满足调速系统对动态性能要求较高时的场合，且对扰动的抑制能 力也较差。双闭环调速系统是在单闭环调速的基础上，将转速和电流分开控制，分别设

2、计转速、电流两个控制器，且转速控制器的输出作为电流控制器（内环）的给定输 入，从而形成转速、电流双闭环控制。这种双闭环调速系统是直流调速的一种典 型形式。以双闭环V-M调速系统为例，介绍运用MATLAB/Simulink进行双闭环控制系 统动态分析的方法。 双闭环V-M调速系统的结构如图1.1所示。 图中， 直流电机 参数：Pnom=10kW，Unom=220V，I圖=53.5A，nnom=1500r/min，电枢电阻Ra=0.3V1，系统主电路总电阻 R=0.4，电枢回路电磁时间常数Ta= 0.0128s， 机电时间常数Tm= 0.042s;三相桥平均失控时间Ts=0.00167s，触发器放

3、大系数Ks=30;电流反馈系数 心=0.0727/A，电流环滤波时间常数J = 0.002s;转速反馈系数Kt-0.0067V min/r，转速环滤波时间常数Ton= 0.01s。3电流环、转速环选型原则。电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值, 用时超调量越小越好。电流环的控制对象是双惯性型的，两个惯性时间常数之比为001283.49：10。由于I型系统的超调量小，因此将电流环TsToi0.00167 0.002按I型系统设计。转速环按U型系统设计，目的是实现无静差控制，且提高了系统的抗干扰性能。为保证电流调节器和转速调节器工作在线性区，且保护调速系统的各元器件 不致损坏，应

4、在电流调节器和转速调节器的输出端分别设置一个限幅装置，本实 验采用饱和非线性特性来实现。通过对设置不同的比列、积分系数可实现电流环及整个系统的动态仿真。三、实验教学方法与手段本实验教学采用指导老师“讲解+演示”的方式进行教学。四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模 式组织教学”。五、实验条件电流环滤波电流反馈系数扰动信号ToiS-H1TH转速环 信号滤波平衡Is转速调节器1屮01电流环滤波平衡-P +3s电流调节器KSTs+1S1/ RaT s U1TonS*转速环滤波图 1.1 双闭环可控硅整流器a _电机电枢Tms传动装置Ce电势系数7 )电

5、机 转速转速反馈系数V-M 调速系统的动态结构图且突加控制作4计算机、信号发生装置、信号显示装置及搭建控制系统所需的元器件；实验 用专业软件、教材和实验指导书。六、实验步骤对双闭环控制系统而言，将其分为电流环和转速环分别进行MATLAB计算与5仿真电流环的动态结构图如图1.2I = 25。分别以下两种情况下，进行仿 真实验，并分析电流环的性能、保 存仿真结果：1忽略干扰， 给定信号用单位 阶跃信号代替；2分别加入两个干扰信号（用 单位阶跃信号代替），绘制扰动曲 线。转速环的动态结构如1.3,图 中，扰动信号3代表负载变化引起 的扰动；扰动信号2代表电网电压 波动、晶闸管整流与移相触发器参 数变

6、化引起的扰动。针对图1.3,通过两个实验分 析系统的动态性能：1忽略扰动影响，在单位阶跃 信号作用下，绘制系统的转速变化 曲线；2转速环抗扰动过程的仿真， 在2、3出分别加入扰动信号，绘 制扰动响应曲线。图中电流调节器参数设置为P = 0.32 和1input0.0(2S+1电流环滤波平衡电流 调 节器图仁电流环动态结构图电流环滤波0.0(2S+1PID限幅电 流 反馈晶系 O.072干 3 闸数扰管T 10.00167S+11 -11r电动机电枢0.01S+1280 4360.01s+11转速环滤波+转速调节器1n转速环平衡滤波N11.11双闭环V-M直流调速系统动态结构图转速反馈系 0.0

7、067数 *电动机电枢360/1o s I电流调节器电流环平衡滤波0.00s+11367晶闸管0.00167s+10.01s+1药 5传动0.00s+12Ik电流环滤波0.072378七、思考题1.创建系统动态结构图的一般步骤是什么？八、实验报告实验报告基本内容详见附件。九、其它说明认真阅读相关实验设备注意事项，正确使用各实验设备9附件：学生实验报告基本内容要求实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验报告班级&学号：_姓名:.实验预习1实验目的2.实验原理3实验步骤.实验记录.思考题解答10实验二：复杂系统的设计与仿真实验学时：2实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的1.学会运用MAT

8、LAB/Simulink进行控制系统设计及仿真的方法。二、实验内容及原理通过对某小功率角度跟踪系统控制器的设计，来介绍机电系统设计与仿真的 方法。某小功率角度跟踪系统的结构如图2.1所示，其中整定系统可调放大系数Q =1，K2=800，滤波器时间常数TL= 0.0024s，伺服电动机拖动系统机电时间常数TM二0.2s。图 2.1 小功率角度跟踪系统结构图对该位置随动系统进行仿真，并设计合理的PD控制器（或PID控制器）和反 馈控制器对其进行全面仿真计算。三、实验教学方法与手段本实验教学采用指导老师“讲解+演示”的方式进行教学。四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自

9、主训练为主的开放模 式组织教学”。五、实验条件计算机、信号发生装置、信号显示装置及搭建控制系统所需的元器件；实验11用专业软件、教材和实验指导书。六、实验步骤（1）无校正时，系统的单位阶跃响应在MATLAB/Simulink环境下，建立系统的动态结构图，如图2.2所示根据上图，运行仿真，记录仿真结果，并分析系统的动态性能（2）设计PD控制器，进行串联校正参考PD控制器:根据图2.3,运行仿真，记录仿真结果，比较加入PD串联校正后系统的动态 性能。（3）设计控制器，进行反馈校正 参考反馈校正控制器：的动态结构如图2.4所示对图2.4进行仿真，记录仿真结果，并比较其与PD串联校正的优缺点GPD0.0 2 8+10.00 15 1(2.1)H(s)0.000452 s20.0435s 1(2.2)对原系统在PI串联校正的基础上,调整 K2使K2=120，则反馈校正闭环系统图 2.2 小功率跟踪系统动态结构图则进行PD串联校正的系统动态结构图，如图2.3所示图 2.3 带 PD 串联校正的小功率跟踪系统动态结构图12图 2.4 带反馈校正的小功率跟踪系统动态结构图七、