机电控制实验报告一

《机电控制工程Ⅱ》

数控工作台直线运动单元控制系统

建模与仿真分析

学号3807XXXXX

姓名：XXX誉

班级：3807XX班

指导老师：魏洪兴

日期:2011-04-30

目录

一、题目介绍 (3)

1．实践题目 (3)

2．实践目的 (3)

3．实践任务 (3)

4．实验步骤 (4)

二、直线运动单元的开环系统模型及仿真 (5)

1、速度开环系统建模 (5)

2、使用Simulink进行仿真 (8)

3. 在matlab程序输入窗口建立系统模型 (9)

4、改变系统结构参数对系统性能的影响 (12)

三、实际XY工作台中直流伺服电机开环控制的响应 (18)

1、输入电压+3V: (19)

2、输入电压+5V: (19)

3、输入电压+8V: (20)

四、直线运动单元的闭环系统模型及仿真 (21)

1、速度闭环系统建模： (21)

2、使用simulink进行仿真 (21)

3. 在matlab程序输入窗口输建立系统模型 (22)

五、实际XY工作台中直流伺服电机闭环控制的响应 (24)

一、题目介绍

1．实践题目

数控工作台单自由度直线运动单元速度开闭环控制系统建模与仿真分析2．实践目的

1）、结合自动控制原理，掌握机电控制系统建模、仿真分析方法和技能；

2)、学习使用MATLAB软件Simulink工具箱构建控制系统的数学模型，绘

制时域、频域曲线；

3．实践任务

1）建立如图（1）所示的数控工作台的直线运动单元速度控制系统数学模型，以给定电压为输入、以实际丝杠转速为输出，求出系统开环传递函数；参考给定的相关数据表1，确定关键参数，进行相应简化处理后进行MATLAB/Simulink仿真分析，分析结构参数对系统性能的影响，并判断稳定性；比较matlab仿真分析结果与直线运动单元的实际运行结果，进行模型验证。

2）建立如图（2）所示的数控工作台直线运动单元的速度闭环的数学模型，以给定电机转速为输入、以实际电机轴转速为输出，求出系统闭环传递函数；参考给定的相关数据表1，确定关键参数，进行相应简化处理后进行MATLAB仿真分析，分析结构参数对系统性能的影响，并判断稳定性；比较matlab仿真分析结果与直线运动单元的实际运行结果，进行模型验证。

图（1）速度开环系统

图（2）速度闭环系统

表1工作台及电机参数

4．实验步骤

（1）分别就图（1）与图（2）两个系统按建模步骤写出建模过程；

（2）画出动态结构图；

（3）图（1）以给定电压为输入、以实际丝杠转速为输出，求出系统开环传递函数；

（4）图（2）以给定电机转速为输入、以实际电机轴转速为输出，求出系统闭环传递函数；

（5）采用MATLAB 对速度控制系统进行仿真分析，包括时域和频域分析，分析结构参数对系统性能的影响，并判断稳定性；

（6）比较matlab 仿真与XY 工作台的实际运行效果，验证模型。

二、直线运动单元的开环系统模型及仿真

1、速度开环系统建模

（1） 根据克希霍夫定律，电枢回路电压平衡方程为：

)()()

()(t E t i R dt t di L t U A a a a a a

a pm +⋅+=

（2）一般电磁转矩与电枢电流成正比，即： )

()(t i c t M a m m ⋅=

其中

m

c 为转矩常数 。

（3）电动机轴上的转距平衡方程：)()()

()(t M t B dt t d J t M c m m m m

m +⋅+=ωω

电磁转矩

)

(t M m 用以驱动负载并克服摩擦力矩，其中：

m

J 为电动机轴上的总转动惯量, 包括转子

a

J 转动惯量及丝杠的转动惯量

b

J 和工作台折算到丝杠的转动惯量c

J 。

（4）电磁感应反电动势为：)

()(t c t E m e a ω⋅=

上面四个方程中各个参数的含义及取值见下表2：

表2 参数含义及取值

（5）将上述方程进行拉氏变换后得到：

()()()()pm a a a a a a A U s L I s s R I s E s =++

()()

a e m E s c s ω= ()()

m m a M s c I s =

()()()()m m m m c M s J S B s M s ω=++

当不计负载

)

(t M c 时，该开环系统的职能框图为：

开环系统的传递函数为：

(s)2()

()()m pm m a a m a m m a a m m e C A w s G U s L J S L B J R S R B C C ⨯==

++++

0082.0s 1032.1s 1051.11932

.04

27+⨯+⨯=--

2、使用Simulink进行仿真

当不计外加负载时，在Simulink中构建模型如下：

取输入电压

)(t

U

a为幅值24V，频率1Hz的正弦波，

用Matlab对输出转速m

的仿真效果如下图所示：