运动控制系统仿真实验讲义

《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s e s s G 150130010)(-+=
，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
T2.1=，Ti=τ2=300，根据PID参数的工程整定方法（Z-N法），如下表所示， Kp=
τK
Td=τ5.0=75。

表1-1 Z-N法整定PID参数
（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。

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-10V ～10V 。

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
101.01+s 、转速反馈环节101.0007.0+s 、电流反馈环节1
002.005.0+s 、转速调节器输入滤波环节1002.01+s 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
（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 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形。

图2-20直流环节电流、电压波形（电容C=）
图2-20直流环节电流、电压波形（电容C=）
图2-21交流电源输入电流波形
试分析图2-21的原因，并改善电流波形。

4 将三相纯电阻负载换为三相交流异步电动机，建立变频调速系统仿真模型，如下图所示。

AC-DC-AC变频调速系统仿真模型
电机模块参数设置
电机测量模块参数设置
图电机转速及转矩响应。