运动控制系统实验报告

4.2 按照Ⅱ型系统设计电流环....................................................................5 （1）按照 h=5 设计 ACR 参数............................................................. 5 （2）仿真比较校正环节与等效环节的性能...................................... 5
2666.7 s 1
ci ，满足近似条件
按照 KT=0.5 设计的 ACR 调节器参数的动态性能仿真如图
图 3 ACR 动态性能（KT=0.5）
（3）按照 KT =1 设计 ACR 调节器参数 KT=1 的情况下， Ki =1.542，其他参数与 KT=0.5 的情况下没有差别，其动态 性能如下图
3
图 4 ACR 动态性能（KT=1）
对比之下 KT=1 的情况下，电枢电流的超调较大，上升时间较短，但是稳定 时间较长，总而言之 KT=0.5 的调节性能较为合适。
（4）仿真比较校正环节与等效环节的性能 按照 KT=0.5 设计的以下 3 个系统开展仿真，并进行性能比较：①原始动态 系统；②校正后的典型Ⅰ型系统；③等效的惯性环节。
惯性环节本身不会带来超调，但是系统响应速度以及稳态性能均与初始系统相似， 因此在设计转速环节的时候可以通过将Ⅰ型系统或Ⅱ型系统简化为惯性环节，减 少设计难度。
4.2 按照Ⅱ型系统设计电流环
（1）按照 h=5 设计 ACR 参数
按典型Ⅱ型系统设计电流调节器，可以采用 PI 调节器，输入部分加入低通
滤波器，滤波时间常数为 4 倍Ti ，即 0.001s。
五、 实验总结....................................................................................................11
一、 实验目的
1、 掌握转速双闭环直流调速系统的参数设计方法； 2、 掌握 MATLAB/Simulink 仿真平台下构建单闭环控制的调速系统仿真平台。
启
动
动
动
阶
阶
阶
段
段
段
电
转
流
速
状 态
动
动
态
态
在启动阶段，ASR 很快达到转速调节器的限幅值，这个时候转速的变化对转 速环不再产生影响，双闭环系统变成电流无静差的单电流闭环调节系统。当转速
4.1 按照Ⅰ型系统设计电流环....................................................................1 （1）建立仿真模型（原动态系统）.................................................. 1 （2） 按照 KT =0.5 设计 ACR 调节器参数......................................... 2 （3）按照 KT =1 设计 ACR 调节器参数.............................................. 3 （4）仿真比较校正环节与等效环节的性能...................................... 4
节的响应速度和稳态性能都与Ⅱ型系统相差无几，因此转速环实际的设计过程中
可以将Ⅱ型系统的电流环简化为惯性环节，减少设计难度。
4.3 按照Ⅱ型系统设计转速环
6
（1）按照 h=5 设计 ASR 参数，建立仿真模型
按照Ⅱ型系统设计转速环的时候，将电流环简化为一阶惯性环节，电流环的
等效时间常数为 2Ti =0.0005s
设计要求： 1 先根据题目要求，按照典型系统设计 ACR,ASR 调节器参数，然后建立双
闭环动态系统（不要用等效近似环节），开展仿真分析； 2 按照典型 I 型、Ⅱ型系统设计电流环、按照典型Ⅱ型系统设计转速环； 3 设计 ASR 时，将电流环等效成按照典型Ⅰ型系统设计的近似环节。
四、 转速双闭环直流调速系统仿真实验
4.1 按照Ⅰ型系统设计电流环 （1）建立仿真模型（原动态系统） 首先从稳态要求来看，希望电流无静差，需要电流调节器有一个积分环节， 采用 型系统可以满足要求。再从动态要求来看，系统不希望电枢电流有太大的 超调，保证系统的电流满足过载倍数 =1.5 的要求， 型系统加上滤波环节也可 以满足要求，建立仿真模型如下。
图
图
带
不
滤
带
波
滤
的
波
电
的
流
电
调
流
节
调
器
节
器
不带滤波的Ⅱ型系统明显比带滤波的Ⅱ型系统明显超调量大，由此可见，在 合理设置滤波时间常数的情况下，低通滤波环节可以有效抑制超调。
（2）仿真比较校正环节与等效环节的性能 性能比较：①原始动态系统；②校正后的典型Ⅰ型系统；②校正后的典型Ⅱ 型系统；④校正后的典型Ⅱ型系统等效的惯性环节。 四个系统的动态性能动态性能如下图所示。
二、 实验条件
计算机一台，MATLAB 软件
三、 系统参数及设计要求
按照功能把仿真平台分为转速给定、ASR 调节器、PWM 模块、H 桥、电动 机五个部分。
直流电动机：型号为 Z4-132-1,额定电压 UN=400V,额定电流 IdN=52.2A, 额定转速为 2610r/min，反电动势系数 Ce=0.1459V·min/r,允许过载倍数λ=1.5； PWM 变换器开关频率：8KHz，放大系数 Ks=538/5=107.5；电枢回路总电阻 R=0.368 Ω；时间常数：电枢回路电磁时间常数 Tl=0.0144s，电力拖动系统机电时间常 数 Tm=0.18s；转速反馈系数α=0.00383V·min/r(≈10V/nN)；对应额定转速时的 给定电压 Un*=10V，β=0.1277V/A(≈10V/1.5IN)。
4.3 按照Ⅱ型系统设计转速环....................................................................6 （1）按照 h=5 设计 ASR 参数，建立仿真模型................................. 7 （2）仿真起动过程.............................................................................. 7 （3）仿真制动过程.............................................................................. 8 （4）比较 h=5 与 h=10 情况下，系统的动态跟随性能....................8 （5）比较 h=5 与 h=10 情况下，系统的动态抗扰性能....................9 （6）仿真比较校正环节与等效环节的性能.................................... 10
1
图 1 原始系统仿真模型
（2）按照 KT =0.5 设计 ACR 调节器参数 设计 ACR 调节器参数的仿真模型如图
图 2 电流调节器仿真模型
PI 调节器的传递函数可以写成：
其中
K
i
W ACR (s) 为电流调节器的比例系数， i
K i ( i s 1) 为电流i s 调节器的超前时间系数。
PWM 变换器的滞后时间常数Ts =0.000125s。
电流滤波时间常数Toi =（1~2）TPWM ，取Toi =0.000125s。
电流环小时间常数之和Ti =Ts +Toi =0.00025s。
检查对电源电压的抗扰性能：
Tl
/
T i
=
0.0144 0.00025
=57.6，各项指标都是可以接
受的。
1 3TS
1 3 0.000125
2666.7s1
ci ，满足近似条件
检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
3
1 3 TmTl
1 0.18 0.0144
58.93s1
ci ，满足近似条件
检验电流环小时间常数的近似处理条件：
3 1 3 TsToi
1 0.000125 0.000125
Ⅰ型系统与Ⅱ型系统相比，二者的动态性能都比较好，超调量很低，响应速
度也较快，由此可见，在设计电流环的时候，无论是最终设计成Ⅰ型系统还是Ⅱ
型系统，均可以得到出色的调节性能。
Ⅱ型系统等效的惯性环节与Ⅱ型系统相比，惯性环节没有超调，由于惯性环
节本身并不会产生超调量，因此在这一点两个系统存在差异，但是等效的惯性环
校验整流装置传递函数的近似条件：满足近似条件 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足近似条件 校验电流环小时间常数近似处理条件：满足近似条件 校验大惯性环节近似处理条件：满足近似条件 给定阶跃信号，中频段宽度 h=5，当系统未加入滤波环节时的动态性能和加 入滤波环节的动态性能如下图。
9 8
5
图 10 原始动态系统
图 11 校正后的典型Ⅰ型系统
图 12 校正后的典型Ⅱ型系统
图 13 校正后的典型Ⅱ型系统
等效的惯性环节
原始动态系统与Ⅱ型系统相比，动态性能较为吻合，Ⅱ型系统中采用了将大
惯性环节近似为积分环节的工程近似方法，由此可见该近似方法可以在不影响整
体系统的情况下简化对系统的设计难度。
运动控制系统
仿真实验报告
（第四章）
学号：031710426 姓名：王瑞
南京航空航天大学 2020 年 4 月 2 日
目
录
一、 实验目的......................................................................................................1 二、 实验条件......................................................................................................1 三、 系统参数及设计要求..................................................................................1 四、 转速双闭环直流调速系统仿真实验..........................................................1
图 5 原始动态系统
来自百度文库
图 6 校正后的典型Ⅰ型系统
图 7 等效的惯性环节
三个系统的动态性能如下所示： 校正后的典型Ⅰ型系统与原始动态系统的动态性能较为相近，典型Ⅰ型系统 中采用了小惯性群近似看作一个惯性环节，由此可见在近似条件满足的情况下，
4
工程近似方法能够在影响微笑的情况下极大地简化系统设计问题。 在等效的惯性环节的动态性能仿真图中，可以看出该系统没有超调量，因为
电流调节器的超前时间常数 i hTi =0.00125s。 电流调节器的比例系数：
Ki
h 1 2h
R KS
Tl T i
(5 1)0.368 0.0144 2 5107.5 0.1277 0.00025
0.957
校验近似条件
电流环截止频率： ci
1 4T i
0.25 0.00025
1000s1
检验电流环传递函数简化条件，满足简化条件。 检验转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件。 转速环设计仿真模型如图所示：
15
（2）仿真起动过程
图 14 转速调节器设计模型
仿真双闭环直流调速系统的启动阶段，启动阶段的转速调节器的状态变化，
启动阶段的电流和转速的动态变化如下图所示：
图
图
图
17 16
启
启
转速滤波时间常数：Ton =0.01s
转速环小时间常数：Tn =2 Ti +Ton =0.105s
按照设计要求，选用 PI 调节器，ASR 的超前时间常数 n hTn 0.0525 s
ASR 比例系数： Kn
(h 1)CeTm 2hRT n
135.97
检验近似条件
转速环典型Ⅱ型系统截止频率为：n K N n 57.14s1
电流调节器超前时间常数： i =Tl =0.0144s
电流环开环增益：要求 % 5% ，应取 KITi =0.5，因此 ACR 的比例系数为
检验近似条件
Ki
KI i R Ks
2000 0.0144 0.368 107.5 0.1277
0.771
2
电流截止频率：ci = Ki =2000 s1 检验整流装置传递函数的近似条件：