运动控制系统仿真---实验讲义全

《运动控制系统仿真》实验讲义

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 1501

30010)(-+=，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 参数的工程整定方法（Z-N 法），如下表所示， Kp=τ

K T 2.1=0.24，Ti=τ2=300，Td=τ5.0=75。 控制器类型

由阶跃响应整定

由频域响应整定 Kp

Ti Td Kp Ti Td P τK T

无 无 c K 5.0 无 无

PI τ

K T 9.0

τ3 无 c K 4.0 c T 8.0 无 PID τK T 2.1

τ2 τ5.0 c K 6.0 c T 5.0 c T 12.0

（2 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1

01.0007.0+s 、电流反馈环节1002.005.0+s 、转速调节器输入滤波环节1

002.01+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