运动控制系统仿真---实验讲义

---word.zl-?运动控制系统仿真?实验讲义谢仕宏HYPERLINK"mailto:xiesh"xieshsust.edu.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：控制系统框图如下图：图1-1单闭环系统框图图中，被控对象，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控制子系统进展封装，要求可通过封装后子系统的参数设置页面对Kp、Ti、Td进展设置。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并进展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==0.24，Ti==300，Td==75。表1-1Z-N法整定PID参数控制器类型由阶跃响应整定由频域响应整定KpTiTdKpTiTdP无无无无PI无无PID〔2〕simulink仿真模型建立建立simulink仿真模型如下列图1-3所示，并进展参数设置：图1-3PID控制系统Simulink仿真模型图1-3中，step模块“阶跃时间〞改为0，TransportDelay模块的“时间延迟〞设置为150，仿真时间改为1000s，如下列图1-4所示：图1-3PID控制参数设置运行仿真，得如下结果：图1-5PID控制运行结果〔3〕PID子系统的创立首先将参数Gain、Gain1、Gain三个模块的参数进展设置，如下列图所示：图1-6PID参数设置然后建立PID控制器子系统，如下列图1-7所示：图1-7PID子系统再对PID子系统进展封装，选中“Subsystem〞后，单击鼠标右键，选择“Masksubsystem〞，弹出封装编辑器，并进展相应参数设置，如下列图1-8、1-9所示，图1-8PID子系统封装文本显示图1-9PID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子系统如下列图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1-11PID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，进展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X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、转速反应环节、电流反应环节、转速调节器输入滤波环节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TransferF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进展设计，结果如图1-14和图1-15所示。对图1-14和图1-15所示的子系统进展封装，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展参数整定，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、转速响应到达工程设计要求。图1-17直流双闭环调速系统电流及速度响应图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，并比照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0.0001,仿真时间设置为0.2s，运行仿真，输入a相电流波形如下列图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，翻开傅立叶分析窗口，如图2-8所示。图2-7Powergui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30.42%。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，并比照不同载波频率下输出电压谐波分量。建立PWM逆变电路如下列图2-9所示图2-9PWM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2-12PWM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0.4s，最大仿真步长改为0.00001s，运行仿真，可得电压电流波形如下：图2-14PWM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，进展谐波分析：图2-15A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2-17PWM发生器模块参数改动前后比照图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2-19AC-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=0.001F〕图2-20直流环节电流、电压波形〔电容C=0.01F〕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，如下列图所示。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