運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真---試驗(yàn)講義

1、運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)講義謝仕宏xiesh實(shí)驗(yàn)一、閉環(huán)控制系統(tǒng)及直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真« I r -1 |_一、實(shí)驗(yàn)學(xué)時：6學(xué)時二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：I .已知控制系統(tǒng)框圖如圖所示：II I圖1-1單閉環(huán)系統(tǒng)框圖；圖中，被控對象0S)= 10 .e，50s , Gc(s)為PID控制器，試整定PID控制器參數(shù)，并建立 300s 1控制系統(tǒng)Simulink仿真模型。再對PID控制子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，要求可通過封裝后子系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置頁面對Kp> Ti、Td進(jìn)行設(shè)置。2.已知直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖 1-2所示。試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器 ACRffi轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR并 進(jìn)行Simulink建模仿真。

2、圖1-2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖三、實(shí)驗(yàn)過程：1、建模過程如下：(1) PID控制器參數(shù)整頓Xj j.根據(jù)PID參數(shù)的工程整定方法(Z-N法),如下表所示， Kp=li至=0.24, Ti=2T=300,K.Td= 0. 57 =75。表1-1Z-N法整定PID參數(shù)控制器類型由階躍響應(yīng)整定由頻域響應(yīng)整定KpTiTdKpTiTdP無無無無PI無無PID(2) simulink仿真模型建立建立simulink仿真模型如下圖1-3所示，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置:圖1-3PID控制系統(tǒng)Simulink仿真模型圖1-3中，step模塊”階躍時間”改為 0, TransportDelay 模塊的“時間延遲”設(shè)置為 1

3、50,仿真時間改為 1000s,如下圖1-4所示:圖1-3PID控制參數(shù)設(shè)置運(yùn)行仿真，得如下結(jié)果:圖1-5PID控制運(yùn)行結(jié)果(3) PID子系統(tǒng)的創(chuàng)建首先將參數(shù) Gain、Gain1、Gain三個模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示：圖1-6PID參數(shù)設(shè)置然后建立PID控制器子系統(tǒng)，如下圖1-7所示：圖1-7PID子系統(tǒng)再對PID子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，選中"Subsystem”后，單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇" Masksubsystem”,彈出封裝編輯 器，并進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，如下圖 1-8、1-9所示，圖1-8PID子系統(tǒng)封裝文本顯示圖1-9PID子系統(tǒng)封裝參數(shù)設(shè)置在對圖1-9所示封裝變量設(shè)

4、置完成后，封裝后的 PID子系統(tǒng)如下圖1-10所示圖1-10封裝后PID控制仿真模型雙擊圖1-10中的PID子系統(tǒng)，按圖1-11作參數(shù)設(shè)置，即可完成PID參數(shù)設(shè)置。圖1-11PID控制器參數(shù)設(shè)置封裝后運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖1-12所示：圖1-12封裝后系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果2、建模方法：圖1-2中r(t)為給定輸入，采用階躍信號。Y(t)為系統(tǒng)輸出，表示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，由PI調(diào)節(jié)器組成。ACR為電流調(diào)節(jié)器，也是一個 PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程整定方法，進(jìn)行ASR和ACR的參數(shù)整定時，首先斷開轉(zhuǎn)速環(huán)，整定電流調(diào)節(jié)器ACR。然后接通轉(zhuǎn)速環(huán)，整定轉(zhuǎn)速環(huán) ASR,同時調(diào)節(jié)電流環(huán)參數(shù)。

5、根據(jù)上述分析，首先建立直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的高層仿真模型，其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器由空白子系統(tǒng)組成，如圖1-13所示。圖2-1直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) Simulink仿真模型圖1-13中給定速度輸入信號R(t)由信號源模塊庫的 Step (階躍)信號生成，通過改變階躍信號的幅值，可以改變雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)給定輸入電壓，其變化范圍為-10V10V。負(fù)載電流信號IL也由階躍信號生成，通過改1變階躍輸入信號的幅值和時間，可觀察系統(tǒng)在不同負(fù)載下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)。輸入濾波環(huán)節(jié)1轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)0.01s10.007 、電流反饋環(huán)節(jié) 一0. 05、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入濾波環(huán)節(jié)1及其他模塊為傳遞函數(shù)描述的數(shù)0.01s 10. 00

6、2s 10. 002s 1學(xué)模型，在Simulink仿真中，可使用 Continue (連續(xù)系統(tǒng))模塊庫的Math (數(shù)學(xué))模塊庫的 圖1-13所示。下面對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 所示的子系統(tǒng)進(jìn)行封裝,Gain來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR和電流調(diào)節(jié)器TransferFcn模塊實(shí)現(xiàn)。增益模塊可以使用ACR首先由兩個空白子系統(tǒng)組成，結(jié)果如ASR和電流調(diào)節(jié)器 ACR進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖可得如圖1-16所示的結(jié)果。利用工程整定及1-14和圖1-15所示。對圖1-14和圖1-15Simulink動態(tài)調(diào)試的方法，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，參數(shù)結(jié)果如圖1-16所示。圖1-14轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器子系統(tǒng) Simulink模

7、型圖1-15電流調(diào)節(jié)器子系統(tǒng) Simulink模型圖1-16轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR與電流調(diào)節(jié)器ACR封裝后參數(shù)設(shè)置對話框Simulink求解器取系統(tǒng)默認(rèn)值，運(yùn)行仿真可得如圖1-17所示的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)曲線及圖 1-18所示的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出和電流調(diào)節(jié)器輸出。從仿真結(jié)果可以看出，電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求。圖1-17直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流及速度響應(yīng)圖1-18轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器輸出試驗(yàn)二、交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真分析一、實(shí)驗(yàn)學(xué)時：6二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、建立三相橋式不可控整流電路，帶10歐姆電阻負(fù)載，觀察輸入電流，輸出電壓波形。并對輸入電流作諧波分析。2、建立PWM逆變電路仿真模型，在帶三相對稱的純

8、電阻負(fù)載時，每相電阻10歐姆，觀察輸出50Hz時的電壓波形，并對比不同載波頻率下輸出電壓諧波分量。3、將1和2中的整流和逆變電路連接起來，構(gòu)建完整的交 -直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。 c-. h - IT / y /4、帶15kw電機(jī)負(fù)載。負(fù)載轉(zhuǎn)矩20Nm。觀察50Hz下電源側(cè)輸入電流波形及諧波含量；觀察頻率由25Hz變換到50Hz時電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩的波形。三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、建立三相橋式不可控整流電路，帶10歐姆電阻負(fù)載，觀察輸入電流，輸出電壓波形。并對輸入 Q'if電流作諧波分析。三相橋式整流電路建模如下(1)構(gòu)建仿真模型I 1 " |圖2-1三相橋式全控整流電路(2

9、)設(shè)置仿真參數(shù)圖2-2三相電源參數(shù)設(shè)置圖2-3通用橋模塊參數(shù)設(shè)置圖2-4電阻模型參數(shù)設(shè)置圖2-5電流示波器參數(shù)設(shè)置仿真最大步長設(shè)置為0.0001，仿真時間設(shè)置為0.2s,運(yùn)行仿真，輸入a相電流波形如下圖2-6所示：圖2-6三相橋式不可控整流輸入 月目電流波形單擊Powergui模塊，再彈出白窗口中單擊FFT “Analysis ”菜單按鈕，打開傅立葉分析窗口，如圖 2-8所示。圖 2-7Powergui 模型圖2-8傅立葉分析窗口按圖2-8所示設(shè)置參數(shù)，按后單擊“ Display ”按鈕，即可完成對Ia電流信號的諧波分析?？傊C波電 流含量30.42%。2、建立PWM逆變電路仿真模型，在帶三相對

10、稱的純電阻負(fù)載時，每相電阻10歐姆，觀察輸出50Hz時的電壓波形，并對比不同載波頻率下輸出電壓諧波分量。建立PWM逆變電路如下圖2-9所示圖2-9PWM逆變電路仿真模型圖中模塊參數(shù)設(shè)置：圖2-10直流電源模塊和電阻負(fù)載模塊參數(shù)設(shè)置 « I r- -1 |_圖2-11通用橋模塊參數(shù)設(shè)置圖2-12PWM發(fā)生器模塊參數(shù)設(shè)置圖2-13電壓示波器參數(shù)設(shè)置圖2-13電流示波器參數(shù)設(shè)置將仿真算法改為ode15s,仿真時間改為0.4s ,最大仿真步長改為 0.00001s ,運(yùn)行仿真，可得電壓電流波形如下：圖2-14PWM逆變電路相電流及相電壓 /線電壓波形單擊Powergui模塊，再單擊FFTAnalysis按鈕，進(jìn)行諧波分析：- ' :圖2-15A相電流諧波分析圖2-16線電壓UAB皆波分析改變PW陋變模塊參數(shù)設(shè)置，再次仿真并分析電流諧波含量圖2-17PWM生器模塊參數(shù)改動前后對比圖2-18輸出線電壓諧波分析3將1和2中的整流和逆變電路連接起來，構(gòu)建完整的交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。圖2-19AC-DC-AC電路仿真模型將圖2-19中電容C的參數(shù)由1e-3改為1e-2 ,觀察改變前后直流環(huán)節(jié)的電壓電流。再觀察輸入交流電流波形。圖2-20直流環(huán)節(jié)