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1、运动控制系统仿真实验讲义谢仕宏xiesh实验一、闭环控制系统及直流双闭环调速系统仿真« I r -1 |_一、实验学时：6学时二、实验内容：I .已知控制系统框图如图所示：II I图1-1单闭环系统框图；图中，被控对象0S)= 10 .e，50s , Gc(s)为PID控制器，试整定PID控制器参数，并建立 300s 1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 ACRffi转速调节器ASR并 进行Simulink建模仿真。
2、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Xj j.根据PID参数的工程整定方法(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仿真模型如下图1-3所示，并进行参数设置: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 1
3、50,仿真时间改为 1000s,如下图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1-6PID参数设置然后建立PID控制器子系统，如下图1-7所示：图1-7PID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" Masksubsystem”,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1-8PID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
4、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1-11PID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。
5、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-10V10V。负载电流信号IL也由阶跃信号生成，通过改1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1转速反馈环节0.01s10.007 、电流反馈环节 一0. 05、转速调节器输入滤波环节1及其他模块为传递函数描述的数0.01s 10. 00
6、2s 10. 002s 1学模型，在Simulink仿真中，可使用 Continue (连续系统)模块库的Math (数学)模块库的 图1-13所示。下面对转速调节器 所示的子系统进行封装,Gain来实现。转速调节器 ASR和电流调节器TransferFcn模块实现。增益模块可以使用ACR首先由两个空白子系统组成，结果如ASR和电流调节器 ACR进行设计，结果如图可得如图1-16所示的结果。利用工程整定及1-14和图1-15所示。对图1-14和图1-15Simulink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
7、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。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
8、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。 c-. h - IT / y /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 Q'if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I 1 " |图2-1三相桥式全控整流电路(2
9、)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相电流波形如下图2-6所示：图2-6三相桥式不可控整流输入 月目电流波形单击Powergui模块，再弹出白窗口中单击FFT “Analysis ”菜单按钮，打开傅立叶分析窗口，如图 2-8所示。图 2-7Powergui 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
10、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2-9PWM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 « I r- -1 |_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FFTAn
11、alysis按钮，进行谐波分析：- ' :图2-15A相电流谐波分析图2-16线电压UAB皆波分析改变PW陋变模块参数设置，再次仿真并分析电流谐波含量图2-17PWM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2-19AC-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