运动控制课程设计单闭环不可逆直流调速系统的仿真模型及其分析.doc

目 录第一章 绪论11.1 仿真技术的发展过程及优点11.1.1仿真技术的发展过程11.1.2仿真技术的优点21.2MATLAB和Simulink仿真工具箱21.2.1 MATLAB仿真工具箱如下图21.2.2 Simulink仿真工具箱如下图所示31.3 SIMULINK的模块库介绍3第二章 Simulink模块的基本操作52.1设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行52.2功能模块的基本操作5第三章单闭环不可逆直流调速系统73.1 单闭环直流系统的组成和工作原理73.1.1 单闭环直流系统的组成73.1.2 单闭环直流系统的工作原理83.2单闭环直流系统的各环节的传递函数83.3 实训所用模块路径如图8第四章 单闭环不可逆直流调速系统的仿真模型及其分析94.1开环控制系统电路图94.2有静差无限流电路结构图114.2.1 U*=10V，反馈=0.01时的响应应曲线114.2.2 U*=5V ，=0.01时的响应曲线154.3无静差有限流电路图184.3.1 U*=150V，=0.75，反馈=0.103时的响应曲线184.3.2 U*=150V，=0.75 ，Kp=20，反馈=0.103时的响应曲线204.4 实训结果分析224.4.1在有静差无限流电路中224.4.2 无静差有限流电路图23第五章 心得体会25参考文献26第一章 绪论1.1 仿真技术的发展过程及优点1.1.1仿真技术的发展过程仿真技术经过半个多世纪的发展，从研究简单系统到现在已经成为人们研究复杂系统的有力工具，大致经历了三个阶段。 发展阶段 二次大战末期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展，20世纪40年代研制成功第一台通用电子模拟计算机。50年代末期到60年代，导弹和宇宙飞船的姿态及轨道动力学的研究、仿真技术在阿波罗登月计划及核电站的广泛应用、以及50年代末第一台混合计算机系统用于洲际导弹的仿真，促进了仿真技术的发展。这是仿真技术的发展阶段。 成熟阶段 在军事需求推动下，70年代中期，仿真技术不但在军事领域迅速发展，而且扩展到许多领域。在这个时期出现了用于培训民航客机驾驶员和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器和培训复杂工业系统操作人员的仿真系统等产品。相继出现了一些从事仿真设备和仿真系统生产的专业化公司。例如美国的GSE公司、ES公司、ABB公司、Dynetics公司等，使仿真技术达到了产业化阶段。这标志着仿真技术进入了成熟阶段。 70年代末，国际政治军事格局的改变，为仿真技术的发展创造了新的机遇。一方面，随着世界范围内冷战状态的缓和，各国政府纷纷把投资重点转向了本国的经济建设，并开始大规模地削减常规军队，大规模的军事演习不仅受到政治环境的约束，同时也受到经济状况的制约，与之相矛盾的是现代战争越来越强调部队联合作战能力的培训以及战略战术的运用；另一方面，现代武器系统装备越来越复杂，武器系统研制的费用越来越高，研制周期越来越长，培训使用操作人员的时间也越来越长，必须找到研制开发新武器系统的更加有效的途径和方法，形成一个新武器的决策者、开发者与使用者协调配合、共同参与的武器研制体系，缩短武器系统研制开发的周期和成本，这成为各国军方都在探索的问题。仿真技术为解决这些问题提供了一条有效的技术途径。 同样，随着技术进步，工业生产设备越来越复杂，操作水平要求越来越高，面临着与武器系统装备同样的问题。这种技术需求推动了仿真技术快速发展。 高级阶段 20世纪80年代初以美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定和执行的SIMNET(SimMlators Network)研究计划和美国三军建立先进的半实物仿真试验室为标志，标志着仿真技术发展到了一个新的高级阶段。 SIMNET计划是分布交互仿真的初型和开始。到90年代，各个部门相继建设分布交互仿真系统、并行分布交互仿真系统、聚合级仿真系统。这些仿真系统绝大多数是针对某领域的具体需求而建立的，它们之间不能互操作，其应用和各组件也不能在新的仿真应用和开发中得到重用。随着国防工业和工业系统的发展，被仿真的系统日益复杂，规模越来越大，若各应用部门根据各自的需要完全从头开始开发大型仿真系统，工作效率低，财力人力浪费大，且模型和仿真结果的准确性、可信度难以保证。为了更好的实现信息、资源共享，促进仿真系统的互操作和重用，到90年代，以美国为代表的发达国家在分布交互仿真、先进的并行分布交互仿真以及聚合级仿真的基础上，仿真技术开始向仿真的高层体系结构(HLA)发展。HLA是促进所有类型仿真之间互操作、仿真模型组件重用的高级协议。 1.1.2仿真技术的优点随着计算机技术水平的不断提高，计算机仿真技术在教学领域得到了迅速发展。作为一种全新的教学手段，计算机仿真教学具有直观、形象、交互性强、数据真实、实验容量大、实训成本低及安全性能好等诸多优点，在以技能训练为教学重点的高、中等职业学校得到了深度开发和广泛普及。例如，在电工类专业技能实训仿真教学系统中，就已经开发出电工基本常识与操作、电工仪表、照明电路安装、电机与变压器、低压电器、电动机控制和电工识图等系列课件，建立了供机电技术应用、电气技术应用、电子技术应用、电子电器应用等专业师生使用的电工基本技能、电力拖动、电子技术、电工电子器材以及维修电工等虚拟实训室。这些课件在形式上以多媒体演示动画和自学式交互型为主，其视频部分多为企业实景拍摄，所使用的设备与工艺流程多为生产车间正在使用的生产技术。特别是课件所有的模块设计均以岗位需求和职业能力为本位，通过计算机仿真模拟技术及企业生产一线实景拍摄的视频实录，让我们有一种身临其境的感觉，不仅可以提高我们的学习效率，取得更好的学习效果。1.2MATLAB和Simulink仿真工具箱1.2.1 MATLAB仿真工具箱如下图它包括Simulink仿真工具箱和其他一些模块1.2.2 Simulink仿真工具箱如下图所示1.3 SIMULINK的模块库介绍SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）下面详细介绍实训中用到的模块连续模块（Continuous） continuous.mdlIntegrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Memory：存储上一时刻的状态值Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出离散模块（Discrete） discrete.mdlDiscrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与FIR滤波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样和保持器Zero-Order Hold：零阶采样和保持器Unit Delay：一个采样周期的延时Function&Tables（函数和表格模块） function.mdlFcn：用自定义的函数（表达式）进行运算MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进行运算S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算Look-Up Table：建立输入信号的查询表（线性峰值匹配）Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表（线性峰值匹配）Math（数学模块） math.mdlSum：加减运算Product：乘运算Dot Product：点乘运算Gain：比例运算Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值运算Abs：取绝对值Sign：符号函数Sources（输入源模块） sources.mdlConstant：常数信号。Clock：时钟信号。From Workspace：来自MATLAB的工作空间。From File(.mat)：来自数据文件。Pulse Generator：脉冲发生器。Repeating Sequence：重复信号。Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。Sine Wave：正弦波信号。Step：阶跃波信号。In1：输入端。 Ground：连接到没有连接到的输入端。第二章 Simulink模块的基本操作2.1设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行，结束时系统会发出一鸣叫声。除了直接在SIMULINK环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中通过函数进行，格式如下：t,x,y=sim(模型文件名,t0 tf,simset(参数1,参数值1,参数2,参数值2, )其中t0为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。t,x,y为返回值，t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：AbsTol：默认值为1e-6设定绝对误差范围。Decimation：默认值为1，决定隔多少个点返回状态和输出值。Solver：解法器的选择。2.2功能模块的基本操作它包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的基本操作。移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转90度。或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。Hide Name可以隐藏模块名称。颜色设定： Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、 Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。其中Open function属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。第三章单闭环不可逆直流调速系统3.1 单闭环直流系统的组成和工作原理3.1.1 单闭环直流系统的组成单闭环有竟差直流系统的结构图基本如下单闭环直流系统的稳态结构图单闭环直流系统的开环结构图单闭环直流系统动态结构图3.1.2 单闭环直流系统的工作原理 由原理图可以看出当转矩增加时有以下调节3.2单闭环直流系统的各环节的传递函数传递函数原理图已经给出这里不作介绍3.3 实训所用模块路径如图模块名称提取路径（MATLAB/Sumulink下）模块名称提取路径（MATLAB/Sumulink下）三湘对称交流电SimPowerSystem/ElectricalSource常数模块Simulink/Sources晶闸管整流桥SimPowerSystem/PowerElectronicsRMS（均方根）SimPowerSystem/ExtraLibrary同步六脉冲触发器SimPowerSystem/Extralibrary/Control BlocksGround、Bus BarSimPowerSystem/Connectors平波电抗器SimPowerSystem/Elements信号综合 MUXSimulink/Singnal Routing直流电动机SimPowerSystem/Machines信号分解 DemuxSimulink/Singnal Routing直流励磁电源SimPowerSystem/EletricalSourcefcnUser-defined Functins示波器Simulink/Sinks限幅器Simulink/Discontinuities电压测量SimPowerSystem/MeasurementsDead ZoneSimulink/Discontinuities输入端口Simulink/SourcesClockSimulink/Sources输出端口Simulink/SinksOutSimulink/SinksT形节点SimPowerSystem/SumSimulink/Math Operatins第四章 单闭环不可逆直流调速系统的仿真模型及其分析4.1开环控制系统电路图控制角为30的三相电源信号，触发信号，整流信号输出电压信号的仿真图波形控制角为30的点击转速，电枢电流，励磁电流和电磁转矩的仿真图波形4.2有静差无限流电路结构图4.2.1 U*=10V，反馈=0.01时的响应应曲线=5 转矩波形=5电流波形=5转矩波形转折点放大=20转速波形=20电流波形=20转矩波形转折点放大=50转速波形=50电流波形=50转矩波形转折点放大=100转速波形=100电流波形=100转矩波形转折点放大=205转速波形=205电流波形=205转矩波形转折点放大=206转速波形=206电流波形=206转矩波形转折点放大=207转速波形=207电流波形=207转矩波形转折点放大=207转速波形=207电流波形=207转矩波形转折点放大4.2.2 U*=5V ，=0.01时的响应曲线=100转速波形=100电流波形=100转矩波形转折点放大=165转速波形=165电流波形=165转矩波形转折点放大=167转速波形=167电流波形=167转矩波形转折点放大=168转速波形=168电流波形=168转矩波形转折点放大=170转速波形=170电流波形=170转矩波形转折点放大4.3无静差有限流电路图4.3.1 U*=150V，=0.75，反馈=0.103时的响应曲线=20转速波形=20电流波形=20转矩波形=200转速波形=200电流波形=200转矩波形=500转速波形=500电流波形=500转矩波形=5转速波形=5电流波形=5转矩波形=1转速波形=1电流波形=1转矩波形=0.5转速波形=0.5转矩波形=0.5电流波形=0.4转速波形=0.4转矩波形=0.4电流波形=0.3转速波形=0.3电流波形=0.3转矩波形=0.1转速波形=0.1电流波形=0.1转矩波形4.3.2 U*=150V，=0.75 ，Kp=20，反馈=0.103时的响应曲线=10转速响应曲线=10电流响应曲线=10转矩响应曲线=5转速响应曲线=5电流响应曲线=5转矩响应曲线=1转速响应曲线=1电流响应曲线=1转矩响应曲线=0.5转速响应曲线=0.5电流响应曲线=0.5转矩响应曲线=0.3转速响应曲线=0.3电流响应曲线=0.3转矩响应曲线=0.2转速响应曲线=0.2电流响应曲线=0.2转矩响应曲线4.4 实训结果分析4.4.1在有静差无限流电路中由图可知U*=10V，反馈=0.01时的响应应曲线Kp=206Kp=207故由图可知 当KP=206时系统还很稳定，而当kp=207时系统不稳定可知系统在kp=207是系统不稳定的转折点，U*=5V，反馈=0.01时的响应应曲线=167转速波形=167电流波形=167转矩波形Kp=168故由图可知 当KP=167时系统还很稳定，而当kp=168时系统不稳定可知系统在kp=207是系统不稳定的转折点总体来看可知：U*减小时转速减小，系统最大的放大调节KPm减小 而且U*减小在系统稳定时的，kp相等时的情况下 系统的快速性会变好4.4.2 无静差有限流电路图U*=150V，=0.75，反馈=0.103时的响应曲线=0.3转速波形=0.3电流波形=0.3转矩波形=0.1转速波形=0.1电流波形=0.1转矩波形故由图可知 当KP=0.3时系统还很稳定，而当kp=0.1时系统不稳定可知系统在kp=0.1是系统不稳定的转折点U*=150V，=0.75 ，Kp=20，反馈=0.103时的响应曲线=0.3转速响应曲线=0.3电流响应曲线=0.3转矩响应曲线=0.2转速响应曲线=0.2电流响应曲线=0.2转矩响应曲线故由图可知 当=0.3时系统还很稳定，而当=0.2时系统不稳定可知系统在=0.2是系统不稳定的转折点综上可知：改变kp，固定，可知在kp=0.1是出现跑飞，即转速不断增加，而当固定kp改变时，=0.2是转速开始下降出现不稳。这是由于电流截止负反馈器作用。第五章 心得体会通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的工艺，进行对象的分析，设计总体方案，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，确定最终方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。在设计完成后进行仿真，我们利用MATLAB仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。调试的主要