运动控制系统仿真实验讲义

1、运动控制系统仿真实验讲义谢仕宏实验一、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: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0s)10-e 150s , Gc(s)为PID控制器，试整定 PID控300s1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)

2、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=UT = ,Ti= 2 =300,KTd=0. 5 =75。表1-1 Z-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KpTiTdKpTiTdPTX无无0.5Kc无无PI0.9TK3无0.4Kc0.8Tc无PID1.2TK20.50.6Kc0.5Tc0.12Tc(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1-3 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

3、置为150,仿真时间改为1000s,如下图1-4所示：日 Functicn Block Parametefs;. Transport Delay7上与斗|口门口1到ly specified. deL« lu the imulDejtI icuuriey isncLiead vhan ths dolssr ie than the snuleftiam stapQHE.Ini-t i al but£61 me:咖Uae buffer sn?Diz ee:t feEdiRtai-Eh £ zniut durzrig JLzne bj- i 1 ionFade Dickr

4、 (fo.E lir-eiiizatinn :L me elHe Ip鱼PP1 了运行仿真，得如下结果:图1-3 PID控制参数设置1P1D View Sirrulacior Format Tooktirntal110000 24Gai ftGamJ hTt,3inrcu/Ct图1-5 PID控制运行结果(3) PID子系统的创建首先将参数Gain、Gainl、Gain三个模块的参数进行设置，如下图所示:Function Block Par6m已小任 GainS3Cn.inSltnud vi<t aui / EL*ui iiatm £3. 1'K* 口l r j+R：,

5、£tt nb-z.lult iplzEat ElrrieiFuncti&i) Block Punwten: GfinlixiiJi.ELeitiirt-wTiie j Jim (y =-Iiplievtiuh-r EliEhientjnr91e t im (" for 】nh Siiul Attribct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1-8 PID子系统封装文本显示图1-7 PID子系统再又PID子系统进行封装，选中“Subsystem”后，单击鼠标右键，选择“Mask-i- msubsystem”，弹出封装编辑器，并进行相

6、应参数设置，如下图 1-8、1-9所示，朗 Mask Editor; SubsystemIcon Drawing commands dispC PID Controller")Icon & Portt Pdrame:er£ Initialization DocumenttioriOptionsElock Frame visible Icon TransparencyOpaqueIcon UnitsAutomateIc on Rotation FixedFon RotationDefaultExsmpks of drswinq commandsCoimmand 了。电

7、q&qL ;t©*,史二。portsjSyntax portjabel ('outpu tJr X FxyTUnmaskOK Cancel Help ApplyDialog parametersOptions for selected parameterType-specific optioiUnmaskOK g Cancel Help1 a - i rr1-"， L: 1Apply羽 Mask Editor : SubsystemIcon & Port5 Paramerers Initialization DocunnentationGeneric

8、 optionsrio t/pc-specific qIn dialog!/ Enable paecnnu.， J Show parameDialog callback;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调图1-12封装后系统运行结果. l-u

9、nction Hlofk Parampters: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:昌图Q只月拗强璃Subsysteft :hask)0. 24CancelApplyPID Central erSubsystemTime offset: JF0O节器。根据直流双闭环调速系统工程整定方法，进行 ASM口 ACR勺参数整定时，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

10、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0.01s 1反馈环节0.007 、电流反馈环节0. 05、转速调节器输入滤波环节 10.01s 10.002s 10.002s 1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

11、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 ASRf口电流调节器ACRa行设计，结果如图1-14和图1-151-16所示的结果所示。对图1-14和图1-15所示的子系统进行封装，可得如图利用工程整定及 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寸装后参数设置对话框Simulink求解器取系统默

12、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PW成变电路仿真模型，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

13、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Three-Phase Sourcenode 10ScopelThyristorUniversal Bridge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

14、数设置图2-5电流示波器参数设置仿真最大步长设置为，仿真时间设置为，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仰目电流波形菜单按钮，打开傅单击Powergui模块，再弹出的窗口中单击 FFT “ Analysis立叶分析窗口，如图2-8所示。Q sh iya r 2z:h e n q I i u/ pow e rcju iSimulstnn and confiolotion optionsCo 畸 gu屯 pa-amatorcAnalic toolsSteady Ste Voltages and CirrertsInitdl Statac SttlingLnnr

15、l -|nw mnd pJacnnp hirialiAtnnIn pedarxe vs r(equency Medbu&menl口n前逑由ReportHysteresis Design Tool图 2-7 Powergui 模型E3 Powergui FFT Analysis Toolhl白 Edit Viev/ Inrt i ools Deletop Window Halp国| 口一 Si gnal to analyze® Display selected sigr Displav FFT windiowSelecled signal: 10 cyces. FFT wind

16、ow (in red): 5 cycles 500-5000.050.1015Tlnrws /cl-FFT analysisFundamental 50Hz)- 56.81 , THD- 30 42%20151050 02004D06008001000Frequency (Hz)0.2Digplay etf la :(relati/e lo ftjndam Bas |10一Fiecjuency Mi htelz/Mas Frequerw-r (Hz').'10CO:亟迦 iOdam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

17、流信号 的谐波分析。总谐波电流含量 %2、建立PW成变电路仿真模型，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。建立PW嵯变电路如下图2-9所示图2-9 PWM逆变电路仿真模型图中模块参数设置:0 Bkxx Parameters： DC Voltage SourceDC ?plt age Scurce(lirta)Idal DC voltage source.FiiineteisJjr.pLitud# (V):540。户？LJUETiFritW W m HROK法CajueUAB图2-10直流电源模块和电阻负载模块参数设置w

18、 biock raranneiers: universal urage(JnivcEsal Briilge I,Mask) (lirfcarhis blcick uiplenenLl a bridgs ©f sel&"1:ed pover electranu divicec-EC snubbsr circuit2 ir# connecisd inparallel with each switch dvicg» Fress Help Coi琴tt写nubber values when the model is disccetised. For nct app

19、licat ions the ini ernal iniuct sni3a Loin of diodes an.1 thyristtiifs shauld be set to zeroPaiaiitt t?£SSuraLjeir yf IjiiJge ains; 3Snubber resist an?c Rf (Ohns)leSSnubber c&pacLt 驯ne Cs，：F)_inf-Power Elecironic device 1CB7 / Diodes艮。n ：0hiiM)Iff-3Forward TroLtafes1 口&疝。目 Vf V) # Diode

20、 7f d(¥)T 0 iTf/TtJe-ti , 2e-ti Meaurenenl:哀 Note(I万+If/.-OKCatice LHelp Apply图2-11通用桥模块参数设置Kcjuit 巳 Block Pa<r a met pits： PVM GeneratoirF，N Gun” ri。工 3稣*) 口u占jThia bl ock efrrieTJST*s pul sea- for Mmer-b45ei l F成Pel立 V.dth gdulfftianLseQf-wuut 矶 E EGBTsiCTOj qe FITe b>ridg63.D-p就由凯g wi

21、ihw i-iufiber of bEidgfr 0门国 gt-lacm i泉C|；ooj?工忒口匚 Modr- paxanstcii th# bl口cfc can ba ujud tith(工 fnr single-pkaie dx tlire-piia!3iE- t VJfl canl ml. QE. J I Cancal JjaLp图2-12 PWM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，最大仿真步长改为，运行仿真，可得电 压电流波形如下:图2-15 A相电流谐波分析3u图2-14 PWM逆变电路相电流及相电压/

22、线电压波形单击Powergui模块，再单击FFTAnalysis按钮，进行谐波分析:Powergui FFT Analysis ToolFile Edit View Insert Took Desktop Window HelpDC3 J i 4 ，二门 工 / 息 口因口Signa tn analyze9 Diisplay s«lactad Display FFT windowSelected signal 5 cycles. FFTwindow jn red). 5 cycles20 0-2000 020.040 060.D80.1TirrLa. /eJl-FFT ana lys

23、 Is1Fu Marnertal (50Hz) -1078 THD- 5628%传105 O (_m-uol£EPcnLLJO里)-Available signalsStructure.IAInputinput 1Signal numbsr1-7 PTwindowStjrt ：ineNimbsr ofrundflmenlflil 5G00O008006004我2Frequency (Hz；T stLhigsDisjilsy stle:Rar (relatiw tn funBa5o： |1.口- IFrequency ani5;lieftzMax Fnqu-sncy (H2): TOD

24、isplayClosePowergui FFT Analysis Tool,File Edit View Jniert Tunis Desktop Window Help-Sign J to analyze- Dkpla? aelucted Display FFT AirdowStJlGctd signal. 5 cdas. FFT wir,dg ( n &一 5 灯cl® 5000-50000.020040.M0080 1TirrwaGpFFT 3nHMJsFl idam?rtalf50Hzi= 1fi6 5 71 旧=56 22%5 0 5 0 (_f3u»EE

25、PLInLl_00小006O8000WFrequency (Hz】-Available signalESvucMe ： u,Inpul; UABSignal nutnb«r.11-FFT 所 nd 0内Sisri Mep 口Nurib5i' at |SFurdanental 50fft seengsDisplay giylp Br (rolx vo IQ ftm OweHRFroqiiMicf axis: HeilzIxla< Freqjerc? (Ft): ioro图2-16线电压UABi皆波分析改变PW随变模块参数设置，再次仿真并分析电流谐波含量0 Source &

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