運動控制系統(tǒng)仿真試驗講義

1、運動控制系統(tǒng)仿真實驗講義謝仕宏實驗一、閉環(huán)控制系統(tǒng)及直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真一、實驗學時：6學時二、實驗內容:.已知控制系統(tǒng)框圖如圖所示:圖1-1單閉環(huán)系統(tǒng)框圖圖中，被控對象0s)10 ,e 150s , Gc(s)為PID控制器，試整定 PID控300s1制器參數，并建立控制系統(tǒng)Simulink仿真模型。再對PID控制子系統(tǒng)進行封裝，要求可通過封裝后子系統(tǒng)的參數設置頁面對Kp、Ti、Td進行設置。.已知直流電機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)框圖如圖 1-2所示。試設計電流調節(jié)器 ACR轉速調節(jié)器ASR并進行Simulink建模仿真。圖1-2直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)框圖三、實驗過程:1、建模過程如下：PID控制器參數

2、整頓根據PID參數的工程整定方法(Z-N法)，如下表所示，Kp= = ,Ti= 2 =300,KTd=0. 5 =75。表1-1 Z-N法整定PID參數控制器類型由階躍響應整定由頻域響應整定KpTiTdKpTiTdPTX無無0.5Kc無無PI0.9TK3無0.4Kc0.8Tc無PID1.2TK20.50.6Kc0.5Tc0.12Tcsimulink仿真模型建立建立simulink仿真模型如下圖1-3所示，并進行參數設置:圖1-3 PID控制系統(tǒng)Simulink仿真模型圖1-3中，step模塊“階躍時間”改為 0, Transport Delay 模塊的“時間延遲”設置為150,仿真時間改為10

3、00s,如下圖1-4所示：日 Functicn Block Parametefs;. Transport Delay7上與斗|口門口1到ly specified. deL lu the imulDejtI icuuriey isncLiead vhan ths dolssr ie than the snuleftiam stapQHE.Ini-t i al but61 me:咖Uae buffer sn?Diz ee:t feEdiRtai-Eh zniut durzrig JLzne bj- i 1 ionFade Dickr (fo.E lir-eiiizatinn :L me elHe

4、Ip魚PP1 了運行仿真，得如下結果:圖1-3 PID控制參數設置1P1D View Sirrulacior Format Tooktirntal110000 24Gai ftGamJ hTt,3inrcu/Ct圖1-5 PID控制運行結果(3) PID子系統(tǒng)的創(chuàng)建首先將參數Gain、Gainl、Gain三個模塊的參數進行設置，如下圖所示:Function Block Par6m已小任 GainS3Sltnud vit aui / EL*ui iiatm 3. 1K* ol r j+R：,tt nb-z.lult iplzEat ElrrieiFuncti&i) Block Punwten:

5、GfinlixiiJi.ELeitiirt-wTiie j Jim (y =-Iiplievtiuh-r EliEhientjnr91e t im ( for 】nh Siiul Attribct圖1-6 PID參數設置然后建立PID控制器子系統(tǒng)，如下圖1-7所示:圖1-7 PID子系統(tǒng)再又PID子系統(tǒng)進行封裝，選中“Subsystem”后，單擊鼠標右鍵，選擇“Mask-i- msubsystem”，彈出封裝編輯器，并進行相應參數設置，如下圖 1-8、1-9所示，朗 Mask Editor; SubsystemIcon Drawing commands dispC PID Controller

6、)Icon & Portt Pdrame:er Initialization DocumenttioriOptionsElock Frame visible Icon TransparencyOpaqueIcon UnitsAutomateIc on Rotation FixedFon RotationDefaultExsmpks of drswinq commandsCoimmand 了。電q&qL ;t*,史二。portsjSyntax portjabel (outpu tJr X FxyTUnmaskOK Cancel Help Apply圖1-8 PID子系統(tǒng)封裝文本顯示羽 Mask

7、Editor : SubsystemDialog parametersOptions for selected parameterType-specific optioirio t/pc-specific qUnmaskOK g Cancel Help1 a - i rr* 1-， L: 1ApplyIcon & Port5 Paramerers Initialization Docunnentation圖1-9 PID子系統(tǒng)封裝參數設置在對圖1-9所示封裝變量設置完成后，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

8、設置，即可完成 PID參數設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，表示直流電機的轉速。ASR為轉速調節(jié)器，由PI調節(jié)器組成。ACR為電流調節(jié)器，也是一個 PI調圖1-12封裝后系統(tǒng)運行結果. l-unction Hlofk Parampters:圖1-11 PID控制器參數設置封裝后運行仿真，結果如圖 1-12所示:昌圖Q只月拗強璃Subsysteft :hask)0. 24CancelApplyPID Central erSubsystemTime offset: JF0O節(jié)器。根據直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)工程整定方法，進行 ASM口 ACR勺參數整定時，首

9、先斷開轉速環(huán)，整定電流調節(jié)器 ACR然后接通轉速環(huán)，整定轉速環(huán) ASR同時調 節(jié)電流環(huán)參數。根據上述分析，首先建立直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的高層仿真模型，其 中轉速調節(jié)器和電流調節(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)調速系統(tǒng)Simulink仿真模型圖1-13中給定速度輸入信號 Rt）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)調速系統(tǒng)給定輸入電壓，其變化范圍 為-10V10V。負載電流信號IL也由階躍信號生成，通過改變階躍輸入信號的幅 值和時間，可觀察系統(tǒng)在不同負載下的轉速響應。輸入濾波環(huán)節(jié)1轉速0.01s 1反饋環(huán)節(jié)0.007 、電流反

10、饋環(huán)節(jié)0. 05、轉速調節(jié)器輸入濾波環(huán)節(jié) 10.01s 10.002s 10.002s 1及其他模塊為傳遞函數描述的數學模型，在Simulink仿真中，可使用 Continue（連續(xù)系統(tǒng)）模塊庫的 Transfer Fcn模塊實現。增益模塊可以使用Math （數學）模塊庫的Gain來實現。轉速調節(jié)器 ASR和電流調節(jié)器 ACR首先由兩個空白子系 統(tǒng)組成，結果如圖1-13所示。下面對轉速調節(jié)器 ASRf口電流調節(jié)器ACRa行設計，結果如圖1-14和圖1-151-16所示的結果所示。對圖1-14和圖1-15所示的子系統(tǒng)進行封裝，可得如圖利用工程整定及 Simulink動態(tài)調試的方法，對轉速調節(jié)器和

11、電流調節(jié)器進行參數整定，參數結果如圖1-16所示圖1-14 轉速調節(jié)器子系統(tǒng) Simulink模型圖1-15電流調節(jié)器子系統(tǒng)Simulink模型圖1-16轉速調節(jié)器ASR與電流調節(jié)器ACR寸裝后參數設置對話框Simulink求解器取系統(tǒng)默認值，運行仿真可得如圖1-17所示的轉速、電流響應曲線及圖1-18所示的轉速調節(jié)器輸出和電流調節(jié)器輸出。從仿真結果可以 看出，電流、轉速響應達到工程設計要求。(a)電流響應(b)速度響應圖1-17 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)電流及速度響應圖1-18轉速調節(jié)器及電流調節(jié)器輸出試驗二、交-直-交變頻調速系統(tǒng)仿真分析一、實驗學時：6二、實驗內容：1、建立三相橋式不可控整流電

12、路，帶 10歐姆電阻負載，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PW成變電路仿真模型，在帶三相對稱的純電阻負載時，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，構建完整的交-直-交變頻調速系統(tǒng)仿真模型。4、帶15kw電機負載。負載轉矩20Nm觀察50Hz下電源側輸入電流波形及諧波含量；觀察頻率由25Hz變換到50Hz時電機輸出轉速及電磁轉矩的波形。三、實驗步驟:1、建立三相橋式不可控整流電路，帶 10歐姆電阻負載，觀察輸入電流，輸出電壓波形。并對輸入電流作諧波分析三相橋式整流電路建模如下(1)

13、構建仿真模型Three-Phase Sourcenode 10ScopelThyristorUniversal Bridge圖2-1三相橋式全控整流電路(2)設置仿真參數圖2-2三相電源參數設置圖2-3通用橋模塊參數設置圖2-4電阻模型參數設置圖2-5電流示波器參數設置仿真最大步長設置為，仿真時間設置為，運行仿真，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仰目電流波形菜單按鈕，打開傅單擊Powergui模塊，再彈出的窗口中單擊 FFT “ Analysis立葉分析窗口，如圖2-8所示。Q sh iya r 2z:h e n q I i u/ pow e rcju iSim

14、ulstnn and confiolotion optionsCo 畸 gu屯 pa-amatorcAnalic toolsSteady Ste Voltages and CirrertsInitdl Statac SttlingLnnrl -|nw mnd pJacnnp hirialiAtnnIn pedarxe vs r(equency Medbu&menl口n前逑由ReportHysteresis Design Tool圖 2-7 Powergui 模型E3 Powergui FFT Analysis Toolhl白 Edit Viev/ Inrt i ools Deletop Win

15、dow Halp國| 口一 Si gnal to analyze Display selected sigr Displav FFT windiowSelecled signal: 10 cyces. FFT window (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Fie

16、cjuency Mi htelz/Mas Frequerw-r (Hz).10CO:亟迦 iOdam圖2-8傅立葉分析窗口按圖2-8所示設置參數，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 %2、建立PW成變電路仿真模型，在帶三相對稱的純電阻負載時，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PW嵯變電路如下圖2-9所示圖2-9 PWM逆變電路仿真模型圖中模塊參數設置:0 Bkxx Parameters： DC Voltage SourceDC ?plt age Scurce(lirta)Idal DC

17、voltage source.FiiineteisJjr.pLitud# (V):540。戶？LJUETiFritW W m HROK法CajueUAB圖2-10直流電源模塊和電阻負載模塊參數設置w 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 dvi

18、cg Fress Help Coi琴tt寫nubber values when the model is disccetised. For nct applicat 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 馴ne Cs，：F)_inf-Power Elecironic device 1CB7

19、 / Diodes艮。n ：0hiiM)Iff-3Forward TroLtafes1 口&疝。目 Vf V) # Diode 7f d()T 0 iTf/TtJe-ti , 2e-ti Meaurenenl:哀 Note(I萬+If/.-OKCatice LHelp Apply圖2-11通用橋模塊參數設置Kcjuit 巳 Block Paridg63.D-p就由凱g wi ihw i-iufiber bEidgfr 0門國i人 thftC|；ooj?工忒口匚 Modr- paxanstcii th# blucfc； can ba ujud tith(工 fnr single-pkaie dx

20、 tlire-piia!3iE- t VJfl canl ml. QE. J I Cancal JjaLp圖2-12 PWM發(fā)生器模塊參數設置圖2-13電壓示波器參數設置圖2-13電流示波器參數設置將仿真算法改為ode15s,仿真時間改為，最大仿真步長改為，運行仿真，可得電 壓電流波形如下:3u圖2-14 PWM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，進行諧波分析:Powergui FFT Analysis ToolFile Edit View Insert Took Desktop Window HelpDC3 J i 4 ，二門 工 /

21、 息口明口Signa tn analyze9 Diisplay slactad Display FFT windowSelected signal 5 cycles. FFTwindow jn red). 5 cycles20 0-2000 020.040 060.D80.1TirrLa. /eJl-FFT ana lys Is1Fu Marnertal (50Hz) -1078 THD- 5628%傳105 O (_m-uolEPcnLLJO里)-Available signalsStructure.IAInputinput 1Signal numbsr1-7 PTwindowStjrt ：

22、ineNimbsr ofrundflmenlflil 5G00O008006004我2Frequency (Hz；圖2-15 A相電流諧波分析T stLhigsDisjilsy stle:Rar (relatiw tn fun日前石白： |1.口- IFrequency ani5;lieftzMax Fnqu-sncy (H2): TODisplayClosePowergui FFT Analysis Tool,File Edit View Jniert Tunis Desktop Window Help-Sign J to analyze- Dkpla? aelucted Display F

23、FT AirdowSuIgcmU signal. 5 cdas. FFT wir,dg ( n &一 5 燈cl 5000-50000.020040.M0080 1TirrwaGpFFT 3nHMJsFl idam?rtalf50Hzi= 1fi6 5 71 舊=56 22%5 0 5 0 (_f3uEEPLInLl_00小006O8000WFrequency (Hz】-Available signalESvucMe ： u,Inpul; UABSignal nutnbr.11-FFT 所 nd 0內Sisri Mep 口Nurib5i at |SFurdanental 50fft seeng

24、sDisplay giylp Br (rolx vo IQ ftm OweHRFroqiiMicf axis: HeilzIxla Freqjerc? (Ft):ioro圖2-16線電壓UABi皆波分析改變PW隨變模塊參數設置，再次仿真并分析電流諧波含量0 Source & Mk Patwehc出 PVMM Generator BudFM Gfrrwntar 3adM (linh)Th.ii hl oct EF.erKe j pulses for rarTie-lisJHd FW CFlr-idhh Eduli.t.jqri)ii .oMiLlavdl i曲ftlOEi OE FBIi* L*

25、，3r0 Source Block Parameters: PWM Ge.0;(j.uL) ClhETiU-b bl i.Lk g 肝J 歸館13 JAkld； f寫 fuE VdElltflbrd E* Mdtk 心加口吐10-1 3C If- r-TWiiit fft bnj Lwlictv-d par ui=i *pf the hl口匚k Can b- lb=e or t?!re=-Dh：izE： P肛 control-3daLii bjzdg.e 6 pLi.J se-x)V Ir.t emil arier：at ion rf udduIsiiiz slee.bL fa 01nt inti indsr (Dn. ll :JFreaucny ttf cimout w