《機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(研究生)

./《機(jī)電系統(tǒng)建模與仿真》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書王紅茹編寫適用專業(yè)：機(jī)械工程________________________XX科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2015年11月實(shí)驗(yàn)一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)類型：綜合實(shí)驗(yàn)要求：必修一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握運(yùn)用MATLAB/Simulink進(jìn)行多閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)仿真分析的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理主要針對(duì)工程領(lǐng)域常用的自動(dòng)控制系統(tǒng)－－雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真實(shí)驗(yàn),并對(duì)其原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。采用PI控制器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,但不能滿足調(diào)速系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高時(shí)的場(chǎng)合,且對(duì)擾動(dòng)的抑制能力也較差。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是在單閉環(huán)調(diào)速的基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)速和電流分開控制,分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流兩個(gè)控制器,且轉(zhuǎn)速控制器的輸出作為電流控制器〔內(nèi)環(huán)〕的給定輸入,從而形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。這種雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速的一種典型形式。以雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)為例,介紹運(yùn)用MATLAB/Simulink進(jìn)行雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的方法。雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖中,直流電機(jī)參數(shù)：,,,,電樞電阻,系統(tǒng)主電路總電阻,電樞回路電磁時(shí)間常數(shù),機(jī)電時(shí)間常數(shù)；三相橋平均失控時(shí)間,觸發(fā)器放大系數(shù)；電流反饋系數(shù),電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù),轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)。圖1.1雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1.1雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖①電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)選型原則。電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值,且突加控制作用時(shí)超調(diào)量越小越好。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的,兩個(gè)慣性時(shí)間常數(shù)之比為。由于Ⅰ型系統(tǒng)的超調(diào)量小,因此將電流環(huán)按Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)速環(huán)按Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì),目的是實(shí)現(xiàn)無靜差控制,且提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。②為保證電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū),且保護(hù)調(diào)速系統(tǒng)的各元器件不致?lián)p壞,應(yīng)在電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出端分別設(shè)置一個(gè)限幅裝置,本實(shí)驗(yàn)采用飽和非線性特性來實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)設(shè)置不同的比列、積分系數(shù)可實(shí)現(xiàn)電流環(huán)與整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段本實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用指導(dǎo)老師"講解+演示"的方式進(jìn)行教學(xué)。四、實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行要求根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、要求和具體條件,采用"以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)"。五、實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生裝置、信號(hào)顯示裝置與搭建控制系統(tǒng)所需的元器件；實(shí)驗(yàn)用專業(yè)軟件、教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。六、實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)而言,將其分為電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)分別進(jìn)行MATLAB計(jì)算與仿真。圖1.2電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示,圖中電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為和。圖1.2電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分別以下兩種情況下,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并分析電流環(huán)的性能、保存仿真結(jié)果：①忽略干擾,給定信號(hào)用單位階躍信號(hào)代替；②分別加入兩個(gè)干擾信號(hào)〔用單位階躍信號(hào)代替〕,繪制擾動(dòng)曲線。轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如1.3,圖中,擾動(dòng)信號(hào)3代表負(fù)載變化引起的擾動(dòng)；擾動(dòng)信號(hào)2代表電網(wǎng)電壓波動(dòng)、晶閘管整流與移相觸發(fā)器參數(shù)變化引起的擾動(dòng)。針對(duì)圖1.3,通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能：①忽略擾動(dòng)影響,在單位階躍信號(hào)作用下,繪制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化曲線；②轉(zhuǎn)速環(huán)抗擾動(dòng)過程的仿真,在2、3出分別加入擾動(dòng)信號(hào),繪制擾動(dòng)響應(yīng)曲線。圖1.11雙閉環(huán)V-M直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1.11雙閉環(huán)V-M直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖七、思考題1.創(chuàng)建系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的一般步驟是什么？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本內(nèi)容詳見附件。九、其它說明認(rèn)真閱讀相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備注意事項(xiàng),正確使用各實(shí)驗(yàn)設(shè)備。附件:學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本內(nèi)容要求實(shí)驗(yàn)一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)&____一．實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.實(shí)驗(yàn)原理3.實(shí)驗(yàn)步驟二．實(shí)驗(yàn)記錄三．思考題解答實(shí)驗(yàn)二：復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)類型：綜合實(shí)驗(yàn)要求：必修一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB/Simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與原理通過對(duì)某小功率角度跟蹤系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì),來介紹機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的方法。某小功率角度跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示,其中整定系統(tǒng)可調(diào)放大系數(shù),,濾波器時(shí)間常數(shù),伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。圖2.1小功率角度跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2.1小功率角度跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對(duì)該位置隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,并設(shè)計(jì)合理的PD控制器〔或PID控制器〕和反饋控制器對(duì)其進(jìn)行全面仿真計(jì)算。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段本實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用指導(dǎo)老師"講解+演示"的方式進(jìn)行教學(xué)。四、實(shí)驗(yàn)組織運(yùn)行要求根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、要求和具體條件,采用"以學(xué)生自主訓(xùn)練為主的開放模式組織教學(xué)"。五、實(shí)驗(yàn)條件計(jì)算機(jī)、信號(hào)發(fā)生裝置、信號(hào)顯示裝置與搭建控制系統(tǒng)所需的元器件；實(shí)驗(yàn)用專業(yè)軟件、教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。六、實(shí)驗(yàn)步驟〔1〕無校正時(shí),系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)在MATLAB/Simulink環(huán)境下,建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,如圖2.2所示。圖2.2小功率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2.2小功率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)上圖,運(yùn)行仿真,記錄仿真結(jié)果,并分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能?！?〕設(shè)計(jì)PD控制器,進(jìn)行串聯(lián)校正參考PD控制器：〔2.1〕則進(jìn)行PD串聯(lián)校正的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,如圖2.3所示。圖2.3帶PD串聯(lián)校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2.3帶PD串聯(lián)校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖2.3,運(yùn)行仿真,記錄仿真結(jié)果,比較加入PD串聯(lián)校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能?！?〕設(shè)計(jì)控制器,進(jìn)行反饋校正參考反饋校正控制器：〔2.2〕對(duì)原系統(tǒng)在PI串聯(lián)校正的基礎(chǔ)上,調(diào)整使,則反饋校正閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。對(duì)圖2.4進(jìn)行仿真,記錄仿真結(jié)果,并比較其與PD串聯(lián)校正的優(yōu)缺點(diǎn)。圖2.4帶反饋校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2.4帶反饋校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖七、思考題1、試比較串聯(lián)校正和反饋校正的優(yōu)缺點(diǎn)。八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告