./《機電系統(tǒng)建模與仿真》實驗指導書王紅茹編寫適用專業(yè)：機械工程________________________XX科技大學機械工程學院2015年11月實驗一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析實驗學時：2實驗類型：綜合實驗要求：必修一、實驗目的1.掌握運用MATLAB/Simulink進行多閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)仿真分析的方法。二、實驗內容與原理主要針對工程領域常用的自動控制系統(tǒng)－－雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進行建模與仿真實驗,并對其原理進行詳細介紹。采用PI控制器的轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)能在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差,但不能滿足調速系統(tǒng)對動態(tài)性能要求較高時的場合,且對擾動的抑制能力也較差。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是在單閉環(huán)調速的基礎上,將轉速和電流分開控制,分別設計轉速、電流兩個控制器,且轉速控制器的輸出作為電流控制器〔內環(huán)〕的給定輸入,從而形成轉速、電流雙閉環(huán)控制。這種雙閉環(huán)調速系統(tǒng)是直流調速的一種典型形式。以雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)為例,介紹運用MATLAB/Simulink進行雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)分析的方法。雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的結構如圖1.1所示。圖中,直流電機參數：,,,,電樞電阻,系統(tǒng)主電路總電阻,電樞回路電磁時間常數,機電時間常數；三相橋平均失控時間,觸發(fā)器放大系數；電流反饋系數,電流環(huán)濾波時間常數；轉速反饋系數,轉速環(huán)濾波時間常數。圖1.1雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖圖1.1雙閉環(huán)V-M調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖①電流環(huán)、轉速環(huán)選型原則。電流環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,且突加控制作用時超調量越小越好。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的,兩個慣性時間常數之比為。由于Ⅰ型系統(tǒng)的超調量小,因此將電流環(huán)按Ⅰ型系統(tǒng)設計。轉速環(huán)按Ⅱ型系統(tǒng)設計,目的是實現(xiàn)無靜差控制,且提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。②為保證電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器工作在線性區(qū),且保護調速系統(tǒng)的各元器件不致?lián)p壞,應在電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的輸出端分別設置一個限幅裝置,本實驗采用飽和非線性特性來實現(xiàn)。通過對設置不同的比列、積分系數可實現(xiàn)電流環(huán)與整個系統(tǒng)的動態(tài)仿真。三、實驗教學方法與手段本實驗教學采用指導老師"講解+演示"的方式進行教學。四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件,采用"以學生自主訓練為主的開放模式組織教學"。五、實驗條件計算機、信號發(fā)生裝置、信號顯示裝置與搭建控制系統(tǒng)所需的元器件；實驗用專業(yè)軟件、教材和實驗指導書。六、實驗步驟對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)而言,將其分為電流環(huán)和轉速環(huán)分別進行MATLAB計算與仿真。圖1.2電流環(huán)動態(tài)結構圖電流環(huán)的動態(tài)結構圖如圖1.2所示,圖中電流調節(jié)器參數設置為和。圖1.2電流環(huán)動態(tài)結構圖分別以下兩種情況下,進行仿真實驗,并分析電流環(huán)的性能、保存仿真結果：①忽略干擾,給定信號用單位階躍信號代替；②分別加入兩個干擾信號〔用單位階躍信號代替〕,繪制擾動曲線。轉速環(huán)的動態(tài)結構如1.3,圖中,擾動信號3代表負載變化引起的擾動；擾動信號2代表電網電壓波動、晶閘管整流與移相觸發(fā)器參數變化引起的擾動。針對圖1.3,通過兩個實驗分析系統(tǒng)的動態(tài)性能：①忽略擾動影響,在單位階躍信號作用下,繪制系統(tǒng)的轉速變化曲線；②轉速環(huán)抗擾動過程的仿真,在2、3出分別加入擾動信號,繪制擾動響應曲線。圖1.11雙閉環(huán)V-M直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖圖1.11雙閉環(huán)V-M直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖七、思考題1.創(chuàng)建系統(tǒng)動態(tài)結構圖的一般步驟是什么？八、實驗報告實驗報告基本內容詳見附件。九、其它說明認真閱讀相關實驗設備注意事項,正確使用各實驗設備。附件:學生實驗報告基本內容要求實驗一：多閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)仿真分析實驗報告班級&____一．實驗預習1.實驗目的2.實驗原理3.實驗步驟二．實驗記錄三．思考題解答實驗二：復雜系統(tǒng)的設計與仿真實驗學時：2實驗類型：綜合實驗要求：必修一、實驗目的1.學會運用MATLAB/Simulink進行控制系統(tǒng)設計與仿真的方法。二、實驗內容與原理通過對某小功率角度跟蹤系統(tǒng)控制器的設計,來介紹機電系統(tǒng)設計與仿真的方法。某小功率角度跟蹤系統(tǒng)的結構如圖2.1所示,其中整定系統(tǒng)可調放大系數,,濾波器時間常數,伺服電動機拖動系統(tǒng)機電時間常數。圖2.1小功率角度跟蹤系統(tǒng)結構圖圖2.1小功率角度跟蹤系統(tǒng)結構圖對該位置隨動系統(tǒng)進行仿真,并設計合理的PD控制器〔或PID控制器〕和反饋控制器對其進行全面仿真計算。三、實驗教學方法與手段本實驗教學采用指導老師"講解+演示"的方式進行教學。四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件,采用"以學生自主訓練為主的開放模式組織教學"。五、實驗條件計算機、信號發(fā)生裝置、信號顯示裝置與搭建控制系統(tǒng)所需的元器件；實驗用專業(yè)軟件、教材和實驗指導書。六、實驗步驟〔1〕無校正時,系統(tǒng)的單位階躍響應在MATLAB/Simulink環(huán)境下,建立系統(tǒng)的動態(tài)結構圖,如圖2.2所示。圖2.2小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結構圖圖2.2小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結構圖根據上圖,運行仿真,記錄仿真結果,并分析系統(tǒng)的動態(tài)性能。〔2〕設計PD控制器,進行串聯(lián)校正參考PD控制器：〔2.1〕則進行PD串聯(lián)校正的系統(tǒng)動態(tài)結構圖,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)動態(tài)結構圖圖2.3帶PD串聯(lián)校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結構圖根據圖2.3,運行仿真,記錄仿真結果,比較加入PD串聯(lián)校正后系統(tǒng)的動態(tài)性能。〔3〕設計控制器,進行反饋校正參考反饋校正控制器：〔2.2〕對原系統(tǒng)在PI串聯(lián)校正的基礎上,調整使,則反饋校正閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖2.4所示。對圖2.4進行仿真,記錄仿真結果,并比較其與PD串聯(lián)校正的優(yōu)缺點。圖2.4帶反饋校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結構圖圖2.4帶反饋校正的小功率跟蹤系統(tǒng)動態(tài)結構圖七、思考題1、試比較串聯(lián)校正和反饋校正的優(yōu)缺點。八、實驗報告