《运动控制系统仿真》实验讲义谢仕宏xiesh@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G(S) 10e-150s，GC(S)为PID控制器，试整定PID控制器300s + 1参数，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和转速调节器ASR并进行SimUIink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)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= 伯=0.24,Ti= 2 =300, KτTd= 0. 5 =75。
表1-1 Z-N法整定PID参数PI 0.9T-K T3τ无0.4K c0.8TC无PID 1.2TK I2τ0∙5τ0.6KC0.5TC0.12TC(2) Simulink仿真模型建立建立SimUIink仿真模型如下图1-3所示，并进行参数设置:图1-3中，SteP模块"阶跃时间”改为 O, Transport Delay模块的"时间延迟”设置为 150,仿真时间改为1000s，如下图1-4所示：图1-3 PID控制参数设置运行仿真，得如下结果:IP回GamlIntegratordu'dlS S□VieW Simulation FOrmat ToOlS C¾ I ∣-CaΛtel50.5 O500IPlD ≠I ≡ •希刊3片令Uy 卜I IlOOo J⅛orΛal 三爭 E Φ I- F 過应®图1-7 PID 子系统Tim& offset. 0(3) PID 子系统的创建首先将参数 Gain 、Gain1、Gain 三个模块的参数进行设置，如下图所示:图1-5 PID 控制运行结果GarnWO O≡ a [^： P 刃盹逼圖0 ■垢G I airl2 Deirivativ®W FUnCtlOn BlaCk PararrleterS- Gain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:TranSier FCn TransportDelaySietLal AttrLbUEiElIerrt-UriSe g ,aiιι (y =, Je-IaIi吕 FUnCtiOn BIoCk Paranneters≡ Gain2Signal Att ributSaJliJJIe tine (-1 for i≡<P a,E ≥τ∣e i t 6r AttElbulesHlenent5⅞jιple txι≡c (-1 fur IeihKnlt ipLicat iαι∏LS EleMrtt -vise (K. *u) Sanple tune Ii-I for inketLtθd) iElenent-Wije g 自丄n (y = .)LAU) _OE j¾⅛tn⅜ ⅛⅛LΠ Jy ± K ÷ α Oru^K}aV⅛ FUnCtiOn Block Parameters ： GainI K⅛LΓi(T)IlU I ltiPIICatiOn5 EIenI l eTSUbSyStem10300s+1出封装编辑器，并进行相应参数设置，如下图1-8、1-9所示,图1-9 PID 子系统封装参数设置tfl MaSk Editor ； SUbSyStemICOn & PortS ParameterS Initialization DOCdrnentatiOn OPtiOnS BIQCk Frame ViSibleIcon TranSParenCy OPaqUe ICOri UnitS AUtOSCaIe ICOn ROtation FiXed POrt ROtatiOn DefaUltkon DraWing COmmandSdisp( PlD Controller')EXamPleS OfdraWing CommandSCOinrD3∩d I lIalr tJLabeI ClabEl ≡peci fi E Por tsj SyntaXPOrtJabel(, oUtPUt l J I J h xy ,)UnmaSkI OK ]3Kel I I HelP ∣ APPly图1-8 PID 子系统封装文本显示¥ MaSlC EditOr: SubsystemKQn & POrH ParameterS InitiaIiZation DOCUmentatiOrl... PromPt Variable TyPe EvaL.. T UIY ., Ta,..1 PID KpIKP edit F 02 3 PID Ti Ti edit +√PtD_TdTdedit »Ell√lDiaICg parameters QPtIOnS for SeIeCtecl Pararneter TyPe-SPeCifiC OPtiOl NO type-specific o ∣GeneriC OPtiOnS In dialog:√l EnabIe ParamShOW Parame lH Dialog callback ：UnmaSk CanCelHelP APPly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参数设置。
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：图1-12封装后系统运行结果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调节器。
根据直流双闭环调速系统工程整定方法，进行ASR和ACR的参数整定时，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-10V〜10V。
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 - 、转速反馈环节0. 007、电流反馈环节0. 05、转速调节器输入滤波--------------0. 01s + 1 0. 01s + 1 0. 002s + 1环节____ 1____ 及其他模块为传递函数描述的数学模型，在SimUIink仿真中，可使用 ContinUe （连0. 002s 1续系统）模块库的 TranSfer FCn模块实现。
增益模块可以使用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 ASR和电流调节器 ACR进行设计，结果如图1-14和图1-15所示。
对图1-14 和图1-15所示的子系统进行圭寸装，可得如图 1-16所示的结果。
利用工程整定及 SimUIink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1-18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、实验学时：6 、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PWM 逆变电路仿真模型，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ASH (MSk)In1⅞K3,Al SUUI吨i ∣5W 佩 ⅛⅛≡⅛ 话RI图1-16转速调节器 SimUlink 求解器取系统默认值，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。
凶tt ⅛≡¾话晦ASR 与电流调节器 ACR 封装后参数设置对话框(a )电流响应 I ( b )速度响应图1-17直流双闭环调速系统电流及速度响应(a )转速调节器输出 (b )电流调节器输出3、将1和2中的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)构建仿真模型图2-1三相桥式全控整流电路 (2)设置仿真参数Three-PhaSe SOUrCe∖/ node 10 SCOPeIThyriStOr Universal Bridge斥 BIoCk Parameters ： Three-Pha ⅛e SOUrCeThree-PhaSe SOUrCe (mask) (Iink)Three-PhaSe VOltage source in SerieS With EL branch. ParanleterSPhaSe-t D-PhajSe EJHΞ VaItage(V): 220*sQrt (3)∣∣Phase a∏fle Of PhaSe A (degrees):FreqUenCy CHZ): eFIM e rnal C Onn ⅛ Ct i On: YnSpecify inpedance US iint Short eCirCUi jt IeVel Source resistance (OhnlS):le^6SIoIlIrCe induct ance (H) ≡图2-3通用桥模块参数设置OKCWCeI HeIP APPIy图2-2三相电源参数设置⅞⅞BIOCk Parameters: RSerieS RLC BranCh (maΞ⅛) (Iink)Implements a SerieE branch CIlf RLC el启JllerLtS・Use the F Branch S tyPy ρar⅝>etsr to add &r re≡aove⅛ elementS from the branch・Paraj⅛et ers图2-4电阻模型参数设置图2-5电流示波器参数设置仿真最大步长设置为0.0001,仿真时间设置为0.2s,运行仿真，输入a相电流波形如下图2-6所示:Tirne offset. OQ SCDPeI.=∣ 回≡a∣p0>s料聞圄日■集图2-6三相桥式不可控整流输入A相电流波形单击POWergui模块，再弹出的窗口中单击FFT “ Analysis ”菜单按钮，打开傅立叶分析窗口，如图2-8所示。