《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s e s s G 1501
30010
)(-+=
，Gc(s)为PID 控制器，试整定PID 控制器
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 和转速调节器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）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=τ
K T 2.1=0.24，Ti=τ2=300，
Td=τ5.0=75。
表1-1 Z-N 法整定PID 参数
（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：
图1-5 PID控制运行结果
（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1-6 PID参数设置
然后建立PID控制器子系统，如下图1-7所示：
图1-7 PID子系统
再对PID子系统进行封装，选中“Subsystem”后，单击鼠标右键，选择“Mask subsystem”，弹
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1-8 PID子系统封装文本显示
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101.01+s 、转速反馈环节1
01.0007.0+s 、电流反馈环节1002.005
.0+s 、转速调节器输入滤波
环节
1
002.01
+s 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所示的子系统进行封装，可得如图1-16所示的结果。
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封装后参数设置对话框
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。
（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
（a）转速调节器输出（b）电流调节器输出
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。
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
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：
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。
图2-7 Powergui模型
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 电流信号的谐波分析。
总谐波电流含量30.42%。
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。
建立PWM逆变电路如下图2-9所示
图2-9 PWM逆变电路仿真模型
图中模块参数设置：
图2-10 直流电源模块和电阻负载模块参数设置
图2-11 通用桥模块参数设置
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0.4s，最大仿真步长改为0.00001s，运行仿真，可得电压电流波形如下：
图2-14 PWM逆变电路相电流及相电压/线电压波形
单击Powergui模块，再单击FFTAnalysis按钮，进行谐波分析：
图2-15 A相电流谐波分析
图2-16 线电压UAB谐波分析
改变PWM逆变模块参数设置，再次仿真并分析电流谐波含量.
图2-17 PWM发生器模块参数改动前后对比
图2-18 输出线电压谐波分析
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。
图2-19 AC-DC-AC 电路仿真模型
将图2-19中电容C的参数由1e-3改为1e-2，观察改变前后直流环节的电压电流。
再观察输入交流电流波形。
图2-20直流环节电流、电压波形（电容C=0.001F）
图2-20直流环节电流、电压波形（电容C=0.01F）
图2-21交流电源输入电流波形
试分析图2-21的原因，并改善电流波形。
4 将三相纯电阻负载换为三相交流异步电动机，建立变频调速系统仿真模型，如下图所示。
AC-DC-AC变频调速系统仿真模型
电机模块参数设置
电机测量模块参数设置
图电机转速及转矩响应。