《机电系统建模与仿真》实验指导书(共20页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上机电系统建模与仿真实验指导书江苏科技大学部门文件 设备发?2006?08号 关于规范课程实验指导书、学生实验报告的 格式与基本内容要求的说明 为提高实验教学运行质量，进一步加强综合性、设计性实验内涵建设，加强学生综合运用知识、创新精神与实践能力的培养，现对课程实验指导书和学生实验报告等实验教学文件提出如下规范要求，请各学院结合自身的实际情况，认真加以整改。 1课程实验指导书以课程为单位，使用十六开纸和统一格式封面，并装订成册 (封面格式见附件1)。 2课程实验指导书第一页为封面，要求见附件1；第二页为前言，要求见附件2；第三页为目录；第四页开始为实验项目指导书，要求见附件3。 3学生实验报告可以电子和书面两种形式提交，其中书面报告原则上使用现行“实验报告簿”(校园内有售)，内容要求见附件4，电子报告指导教师参照书面报告要求明确。 4前言、实验项目指导书、学生实验报告的格式与基本内容要求(附件2、附件3和附件4)仅供参考，指导教师应根据各课程1 和实验项目的具体情况，内容和格式上可以加以调整，突出“个性”。 5原则上“镇江船舶学院“时期编印的指导书必须全面修订，即使内容完全不变的课程，形式上也要按本要求重新编印。 6、对于“华东船舶工业学院”时期编印且形式上符合上述要求的指导书，若其中个别实验项目不适应内涵要求需要修改、目前库存量较大的，其中修改的项目指导书以活页形式补充，不要求重新编印。 附：1课程实验指导书封面格式 2课程实验指导书前言内容要求 3具体项目指导书格式与基本内容要求 4学生实验报告基本内容要求 设备与实验管理处 二六年五月九日 2 机电系统建模与仿真 实 验 指 导 书 王红茹 编 写 适用专业： 机械电子工程 _ _ 2011年11月 江苏科技大学机械工程学院 3 前 言 机电系统建模与仿真实验指导书是为了配合机电系统建模与仿真课程教学、促进理论与实践相结合、提高教学质量而编写的。本课程实践性强，与生产实际联系紧密，知识的覆盖面较宽，是机械、控制与计算机的结合及机电一体化技术的综合运用。 机电系统建模与仿真实验指导书包含【机电系统系统仿真】和【复杂系统的设计与仿真】两个实验。两者均为综合性实验，其中，前者主要是培养学生对已知系统的抽象、简化，并最终实现模型创建与仿真的能力；后者主要是在学生掌握机电系统仿真原理的基础上，培养其进行机电系统控制系统设计的初步能力。实验内容设置适合于机械电子工程专业学生。 机电系统建模与仿真实验指导书王红茹同志编写，实验内容结合当前机电系统设计的先进方法虚拟样机设计，一方面巩固了学生在理论教学中学到的知识；另一方面，拓展了学生的视野，为其今后的实际工作奠定了较好的基础。 于时间仓促及作者水平有限，不当之处恳请批评指正。 编者2011年10月 4 实验一：机电系统仿真 实验学时：2 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的 1. 学会运用Pro/ENGINEER进行机构的建模与运动仿真。 2. 掌握运用MATLAB/Simulink进行伺服控制系统仿真的方法。 二、实验内容及原理 本实验可分为以下两大部分： 1.机构3D建模与运动仿真 基于Pro/ENGINEER的机构运动仿真，可以分为以下几个步骤：创建零3D模型；设计运动模型，包括设置材料特性、创建零件之间的连接方式、加载、创建运动驱动，以及定义测量；分析模型，包括创建初始状态、运动装配分析、运行运动分析，以及运行结果查看。 本实验主要针对常用的四连杆机构实现基于Pro/ENGINEER的3D建模与运动仿真。 2.运用MATLAB对给定伺服控制系统进行建模与仿真 主要针对工程领域常用的自动控制系统单闭环控制系统和双闭环控制系统进行建模与仿真实验，并对其原理进行详细介绍。 单闭环控制系统 单闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向作用又有一个反馈作用的控制系统，是控制系统最重要最基本的结构组成。工程中，通常通过负反馈实现，如水塔的水位控制系统、电冰箱的恒温调节系统，以及测速反馈的单闭环调速系统等。单闭环控制的组成如图所示，其中，控制器也称为调节器，其功能是向被控对象发出控制信息，以末端执行机构按预期方案运行；检测元件用于将输出引入到输入端，实现对输出的再控制，目的是提高控制精度。 5 给定信号-控制器被控对象末端执行机构检测元件图 单闭环控制系统的组成 本实验以晶闸管直流电动机单闭环调速系统介绍运用MATLAB/Simulink进行伺服控制系统建模与仿真的一般方法。 工程上，通常将晶闸管及其触发装置近似为一个一阶惯性环节，用测速发电机最为检测元件，并将其近似为一个比例环节。V-M系统的控制原理如图所示。 Kt测速发电机1给定信号-+扰动信号2+RTms传动装置1Ce电势系数P?IsKsTss?1可控硅整流器+1/RaTas?1电机电枢1电机转速-控制器-图 转速单闭环调速系统的动态结构图 图中，直流电动机的参数为：Pnom?10kW，nnom?1000r/min，Unom?220V，Inom?55A，电枢电阻Ra?，V-M系统主电路总电阻R?1?，额定磁通下的，电枢回路电磁时间常数Ta?，机电动机电动势转速比Ce?Unom?InomRannom电时间常数Tm?；可控硅整流器的参数为：放大系数Ks?44，三相桥平均失控时间Ts?；测速反馈系数Kt?V?min/r； P和I分别为控制器的比列系数和积分时间常数。 通过选取不同的P和I的值来研究V-M系统的在无扰动和存在扰动时的响应。 双闭环控制系统 6 采用PI控制器的转速负反馈单闭环调速系统能在系统稳定的前提下实现转速无静差，但不能满足调速系统对动态性能要求较高时的场合，且对扰动的抑制能力也较差。 双闭环调速系统是在单闭环调速的基础上，将转速和电流分开控制，分别设计转速、电流两个控制器，且转速控制器的输出作为电流控制器的给定输入，从而形成转速、电流双闭环控制。这种双闭环调速系统是直流调速的一种典型形式。 以双闭环V-M调速系统为例，介绍运用MATLAB/Simulink进行双闭环控制系统动态分析的方法。双闭环V-M调速系统的结构如图所示。图中，直流电机参数：Pnom?10kW，Unom?220V，Inom?，nnom?1500r/min，电枢电阻Ra?，系统主电路总电阻R?，电枢回路电磁时间常数Ta?，机电时间常数Tm?；三相桥平均失控时间Ts?，触发器放大系数Ks?30； 电流反馈系数Ki?/A，电流环滤波时间常数Toi?；转速反馈系数Kt?min/r，转速环滤波时间常数Ton?。 电流环滤波1 电流反馈系数Ki扰动信号3+Tois?11给定信号1Tons?1转速环滤波平衡-+Pn?-Ins1Tois?1电流环滤波平衡+Pi?Iis + -RTms传动装置1Ce电势系数KsTss?1可控硅整流器+1/RaTas?1电机电枢4电机转速电流调节器2-转速调节器-1Tons?1转速环滤波Kt转速反馈系数图 双闭环V-M调速系统的动态结构图 电流环、转速环选型原则。 电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，且突加控制作用时超调量越小越好。电流环的控制对象是双惯性型的，两个惯性时间常数之比为TaTs?Toi?10。于典型型系统的超调量小，因此将电流环按典型型系统设计。 7 转速环按典型型系统设计，目的是实现无静差控制，且提高了系统的抗干扰性能。 为保证电流调节器和转速调节器工作在线性区，且保护调速系统的各元器件不致损坏，应在电流调节器和转速调节器的输出端分别设置一个限幅装置，本实验采用饱和非线性特性来实现。 通过对设置不同的比列、积分系数可实现电流环及整个系统的动态仿真。 三、实验教学方法与手段 本实验教学采用指导老师“讲解+演示”的方式进行教学。 四、实验组织运行要求 根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模式组织教学”。 五、实验条件 计算机、信号发生装置、信号显示装置及搭建控制系统所需的元器件；实验用专业软件、教材和实验指导书。 六、实验步骤 1.机构3D建模与运动仿真 平面四连杆机构是一种典型的闭环机构，并广泛的应用于各类机械中，如振动筛、破碎机等。通过以下几个步骤实现平面四连杆机构的运动仿真： 在Pro/ENGINEER环境下，通过拉伸、镜像、孔等操作实现基础杆link_4、驱动杆link_driver、连杆link_2和连杆支架link_3的3D建模 图 基础杆3D模型 图 驱动杆3D模型 8 图 连杆3D模型 图 连杆支架3D模型 装配。基础杆link_4以默认位置装入；驱动杆link_driver通过销钉连接方式转入；连杆link_2通过销钉连接方式装入；连杆支架link_3通过两个销钉连接方式装入如图所示。 9 图 平面四连杆机构3D模型 进入机构仿真环境，运行“重新连接”，检验机构装配的正确性。 创建驱动器，如图和所示。 运动分析，如图所示。 图 运动轴选取 图 运动轨迹设置 图 运动分析定义 10 录制仿真动画，分析结果是否合理。 2.运用MATLAB对给定伺服控制系统进行建模与仿真 单闭环控制系统 在MATLAB/Simulink环境下，找到图中对应的模块，并按给定的参数建立系统数学模型，其中PID控制器的参数设置为P?和I?11。 图 转速单闭环V-M系统的动态结构图 分别在以下三种情况下，进行仿真，并保存转速曲线图： 在不计干扰的情况下，将给定信号设置为单位阶跃信号； 给定信号设置为0，单位阶跃信号作为干扰信号； 给定信号为单位阶跃信号，并在秒时加入一个幅值为3的阶跃信号作为干扰信号。 双闭环控制系统 对双闭环控制系统而言，将其分为电流环和转速环分别进行MATLAB计算与仿真。 电流环的动态结构图如图所示，图中电流调节器参数设置为P?和I?25。 分别以下两种情况下，进行仿真实验，并分析电流环的性能、保存仿真结果： 忽略干扰，给定信号用单位阶跃信号代替； 分别加入两个干扰信号，绘制扰动曲线。 转速环的动态结构如，图中，扰动信号3代表负载变化引起的扰动；扰动信号2代表电网电压波动、晶闸管整流与移相触发器参数变化引起的扰动。 针对图，通过两个实验分析系统的动态性能： 忽略扰动影响，在单位阶跃信号作用下，绘制系统的转速变化曲线； 转速环抗扰动过程的仿真，在2、3出分别加入扰动信号，绘制扰动响应曲11 线。 图 电流 环动 态结构 图 。 input1电流环滤波s+1平衡电流电调PID流环节1器滤s+1干波扰21限幅电流反馈晶系干30扰3闸数2管s+1电动机/电枢s+1I112 电流环滤波+1转速环平衡滤波1In1转速调节器+1电流环平衡滤波21PID电流调节器+1晶闸管+1s电动机电枢传动+1转速环滤波转速反馈系数 V-M 直流调速系统动态结构图双闭环图 13 七、思考题 1、运用Pro/ENGINEER进行机构运动仿真的一般步骤是什么？ 2、创建系统动态结构图的一般步骤是什么？ 八、实验报告 实验报告基本内容详见附件。 九、其它说明 认真阅读相关实验设备注意事项，正确使用各实验设备。 14 附件: 学生实验报告基本内容要求 机电系统仿真实验报告 班级&学号：姓名：一实验预习 1.实验目的2.实验原理二实验记录 1.机构3D建模与仿真 保存四连杆机构的3D模型，观察机构铰接点的运动情况并绘制运动曲线。2. 运用MATLAB对给定伺服控制系统进行建模与仿真 单闭环控制系统 分别保存并打印以下三种情况的转速曲线图： 在不计干扰的情况下，将给定信号设置为单位阶跃信号； 给定信号设置为0，单位阶跃信号作为干扰信号； 15 给定信号为单位阶跃信号，并在秒时加入一个幅值为3的阶跃信号作为干扰信号。 双闭环控制系统 保存并打印如下曲线： 忽略干扰时，电流环的单位阶跃响应曲线。 分别加入两个干扰信号时的扰动曲线。 忽略扰动影响时，转速环的单位阶跃响应曲线。 转速环抗扰动仿真曲线，即在2、3出分别加入扰动信号，绘制扰动响应曲线。 16 三思考题解答 17 实验二：复杂系统的设计与仿真 实验学时：2 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的 1.掌握机电系统的基本构成； 2.学会运用MATLAB/Simulink进行控制系统设计及仿真的方法。 二、实验内容及原理 通过对某小功率角度跟踪系统和某锁相环位置伺服系统控制器的设计，来介绍机电系统设计与仿真的方法。 1.某小功率角度跟踪系统控制器的设计 某小功率角度跟踪系统的结构如图所示，其中整定系统可调放大系数K1?1，K2?800，滤波器时间常数TL?，伺服电动机拖动系统机电时间常数TM?。 图 小功率角度跟踪系统结构图 ?in?K1TLs?1K2s(TMs?1)?out对该位置随动系统进行仿真，并设计合理的PD控制器和反馈控制器对其进行全面仿真计算。 2.某锁相环位置伺服系统控制器的设计 某锁相位置伺服系统采用电动机驱动，电动机调速部分采用的大功率晶闸管供电的脉宽调制系统，系统结构如图所示。图中参数：Kj?，Tj?，Ke?，Ta?，Ki?，Kt?，Kf?，Tm?，T1?，K1?，K2?，K3?，R?2?。 设计合理的位置调节器、转速调节器和电流调节器实现系统的全面仿真。 18 为满足随动系统跟踪性能的要求，电流调节器可以设计成P控制器或PI控制器；转速调节器设计成PI控制器；位置环设计成PID控制器。 图 位置 伺 服三 闭 环系 统 结构 图 19 三、实验教学方法与手段 本实验教学采用指导老师“讲解+演示”的方式进行教学。 四、实验组织运行要求 根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模式组织教学”。 五、实验条件 计算机、信号发生装置、信号显示装置及搭建控制系统所需的元器件；实验用专业软件、教材和实验指导书。 六、实验步骤 1.某小功率角度跟踪系统控制器的设计 无校正时，系统的单位阶跃响应 在MATLAB/Simulink环境下，建立系统的动态结构图，如图所示。 图 小功率跟踪系统动态结构图 +1Transfer Fcn8002+ Transfer Fcn1Scope根据上图，运行仿真，记录仿真结果，并分析系统的动态性能。 设计PD控制器，进行串联校正 将设计PD控制器为：GPD(s)?1则进行PD串联校正的系统动态结构图，如图所示。 +1PD +1Filter Transfer Fcn8002+ Servomotor Transfer FcnScope图 带PD串联校正的小功率跟踪系统动态结构图 根据图，运行仿真，记录仿真结果，分析加入PD串联校正后系统动态性能的变化情20 况。 设计控制器，进行反馈校正 将反馈控制器设计为：H(s)?1对原系统在PI串联校正的基础上，调整K2使K2?120，则反馈校正闭环系统的动态结构如图所示。 +1Filter Transfer +1PI Adjuster1202+ Servomotor Transfer Fcndu/+1ScopeDerivativeFeedback Adjuster 图 带反馈校正的小功率跟踪系统动态结构图 对图进行仿真，记录仿真结果，并比较其与PD串联校正的优缺点。 2. 某锁相环位置伺服系统控制器的设计 该位置伺服系统属于一个包含电流环、速度环和位置环的三闭环控制系统，因此为确保控制器设计的可靠性，应自内而外进行控制器设计，即先设计电流环控制器ACR，接着设计转速环控制器ASR，最后设计位置环控制器AWR。 电流环控制器ACR设计 电流环的控制对象是双惯性型的，为确保电流环具有较小的超调量，将电流环按I型系统设计。根据自动控制理论，电流环控制器应是一个比例积分调节器，将其设计为： GACR?s? 此时，电流环的动态结构如图所示。 Steps+1Thyristor +1Armaturecurrentfeedback coefficient 21 图 电流环动态结构图 进行仿真实验，并记录仿真结果。 转速环控制器ASR设计 转速环按典型II型系统设计，原因是典型II系统具有II型无差度，且具有较好的抗干扰性能。转速环控制器ASR也是一个比例积分调节器，将其设计为： GASR?s? 此时，转速环的动态结构如图所示。 进行仿真实验，并记录仿真结果。 图 转速环 动态 结构 图位置环控制器AWR设计 位置环是最外环，为保证系统具有较好的动、静态性能，按典型II系统设计位置环控制器AWR，将其设计成一个比例积分微分调节器： Gs?118AWR?50 此时，位置环的动态结构如图所示。 进行仿真实验，并记录仿真结 +30sACRss+ feedback + feedback coefficientThyristor +1Emffeedback +118s+50AWRASRs+1StepAWR1s+1Thyristor ACRcurrent feedback feedback + 果。 位置环动态结构图图 23 TransmissionActuator Position七、思考题 1、典型三闭环控制系统哪几部分组成？ 2、比列系数P、积分系数I和微分系数在控制中的作用分别是什么？ 八、实验报告 实验报告基本内容详见附件。 九、其它说明 认真阅读相关实验设备注意事项，正确使用各实验设备。 24 附件: 学生实验报告基本内容要求 复杂系统的设计与仿真实验报告 班级&学号：姓名：一实验预习 1.实验目的2.实验原理二实验记录 某小功率角度跟踪系统控制器的设计 分别保存并打印以下三种情况的仿真曲线图： 无校正时，小功率角度跟踪系统的单位阶跃响应； 串入不同PD控制器时，小功率角度跟踪系统的单位阶跃响应； 加入反馈控制器时，小功率角度跟踪系统的单位阶跃响应； 25 某锁相环位置伺服系统控制器的设计 选取不同的ACR、ASR、AWR参数，分别保存并打印电流环、转速环和位置环的单位阶跃响应曲线。 三思考题解答 26 专心-专注-专业