运动控制实验报告.doc

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1、苏 州 市 职 业 大 学实训报告 名称 运动控制系统实训 项目 转速、电流双闭环直流调速系统的MATLAB仿真设计 2012年12月31日至2013年1月4日共一周院 系 电子信息工程系 班 级 姓 名 学 号 系主任 张红兵 教研室主任 邓建平 指导教师 叶国平 苏 州 市 职 业 大 学实训任务书 课程名称： 运动控制系统实训 起讫时间： 2012.12.312013.1.4 院 系： 电子信息工程系 班级： 指导教师： 叶 国 平 系 主 任： 张 红 兵 一、 实训课题 转速、电流双闭环直流调速系统的MATLAB仿真设计二、 实训要求1、 了解MATLAB6.5;2、 熟练掌握MAT

2、LAB6.5环境下Simulink工具箱和电力系统（SimPowersystem）工具箱的应用；熟悉工具箱中各模块的功能及其仿真参数、属性的设置；3、 掌握转速、电流双闭环直流调速系统中各个环节的传递函数形式；4、 掌握转速、电流双闭环直流调速系统的调速特性，学会分析转速、电流双闭环直流调速系统的稳态性能及动态性能；5、 设定调速系统的相关参数，画出双闭环直流调速系统的仿真模型并对得到的仿真结果进行详细的分析；6、 减小或者增大开环增益的值，分析仿真结果对系统稳态性能和动态性能的影响；7、 增大给定转速信号的值，仿真结果对系统稳态性能和动态性能的影响；8、 把仿真模型和仿真图形保存在一个WOR

3、D文档中；9、 完成实训报告，内容：对MATLAB和Simulink简单介绍；转速、电流双闭环直流调速系统的组成和工作原理、稳态参数关系、开环机械特性、静特性；建立单环系统仿真模型、仿真模型中所用到的模块名称及其功能、仿真结果分析；心得体会等。注意：报告用A4纸，用设计模板提供的封面；报告格式严格按照学校相关文件要求。三、 实训工作量1、指导教师概括介绍转速、电流双闭环直流调速系统的组成和工作原理、实训报告书写规范，发放材料。2课时2、指导老师概括介绍MATLAB/Simulink的基本知识、指导学生掌握仿真工具箱中各模块的功能及其参数设置6课时3、建立仿真模型并对仿真结果进行全面分析 9课时

4、4、完成实训报告 6课时5、提交转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型、仿真图形（MATLAB环境下）以及实训报告。1课时四、实训报告内容1) 绪论：概括介绍仿真控制技术的发展过程及其优点、简单介绍MATLAB和Simulink仿真工具箱；2) Simulink模块的基本操作：简单介绍如何进入Simulink环境、如何建立一个新的仿真文件（文件后缀名为.mdl）并进行保存、如何进行模块的选定、拷贝、移动、删除、连接、模块标题名称和内部参数的修改等；3) 转速、电流双闭环直流调速系统：重点介绍系统的组成和工作原理、各环节的传递函数、系统的稳态结构图、稳态关系、闭环静特性等；4) 转速、电流双闭环

5、直流调速系统的仿真模型及其分析：建立转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型、设置不同的开环增益和给定转速信号，对仿真结果进行全面的分析。5) 实训总结（心得体会）。6) 参考文献（格式和所使用教材中的参考文献格式一致）目录实训任务书1第一章 绪论51.1仿真控制技术51.2 MATLAB与控制系统仿真6第二章 转速、电流双闭环直流调速系统72.1双闭环直流调速系统的介绍72.2 双闭环直流调速系统的组成72.3 双闭环直流调速系统的工作原理82.4双闭环直流调速系统的稳态结构图8第三章 Simulink环境下的仿真103.1 双闭环直流调速系统的仿真模型图103.2 仿真参数设置103.3 仿

6、真结果及分析11第四章 实训总结14参考文献15第一章 绪论1.1仿真控制技术系统仿真作为一种特殊的试验技术，在20世纪30年代到90年代的半个多世纪中经历了飞速的发展，到今天已经发展成为一种真正的、系统的试验科学。伴随着第一台电子管电子计算机的诞生和以相似理论为基础的模拟技术的应用，仿真作为一种研究和发展新产品、新技术的科学手段，在航空、航天、造船、兵器等与国防科研相关的行业中首先发展起来，并显示了巨大的社会效益和经济效益。随着计算机技术的发展，仿真技术逐步发展，现已形成完整的学科，渗透到各个领域，为应用系统的研究提供了强大的工具。仿真技术发展趋势：1） 硬件发面，基于多CPU并行处理技术的

7、全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的时效性；2） 应用软件方面，直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发中，事之在人机界面、结果输出、综合评判等方面达到更理想的境界。仿真应用：1） 航空航天业，包括飞行器设计中的三级仿真体系（即数字仿真）、半实物仿真、实物仿真或模拟飞行试验，飞行员及宇航员训练用于飞行仿真模拟器等；2） 电力工业，包括电力系统动态模拟试验，电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流控制，电站操作人员培训模拟系统等；3） 原子能工业，包括模拟核反应堆，核电站仿真器，用来训练操作人员以及研究异常故障处理等；4） 石

8、油。化工以及冶金工业；5） 非工程领域，如医学、社会学、宏观经济和商业策略的研究等。1.2 MATLAB与控制系统仿真MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、

9、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用

10、户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和

11、可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。第二章 转速、电流双闭环直流调速系统2.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的

12、电流或转矩。2.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-1所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2-1转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压； ASR转速调节器； ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE电力电子变换器。该双闭环调速系统的两

13、个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。2.3 双闭环直流调速系统的工作原理ASR（速度调节器）根据速度指令Un*和速度反馈Un的偏差进行调节，其输出是电流指令的给定信号Ui*（对于直流电动机来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。ACR(电流调节器)根据Ui*和电流反馈Ui的偏差进行调节，其输出是UPE（功率变换器件的）的控制信号Uc

14、。进而调节UPE的输出，即电机的电枢电压，由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟着变化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te与TL不相等转速会相应的变化。整个过程到电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，转速不变后，达到稳定。2.4双闭环直流调速系统的稳态结构图Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图2-2双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流系统的稳态结构图如图2-2所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当

15、调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。第三章 Simulink环境下的仿真3.1 双闭环直流调速系统的仿真模型图图3-1转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型3.2 仿真参数设置在MATLAB软件中画好如图3-1所示的仿真模型后，控制电路中调节器的参数设置如下：给定转速信号Un*=20V，电流反馈系数为0.05；转速反馈系数为0.07；电流滤波时间常数Toi=0.002s;转速滤波时间常数To

16、n=0.01s。ASR和ACR这两个PI调节器的设置分别是ACR：Kpi=1.013,ti=0.03s,PI调节器中积分饱和值设为50，调节器输出的上下限幅值设为-100,100；ASR：Kn=11.7,tn=0.087s，PI调节器中积分器饱和值设为10，调节器输出的上下限幅值设为-10,10。其它没有说明的为系统默认值。通过对仿真算法的比较实践，本系统的算法选择ode23s；仿真开始时间为0，停止时间为6s。3.3 仿真结果及分析当建模和仿真参数设置完成后，即可进行仿真。图3-1所示模型的仿真结果如图所示3-2所示。图3-2（a、b、c、d）别是电机的转速、电枢电流、电磁转矩、励磁电流的仿

17、真波形。图3-2（a）转速变化仿真波形图3-2（b）电流变化仿真波形图3-2（c）电磁转矩变化仿真波形图3-2（d）励磁电流变化仿真波形结果分析：从图3-2（a）、(b)所示的转速、电流的仿真波形图可以看出，双闭环直流调速系统的仿真启动过程同样经历了电流上升、恒流调速、转速调节三个阶段。每一个阶段的转速和电流的变化都和转速、电流栓闭环直流调速系统的理论分析结果是一致的。可以看到，在图3-1仿真模型中设定的参数下，大约1.3s，双闭环直流调速系统趋于稳定，稳定转速达到额定转速。另外值得注意的是，在第二阶段结束，第三阶段开始时，转速达到给定值是，由于在PI调节器的积分器作用下，转速会继续上升以致出

18、现转速超调的情况，这是电流调节器的给定信号极性变负，使电枢电流下降。在电枢电流下降的过程中，由于图3-1的仿真模型为不可逆直流调速系统，晶闸管整流装置不能产生反向电流，所以电动机电枢电流不会出现负值。双闭环直流调速系统在电流的调节作用下，使得转速最终稳定在给定转速上。第四章 实训总结时间过得太快了，就这样我的大学接近尾声。但这次实验让我懂得了许多知识。这次实验综合运用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动与控制技术等的知识，为了更好的完成设计，我又重新复习了一遍原来所学的知识，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能力，同时使我认识到了各个课程之间是紧密联系的。具体的说，第一，了解了调速的发展

19、史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，基本掌握了ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅，同时感谢在设计中提供帮助的老师和同学们。参考文献1、李友善.自动控制原理.北京：机械工业出版社，20072、钱平，赵金荣主编，高等教育出版社，电气自动化控制类大学生职业技能培训教材（PLC应用技术及电气传动应用技术卷）（2005-6-1）；3、黄绍平，李永坚，工矿自动化，基于MATLAB的直流电动机斩波调速系统仿真研究， 2005年2月第1期；4、李发海、王岩.电机拖动基础.第三版.北京：清华大学出版社，2005