运动控制实验报告罗才宝.docx

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运动控制实验报告罗才宝

运动控制

MATLAB----SIMULINK仿真实验

实

验

报

告

姓名：

罗才宝

学号：

0953505008

班级：

09自动化

时间：

2014年4月15日

一、实验目的：

（1）、熟悉MATLAB在单、双闭环直流调速系统中的应用。

（2）、了解单、双闭环直流调速系统的组成。

（3）、掌握单、双闭环直流调速系统的调试及参数整定。

（4）、了解调节器参数对系统动态性能的影响。

二、实验内容：

本实验采用工程设计方法对单、双闭环直流调速系统进行设计，WASR和WACR均用PI调节器（仿真中采用PID模块，将其设计成PI调节器），其中，双闭环采用带限幅的PI调节器，并对对应参数进行计算和校验。

本次实验用MATLAB—SIMULINK对单、双闭环直流调速统计系统进行仿真，实验中建立起动态和抗负载扰动的MATLAB—SIMULINK仿真模型，并进行调试，使得单、双闭环直流调速系统趋于合理与完善，最终对仿真结果进行分析总结。

三、实验过程与分析：

1、单闭环直流调速系统仿真：

1.1实验说明：

本次试验采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统，在保证系统稳定的前提下实现转速无静差调速。

1.2系统参数设计：

系统用三相桥式全空整流电路供电的单闭环直流调速系统仿真，则Ts=0.0017s。

其中：

uN=220v,IN=13.6A,nN=1480r/min,Ce=0.131v/（r/min）,电流允许过载倍数

Ks=76,电枢回路总电阻：

，时间常数：

Tl=0.018s,Tm=0.25s,uNm*=5v。

计算反馈转速系数：

α=uNm*/nN=5v/（1480r/min）=0.00337v/（r/min）。

1.3单闭环直流调速系统仿真过程、结果及分析:

1.3.1无负载扰动时的单闭环直流调速系统仿真图:

1.3.1.1系统施加阶跃信号（uNm*=5v）后的输出转速结果波形图：

1.3.1.2更改系统电压放大系数Ks后转速输出结果波形图：

Ks:

76→200Ks:

76→20

1.3.1.3更改系统电磁时间常数Tl后转速输出结果波形图：

Tl:

0.018→0.5Tl:

0.018→0.0002

1.3.1.4结果分析：

该转速单闭环直流调速系统显然按典型II型系统进行设计的，转速调节器ASR采用PI调节器（传递函数为：

WASR（s）=KPi（τns+1）/τns）,系统用PI调节器进行串联校正，牺牲了系统快速性，可抗扰性能、稳态精度变好。

分析输出波形不难得出：

系统启动后经过ts=4s达到稳定，可见单闭环直流调速系统具有服从给定的跟随性能；当Ks:

76→200时，系统调节时间ts明显变短，系统快速性、稳定性变好；Ks:

76→20时，系统调节时间ts大大变长，系统快速性变差；当Tl:

0.018→0.5时，ASR明显变得不饱和了，转速起初出现了一定程度的波动，不过ts没变；Tl:

0.018→0.0002时，系统起始时系统并没有转速，但到6.7s时系统转速突增到1479r/min，并有波动现象，说明此时系统不稳定。

可见只有各项参数都设计合理，才能使系统性能趋于完善。

1.3.2加负载扰动时的单闭环直流调速系统仿真图:

1.3.2.1系统施加阶跃给定信号和阶跃扰动后的转速输出结果波形图：

1.3.2.2结果分析：

从上述实验输出波形可以得知：

与1.3.1实验对比不难发现，在系统稳定运行后加负载扰动，系统输出转速先出现一定程度的下降（即：

出现动态速降△n）然后通过系统自行调节后恢复到给定转速，说明外加负载扰动后，转速调节器能自行跟随同步响应，最终达到调速的目的，也反映出了闭环调速系统的动态跟随性能和抗扰性能。

2、双闭环直流调速系统仿真：

2.1实验说明：

此次实验按工程设计方法进行设计。

其中，电流环（内环）按典型I型系统进行设计，转速环（外环）按典型II型系统进行设计。

2.2系统参数设计：

系统用三相桥式全空整流电路供电的双闭环直流调速系统仿真，则Ts=0.0017s。

其中：

uN=220v,IN=13.6A,nN=1480r/min,Ce=0.131v/（r/min）;电流允许过载倍数

;Ks=76,电枢回路总电阻：

，时间常数：

Tl=0.018s,Tm=0.25s;uNm*=5v,β=0.4V/A,α=0.00337v/（r/min）,Toi=0.005s,Ton=0.005s。

2.3双闭环直流调速系统仿真过程、结果及分析:

2.3.1无外加负载扰动且无滤波时的双闭环直流调速系统仿真图:

2.3.1.1系统施加阶跃给定信号后的输出转速结果波形图：

2.3.1.2更改系统电压放大系数Ks后转速输出结果波形图：

Ks:

76→200Ks:

76→30

2.3.1.3更改系统电磁时间常数Tl后转速输出结果波形图：

Tl:

0.018→2Tl:

0.018→0.0001

2.3.1.4改变限幅环节参数后的转速输出波形结果图：

限幅：

-6~6→-20~20限幅：

-6~6→-2~2

2.3.1.5结果分析：

为了保证WASR和WACR的运算放大器工作在线性区及保护系统元、部件与装置的安全，在WASR和WACR的输出端加了限幅环节（-6~+6）。

从上述实验输出转速波形可以得知：

系统启动后，tr=1.3s,ts=5s,б=（1800-1480）/1480=21.6%，系统快速性、稳定性较好，系统最终服从给定，体现了控制系统动态跟随性能；当Ks:

76→200时，系统上升时间tr、调节时间ts明显变短，系统快速性优化了；Ks:

76→30时，系统调节时间ts大大变短，可输出转速（1380r/min）没达到给定值，此性质是与转速单闭环调速系统所不同的；当Tl:

0.018→2时，转速起始段出现了一定程度的波动，超调量б=（2040-1480）/1480=37.8%明显变大，系统的稳定性变差；Tl:

0.018→0.0001时，系统起始时系统并没有转速，但到8.31s时系统转速突增到1468r/min，并有波动现象，此时的系统是不稳定的；限幅值从-6~6→-20~20时系统没变化；从-6~6→-2~2时，ts=2s,б=0%,快速性、稳定性变好，可输出转速只有1180r/min，远没达到给定值。

于是可得：

系统各项参数只有合理取舍，优化设计，才能使系统性能趋于合理完善。

2.3.2外加阶跃负载扰动时的双闭环直流调速系统仿真图:

2.3.2.1系统施加阶跃信号和阶跃负载扰动后的输出转速结果波形图：

2.3.2.2结果分析：

从输出波形对比分析可得：

此系统稳定后加负载扰动，输出转速出现了较大程度的下降（即动态速降△n），WASR和WACR的调节量都相应曾加，可几秒钟后系统又恢复稳定，服从给定。

可见双闭环直流调速系统的动态跟随性能和抗扰动性能较好。

四、实验整体分析总结：

1、做双闭环直流调速系统仿真时，构造WASR和WACR模块时采用了PID控制器（设计成PI控制器）和限幅器（设计相应参数）二者串联，但此种组合属于外限幅方式，PI控制其中的电容在限幅时并未停止充电，导致输入端反向退饱和时加长了反向充电时间，使得仿真结果与理论并不十分吻合。

2、MATLAB设计和分析功能十分强大，但其并不是万能的，比如有些模块我们需要自行构造才能满足需要。

3、仿真模块图搭建之后，实验过程中发现，双闭环直流调速系统的限幅环节十分重要，它的参数设计直接影响着调节时间和输出转速。

还有就是某些参数需要实验中不但调试才能满足要求。

4、此次仿真试验不仅加强了我对所学知识的理解，也培养了我的自学与独立思考问题的能力。

5、通过实验让我意识到了，虽然很多试验在实际中无法实现，但可用仿真软件进行调试、分析，使所设计的系统性能得到优化。