《 机电系统建模与仿真》
实 验 指 导 书
王红茹 编 写
适用专业： 机械工程
____________ ____________
2015年11月
江苏科技大学机械工程学院
实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析
实验学时：2 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的
1. 掌握运用MATLAB/Simulink进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。 二、实验内容及原理
主要针对工程领域常用的自动控制系统－－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。
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（内环）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1.1所示。图中，直流电机参数：P nom =10kW ，U nom =220V ，I nom =53. 5A ，n nom =1500r /min ，电枢电阻
R a =0. 31Ω，系统主电路总电阻R =0. 4Ω，电枢回路电磁时间常数T a =0. 0128s ，机电时间常数T m =0. 042s ；三相桥平均失控时间T s =0. 00167s ，触发器放大系数
K s =30； 电流反馈系数K i =0. 072V /A ，电流环滤波时间常数T oi =0. 002s ；转速反馈系数K t =0. 0067V ⋅min/r ，转速环滤波时间常数T on =0. 01s 。
图1.1 双闭环V-M 调速系统的动态结构图
①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
T a 0. 0128
==3. 49
T s +T oi 0. 00167+0. 002
按Ⅰ型系统设计。
转速环按Ⅱ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。 ②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
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1.2所示，图中电流调节器参数设置为P =0. 32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：
①忽略干扰，给定信号用单位阶跃信号代替；
②分别加入两个干扰信号（用单位阶跃信号代替），绘制扰动曲线。
转速环的动态结构如1.3，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1.3，通过两个实验分析系统的动态性能：
①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；
②转速环抗扰动过程的仿真，在2、3出分别加入扰动信号，绘制扰动响应曲线。
图1.2
电
流环动态结构图
1.11 V-M
直流调速系统动态结构图
双闭环
图
七、思考题
1. 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。
附件: 学生实验报告基本内容要求
实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验报告
班级&学号： 姓名：
一．实验预习 1. 实验目的
2. 实验原理
3. 实验步骤
二．实验记录
三．思考题解答
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. 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控制器的设计，来介绍机电系统设计与仿真的方法。
某小功率角度跟踪系统的结构如图2.1所示，其中整定系统可调放大系数
K 1=1，K 2=800，滤波器时间常数T L =0. 0024s ，伺服电动机拖动系统机电时间
常数T M =0. 2s 。
图2.1 小功率角度跟踪系统结构图
对该位置随动系统进行仿真，并设计合理的PD 控制器（或PID 控制器）和反馈控制器对其进行全面仿真计算。
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）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2.2所示。
根据上图，运行仿真，记录仿真结果，并分析系统的动态性能。 （2）设计PD 控制器，进行串联校正 参考PD 控制器： G PD (s ) =
0. 028s +1
（2.1）
0. 001s 5+1
则进行PD 串联校正的系统动态结构图，如图2.3所示。
根据图2.3，运行仿真，记录仿真结果，比较加入PD 串联校正后系统的动态性能。
（3）设计控制器，进行反馈校正 参考反馈校正控制器：
0. 000452s 2
H (s ) = （2.2）
0. 0435s +1
对原系统在PI 串联校正的基础上，调整K 2使K 2=120，则反馈校正闭环系统的动态结构如图2.4所示。
对图2.4进行仿真，记录仿真结果，并比较其与PD 串联校正的优缺点。
七、思考题
1、试比较串联校正和反馈校正的优缺点。 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。
附件: 学生实验报告基本内容要求
实验二：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
3. 实验步骤
二．实验记录
三．思考题解答
11
《 机电系统建模与仿真》
实 验 指 导 书
王红茹 编 写
适用专业： 机械工程
____________ ____________
2015年11月
江苏科技大学机械工程学院
实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析
实验学时：2 实验类型：综合 实验要求：必修 一、实验目的
1. 掌握运用MATLAB/Simulink进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。 二、实验内容及原理
主要针对工程领域常用的自动控制系统－－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。
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（内环）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1.1所示。图中，直流电机参数：P nom =10kW ，U nom =220V ，I nom =53. 5A ，n nom =1500r /min ，电枢电阻
R a =0. 31Ω，系统主电路总电阻R =0. 4Ω，电枢回路电磁时间常数T a =0. 0128s ，机电时间常数T m =0. 042s ；三相桥平均失控时间T s =0. 00167s ，触发器放大系数
K s =30； 电流反馈系数K i =0. 072V /A ，电流环滤波时间常数T oi =0. 002s ；转速反馈系数K t =0. 0067V ⋅min/r ，转速环滤波时间常数T on =0. 01s 。
图1.1 双闭环V-M 调速系统的动态结构图
①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
T a 0. 0128
==3. 49
T s +T oi 0. 00167+0. 002
按Ⅰ型系统设计。
转速环按Ⅱ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。 ②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
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1.2所示，图中电流调节器参数设置为P =0. 32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：
①忽略干扰，给定信号用单位阶跃信号代替；
②分别加入两个干扰信号（用单位阶跃信号代替），绘制扰动曲线。
转速环的动态结构如1.3，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1.3，通过两个实验分析系统的动态性能：
①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；
②转速环抗扰动过程的仿真，在2、3出分别加入扰动信号，绘制扰动响应曲线。
图1.2
电
流环动态结构图
1.11 V-M
直流调速系统动态结构图
双闭环
图
七、思考题
1. 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。
附件: 学生实验报告基本内容要求
实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验报告
班级&学号： 姓名：
一．实验预习 1. 实验目的
2. 实验原理
3. 实验步骤
二．实验记录
三．思考题解答
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. 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控制器的设计，来介绍机电系统设计与仿真的方法。
某小功率角度跟踪系统的结构如图2.1所示，其中整定系统可调放大系数
K 1=1，K 2=800，滤波器时间常数T L =0. 0024s ，伺服电动机拖动系统机电时间
常数T M =0. 2s 。
图2.1 小功率角度跟踪系统结构图
对该位置随动系统进行仿真，并设计合理的PD 控制器（或PID 控制器）和反馈控制器对其进行全面仿真计算。
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）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2.2所示。
根据上图，运行仿真，记录仿真结果，并分析系统的动态性能。 （2）设计PD 控制器，进行串联校正 参考PD 控制器： G PD (s ) =
0. 028s +1
（2.1）
0. 001s 5+1
则进行PD 串联校正的系统动态结构图，如图2.3所示。
根据图2.3，运行仿真，记录仿真结果，比较加入PD 串联校正后系统的动态性能。
（3）设计控制器，进行反馈校正 参考反馈校正控制器：
0. 000452s 2
H (s ) = （2.2）
0. 0435s +1
对原系统在PI 串联校正的基础上，调整K 2使K 2=120，则反馈校正闭环系统的动态结构如图2.4所示。
对图2.4进行仿真，记录仿真结果，并比较其与PD 串联校正的优缺点。
七、思考题
1、试比较串联校正和反馈校正的优缺点。 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。
附件: 学生实验报告基本内容要求
实验二：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
3. 实验步骤
二．实验记录
三．思考题解答
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