《机电系统建模与仿真》实验指导书(2)

给定信号-控制器被控对象末端执行机构检测元件图1.1 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（V-M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1.2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1.2 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?0.5?，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?0.017s，机

电动机电动势转速比Ce?Unom?InomRannom电时间常数Tm?0.075s；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?0.00167s；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。 （2）双闭环控制系统

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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1.3所示。图中，直流电机参数：Pnom?10kW，Unom?220V，Inom?53.5A，nnom?1500r/min，电枢电阻

Ra?0.31?，系统主电路总电阻R?0.4?，电枢回路电磁时间常数Ta?0.0128s，

机电时间常数Tm?0.042s；三相桥平均失控时间Ts?0.00167s，触发器放大系数

Ks?30； 电流反馈系数Ki?0.072V/A，电流环滤波时间常数Toi?0.002s；转速

反馈系数Kt?0.0067V?min/r，转速环滤波时间常数Ton?0.01s。

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1.3 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

TaTs?Toi?0.01280.00167?0.002?3.49?10。由于典型Ⅰ型系统的超调量小，因此将电

流环按典型Ⅰ型系统设计。

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转速环按典型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

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：

①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（如图1.4）

图1.4（a） 基础杆3D模型

图1.4（b） 驱动杆3D模型

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图1.4（c） 连杆3D模型

图1.4（d） 连杆支架3D模型

②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（与基础杆link_4连接）；连杆link_2通过销钉连接方式装入（与驱动杆link_driver连接）；连杆支架link_3通过两个销钉连接方式装入（分别与连杆支架link_3和基础杆link_4连接）如图1.5所示。

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图1.5 平面四连杆机构3D模型

③进入机构仿真环境，运行“重新连接”，检验机构装配的正确性。 ④创建驱动器，如图1.6和1.7所示。 ⑤运动分析，如图1.8所示。

图1.6 运动轴选取

图1.7 运动轨迹设置

图1.8 运动分析定义

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