运动控制系统仿真---实验讲义

实验一 MATLAB 软件操作练习一、 实验目的1. 熟悉MATLAB 软件的基本操作；2. 学会利用MATLAB 进行基本数学计算的方法；3. 学会用MATLAB 进行矩阵创建和运算。

二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 使用help 命令，查找 sqrt （开方）、roots (求根)等函数的使用方法；2. 用MATLAB 可以识别的格式输入以下矩阵75350083341009103150037193......A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦并将A 矩阵的右下角2×3子矩阵赋给D 矩阵。

赋值完成后，调用相应的命令查看MATLAB 工作空间的占用情况。

3. 矩阵运算（1）矩阵的乘法已知A=[1 2;3 4]; B=[5 5;7 8];求A^2*B（2）矩阵除法已知 A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3];A\B,A/B（3）矩阵的转置及共轭转置已知A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i];求A.', A'（4）使用冒号选出指定元素已知： A=[3 2 3;2 4 6;6 8 10];求A 中第3列前2个元素；A 中所有列第2，3行的元素；4. 分别用for 和while 循环结构编写程序，求出6323626302122222i i K ===++++++∑并考虑一种避免循环的简洁方法来进行求和。

四、实验步骤1. 熟悉MATLAB 的工作环境，包括各菜单项、工具栏以及指令窗口、工作空间窗口、启动平台窗口、命令历史窗口、图形文件窗口和M 文件窗口；2． 在指令窗口中完成实验内容中规定操作并记录相关实验结果；3. 完成实验报告。

实验二 M 文件编程及图形处理一、实验目的1．学会编写MATLAB 的M 文件；2．熟悉MATLAB 程序设计的基本方法；3. 学会利用MATLAB 绘制二维图形。

二、实验设备计算机一台，MATLAB 软件三、实验内容1. 选择合适的步距绘制出下面的图形（1）sin(tan )tan(sin )t t -，其中(,)t ππ∈-（2）-0.5t y=e sin(t-)3π，t ∈[0，20]（3）在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5)， t ∈[0，2π]2.基本绘图控制绘制[0，4π]区间上的x1=10sint 曲线，并要求：（1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号；（2）给横坐标标注’t ’，纵坐标标注‘y(t)‘，3.M 文件程序设计（1）编写程序，计算1+3+5+7+…+(2n+1)的值（用input 语句输入n 值）；（2）编写分段函数⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-<≤=其它021210)(x x x x x f的函数文件，存放于文件ff.m 中，计算出)2(f ，)3(-f 的值四、实验要求1. 预习实验内容，按实验要求编写好实验程序；2. 上机调试程序，记录相关实验数据和曲线，3. 完成实验报告。

运动控制系统实验实验一晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定一．实验目的1．熟悉晶闸管直流调速系统的组成结构；2．掌握晶闸管直流调速系统参数与环节特性的测定方法。

二．实验内容1．测定晶闸管整流装置的外特性；2．测定晶闸管触发及整流装置的放大系数；3．用直流伏安法测量直流电动机的电枢电阻和电抗器电阻；4．直流电动机电势常数Ce和转矩常数C M的测定；5．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M（选做）；6．测定直流电动机－发电机－测速发电机组的飞轮惯量GD2；7．绘制自由停车曲线n=f ( t )（选做）；8．测速发电机特性U TG=f (n)的测试；9．用交流伏安法测量直流电动机电枢回路的电感；10．计算主电路电磁时间常数测定。

三．实验系统组成和工作原理晶闸管直流调速系统由三相交流电路、晶闸管整流调速装置、平波电抗器，电动机——发电机组等组成。

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变U g的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

四．实验设备及仪器见表3－1五．注意事项为防止电枢过大电流的冲击，每次增加U g 须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。

表3－1实验设备及仪器六．实验方法1．测定整流装置的外特性u ＝f( I )，并确定其内阻r 。

⑴ 实验原理 见图3－1图3－1 整流装置外特性测试原理图⑵ 数据测定及处理每次实验前，都应将负载电阻R 的阻值置于最大。

由于考虑到整流装置内阻的非线性关系，因此在实验中应测定不同的α角时的外特性曲线u ＝f( I )，α值可取三种不同的角度，对于每个不同的α值，通过改变R 的大小，可测取其4个左右的相应参数，并描述u ＝f( I )曲线（应为直线簇），该直线的斜率即为r 。

r＝△u /△I（合理选择△u 、△I的值）在实验中，应注意负载电流不得超过其额定值0.6A；每次重新改变α时，R应置于最大位置。

实验1 了解运动控制实验系统1．1 实验目的1、了解运动控制系统中的步进电机，伺服电机，变频电机，及其他们的驱动，并掌握步进电机与伺服电机的区别。

2、掌握运动控制系统的基本控制原理，与方框图，知道运动控制卡是运动控制系统的核心。

3、了解电机的面板控制，在有些工业控制过程中，能在程序控制无响应的状态下用面板进行紧急停止运动。

1．2 实验设备1、运动控制系统实验平台一台。

2、微型计算机一台。

1．3 概述此多轴运动控制实验平台是基于“PC+运动控制卡”模式的综合性实验平台，对各类控制电机实施单轴和多轴混合运动控制。

该实验平台是学生了解和掌握现代机电控制的基本原理，熟悉现代机电一体化产品控制系统的入门工具。

通过该平台的实物教学和实际编程操作，学生可以掌握现代各类控制电机基本控制原理、运动控制的基本概念、运动控制系统的集成方法，从而提高学生综合解决问题的能力。

1．4 运动控制系统组成PC机（上位机）、运动控制器（下位机）、接口板、24V直流电源、交流伺服电机驱动器、交流伺服电机、步进电机驱动器、步进电机、变频调速电机驱动器、变频调速电机、导线及电缆。

运动控制实验台结构图如下：图1.1系统硬件方框图*上图中直流电源为24V，直流稳压电源，为接口卡与步进电机驱动器提供电压。

伺服电机（及其驱动器）：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

交流伺服电机的工作原理：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

步进电机（及其驱动器）：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

1绪论电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。

L1前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统儿乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。

单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。

1.1直流电机的调速方法和可控直流电源直流调速系统是自动调速系统的主要形式，它具有良好的起、制动性能，可以在较宽的调速范围内实现平滑调速，较快的动态响应过程，并且低速运转时力矩大这些极好的运行性能和控制特性，尽管直流调速系统中的直流电动机不如交流电动机］那样结构简单、制造和维护方便、价格便宜。

但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。

当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。

但是就LI前来看，在纺织印染、造纸印刷、数控机床、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、通讯设备、雷达设备，仍然广泛采用直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它乂是交流调速系统的基础。

因此，本书先着重讨论直流调速系统。

1.2课程设计目的课程设讣是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。

运动控制系统课程设汁，要求学主更多的完成软硕结合的动手实践方案，解决LI前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象.《运动控制系统课程设计》是继《电子技术》、《电力电子技术》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其U的和任务是训练学生综合运用已学课程电子技术基础、电力电子技术、运动控制系统的基本知识，独立进行运动控制系统应用技术和开发 工作,掌握运动控制系统设讣、调试和应用电路设计、分析及调试检测。

《运动控制系统仿真》实验讲义谢仕宏xiesh@实验一、闭环控制系统及直流双闭环调速系统仿真一、实验学时：6学时二、实验内容：1.已知控制系统框图如图所示：图1-1单闭环系统框图图中，被控对象G(S) 10e-150s，GC(S)为PID控制器，试整定PID控制器300s + 1参数，并建立控制系统Simulink仿真模型。

再对PID控制子系统进行封装，要求可通过封装后子系统的参数设置页面对KP、Ti、Td进行设置。

2.已知直流电机双闭环调速系统框图如图1-2所示。

试设计电流调节器ACR和转速调节器ASR并进行SimUIink建模仿真。

图1-2直流双闭环调速系统框图三、实验过程：1、建模过程如下：(1)PID控制器参数整顿根据PID参数的工程整定方法(Z-N法)，如下表所示，KP= 伯=0.24,Ti= 2 =300, KτTd= 0. 5 =75。

表1-1 Z-N法整定PID参数PI 0.9T-K T3τ无0.4K c0.8TC无PID 1.2TK I2τ0∙5τ0.6KC0.5TC0.12TC(2) Simulink仿真模型建立建立SimUIink仿真模型如下图1-3所示，并进行参数设置:图1-3中，SteP模块"阶跃时间”改为 O, Transport Delay模块的"时间延迟”设置为 150,仿真时间改为1000s，如下图1-4所示：图1-3 PID控制参数设置运行仿真，得如下结果:IP回GamlIntegratordu'dlS S□VieW Simulation FOrmat ToOlS C¾ I ∣-CaΛtel50.5 O500IPlD ≠I ≡ •希刊3片令Uy 卜I IlOOo J⅛orΛal 三爭 E Φ I- F 過应®图1-7 PID 子系统Tim& offset. 0(3) PID 子系统的创建首先将参数 Gain 、Gain1、Gain 三个模块的参数进行设置，如下图所示:图1-5 PID 控制运行结果GarnWO O≡ a [^： P 刃盹逼圖0 ■垢G I airl2 Deirivativ®W FUnCtlOn BlaCk PararrleterS- Gain图1-6 PID 参数设置然后建立PID 控制器子系统，如下图1-7所示:TranSier FCn TransportDelaySietLal AttrLbUEiElIerrt-UriSe g ,aiιι (y =, Je-IaIi吕 FUnCtiOn BIoCk Paranneters≡ Gain2Signal Att ributSaJliJJIe tine (-1 for i≡<P a,E ≥τ∣e i t 6r AttElbulesHlenent5⅞jιple txι≡c (-1 fur IeihKnlt ipLicat iαι∏LS EleMrtt -vise (K. *u) Sanple tune Ii-I for inketLtθd) iElenent-Wije g 自丄n (y = .)LAU) _OE j¾⅛tn⅜ ⅛⅛LΠ Jy ± K ÷ α Oru^K}aV⅛ FUnCtiOn Block Parameters ： GainI K⅛LΓi(T)IlU I ltiPIICatiOn5 EIenI l eTSUbSyStem10300s+1出封装编辑器，并进行相应参数设置，如下图1-8、1-9所示,图1-9 PID 子系统封装参数设置tfl MaSk Editor ； SUbSyStemICOn & PortS ParameterS Initialization DOCdrnentatiOn OPtiOnS BIQCk Frame ViSibleIcon TranSParenCy OPaqUe ICOri UnitS AUtOSCaIe ICOn ROtation FiXed POrt ROtatiOn DefaUltkon DraWing COmmandSdisp( PlD Controller')EXamPleS OfdraWing CommandSCOinrD3∩d I lIalr tJLabeI ClabEl ≡peci fi E Por tsj SyntaXPOrtJabel(, oUtPUt l J I J h xy ,)UnmaSkI OK ]3Kel I I HelP ∣ APPly图1-8 PID 子系统封装文本显示¥ MaSlC EditOr: SubsystemKQn & POrH ParameterS InitiaIiZation DOCUmentatiOrl... PromPt Variable TyPe EvaL.. T UIY ., Ta,..1 PID KpIKP edit F 02 3 PID Ti Ti edit +√PtD_TdTdedit »Ell√lDiaICg parameters QPtIOnS for SeIeCtecl Pararneter TyPe-SPeCifiC OPtiOl NO type-specific o ∣GeneriC OPtiOnS In dialog:√l EnabIe ParamShOW Parame lH Dialog callback ：UnmaSk CanCelHelP APPly在对图1-9所示封装变量设置完成后，封装后的PID子系统如下图1-10所示图1-10封装后PID控制仿真模型双击图1-10中的PID子系统，按图1-11作参数设置，即可完成PID参数设置。

控制系统仿真实验教学大纲
一、实验基本信息
课程编号：201404137
中文名称：控制系统仿真
英文名称：Control system simulation
课程性质：专业选修课程
面向专业：自动化
开设学期：7
课程总学时：32
实验学时：8
是否独立设课：否
二、实验目的和任务
本实验是控制系统仿真课程开设的实验。

控制系统仿真是控制工程领域工程师必须熟练掌握的重要知识和技能，培养学生进行控制系统计算机辅助分析、设计与研究的思维和开发实施及协作创新能力，以解决实际问题为驱动，激发学生的学习兴趣，通过实验设计，使学生获得综合运用专业知识和计算机技术解决实际问题的方法。

三、实验教学基本要求
控制系统仿真是一门针对控制理论课程的实践性应用型非常强的课程，要求学生要理论联系实际，在熟练掌握基本概念原理、基本方法和应用后，重点应放在与工程实际的结合应用能力上，上机操作是本课程重要的教学环节。

通过实验培养学生具备进行控制系统仿真的知识、能力和创新素质。

1、具有应用控制系统仿真知识的能力。

2、能够解决实际工程工作中控制系统计算机辅助分析、设计与研究问题。

3、具备研究思维、独立研发实施和协作创新等基本素质。

四、实验项目基本情况
五、实验教材（指导书）或网络资源
[1]管凤旭，姜倩. 控制系统仿真实验技术, 北京：清华大学出版社，2015
六、考核方式
实验部分成绩占课程总成绩40%，共40分。

实验部分成绩包括三部分，包括实验出勤4分，实验操作情况12分，实验报告24分。

实验1 转速反馈控制的直流调速系统仿真一、实验目的1.熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 软件进行系统仿真。

2.学会用MATLAB 下的SIMULINK 软件建立转速反馈控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。

二、结构原理图设计图1 调试系统原理图图1为转速负反馈闭环调速系统仿真框图，各环节参数如下：直流电动机：额定电压N U =220V ，额定电流dN I =55A,额定转速N n =1000r/min,电动机电动势系数e C =0.192Vmin/r 。

假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数s K =44，滞后时间常数s T =0.00167s 。

电枢回路总电阻R=0.1Ω，电枢回路电磁时间常数l T =0.00167s ，电力拖动系统机电时间常数m T =0.075s 。

转速反馈系数α=0.01Vmin/r 。

对应额定转速时的给定电压*n U =10V 。

三、仿真实验1. 搭建simulink 仿真实验图搭建完成如图2所示图2 simulink仿真实验图2.基础实验（1）考虑有反馈和无反馈对转速降落差的影响。

下图图3和图4分别为闭环和开环下的示波器显示图图3 闭环情况下的示波器显示图4 开环情况下的示波器显示结论：转速发生偏差时，有反馈系统能有效的抑制，并跟紧给定值；而没有反馈的系统偏差会越来越大。

（2）计算开环机械特性和闭环静特性。

（ss K K P ττ11+=比例积分环节）系统开环机械特性：ed e n S C RIC U K K n -=*1系统闭环静特性：()()K C RI K C U K K n e de n S +-+=*111（3）讨论P 调节、I 调节、PI 调节对快速性和静差的影响。

以下图5、图6分别是P 调节、I 调节的示波器显示图。

图5 P调节下的示波器显示图6 I调节下的示波器显示图根据3种情况下的对比可得以下结论：1.P调节响应速度快，调节动作敏捷，只能减小但无法消除静差。

运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。

具体要求如下： 在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,变换器的放大倍数s K =35。

电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。

额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =7.2V 。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。

试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3N I 以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。

（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。

给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。

（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。

并与仿真结果进行对比分析。

（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。

（6）在5s 突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。

（一）实验参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： • 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e=0.132Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5； • 晶闸管装置放大系数：K s=40； • 电枢回路总电阻：R =0.5Ω ； • 时间常数：T i=0.03s ， T m=0.18s ；• 电流反馈系数：β=0.05V/A （≈10V/1.5I N ）。

运动控制系统实验讲义实验一不可逆单闭环直流调速系统一．实验目的1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。

2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。

3．学习反馈控制系统的调试技术。

二．实验内容1．系统开环工作机械特性。

2．转速负反馈有静差系统工作静特性。

3．转速调节器ASR输出限幅调节。

4．转速反馈信号强度整定及极性判别。

三．实验线路及原理实验线路参见图6-3.2。

四．实验设备及仪器1．MCL—Ⅲ教学实验台主控制屏2．MCL—32T组件3．MCL—31组件4．MCL—33组件5．可调电阻器900Ω/0.4A×26．电机导轨及测速发电机7．直流电动机M038．直流发电机M01 9．双踪示波器 10．万用表五．实验方法1．按图接线，触发电路检查及调试（主电路电源未通电）依次打开实验台主控制屏上的自动开关、中央锁控开关、低压直流开关、激磁电源开关，有正常的电压LED 指示。

参见第四章实验七：（1）同步电源相序、触发电路脉冲检查。

（2）如图6-3.1所示,调节脉冲初始相位α=90°。

2．系统开环工作机械特性。

（1） G （给定）输出直接加至相移控制电压U ct 端。

给定电位器RP1左旋到底，使U ct =0。

电机空载。

（2）合上主电路电源，逐渐调节给定电压U g ，使电机空载转速n 0=1500转/分，调节发电机负载电阻R d ，在空载至额定负载的范围内(0.8A)测取7～8点，读取电机电枢电流I d 以及对应转速n 。

求取系统开环工作机械特性曲线（3）在电机额定状态下（同时满足n=1500 r/min 、I d =0.8 A ），调节FBS 的RP 电位器使转速反馈输出为+5V ，同时，用万用表测取给定电压输出作为U gmax 。

3．转速负反馈有静差系统工作静特性（1）断开主回路电源，ASR的输入“1”端与FBS转速反馈的输出“3”端相连(另外注意转速反馈输出“4”端与给定单元共地)，输入“2”端与G （给定）的输出U g端相连，输出“3”端与相移控制电压U ct端相连，“4”端与DZS零速封锁的输出“3”端相连，短接ASR的“5”与“6”端，构成比例调节器。

Simulink中传递函数的建立实验一Matlab和实验目的一．中建立系统传递函数的方法。

Matlab 1.掌握在中建立系统的传递函数及结构图的方法。

2.掌握在Simulink二．实验设备及仪器软件计算机、Matlab三．实验内容推出的一个科技应用软件，已经发展成为一个适用于多学科MathworksMatlab是由美国在本课程的实验中主要使用该软件的控制系统工它涉及领域广泛，多工作平台的大型软件。

设计提供的结构Matlab具箱，以加深对控制理论及其应用的理解。

Simulink是该公司专门为使该仿真环境下的用户程序其外观就是系统的结构图，图编程与系统仿真的专用软件工具，得系统仿真变得简便直观。

1.Matlab 中建立系统传递函数命工作空间窗口可以显示Matlab中的各个变量。

Matlab启动后的用户界面如图1-1所示，令窗口可以输入各种命令，这也是输入系统传递函数的窗口。

Matlab启动界面图1-1（1）. Matlab中求解微分方程个方12)，该函数最多可同时求解21”, “方程”,…dsolve(求解微分方程所用的命令为“方程2yd在接变量名，例如：代表D2y。

表示，程。

方程中的各阶导数项以大写的D后面跟阶数，2dxdc(0)?00c(0)?Matlab1例：在，中求解下列微分方程，变量初始值为t 12dccd2?2?c?22dtdt)t?2*cos(y??2，通过解：在命令窗口中键入命令如图1-2所示。

可见方程的解所示。

ezplot命令可以绘制该微分方程解的曲线如图1-3Matlab中输入微分方程图1-2ezplot命令绘制图形图1-3，zpk。

. Matlab中输入传递函数常用的命令有：tf，printsys（2）可以输入多项式形式的传递函数，首先根据传递函数写出分子多项式，prinfsys 命令tf numnum denden或令tf(,)系数向量。

然后输入命项的数系向量，分母多式的）即可得到传递函数。

运动控制系统实验报告运动控制系统实验报告概述运动控制系统是现代工业中不可或缺的一部分，它通过对机械设备的运动进行精确的控制，实现了生产过程的自动化和高效化。

本实验旨在通过对运动控制系统的研究和实验，探索其原理和应用。

一、实验目的本次实验的主要目的是研究运动控制系统的基本原理和应用，包括控制器的设计、运动规划和运动控制算法的实现。

通过实验，我们将深入了解运动控制系统的工作原理，掌握其调试和优化方法，为今后在工业自动化领域的应用打下基础。

二、实验装置和原理实验所用的运动控制系统包括运动控制器、电机驱动器和电机。

运动控制器是整个系统的核心，它接收外部的控制信号，经过处理后输出给电机驱动器。

电机驱动器负责将控制信号转换为电机能够理解的电压和电流信号，并驱动电机实现运动。

电机则是实际执行运动的部分，它根据电机驱动器的信号进行转动或线性运动。

三、实验步骤1. 系统搭建：按照实验指导书的要求，将运动控制器、电机驱动器和电机连接起来，并进行必要的设置和校准。

2. 控制器设计：根据实验要求，设计控制器的结构和参数。

可以选择PID控制器或者其他适合的控制算法。

3. 运动规划：根据实验要求，设计合适的运动规划方式。

可以使用简单的直线运动或者复杂的曲线运动。

4. 运动控制算法实现：将设计好的控制器和运动规划算法实现在运动控制器上。

可以使用编程语言或者专用的控制软件。

5. 实验调试：进行实验前的调试工作，包括控制器参数的调整、运动规划的优化等。

6. 实验运行：按照实验要求，进行实验运行并记录实验数据。

7. 数据分析：对实验数据进行分析和处理，评估实验结果的准确性和稳定性。

8. 实验总结：总结实验过程中的问题和经验，提出改进和优化的建议。

四、实验结果与讨论根据实验数据和分析结果，我们可以得出运动控制系统在不同条件下的性能表现。

通过对比不同控制算法和运动规划方式的实验结果，我们可以评估其优缺点，并选择最适合实际应用的方案。

五、实验的意义和应用运动控制系统在现代工业中有着广泛的应用，包括机械加工、自动化生产线、机器人等领域。

实验一晶闸管直流调速系统主要单元的调试一、实验目的(1) 熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。

(2) 掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。

二、实验所需挂箱及附件三、实验内容(1) 调节器Ⅰ的调试(2) 调节器Ⅱ的调试(3) 反号器的调试(4) 各模块的排故练习四、实验方法将PAC09A挂箱的10芯电源线与控制屏连接, PAC09A的”±15V”、”±12V”直流电源输出与PAC31的直流电源输入端口一一对应连接, 打开电源开关, 即能够开始实验。

(1) 各模块的故障设置与分析请参考第二章相关内容。

(2) ”调节器Ⅰ”的调试①调零将PAC31中”调节器Ⅰ”所有输入端接地, 再将RP1电位器顺时针旋到底( 逆时针旋到底为0, 顺时针旋到底为10K) , 用导线将”5”、”6”短接, 使”调节器Ⅰ”成为P (比例)调节器。

调节面板上的调零电位器RP2, 用万用表的毫伏档测量调节器Ⅰ”7”端的输出, 使调节器的输出电压尽可能接近于零。

②调整输出正、负限幅值把”5”、”6”短接线去掉, 此时调节器Ⅰ成为PI (比例积分)调节器, 然后将PAC12的给定输出端接到调节器Ⅰ的”3”端, 当加一定的正给定时, 调整负限幅电位器RP4, 观察输出负电压的变化, 当调节器输入端加负给定时, 调整正限幅电位器RP3, 观察调节器输出正电压的变化。

③测定输入输出特性再将反馈网络中的电容短接( 将”5”、”6”端短接) , 使调节器Ⅰ为P( 比例) 调节器, 在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压, 测出相应的输出电压, 直至输出限幅, 并画出曲线。

④观察PI特性拆除”6”、”7”短接线, 突加给定电压, 用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。

改变调节器的PI参数( 调节RP1) , 观察输出电压的变化。

(3) ”调节器Ⅱ”的调试①调零将PAC31中”调节器Ⅱ”所有输入端接地, 再将RP1电位器逆时针旋到底( 逆时针旋到底为0, 顺时针旋到底为10K) , 用导线将”11”、”12”短接, 使”调节器Ⅱ”成为P (比例)调节器。

.实验报告步进电机控制实验实验目的：把握编程的灵活性和简洁性，学习PLC控制步进电机的方法。

步进电机有两相绕组,分别为A相绕组和B相绕组,端子为A、A和B、B　,每相中间已接±24V直流电源的＋24V端，A、A、B、B　接可编程控制器的输出端，按照步进电机的运行规律，由可编程序控制器轮流输出信号控制，工作方式为双四拍。

正反转步序参考如下表：正转: 反转:实验一正反转实验实验任务：程序启动后，按下启动按钮，电机启动，按下停止按钮，电机停止，按下反向按钮，电机反向启动。

I/O分配：实验二转速控制实验实验任务：步进电机的旋转速度由轮流通电频率控制。

程序启动后，按下启动按钮，前10秒电机转速由慢变快，接下来10秒快变慢，如此循环。

I/O分配：实验三定步旋转实验实验任务：实验所用步进电机的步进角为7.5°。

程序启动后，按下启动按钮，使转盘按每次90°和180°的设定值交替转动，每两次之间停止1秒钟。

I/O分配：三相交流异步电动机控制实验一．实验目的：根据三相交流异步电机的原理图，学习用PLC来控制电机的正反转和Y/△启动的方法。

二．实验介绍：右图为三相交流异步电机的实验原理及实验模拟图。

此实验的控制对象是一台三相交流异步电动机，要完成的功能的是用PLC控制三相交流异步电动机的正反转和Y/△启动。

要完成这两项功能，除电机外，还需要四组三相交流接触器KM1、KM2、KMY 和KM△，以及3个按钮SB1、SB2、SB3。

三相异步电动机控制实验示意图图中的M代表三相交流异步电动机，两个箭头旁分别有一个发光二极管，其中，红灯亮表示电机正转，绿灯亮表示电机反转，都不亮表示电机停转；代表KM1、KM2、KMY和KM△的发光二极管亮时表示该接触器线圈得电，对应的常开触点闭合。

实验一电机正反转控制实验任务：当按下按钮SB1时，KM△接通，KM1灯亮，电机正转；当按下按钮SB2时，KMY接通，KM2灯亮，电机反转；KMY和KM△绝不能同时接通；正反转之间要联锁；I/O分配：Q0.1Q0.2Q0.3KM2 KM △ KMY实验二 自锁运行实验实验任务：按下SB1，KM1、KM△接通，电动机正转。

电压空间矢量控制仿真1. 实验目的与要求异步电机结构简单,运行可靠,维修方便,在日常生活和工业生产中得到了越来越广泛的应用,但交流异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统 [1], 在交流电机调速中 ,V/f控制对于需要快速动态响应的应用场合则效果欠佳 ,特别是在速度或转矩发生快速变化时 , 会产生较高的转差率 ,从而导致较大的瞬态电流,异步电动机转差频率型矢量控制作,为高性能力矩控制正在逐渐广泛应用[2]。

与传统的正弦波脉宽调制 (SPWM 相比,空间矢量脉宽调制(SVPWM 具有线性调制范围宽、直流电压利用率高、输出电压谐波小和易于数字化实现的特点 , 因而在变频调速和无功补偿等电力电子变换器应用领域得到更加广泛的应用 [3]。

计算机仿真技术是现代科学研究和产品设计的新手段。

仿真时首先建立应用系统的仿真模型 , 然后利用计算机去求解 , 因而较其它方法容易、快捷、经济。

其具有应用的可重复性针 , 对不同的系统 , 有时只需要更改个别环节或修改参数即可。

由于以上的优点 , 计算机仿真技术作为强有力的研究工具 , 正在控制领域获得广泛的应用 [4]。

随着生产技术的不断发展,直流拖动的薄弱环节逐步显露出来,而异步电动机结构简单、坚固耐用、便于维修, 受到人们的欢迎。

近年交流电动机的控制技术取得了突破性的进展,与传统的正弦波脉宽调制相比,空间矢量脉宽调制(SVPWM 具有线性调制范围宽直流电压利用率高输出电压谐波小和易于数字化实现的特点,因而在变频调速和无功补偿等电力电子变换器应用领域得到更加广泛的应用但对于电机控制系统的研究,但传统的解析方法是分析研究周期长、投资大而且不宜分析系统的各种性能,因此,采用数字仿真的方法是必要的 [5]。

2. 实验原理2.1电压空间矢量 PWM (SVPWM 控制技术把逆变器和交流电动机视为一体,以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作,这种控制方法称作“磁链跟踪控制” ,磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的,所以又称“电压空间矢量 PWM (SVPWM , Space Vector PWM控制”空间电压矢量脉宽调制 (SVPWM 是满足圆形气隙磁场要求的控制方法 ,具有降低转矩脉动 ,减小波形畸变 ,提高直流电压利用率 ,易于数字化实现等优点 ,目前广泛用于交流电机调速控制系统中 [7]。

实验一异步电机矢量变换控制原理实验一、实验目的：1.了解异步电机转子磁场定向控制的原理结构框图及硬件构成2.了解异步电机转子磁场位置检测电流模型法3.了解异步电动机转子磁场定向控制原理中实现矢量变换的方法及意义二、实验设备三、实验线路及原理1.运动控制系统的硬件配置图1－1 运动控制系统硬件构成图1－1为本系统的硬件配置框图。

THKDSP－1为运动控制实验箱，箱内装有DSP主控板（B1），功率驱动板（B2）及控制电源和功率模块板（B3）。

图1－2为DSP主控板的组成框图。

它包括DSP芯片；RAM芯片IC1、IC2；E2PROM存储器芯片IC3；用于RS232串行通信的接口芯片IC4以及MC－BUS I/O连接器J1、J2。

图1－2 DSP主控板组成框图图1－3为功率驱动板框图。

它包括电动机两相电流I a，I b（Iu、Iv）检测；直流母线电压V dc检测电路；保护电路；PWM信号驱动电路。

图1－3 功率驱动板电路结构框图电源功率模块板包括﹢5V，±15V, +15V三组电源和由六个IGBT构成的逆变电路。

2.异步电动机转子磁场定向控制的原理图1－4 转子磁场定向控制原理框图电机的相电流i a，i b检测之后，经过3/2变换（Park变换）和旋转变换后得到旋转变换坐标上的二个分量i sd，i sq,这两个分量分别与磁通参考值i sdref和转矩参考值i sqref比较之后送入电流和磁通调节器PI。

电流调节器的输出即为在旋转坐标上的电压分量参考值U dref和U qref；此二分量经旋转逆变换和3/2变换（Park变换）之后得到定子三相电压的参考值U aref，U bref，U cref。

根据U aref，U bref，U cref产生三相逆变器的PWM驱动信号。

转子磁通的位置角θ则由电机的模型和电机速度反馈信号计算而得。

四、实验内容1．熟悉运动控制的系统硬件构成2．异步电机转子磁场定向控制（FOC）得输入信号测量，i a、i b和转子磁场位置角计算3．电流信号的3/2变换（Park变换）及旋转变换4．i sd，i sq波形观察，并与i sdref，i sqref作比较五、预习要求1．仔细阅读FOC控制原理的有关章节2．3/2变换（Park变换）与旋转变换的计算公式3．画出异步电机的电流模型框图及有关θ计算公式4．画出电压、电流和转子磁通的空间向量及旋转坐标的d-q轴，静止坐标a-b-c、和α-β。

运动控制仿真实验报告实验11，晶闸管单相交流调压仿真实验一，实验原理1.1原理图该实验是通过晶闸管的调压触发控制电路来控制晶闸管导通，以此来实现不同导通角时，输出电压不同。

该实验的原理电路如图1所示。

图1通过两个触发脉冲来触发VT1与VT2，触发电路的原理框图如图2所示。

图2该触发电路两个触发脉冲相差180°，以此来实现正半周和负半周都进行调压，而且调压的脉冲角是相同。

1.2 仿真模型1.3 脉冲发生器子模块参考模型其中斜率限制器上升斜率＝1；下降斜率＝－inf；放大器增益＝1000；Relay 使能过0 检测。

Fcn=10*u(1)/180 完成指令角度到比较电压的转换。

指令通过常数按触发角设定。

二．实验内容根据原理框图构建 Matlab 仿真模型。

所需元件参考下表：仿真元件库：Simulink Library Browser示波器 Simulink/sink/Scope交流电源 SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage Source设定电压＝220*1.414V晶闸管 SimPowerSystems/Power Electronics/ ThyristorFcn Simulink/User-Defined Functions/Fcn设定为10*u(1)/180Relay Simulink/Discontinuities/RelayRate Limiter Simulink/Discontinuities/ Rate LimiterSubsystem Simulink/Commonly Used Block/Subsystem电阻、电容、电感 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch设定参数负载电阻2 欧姆、串联电感2mH。

电流傅立叶分解 SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements/Discrete Fourier设定输出为50Hz，基波显示 Simulink/sinks/Display电压检测SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement电流检测SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement仿真设定：Configuration Parameters/Solver optionsType Variable-step Solver Ode23sRelative tolerance 1e-5其它不变仿真时间0.1 秒。