动态系统建模仿真 实验报告

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1、动态系统建模仿真实验报告实验二，实验四姓名学号实验二直流电动机-负载建模及仿真实验1实验内容在运动控制系统中电机带动负载转动，电机-负载成为系统的被控对象。本实验项目要求根据电机工作原理及动力学方程，建立模型并仿真。2实验目的掌握直流电动机-负载的模型的建立方法；3实验器材（1）硬件：PC机。（2）工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。4实验原理在很多应用场合中，直流电动机的输出轴直接与负载轴相连，转动部件固定在负载轴上，即为常见的电机直接驱动负载形式。如果不考虑传动轴在转动过程中的弹性形变，即

2、把传动轴的刚度看作无穷大，就可以在系统设计过程中，将执行电机和负载视为一个整体对象，这样被控对象的模型就可以用如图2.1所示的框图来表示。其中表示控制电压；，，分别表示电机的电枢电压，电枢电感和电枢电阻；为电机的转动惯量，为负载的转动惯量，包括由电机驱动的转动体、轴承内圈、转动轴、轴套、速度测量元件、角度测量元件以及被测试件折合到电机轴上的转动惯量等；、分别表示电机和负载的粘性阻尼系数；为电机的电磁力矩系数；为电机的反电势系数；为电机-负载的转角，为电机-负载的角速度。在这一实验中，认为电机与负载的转角是相同的，并考虑了电机及负载转动中产

3、生的粘滞阻尼力矩，所以其电压方程、力矩方程变为如下形式(2.1)由方程组（2.1）可以得到相应的结构框图如图1所示。图1直流电动机-负载数学模型结构框图5实验要求：（1）建立从到的传递函数模型，求其频率特性，并与项目1中的电机频率特性进行对比。（2）分别取（Dm+DL）1=0.1（Dm+DL）和（Dm+DL）2=0.01（Dm+DL），编制MATLAB或simulink程序，比较阻尼系数不同时电机-负载模型的频率特性。（3）分别取JL1=0.1JL和JL２=10JL，编制MATLAB或simulink程序，比较电机-负载模型的频率特性。实

4、验所需具体参数如下表。参数备注电枢电阻Ra4.80Ω电枢电感La21mH力矩系数km46.32N.m/A反电势系数ke55.3V/(rad/s)电机转动惯量Jm0.5Kg.m2电枢部分电机阻尼系数Dm40Nm/(rad/s)负载转动惯量JL25Kg.m2折合到转动轴上Dm+DL270Nm/(rad/s)6实验步骤与结果（1）建立从到的传递函数模型，由电机-负载系统框图，可以得到以下关系式：代入数据有。首先用simulink建立电机-负载模型，如图2图2电机负载仿真框图实验一中电机A的系统的传递函数为：根据这两个传递函数将其闭环频率特性曲线

5、绘制出来，如下图：图3电机A与电机负载频率特性曲线由波特图中可以看到，此系统的频率特性由其主导极点-35.3433所决定，近似于以-35.3433为极点的一阶惯性环节的频率特性，系统的带宽也大致在35rad/s左右。而对于电机A，无负载的情况下频率特性曲线为标准的二阶振荡环节的频率特性。由此可见，加入负载后的频率特性加入负载后闭环幅频曲线的谐振峰值减小，相应的时域里面超调量减小；带宽变小，调整时间变长，快速性降低。取（Dm+DL）1=0.1（Dm+DL），设为sys2，传递函数为：取（Dm+DL）2=0.01（Dm+DL），设为sys3，

6、传递函数为：分别画出波特图，为方便比较，将sys2与sys3放在一起，我们可以看到，随着阻尼系数的减小，系统的带宽有所降低，使系统的快速性降低。但是sys2和sys3的曲线几乎重合，说明了只改变电机和负载的粘性阻尼系数并不能对系统有较大的影响。由于Dm+DL=270Nm/(rad/s)，乘以很小的系数以后，此项在参数中的比例很小，甚至可以忽略其影响。图4阻尼系数不同时电机-负载模型的频率特性图取JL1=0.1JL，设为sys4，传递函数为：取JL1=0.1JL，设为sys5，传递函数为：画出sys4和sys5的频率特性曲线图5负载转动惯量

7、不同时电机-负载模型的频率特性图由此可以看出：当负载减小到一定程度时，系统会变为二阶振荡环节，从绘制的频率特性曲线上可以看出系统的带宽大大提高，系统快速性相应提高。随着负载转动惯量的增大，主导极点将快速右移，从绘制的频率特性曲线上可以看出系统的带宽降低，系统调整时间变长，时间常数增大，系统快速性相应降低，动态性能变差。实验四位置伺服系统建模及仿真实验1实验内容本项目在建立电机-负载这一被控对象模型后，加入系统的控制器，组成一个闭环控制系统，通过仿真检验系统性能。2实验目的了解位置伺服系统的组成及工作原理；了解不同控制策略对系统性能的影响。

8、3实验器材（1）硬件：PC机。（2）工具软件：操作系统：Windows系列；软件工具：MATLAB及simulink。4实验原理图1是一个以直流电机为驱动元件的位置伺服系统的方块图，Gc（s）