自动控制仿真实验

自动控制仿真实验（共12篇）

自动控制仿真实验 篇1

《自动控制原理》课程是目前高校中自动化、测控及电子类专业都要开设的专业基础课, 通过本课程的学习, 学生可以建立控制系统及控制理论的基本概念, 能够对自动控制系统进行基本的分析和设计, 为以后从事科研和教学奠定基础。该课程理论性强, 有大量的计算和绘图[1], 需要结合实验加深对理论知识的理解, 因此实验教学在该课程教学中占有十分重要的作用, 而当前很多高校该课程的实验教学仍处于传统模拟实验阶段, 实验时首先把系统分解成典型环节, 利用实验箱, 将相应的有源R C网络模块连接, 最后通过示波器观察实验结果。

这样的实验方式存在一些弊端:

1.实验设备高度集成学生在开始进行实验的时候, 只是依据给定的电路来连接;对于控制系统的参数, 只是盲目调节电位器值和电容值, 更不知调整的参数对应系统的哪些具体参数, 不能对课堂学习的内容加深理解。

2.实验设备可扩展性差可改变参数有限, 使得综合性实验难以开展。

3.实验分组过大学生参与性差, 自动控制原理实验学时有限, 要想在有限学时里巩固和掌握课堂内容, 是很困难的。

4.自动控制原理课程中有大量繁琐的计算与曲线绘制任务, 实验室里应用示波器, 如频率特性等实验效果不好。

目前高校仿真实验的开发日益增多, 如文献[2]和文献[3]中都对MATLAB软件在课程实验中的应用做了介绍, 本文中根据我校《自动控制原理》课程及实验的要求和实验的条件, 利用MATLAB中的具有可视化编程能力的图形用户界面编程工具、SIMULINK仿真功能和控制系统工具箱中丰富的库函数等, 开发了“自动控制原理”仿真实验平台。

该平台充分考虑了本课程的特点, 基本上覆盖了所要求的实验内容, 用户界面良好, 具有一定的交互功能和仿真运行功能。通过人机对话, 用户可以设置系统的模型, 根据要求该软件可进行图形分析和系统性能指标分析。该实验仿真平台作为课后实验和验证的虚拟仿真环境, 可以辅助教学, 用于课堂演示, 与电子线路模拟实验互相补充, 有效地提高了该课程的教学质量。

一、《自动控制原理》实验仿真平台

1. 仿真实验平台的设计原则

仿真实验平台整体设计采用Windows风格、面向对象的软件开发技术。为了操作简单易懂, 使软件具有可扩展性, 平台的设计过程中遵循了以下原则:

(1) 简单性和一致性设计中保证用户界面使用简单, 易于掌握, 界面元素保持一致性, 这样学生可以很快的掌握实验操作。

(2) 灵活性和可靠性用户能够根据需要进行扩展和补充课件的内容, 保证用户能够正确、可靠地使用并保证有关程序和数据的安全性。

2.《自动控制原理》仿真实验平台的内容

根据《自动控制原理》课程的内容及特点, 结合本人在该课程授课过程中的经验, 如图1所示, 本实验平台所包括的实验分为五大实验模块。

二、实验平台的设计

图形用户界面 (Graphical User Interface, 简称为GUI) 是用户与计算机进行信息交流的窗口, 本文中利用GUIDE创建图形用户界面。在算法上, 充分利用MATLAB控制系统工具箱[4,5], 调用各种控制系统的M函数, 配合编制的用户界面, 用户可以通过某种方式来选择或者激活用户界面上的菜单、对话框以及控件等图形对象来运行一些特定的M文件, 方便地对实现各个实验, 得到期望的实验结果和图形。

软件设计上主要包括界面的创建、数学模型的输入、实验结果的实时显示等。根据实验内容安排, 将实验分为若干小部分, 使得整个软件的层次分明、界面友好。

1. 仿真实验平台的主界面

利用MATLAB6.5版中的图形用户界面设计向导编辑器GUIDE完全进行可视化编程, 即可完成实验操作主界面的创建。在图形的设计过程中, GUIDE提供了下面一些工具:菜单编辑器、对象浏览器、属性编辑器、控件布置编辑器、网格标尺设置编辑器和GUIDE应用属性设置编辑器等。用户将它提供的工具与编程经验结合起来, 可以方便地创建友好的图形用户界面。

实验仿真平台的主界面如图2所示。

实验系统的五个实验模块, 可以通过两种方式来进入各个实验窗口:单击主界面上相应的按钮和通过菜单栏相应的命令, 我们将重点介绍其中的两个实验。

2. 线性系统的时域分析实验

线性系统的时域分析实验过程如下:建立系统的数学模型后, 给定系统输入, 分析系统响应曲线从而了解系统的稳定性、动态特性及稳态特性, 具有直观、物理概念清晰、比较准确以及能提供系统时间响应的全部信息的特点。

以二阶系统的单位阶跃响应为例, 典型二阶系统的传递函数为

进行拉氏反变换就可以得到系统输出随时间变化的表达式y (t) , 当阻尼比取不同的值时, 输出y (t) 不同, 系统的特性也不同, 可以分为无阻尼、欠阻尼、临界阻尼及过阻尼。

根据上述分析, 所设计的实验平台要求能实现下面两个功能:

(1) 可以随时改变值, 得到对应的y (t) 曲线并显示, 所完成的实验操作界面如图3所示, 可以在界面上输入阻尼比的值, 如图3中给定=0.5, 要求绘出系统在欠阻尼情况时的阶跃响应曲线。按下窗体上的“绘图”按钮, 然后按下“确定”按钮, 系统的阶跃响应曲线就会显示在窗口中的坐标系上。

按下窗口中的“grid on”按钮可以在坐标轴上添加网格, 按下“grid off”按钮, 取消网格显示。实验完成后按下“退出”按钮, 关闭该窗口, 返回主菜单, 再次选择要完成的实验。

(2) 可以将几组不同阻尼比时的输出曲线显示于一个坐标系下, 这样学生可以很方便的比较不同阻尼值时系统的阶跃响应特性有什么变化。

在输入阻尼比值时输入多个值, 即阻尼比数组, 就将不同阻尼比对应的一组阶跃响应曲线显示于一个坐标系上, 便于比较分析, 如图4, 在输入阻尼比的窗口中输入一组阻尼比值:0, 0.5, 1.0, 2.0, 则将系统分别在四个阻尼比时对应的单位阶跃响应曲线绘制于一个坐标系内, 四条响应曲线分别代表无阻尼、欠阻尼、临界阻尼及过阻尼的情况, 学生可以很清楚地了解到四种情况时的系统输出情况。

3. 线性系统的根轨迹实验

线性系统的根轨迹实验过程如下:建立系统的开环传递函数数学模型, 绘出系统的根轨迹图, 了解系统某个参数变化时闭环极点的变化过程, 从而分析系统的性能。

给定系统的开环传递函数为, 系统有两个开环极点, 两个开环零点, 根据根轨迹的绘制法则, 系统有两条根轨迹分支。

所完成的实验操作界面如图5所示, 首先在界面上“输入分子系数”和“输入分母系数”窗口内输入建立系统的开环传递函数数学模型, 按下“加载示例”按钮及“确定”按钮, 就可以在窗口上的坐标系内绘出系统的根轨迹图, 两条根轨迹分支以不同的颜色显示。同样可以根据需要选择给根轨迹图加上网格显示或者去掉网格显示。

图6至图8分别给出了控制系统的Bode图实验、控制系统的Nyquist实验、离散系统的脉冲响应实验的操作界面, 实验界面的操作方法与线性系统的时域分析试验及线性系统的根轨迹实验界面的操作方法相同。

三、结论

《自动控制原理》实验仿真平台的开发对学生学好该课程具有很好的辅助作用。与硬件实验相比, 该实验平台不仅具有显示的直观性、实时性与逼真性, 而且操作灵活, 节省了大量的人力、物力和时间, 提高了教学效率。该实验仿真平台通过在我校《自动控制原理》课程教学过程中使用, 效果良好。

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理 (第5版) [M].北京:科学出版社, 2007

[2]李文磊, 柳士荣.MATLAB在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理, 2006, 2

[3]袁晓梅.Matlab环境下《信号与系统》虚拟实验的开发[J].高等职业教育天津职业学报, 2005, 2

[4]魏克新, 王云亮, 陈志敏, 等.MATLAB语言与自动控制系统设计 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 2004

[5]楼顺天, 于卫.基于MATLAB的系统分析与设计—控制系统[M].陕西:西安电子科技大学出版社, 1998

自动控制仿真实验 篇2

矢量控制是交流电机的一种高性能控制技术，最早由德国学者Blaschke 提出。其基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量，分别实现对电机磁通和转矩的控制，然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机，大大提高了调速的动态性能。随着新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机（PMSM）成为近年来发展较快的一种电机。它具有气隙磁密度高、转矩脉动小、转矩/ 惯量比大的优点，与传统的异步电机相比，节能效果明显、效率高、结构轻型化、维护容易、运行稳定、可靠性高、输出转矩大，得到了越来越广泛的应用和重视，是目前交流伺服系统中的主流电机。永磁同步电机的数学模型

永磁同步电机模块可工作于电动机方式或发电机方式，运行方式由电机电磁转矩符号决定（为正则是电动机状态，为负则是发电机状态）。对永磁同步电机模型作如下假设：不考虑铁心饱和，忽略端部效应；涡流损耗、磁滞损耗忽略不计；定子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波形状，忽略磁场的高次谐波；不考虑转子磁场的突极效应；永磁材料的电导率为零，永磁体的磁场恒定不变。运用坐标变换理论，可以得到在同步旋转的两相坐标系下（d-q）的永磁同步电机的数学模型。

电压方程为：

udRidPdq

uqRiqPqd

定子磁链方程为：

dLdidf

qLqiq

电磁转矩方程为：

Tenp(iqdidq)

式中：ud、uq、id、iq、d、q分别为d-q 轴上的定子电压、电流和磁链分量；R 为电机定子绕组电阻；Ld和Lq分别为永磁同步电机d-q 轴上的电感；f为永磁体在定子上产生的耦合磁链；ω 为d-q 坐标系的旋转角频率；Te为电机电磁转矩；np为磁极对数；p 为微分算子。空间电压矢量PWM 控制方法

空间矢量PWM（SVPWM）是近年来的一个研究热点。采用SVPWM 设计逆变器，可以大大减少开关动作次数，并且有利于数字化实现。空间矢量（SVPWM）法也称为磁链追踪型PWM 法或磁通正弦PWM 法，磁链追踪型PWM 法从电动机的角度出发的，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形旋转磁场。空间矢量法是一种无反馈型工作模式，它是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成PWM波。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频调速控制模式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电压谐波分量少，转矩脉动小，电动机工作比其他方式更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率及电源电压的利用效率。

三相逆变器的6只开关管可形成8 种基本的电压空间矢量，它包括6 个有效电压空间矢量V1~V6和2个零电压空间矢量V0、V7。PMSM 矢量变换控制方法

由其数学模型可知，永磁同步电机是一个非线性的控制对象，且d 轴电流分量id和q 轴电流分量iq之间存在耦合，为使永磁同步电机具有和直流电机一样的控制性能，通常采用id=0 的线性化解耦控制，即始终控制定子电流矢量位于q 轴上，和转子磁链矢量正交。

Tenpfiq

式中：f为一个恒定的值，只要保证定子电流与d轴垂直，就可以通过q轴电流分量iq快速控制电磁转矩，达到与直流电机同样的控制性能。

矢量控制的基本思想是将交流电机模拟成直流电机的控制规律进行控制。首先，通过电机轴上安装的编码器检测出转子的位置，并将其转换成电角度和转速，给定转速和反馈转速的偏差经过速度PI调节器计算得到定子电流参考输入iq*。定子相电流ia和ib通过相电流检测电路被提取出来，然后用Clarke变换将它们转换到定子两相坐标系中，使用Park 变换再将它们转换到d、q 旋转坐标系中。坐标系中的电流信号再与它们的参考输入id*和iq*相比较，其中id*=0，通过电流PI 控制器获得理想的控制量。控制信号再通过Park 逆变换，经过SVPWM产生6路PWM 信号并经逆变器控制电机转速和转矩。PMSM 矢量控制系统仿真

MATLAB下的Simulink和SimpowerSystems包括各种功能模块，容易实现永磁同步电机矢量控制系统的仿真建模，直观而且无需编程，使系统设计从方案论证到硬件设计更为便捷，大大缩短了系统设计的时间。在Matlab7.0的Simulink环境下，搭建了采用iq=0的矢量控制双闭环系统仿真模型。PMSM系统建模仿真的整体结构包括PMSM本体和三相电压型逆变器模块（Simulink的SimpowerSystems库中已提供）、坐标变换模块以及SVPWM生成模块，按照转子磁场定向原理搭建的PMSM 控制系统模型如图1所示。

图1 PMSM控制系统仿真模型

其中SVPWM 的算法分析及仿真系统如下。

扇区号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ重新定义为Ⅲ、Ⅰ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅱ后，根据下式计算扇区号N。

Nsign(V)2sign(Vsin60)Vsin304sign(Vsin60Vsin30)

为了便于SVPWM 算法的实现，定义如下变量：

X3VT/VDC

Y(33VV)T/VDC 2233VV)T/VDC 22Z(对于不同的扇区T1、T2，按表1 取值。

在仿真程序中，T1、T2 赋值后还要对其进行饱和判断，为了防止T1+T2>T 而发生饱和，设定若饱和发生则：

t1t2t1TPWM

t1t2t2TPWM

t1t2在一般的情况下，T1+T2

Ta(TT1T2)/4

TbTaT1/2 TcTbT1/2

则在不同的扇区内根据表2 对微控制器或数字信号处理器的比较寄存器Tcm1、Tcm2、Tcm3进行赋值，就可得到所需的电压空间矢量脉宽调制波形。

将上述模块连接生成SVPWM 整体模型，如图2 所示。

图2 SVPWM整体仿真模型 仿真结果及分析

仿真算法使用Matlab7.0 中Simulink 环境下的Variable-step，最大步长设为1e-6。给定PWM 周期TPWM = 0.1ms，逆变器直流母线电压400 V，PMSM 电机参数设置为：电机功率P = 1.2 kW，定子相绕组电阻R=2.875Ω，定子d、q 相绕组电感Ld=Lq=8.5 mH，转动惯量J=0.008 kg·m2，极对数p=4。在t=0时刻，给电机加负载转矩T=0起动，给定转速为600 rad/s；在t=0.05时刻，给定转速变为1000rad/s;在t=0.1时刻，负载转矩T=2N·m，仿真时间为0.2s。图3-给出了仿真实验波形。

图3 三相电流波形

图4 转速波形

图5 转矩波形

6.结论

磁感应强度仿真实验 篇3

关键词：MATLAB；通电螺线管；磁感应强度物理教学

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-31119-02

The Simulation Experiment of Magnetic Field Intensity Produced by Solenoid——The Application of MATLAB to Physical Teaching

ZHU Wei-juan1,KONG Xiang-kun2

(1.Xuzhou No.1 Middle School,Xuzhou 221002,China;2.Department of Foundation,Zhenjiang Watercraft College of the PLA, Zhenjiang 212003,China)

Abstract:By using MATLAB,this paper gives the distribution diagrams of magnetic field intensity produced by solenoid. With examples of multitude current-carring loops，we explain the magnetic field intensity characteristic of annular loops. If this method can be used for physical teaching, students will understand physical rules more easily, and then learning effect will be improved.

Key words:MATLAB;magnetic field intensity;current-carring loop;physical teaching

1 引言

多媒体作为教学辅助手段已广泛的应用于大中小学的教学改革中，它不仅操作简单，而且具有直观教学的优点。在物理教学中，往往发现学生因为想象不出物理情景而影响对物理规律的理解和应用。若能将研究对象或者物理过程直观地展现在学生面前，无疑将大大地提高课堂效率，弥补语言讲解及教学挂图的不足。磁感应强度是描述磁场性质的重要物理量，磁感应线能形象地表示磁场在空间的分布。若能通过多媒体手段将磁感应线形象地展现出来，就能将抽象转为直观，更有助于学生的思考。

为了解决这一难题，我们运用MATLAB强大的数学运算和绘图功能，对单匝通电线圈、多匝通电线圈的磁感应强度矢量分布图进行计算机仿真，形象地展现出了磁感应强度的空间分布图，获得了较好的实验结果。

2 基本原理

此式可以应用于任意形状电流在空间空任意地点产生的磁感应强度。式中lxi,lyi,lxi表示电流元在笛卡尔直角坐标系中沿坐标轴的分量。对于（3）式，我们分别对单匝环形通电线圈和多匝线圈编写相应的MATLAB程序，不难得到磁感应强度矢量在xy平面内的分布图。

3 MATLAB程序设计与实现

3.1 单匝环形通电线圈形成的磁感应强度

程序编写如下：

clear

rh=2.5;i0=10;mu0=4*pi*1e-7;n=11%常数参数的设定

m=(n+1)/2

xmax=6;ymax=6;ngrid=40;

cx(1:ngrid,1:ngrid)=zeros;cy(1:ngrid,1:ngrid)=zeros;

c0=mu0/4*pi;

nh=20;

ngrid1=nh+1;

xmax1=0;

ymax1=2*pi;

xplot=linspace(-xmax,ymax,ngrid);%二维网格线的设定

yplot=linspace(-xmax,ymax,ngrid);

theta0=linspace(0,2*pi,21);

theta1=theta0(1:nh);

y1=rh*cos(theta1);

z1=rh*sin(theta1);

theta2=theta0(2:nh+1);

y2=rh*cos(theta2);

z2=rh*sin(theta2);

dlx=0;dly=y2-y1;dlz=z2-z1;

xc=[-(n-1)/2:2:(n-1)/2];yc=(y2+y1)/2;zc=(z2+z1)/2;

for k=1:m

for i=1:ngrid

for j=1:ngrid

rx=xplot(j)-xc(k); %计算每个格点到电流元的x方向距离

ry=yplot(i)-yc;%计算每个格点到电流元的y方向距离

rz=0-zc; %计算每个格点到电流元的z方向距离

r3=sqrt(rx.^2+ry.^2+rz.^2).^3;%计算每个格点到电流元的距离

dlxr_x=dly.*rz-dlz.*ry;

dlxr_y=dlz.*rx-dlx.*rz;

bx(i,j)=sum(c0*i0*dlxr_x./r3); %计算每段电流元在每个格点的磁感应强度水平分量

by(i,j)=sum(c0*i0*dlxr_y./r3); %计算每段电流元在每个格点的磁感应强度垂直分量

end

end

cx(1:ngrid,1:ngrid)=cx(1:ngrid,1:ngrid)+bx(1:ngrid,1:ngrid);

cy(1:ngrid,1:ngrid)=cy(1:ngrid,1:ngrid)+by(1:ngrid,1:ngrid);

end

quiver(xplot,yplot,cx,cy);%用箭头描绘矢量场

hold on

plot(xc,rh,'r*')%用红色*代表线圈与平面的交点

hold on

plot(xc,-rh,'r*')

计算机仿真得到的单匝线圈得磁场如图1所示。

图1 I=10,n(匝数)＝1，ngird(网格数)=40

由图1可以清晰的看到平面上每一个格点上矢量箭头的方向、长度不等，这就形象地说明了磁感应线上任意一点的切线方向为该点磁感强度的方向，箭头的长度代表磁感强度的大小，更好的理解它的物理含义。值得注意的是，越靠近线圈与平面的交点，磁感强度越大，反映到图中可以明显地看到这一区域的箭头旋转越明显，近似于一个旋转的圆环。

3.2 多匝环形通电线圈形成的磁感应强度

我们以(3)式为基础，只要相应增加线圈的匝数，就可以得到n匝螺线管的磁感应强度分布图。图2为双匝线圈产生的磁场分布，图3为6匝线圈产生的磁场分布，理论上只要扩大计算空间就可以获得任意匝螺线管的磁场分布图。

通过比较图2和图3，可以看出n匝通电螺线管外部的磁场分布近似等同于条形磁铁周围的磁场分布，对于学生深化对闭合磁感线的概念的理解大有裨益。

图2 I=10,n(匝数)＝2，ngird(网格数)=40

图3 I=10,n(匝数)＝6，ngird(网格数)=40

4 小结

利用MALAB强大的科学计算功能和绘图能力，分别对单匝线圈和多匝线圈的磁场分布进行计算机仿真，可以准确的描绘任意匝螺线管的磁场分布图。在物理教学中适当引入类似的计算机数值模拟的研究方法将有助于物理概念的深化，激发学生主动探索知识的积极性以及综合能力的培养。

参考文献（References）：

[1]张三慧.大学基础物理学[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]程守洙,江之永.普通物理学（第五版）[M].北京:高等教育出版社,1998.

[3]林国华,王永顺.运用MATLAB程序演示点电荷系的等势面[J].物理通报:2003(12):27-28.

[4]陈乃云,魏东北,李一枚.电磁场与电磁波理论基础[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[5]王沫然.MATLAB与科学计算[M].北京:电子工业出版社,2003.

[6]陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

自动控制原理的仿真实验教学设计 篇4

自动控制原理这门课理论性强,比较抽象,学生学习有一定的难度,因此实验环节教学效果的好坏对学生牢固掌握课堂理论知识、提高教学效果起着非常重要的作用。在目前普遍课时压缩,教学要求提高的前提下,实验教学要解决以下几个方面的问题:如何加深学生对课程中基本概念基本理论的理解;如何提高学生理论联系实际的能力;如何培养学生实践动手能力、分析解决控制过程中实际问题的能力;如何在实验教学中融入新的科技发展成果,培养利用现代化的实验和仿真手段快速检验和实现新的控制理论和算法的能力。

2 自动控制原理的计算机仿真实验体系

采用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真,可以避免对专用实验场地的依赖,可以进行各种控制试验,完成实验效果,达到实验目的。自动控制原理的教学内容比较丰富,包括经典控制理论、现代控制理论,既涉及线性时不变系统,又涉及非线性系统,既涉及连续系统,又涉及离散系统。仿真实验采用两种模式,一种是运用MATLAB语言进行编程,完成相应的控制系统的构建和性能分析,一种是采用MATLAB中集成的仿真环境SIMULINK进行模块化设计。该文仅以少学时的自动控制原理中讲到的经典控制理论中的线性时不变连续系统为例加以说明。仿真实验内容主要包括:控制系统建模;各类模型之间的转化;复杂控制系统的化简;典型输入信号分析;典型环节的响应分析;二阶系统的性能指标分析;采用多种方法进行系统稳定性分析;线性系统的根轨迹分析;控制系统的频域特性及频域性能指标分析;系统校正效果分析等。

采用MATLAB语言编写的脚本文件:

响应曲线如下:

通过仿真实验可以体会到,二者均可以有效地进行控制系统的仿真,可以有效地达到实验目的。采用SIMULINK构建系统模型更加方便快捷,而采用MATLAB脚本语言则更能锻炼同学的逻辑思维能力。

3 结语

通过仿真实验,不仅能帮助同学们深入熟悉和掌握自动控制原理的基本知识,而且能锻炼同学们的逻辑思维和编程能力,为其以后在测控系统设计和计算机控制算法的实现方面打下坚实基础,对自动控制原理的教学起到画龙点睛的作用。

摘要：自动控制原理是测控技术与仪器专业的重要主干课,该门课程的实验教学是提高基础理论教学效果,增强学生对控制系统深入认识的重要手段。由于各高校的实际校情不同,实验条件相差很大,很多学校无法进行有成效的在实验台上的实验,而进行控制系统的仿真是解决这一问题的有效途径。针对上述问题,建立了自动控制原理的计算机仿真实验体系,只需借助于MATLAB/SIMULINK软件,即可完成各种控制系统的分析、研究和实验。

关键词：测控技术与仪器,自动控制原理,MATLAB/SIMULINK,计算机仿真

参考文献

[1]隋修武,李大鹏,张宏杰,等.基于“课程群建设”及“浸润式实践”的测控专业人才培养模式[J].教育教学论坛,2013(49):140-141.

综合实验报告LTE仿真实验要求 篇5

综合实验报告— LTE

学号：

姓名：

日期：

此处写学号手写 此处写姓名手写 此处写实验日期

2016/2017学年第一学期

实验1 LTE无线接入网设备配置

实验目的：

1.掌握LTE无线接入网的网元名称及其作用。2.掌握实验中各网元的线缆名称及其作用。实验内容：

1.完成一个LTE无线接入网站点机房的设备配置。实验要求：

1.完成大型城市万绿市A站点机房的设备配置。（后面实验，手写部分，与实验1相同。）实验步骤：手写（填写实验步骤）

设备之间连接关系表 手写

思考题：手写

1.如何删除配置错误的设备？

2.如果RRU与天线的连接接反，会产生什么结果？ BBU数据配置

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）实验3 无线射频数据配置

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）实验4 LTE核心网设备配置

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）实验5 MME数据配置

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）

实验6 SGW数据配置

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）实验7 PGW数据配置

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）实验8 HSS数据配置

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）实验9 故障排查-LTE网络附着不成功

（参考实验1和实验指导书。上交的实验报告中此行删除。）

实验总结

自动控制仿真实验 篇6

编者按：学术界普遍认为科学的研究方法分为理论推演、实验研究和科学计算，而科学计算则是电子计算机发展起来以后新产生的一种独特的科学研究方法，这种方法随着人类研究领域的深入正变得日益重要。用Scratch进行物理实验仿真，并不是要替代真实的实验，确切地说，是一个建模的过程，将实验研究和理论推演的结论内化之后，应用到模型建构的过程中，是一种很有意义的STEM教育的实践方式。

Scratch在学科融合中的应用可以从测量、记录、控制、仿真四个方面进行尝试：①测量就是通过传感器来获得需要的数值，如我们通过温度传感器测量获取所需要的温度数值。②记录就是用电脑程序代替人工记录数据，通过程序的方式记录可以把人解脱出来，并且更容易对数据进行分析，如我们会把数据导入学习过的电子表格，对数据进行分析。③控制简单地说就是通过程序做出适当的反应，如在太阳底下如果感觉到热了，我们会走到阴凉的地方，“走”就是人脑对“腿”做出的控制。④仿真就是模仿真实世界，如可以根据光的放射定律模仿平面镜、凸透镜成像，让学生理解成像规律；可以把重力加速度加入到游戏中去，让角色的落地更接近于真实；还可以用程序的方式模拟分子运动……本文从仿真的角度做了一些案例尝试。

● 用Scratch仿真平面镜成像

这个仿真程序可以让学生理解平面镜的特点和规律，为进一步完成凸透镜成像的仿真打好基础，如图1为平面镜成像的程序界面。

程序设计的过程中光线会随着操作者的控制随时变化，如移动物体远近、大小时光线会随时变化，所以这里的黄色光线及物体用画笔完成。我们先自定义一个画线的模块（如图2）。

我们只要提供两组坐标，然后调用这个程序就能完成中间的线。而对两组坐标我们可以在程序中设计一些特殊的点作为角色，如物体就是用底部A点和顶部箭头决定的。在Scratch程序中的这种画图方式可以解决动态变化的问题，如果你把这个例子中的“物”画成一个固定角色，后期的调整物体大小和位置就很难实现。

平面镜成像的规律是“像和物大小相等，像和物离平面镜距离相等，像和物连线于镜面垂直”，如何在程序中体现这一点呢？这里也需要设计一个模块体现平面镜成像规律脚本（如图3）。

在这个基础上，我们可以设计凸透镜成像的程序，主要也是在光线和成像规律上。下页图4为凸透镜成像界面。

通过Scratch设计的这种程序具有开放性，是学生可以参与的仿真实验程序。在设计的过程中，学生要理解相应的物理规律，如果是教师设计完成的，学生则可在使用过程中加入一些游戏元素。

● 用Scratch仿真分子运动

分子运动这种微观现象，如何能直观地让学生体验到？除了用传统多媒体的方式，也可以用Scratch程序做一些模拟。我们这里用Scratch的一个扩展版本BYOB完成了这个例子，之所以选择用BYOB是因为它有一个非常不错的拓展功能“锚点”。锚点的主要作用就是把一个角色“附着”到另一个角色上，并且两个角色可以独立编辑脚本。图5为BYOB界面，在图中的例子中，“孙悟空”和“金箍棒”是两个不同的角色，可以分别编辑脚本。我们可以用鼠标“拖拽”金箍棒到舞台上的孙悟空处，这时候角色“金箍棒”右上角就多了一个锚点标志，说明金箍棒已附着到了孙悟空上，孙悟空就可以边运动边玩他的金箍棒了。

分子热运动就是利用这个锚点功能来实现的，图6是用BYOB的升级版本Snap完成的分子热运动的例子。Snap是一个网页编辑的图形化编程软件，所以可用浏览器打开。在这个例子中，我们设计了一个“小立方体”角色，然后建立9个分子小球角色，让这9个分子附着到小立方体上，当小立方体运动时，小分子会随之运动。我们构造好了这样一个神奇的小立方体，便可以在物理学习中加以应用了。

小立方体可以在后期的热学中得到应用，作为分子热运动的例子，在这里我们把9个小分子的运动脚本设计为图7。我们只要给变量a赋一个初始值，小分子就会在-a～a之间选择一个随机数，小分子的X、Y坐标会在原来坐标基础上有轻微变化，仿真出分子热运动的物理现象。如果把这个a值与外接的温度传感器关联，当温度升高时a值增加，分子热运动会加剧。

● 用Scratch仿真小球的自由落体运动

自由落体运动是匀加速运动的一个典型实例，对学生来说彻底理解自由落体运动后，很多运动的问题就都能解决了。如果用Scratch来模拟体验这个过程，并实时反映出速度、距离、时间的变化，学生将会非常直观地了解和感受到自由落体，比看公式（）算数字要好得多。图8为小球的自由落体脚本。

添加一个对象“sprite1”的小球，将该对象的位置定位在（0，170）的坐标上，设置一个变量“y”记录当前所处的位置，“计时器”表示小球下落的时间，小球设置的初始高度为170，在Scratch中表示为170像素，重力加速度为9.8米每秒，放到Scratch中表示为9.8像素每秒。那么小球下落的距离就是（），即。然后用最初的位置高度170减去这个下落的距离，就能得出当前小球的y坐标。如图9所示，坐标有正负170，因此小球相当于从340米的高空做自由落体运动。

通过这种仿真程序的设计，我们还可以给物体一个质量、弹性系数来研究小球的反弹，给小球一个初速度来研究小球的运动情况，这种仿真如果用到动画设计中，会使得角色更逼真。

● 小结

自动控制仿真实验 篇7

关键词：振动主动控制,压电结构,数值仿真,振动控制实验

引言

近年来,由于工业和高新技术发展的需要,结构向大型化发展,结构振动主动控制已经成为现代工程技术的重大课题之一.在结构主动控制设计中,不断采用新型传感材料和作动材料代替传统的传感器和作动器,产生了智能结构这种崭新的结构形式.本文所研究的压电材料具有正压电效应和逆压电效应,既可以作为作动器又可以作为传感器,它常常粘贴于主体结构的表面或嵌埋入结构内部,形成压电主动结构[1,2].实践证明,压电主动控制具有高效率控制和自适应性的优点.

振动主动控制系统的设计从建立系统的模型开始,继而再选择一种或几种控制方法对控制系统进行设计,并进一步依附于仿真或模型试验来判别所设计的控制系统是否符合性能要求.目前有限元法已在工程实践中广泛采用,已有成熟的应用软件,如PATRANNASTRAN,ANSYS等.利用现成软件进行有限元建模和结构响应分析,免除了自行划分有限元和编写程序的繁琐.依托大型通用的结构有限元分析软件进行结构设计、优化、结构分析与仿真等,可在同一环境中一次完成,但如果要进行实时控制,直接使用通用的结构有限元分析软件一般是达不到的,这需要通过这些通用的结构有限元分析软件的内建语言或者其他语言进行编程,或者采用其他方法实现.本文采用PATRAN与MATLAB联合仿真的方法进行数值仿真,并用实验验证了该方法的正确性.

1 压电结构的有限元建模

1.1 压电方程

对于线性压电材料,最常用的是第1类压电方程

式中σ为应力向量;ε为应变向量;d为压电应变常数矩阵;D为电位移向量;∈σ为应力σ为零(或常数)时的介电常数矩阵;E为电场强度向量;SE为电场强度E为零(或常数)时的弹性柔性常数矩阵[3].

1.2 有限元方程的建立

采用4节点板元,压电板的形式是在基板的上下表面分别粘贴压电作动器和压电传感器,每个节点取5个自由度.具有压电材料的单元另外取2个电自由度,即压电作动器的电自由度和压电传感器的电自由度.假设压电层合板结构中压电块平行于结构的中层面,且极化方向与电场和位移场平行,垂直于压电块,并满足如下假定:

(1)一个方向的尺寸远远小于其它方向的尺寸;

(2)平面应力假定;

(3) Kirchhoff假定(直法线假设);

(4)在厚度方向和沿中性面法线方向电场强度E和电位移D是均匀的,且有

(5)每个压电层是线性压电层,并在厚度方向极化.

根据层合结构假定,压电板结构的位移函数ux,uy,uz可取为以下形式

其中u0,v0,v0分别是板中性面上的纵向,横向和竖向位移.压电结构的动力学方程可以由Hamilton原理

获得,式中t1和t2是时间间隔.L为拉格朗日项

H包括机械势能和电势能,ρ为质量密度,是速度场.W为外加的机械力和电场力所作的功势能,由外界施加的机械力和电荷对任意位移场u的变分δu和电动势的变分δφ所作的功为

式中Fv为施加的体力,FA为施加的面力(定义在A1上),FP为点载荷,φ为电动势,Q为面积A2上电荷.将各单元的L和W代入式(5)中,并聚凝掉电自由度φ后,最终可以得到如下动力学方程

式中M,K,C分别为系统的质量矩阵、刚度矩阵和结构阻尼矩阵.Fm为外部干扰力,Fs和Fa分别表示施加到系统结构传感器和作动器的电荷所产生的电力矢量

为单元主结构与压电传感层的耦合刚度矩阵;Kss为单元压电传感层的自感应刚度矩阵;Kaa为单元压电作动层的自感应刚度矩阵;gα,gs为单元压电作动层上和压电传感层上的电荷[4].分布的压电传感器的输出为Φs

2 主动控制及仿真方法

系统动力学方程的一般形式可以写成

其中F1为外界作用力矩阵,Ka为驱动器作用矩阵.Va为加在驱动器上的电压.

2.1 基于LQR的独立模态控制法

独立模态控制的基本思想是将多自由度系统响应转换成独立模态坐标的滤波方法[5,6,7].当自由度较多的时候,振型矩阵Φ的确定是比较复杂的,这里采用一种新的仿真方法:PATRANNASTRAN与MATLAB联合仿真的方法.用通用有限元软件PATRANNASTRAN对结构进行建模和模态分析,会得到每个点各阶的振型,由想要控制系统的r阶模态振型构成振型矩阵Φ".将结构位移写成如下形式

ξ为模态坐标,并利用Φ"对式(13)进行解耦,得到

将模态方程(14)写成状态空间方程的形式

这里;Ai是2×2矩阵,Bi是2×a矩阵,a是驱动压电块的个数

然后根据式(15),在MATLAB里进行控制仿真,采用LQR最优控制方法,设目标函数为

则最优控制问题可转化为求目标函数(17)这个泛函的极小值问题.有如下线性控制律

这里为控制增益,Qi是半正定矩阵,Ri是正定矩阵,Si满足Ricatti方程[8,9].

2.2 比例反馈控制

一般情况下施加在传感器的外加电荷为零,即gs=0,传感器的电动势可表示为

采用常增益负速度反馈控制结构振动,加在压电作动器上的电压为

式中G为控制增益.具体实施仿真方法同上.

3 仿真算例

基板(300 mm×150mm×2 mm),在它上下表面粘贴压电陶瓷(PZT)的作动器和传感器.板长边的中点上受一垂直于板面10N作用时间为0.1 ms的脉冲.整个板被划分为50个QUAD4单元,采用基于LQR的独立模态控制方法,有限元模型见图1.图2,图3分别是控制与未控制情况下板端A点的低阶模态振动响应.图4为控制与未控制情况下板自由端A点的振动频率响应图.

4 振动主动控制实验

实验基板模型与数值仿真的板模型相同.实验主动板模型是在基板的上面直接粘贴压电片制成.实验装置采用宿主机-目标机的技术途径.在xPC目标环境下,将安装了MATLAB,Simulink和Stateflow软件的PC机作为宿主机,用Simlink模块和Stateflow来创建模型并进行非实时仿真.然后用RTW,Stateflow代码生成器和C编译器来生成可执行代码并将其在第2个PC兼容机上实时地运行[10],控制系统的组成见图5.图6,图7分别是板实验及数值仿真时的控制前后的响应,试验及仿真均采用比例反馈控制.

5 结论

本文采用4节点压电板单元建立了主动结构模型.针对系统振动方程和有限元软件分析所得的结果研究了比例反馈控制法、基于LQR的独立模态控制方法来控制结构的振动,并用新的仿真方法进行了仿真.数值算例和实验结果表明:采用压电结构进行主动控制对结构振动抑制是有明显效果的.

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[9]荆海英．最优控制理论与方法．沈阳：东北大学出版社．2002

自动控制仿真实验 篇8

系统时域分析是测试技术、控制工程课程的重要内容。在现行的教材中, 一般以一阶、二阶系统为例, 通过求取Laplace逆变换的方法, 获得解析解, 然后绘制系统的时间响应曲线[1,2]。对于高阶系统和一般的输入信号, 解析解的推导过程十分复杂, 因此, 分析研究一般系统的时间响应比较困难。而应用M atlab控制系统工具箱的数值运算功能, 可以快速获得系统时间响应的数值解, 绘制出时间响应曲线, 较好地满足实际应用要求。本文应用M atlab控制系统工具箱, 设计开发了控制系统时域分析G U I仿真实验教学平台, 可以绘制一阶、二阶系统和高阶系统的时间响应曲线, 计算显示时间响应的性能指标。该仿真实验平台, 程序界面操作简单, 生成响应曲线迅速、准确, 对改善系统时域分析教学效果具有一定的帮助。

二、系统时间响应的计算

线性系统的时间响应主要有单位脉冲响应、单位阶跃响应、单位斜坡响应和任意输入信号下的系统响应。在M atlab下, 以LTI对象描述线性系统的结构。最常用的LTI对象为传递函数模型, 一般系统的传递函数为:

数组a、b分别为传递函数分母多项式系数和分子多项式系数, 则可用tf函数构造一个LTI对象sys[3]。

sys=tf (b, a)

时域分析函数是以LTI对象为函数输入的一组时间响应数值解计算函数。单位脉冲响应、单位阶跃响应, 分别由im pulse (sys) 、step (sys) 实现。单位斜坡响应和任意输入信号下的系统时间响应, 可由lsim (sys, u, t) 实现, 单位斜坡响应则是输入信号为u=t的特殊情况。

三、时间响应性能指标的计算

时间响应性能指标主要有上升时间tr、峰值时间tp、调整时间ts、最大超调量Mp和振荡次数N。

峰值时间tp为响应曲线到达第一个峰值yp所需的时间, 满足yD=max (yi) 。可用如下M A TLA B语句[4]实现。

其中, t={ti}为仿真时间数值向量, y={yi}为时间响应数值向量。

调整时间ts为yi满足如下不等式 (2) 所需的时间, |yf-yF|≤∆⋅yF (ti>ts) (2)

其中, △为给定的允许范围, yF为稳态值。调整时间计算程序如下:

最大超调量Mp, 可由峰值yp和稳态值yF求出,

振荡次数N为响应曲线在0≤t≤ts内, 穿越稳态值y F次数的一半。设y1, , ym为过渡过程的时间响应, 则振荡次数计算程序如下:

对于欠阻尼系统, 上升时间tr定义为响应曲线第一次到达稳态值所需的时间。对于过阻尼系统, 上升时间tr定义为响应曲线从稳态值的10%上升到90%所需的时间。已知仿真时间数值向量t、系统时间响应数值向量y, 稳态值yF, 则上升时间计算如下:

其中ti为满足yi-0.9yF>0的最小t值, tj为满足yj-0.1yF>0的最小t值, tk是满足yk-yF>0的最小t值, N为振荡次数。上升时间的计算可用如下M A TLA B语句实现:

四、仿真实验程序的运行效果

本文所开发的控制系统时域分析仿真实验教学平台, 包括一阶、二阶和高阶系统3个独立的界面, 分别实现了单位阶跃、单位脉冲、单位斜坡和一般输入信号的时间响应仿真。图1为二阶系统单位阶跃响应仿真界面, 该界面实现了响应曲线的绘制和性能指标的计算和显示。图2为高阶系统脉冲响应仿真界面, 可通过输入传递函数分子、分母多项式的系数, 改变系统参数, 对不同系统的时间响应进行仿真。返回目录按钮, 用于实现一阶、二阶和高阶系统3个独立界面之间的切换, 实验项目目录界面如图3所示。

五、结论

1.本文以M atlab控制系统工具箱为基础, 应用数值仿真技术, 设计、开发了控制系统时域分析G U I仿真实验平台, 实现了一阶、二阶系统和高阶系统的时间响应以及性能指标的计算。

2.在该仿真实验环境下, 改变输入参数, 即可对不同系统进行时域分析, 从而帮助学生更好地掌握各阶系统的时间响应特性, 分析参数变化对时间响应的影响, 改善时域分析的教学效果。

摘要：以MATLAB为开发环境, 应用数值仿真技术, 设计、开发了控制系统时域分析GUI仿真实验平台, 实现了一阶、二阶系统和高阶系统的时间响应曲线, 可以计算显示系统时间响应的性能指标。可用于机械控制工程、机械工程测试技术课程中系统时域分析部分的仿真实验和课堂演示教学。

关键词：时域分析,性能指标,数值仿真,实验教学

参考文献

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自动控制仿真实验 篇9

实验教学作为一种必不可少的教学手段已不仅仅是验证知识和探索新技术的一种方法, 还是培养学生多种实践能力和创新意识的主要手段。只有合理地运用这一教学手段, 才能使其真正有效地服务于教学, 达到培养高级应用型人才的目标。

一、自动化专业系列课程的特点

自动化专业包括的主要控制类课程有:自动控制原理、现代控制理论、过程控制工程基础、微型计算机控制技术、自动控制系统及应用、信号与系统等, 这些课程理论性强, 抽象概念多, 所涉及的数学基础比较广泛, 探讨的是控制过程的性能及其规律, 具有很强的应用性及工程性, 与基础课程相比在研究方法和学习方法方面都有很大不同, 因此, 学生感到难学, 教师觉得难教, 教学过程容易枯燥。自动化专业系列课程的实验教学, 作为教学的重要手段显现出不足, 主要表现在以下几个方面: (1) 实验教材选用单一, 有一定局限性; (2) 验证性实验多, 设计性、综合性和创新性实验少; (3) 运用先进的实验教学手段不够。 (4) 许多设计性、综合性和创新性实验由硬件电路难以实现。

针对这种情况, 在实验教学方法上需要进行相应的改革, 加强实验课程建设, 以培养高素质应用性人才为宗旨, 结合自动化专业课程的实际情况, 提高学生的学习兴趣和学习积极性, 培养学生的创新意识。

二、实验课程体系改革的探索

随着微电子技术和计算机软件技术的发展, 计算机辅助设计方法已经开始逐渐进驻各领域, 借助计算机仿真技术, 可以弥补实验器材缺乏的不足, 减少实验耗材, 完成现有实验设备难以实现的复杂实验, 缩短实验时间, 更加完整地分析实验对象的系统性能指标, 优化电路设计, 具有高效、快速、直观、完整的优势。开展仿真实验可充分利用现有实验室条件, 发挥计算机仿真技术的优势, 即提高了现有实验设备的利用率又提高了学生对新型软件的应用能力和科研创新能力。因此, 仿真实验越来越显露出它的重要性。

M A T L A B是控制系统计算机辅助分析与设计的一个卓越平台, 它为控制理论系列课程的教学和实验提供了一个有实用价值的工具。利用M A T L A B语言, 可以培养学生的综合分析能力和设计能力, 完成由硬件设计难以实现的设计性、综合性和创新性实验, 其中的Simulink仿真功能和控制系统工具箱为自动化专业系列课程实验设计提供了极大的方便。通过实验不仅帮助学生理解课堂所学理论, 而且为学生今后使用M A T L A B进行控制系统的分析和设计打下了基础, 有利于培养学生应用计算机辅助分析和设计控制系统的综合能力。

三、改革的措施

1. 调整验证性实验的时间

验证性实验是为了使学生巩固理论知识而开设的基础实验, 实验内容单一, 通过该类实验可以使学生对实验仪器的使用及注意事项有比较清楚的了解, 培养学生的基本操作、数据处理和计算技能, 使教材上的基本理论得到充分的验证, 加深学生对理论教学中各个知识点的理解。

2. 增加综合性、设计性实验

综合性、设计性实验是在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上运用某一课程或多门课程的综合知识, 对学生的综合实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性实验。其目的在于锻炼学生对知识综合应用的能力, 培养学生分析和解决复杂问题的能力, 在全部或部分验证性实验完成之后, 适时安排综合性实验内容, 以培养学生综合应用能力和创新能力。

3. 引入仿真技术, 开设研究性实验

随着高校生源的增多, 现有的实验设备难以解决高校中学生大量的实验要求, 为了提高实验教学的质量, 解决实验设备少、难维护、费用高等问题。使用仿真技术进行仿真实验, 学生可以利用计算机房完成实验系统的设计及仿真, 并且可以同时进行相关资料的查询。利用仿真实验, 可以充分发挥学生的想像力, 去实现自己的设计方案而不受实验设备等方面的限制, 同时也不必担心实验失败会对相关设备造成的损坏, 这无形中为学生创造力的发挥提供了十分广阔的空间, 这种方式是传统实验模式无法实现的, 有利于对创造型人才和创新能力的培养, 而且有利于降低实验成本, 减少实验设备的维护与管理, 使实验室的建设进入一个良性发展的轨道。

开设实验课程:

4. 编写实验教材

合理设置实验教材内容, 编写出适合自动化专业学生使用的包括验证性实验、综合性实验、仿真实验的一整套专业课程实验教材, 实现实验教材和课堂教材在时间上和内容上的有机结合, 两者相辅相成。

四、总结

实验教学作为一种必不可少的教学手段不仅是验证知识和探索新技术的一种方法, 还是培养学生多种实践能力和创新意识的主要手段。合理设置实验内容, 采用先进的实验手段, 充分发挥学生的想像力, 培养学生的创新意识, 提高学生的实践能力和创新能力。以培养高素质应用性人才为宗旨, 在先进的实验教学理念指导下加强实验室的建设, 使自动化专业的实验室成为优秀人才的培养场所。

摘要：实验教学作为一种必不可少的教学手段已不仅仅是验证知识和探索新技术的一种方法, 还是培养学生多种实践能力和创新意识的主要手段。运用先进的实验教学手段, 合理设置实验教材内容, 加强综合型、创新型、探索型实验, 提高学生的学习兴趣和学习积极性, 增强学生实践能力、创新能力和综合素质。

自动控制仿真实验 篇10

随着低频谐波抑制的电磁兼容规范标准在国内外的强制实施, 有源功率因数校正技术 (APFC) [1,2,3]已广泛应用于各类电力电子装置中, 成为电力电子技术领域的研究热点。

传统带整流桥的升压型APFC电路, 无论在开关导通还是关断状态, 电流总是流经至少三个半导体功率器件, 在低压输入和较大功率场合, 具有较大导通损耗。为了进一步提高变换器系统转换效率, 近年来提出了无整流桥升压型PFC电路[3,4,5]。其中典型无整流桥电路如图1所示, 电路没有二极管整流桥, 同时电感位于电路的交流侧。电路在交流正负半周的工作过程, 是一个双升压型变换器。而任何工作阶段, 电流总是仅流经两个半导体功率器件, 从而有效减少导通损耗。

从图1可知, 由于无桥电路的输入与输出没有直接连接, 传统APFC电路控制方法中, 电压信号的检测和电流信号的检测方法不能直接采用, 使得无整流桥PFC电路控制方法的实现比传统PFC电路控制实现更具有挑战性[5]。

由于图1所提电路没有整流桥, 无法采用整流桥后电阻分压采样的方法。采取工频变压器、光耦和等效电阻分压, 由于存在体积、复杂性和畸变等问题, 如何解决输入电压采样方法, 是无桥APFC电路实现有效控制重要的问题。

传统的平均电流控制PFC电路的电感电流的检测可以方便实现:通过在主电路串接一个小电阻实现电感电流的检测, 这种方法不需要隔离, 简单方便。对于无桥PFC电路, 电感电流的回路与输出不共地, 必须采取隔离检测的办法。同时电感电流是双向的, 不同于传统的PFC电路的电感电流单方向性。因此, 针对无整流桥PFC电路的特点, 采取合理的控制策略, 实现方便可靠的控制, 是实现无桥PFC电路有效控制又一需要解决的问题。

2 改进单周期 (OCC) 控制策略

2.1 典型OCC工作原理

20世纪90年代由美国学者Keyue M Smedley提出的单周期控制技术 (One Cycle Control, OCC) , 因其优良的控制性能而在PFC电路中得到广泛应用[6,7,8]。

基于单周期控制的Boost型PFC电路的工作原理可以分析如下:假定uin为整流后的输入电压;uo为输出电压;Ts为开关周期;DTs为开关导通时间。

根据APFC的控制目标, 要实现功率因数校正须满足:

式中, Re为变换器输入的等效阻抗。

在电感电流连续导通模式CCM下, 变换器输入和输出的电压变比可表示为:

假定RS为电流检测电阻, 设定:

合并式 (1) 、式 (3) 得:

其控制目标模型如下, 其中电流是输入平均电流值:

式 (5) 实现的OCC控制, 在一个开关周期内有效地抑制输入电源侧的扰动;既没有静态误差, 也没有动态误差, 动态响应速度快;同时控制电路无需复杂的乘法器、无需检测输入电压, 非常适合无整流桥的PFC电路控制。

2.2 改进单周期控制策略

世界著名的功率半导体器件公司-国际整流公司 (IR) 2005年研发推出的AC/DC PFC电路控制芯片-IR1150系列产品[9,10,11], 就是基于单周期控制策略应用的商用芯片。但是IR1150电流采样是峰值电流, 当电路电感较小或电路工作于临界或断续模式时, 这种控制将带来较大的谐波失真。为了减少峰值电流采样引起的谐波失真, 本文在IR1150芯片的基础上, 设计了一种改进型单周期控制方法。

首先将式 (5) 改写为:

其中, k是输出电压分压电阻比例系数。

分析平均电流与峰值电流的关系如下:

取k=2RSLTs则输入电流平均值为:

即采取谐波补偿措施后, 采用IR1150峰值电流采样的单周期控制可以取得高PF和低THD。为了减少共模噪声影响, 本文选用两个独立升压型无桥PFC电路, 采用小电阻电流采样, 根据上述峰值电流控制的分析, 针对无整流桥PFC电路拓扑的特点, 结合峰值电流控制改进单周期控制芯片IR1150, 对新型PFC系统控制电路的设计如图2所示。

3 仿真建模与分析

由于PFC电路的控制目标是电源周期的输入电流跟踪输入电压得到正弦电流, 而IR1150开关频率在50~200k Hz, 是一个大跨度时标系统, 因此采用实际器件电路仿真, 将是一个病态仿真模型, 影响收敛和仿真速度。同时PSPICE仿真软件没有IR1150芯片模型。因此本文采用开关周期平均模型进行PFC电路仿真建模。图3是典型升压型电路开关网络和线性化后的等效双端口网络。

图4是采用平均开关周期模型 (CCA) 的仿真波形。

4 实验结果

为了验证本文理论分析, 本文基于IR1150控制芯片, 设计两种不同控制策略的无桥功率因数校正开关变换器实验样机, 该PFC电路的主要参数为: (1) 采用控制芯片IR1150; (2) 开关电源输出功率150 W; (3) 输入单相交流额定电压85~265 V; (4) 输入功率因数0.99; (5) 效率95%; (6) 输出电压400 V; (7) 开关频率50 k Hz。

图5为样机在输入电压为220V时, 改进单周期控制下无桥PFC电路输入电压和输入电流实验波形。PF为0.99, THD为5.6%。

图6为样机在输入电压为220V时, 典型单周期控制下无桥PFC电路输入电压和输入电流实验波形。PF为0.96, THD为10.9%。

5 结论

本文分析了传统功率因数校正电路工作原理与控制策略。为了进一步减少导通损耗提高变换器转换效率, 近年来提出了无整流桥新型PFC电路。对于无桥PFC电路, 存在输入电压检测、电流检测和共模噪声等一系列问题。本文分析无整流桥控制的特点, 提出了基于峰值电流改进单周期控制无桥PFC控制方法。论文进行了计算机仿真建模与仿真分析。基于一种低共模噪声的无整流桥PFC电路, 应用控制芯片IR1150实现样机, 实验验证理论分析。

摘要：为了进一步减少导通损耗和提高变换器转换效率, 近年来提出了无整流桥新型功率因数校正 (PFC) 电路。对于无桥PFC电路, 存在输入电压检测、电流检测和共模噪声等一系列问题。本文深入分析了无桥PFC电路控制的特点, 提出了采用峰值电流采样的改进单周期控制无桥PFC控制方法, 建立了PSPICE仿真模型并进行仿真分析。基于一种低共模噪声的无桥PFC电路, 应用模拟控制芯片IR1150实现样机, 验证了理论分析。

关键词：效率,THD,峰值电流采样,改进单周期控制,无桥功率因数校正

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[10]林维明, 汪晶慧, 黄俊来, 等 (Lin Weiming, Wang Jing-hui, Huang Junlai, et al.) .一种新型零电压转换三电平倍压BOOST整流器 (A high efficiency zero-voltage-switching BOOST voltage doubler with low conduction los-ses) [J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.&Energy) , 2008, 27 (3) :9-12.

[11]International Rectifier Corp.IR1150S Data sheet[OL].2005.http://www.irf.com.

自动控制仿真实验 篇11

关键词：Mworks系统 仿真实验?仿真效果

中图分类号：TU646 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0006-02

目前机械产品通常是机械、电子、控制等多领域子系统的组成，因此机械产品设计是一个系统设计过程，是工程分析和优化决策的过程，是产品性能的不断优化的过程，Mworks为产品多学科优化设计提供了一个很好的平台。

MWorks[1-5]是华中科技大学CAD中心（同元软控）历经10余年倾力打造的新一代多领域物理系统建模与仿真平台，完全支持国际多领域统一建模标准语言Modelica，提供了从可视化建模、编译求解到结果后处理的完整功能，并支持基于Modelica模型的多学科多目标优化。

该系统可利用现有大量可重用的Modelica领域库，广泛地满足机械、电子、控制等领域建模仿真与设计优化需求。能使不同领域的研发人员在统一的开发环境中对复杂产品进行多领域协同开发、试验和分析。从而大大提高产品研发效率。目前该系统已经成功应用于中国商用飞机有限公司（国产大飞机）项目，应用效果良好。

本文主要针对本科生《机械设计》课程设计要求，对减速箱基本动力学分析，使用Mworks进行减速箱功率、受力、运动等性能仿真，帮助学生进行机械系统优化设计。

1　减速箱仿真模型建立

1.1 几何模型建立

本文以应用广泛、结构相对简单的标准双级圆柱齿轮减速器为例子，首先使用三维CAD软件建立其三维几何、装配模型，能帮助学生能进一步直观掌握减速箱的各零部件的装配关系，完成装配模型后生成爆炸图，如图1所示。将缸体、缸盖、以及固定缸体缸盖的螺栓和螺母拆开，了解减速箱内部结构，使得学生能够非常直观的看到减速箱内部结构，为结构设计打下基础。

1.2 动力仿真模型建立

目前的多领域物理建模平台在不同领域库的支持下，采用可视化拖放建模方法构建仿真模型，其过程如下：先建好底层模型，再在主模型中拖放底层模型作为主模型的部件，或者从Modelica标准库中拖放模型作为主模型的部件。

图2所示为作者开发多领域建模仿真平台Mworks减速箱模型。具体操作步骤如下叙述。

启动MWorks，出现如图所示的启动界面，上面横条为工具栏和菜单栏，可以启动工作、各种操作，右边为视图浏览区、输出信息栏和属性栏。左上部分是系统模型库，包括各种机械、电子等已有的参数化模型，具体如下。

Blocks——连续和离散的输入/输出部件子库，例如滤波器、信号源等。

Constants——提供数学常量、机械相关的常量和自然界其他常量等。

Electrical——电气和电子元件库，例如电阻、二极管、三极管等。

Icons——提供基本图标定义的库，用于可视化建模。

Math——提供数学函数（如sin、cos、log等）和矩阵运算功能的子库。

Mechanics——包括一维和三维机械系统部件（如变速箱、行星齿轮、离合器等）的子库。

SIunits——定义了与ISO 31-1992一致的国际单位类型，如角度、电压、惯量等。

用户可以根据需要用鼠标拖拽的方式拉到设计工作区，左下部分是现有模型视图，以结构树的形式列出当前系统包含的各种组件。模型库右边是主工作区，可以通过拖拽模型库中已有的模型到工作区设计产品。

在左边“系统模型库”树视图上依次展开节点“Modelica”->“Mechanics”->“MultiBody”，显示系统中已经存在模型库，比如电机、传动齿轮等。双击节点“Rotor”，MWorks载入电机模型及其所需的组件，并在视图浏览区显示模型部件结构，左下方“现有模型”视图显示系统标准库和用户库中模型的层次结构，右边的视图浏览区显示已有的模型结构。以此类推，将电机、齿轮、扭矩等组件拖拽进工作区，并添加链接组件，构成减速箱基本传动结构。

选中“Rotor”组件的图标，单击右键，弹出快捷菜单，如图2-4示，通过“Parameters…”调出组件参数对话框（依次点击“Graphics”->“Selected Component”->“Parameters…”也能调出该对话框），在其中可以修改组件的名称、参数等。

在部件视图浏览区双击代表组件的图标（或单击组件图标使之选中，然后通过“Graphics”->“Selected Component”->“Show Component”；或打开右键快捷菜单，选择“Show Component”），可以查看组件模型细节。当鼠标在组件图标上悬停时，会显示组件的类型信息。

“当前模型”树视图和右边显示的组件保持同步。当在部件视图浏览区选中某一组件，左边的“当前模型”树视图也会选中代表该组件的节点；同样，在“当前模型”树视图中选中某节点，部件视图浏览区也会选中该节点所表示的组件。部件视图浏览区显示组件的具体结构，“当前模型”给出了模型的整体结构，使得能够在模型的层次结构中切换和浏览。

现在部件视图浏览区显示的是减速箱组件的结构，包括电机、扭矩、负载、齿轮等，并且左边“当前模型”视图中表示减速箱组件的节点展开了，可以看到减速箱模型内部的组件，当选中某个组件时，属性栏显示组件的基本属性和组件参数，根据设计要求可以修改齿轮传动比、负载等参数，使系统负荷设计要求。

2　模型仿真

建好模型后，我们可以仿真的方式检验模型是否能够达到设计要求，并可以调整组件的参数进行优化设计。

选择“Simulation”->“Goto Simulator”菜单项或工具栏的“启动仿真界面”按钮打开仿真界面，如图示。如果要设置仿真参数，通过菜单“Simulation”->“Setup”或工具栏“仿真参数设置”按钮进入设置界面，设置终止时间为1s。

通过菜单“Simulation”->“Simulate”或工具栏“模型求解”按钮进行仿真。MWorks先翻译模型，然后进行求解。求解完成后，变量树视图中显示模型中的变量，选中变量前的复选框，可以绘制出度变化的曲线，如图5示，电机的角速度motor1.Jm.w变化曲线。

在左边变量框，选择相应变量，比如齿轮扭矩等，仿真后可显示相应的动力学曲线。

3　结语

本文采用Mworks的标准件库对应用广泛、结构相对简单的标准双级圆柱齿轮减速器进行了建模仿真，学生可以直观的设定系统中电机转速、力矩、齿轮传动比等参数，系统自动得到不同设计结果，让学生体会到机械产品不断优化的设计过程。这样将有利于学生掌握机械设计过程，提高产品设计能力，为将来从事相关工作打下坚实的基础，同时也为工科学生的工程学习提供新的途径。

参考文献

[1]　吴义忠，刘敏，陈立平.多领域物理系统混合建模平台开发[J].计算机辅助设计与图形学学报，2006，18（1）： 120-124.

[2]　赵建军，丁建完，周凡利，等. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机

理[J].系统仿真学报，2006，18（2）：

570-573.

[3]　王书亭，吴义忠.多领域仿真平台下自顶向下的建模机制[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010，22（7）.

[4]　赵翼翔，陈新度，陈新.基于Modelica的机电液系统多领域统一建模与仿真[J].

机床与液压，2009，137（16）：166-169.

三维光学实验仿真 篇12

但是, 在光学实验中, 实验的环境对实验效果影响巨大, 要想得到理想的实验效果, 必须具备良好的实验条件, 导致教学中很难将实验应用的理论教学中去, 所以借助于计算机将光学实验进行仿真成为一条有效的可行路线。

利用origin软件对光学实验进行仿真, 可以避免复杂的程序撰写, 非常适用于没有编程基础的初学者, 也能够得到效果明显的实验结果应用到实际的理论教学中。

一、Origin仿真结果

(一) 多缝夫琅禾费衍射

强度公式:根据惠更斯-菲涅尔原理, 多缝夫琅禾费衍射的光强公式[1]为:

实验仿真结果:

由式 (1) 可得接受屏上x (设OP=x) 处与该点相对光强的函数关系为:

设N=6, b=4×10-6m, d=6×10-6m, f=65×10-3m, I0=1, λ=650nm。矩阵维数设定 (500, 500) , x、y的取值范围为 (-0.03m, 0.03m) , 依据光强分布公式得出矩阵元的值如下: (sin ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) / ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2* ( (sin ( (6*pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2) 可得到图1所示的二维仿真图, 图2所示的三维仿真图。

(二) 夫琅禾费多缝干涉

强度公式:在多缝夫琅禾费衍射中, 如果不考虑单缝衍射效应, 多缝干涉的强度与相位差的关系为:

其中, δ= (2πdsinθ) /λ。

令v= (πdsinθ) /λ, 式 (3) 可表示为:

取N=4, I0=1, d=5×10-6m, f=65×10-3m, λ=589nm, 矩阵维数设定为 (500, 500) , x、y坐标范围设定为 (-0.02m, 0.02m) , 矩阵元的值设定为sin ( (4*pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2, 可得到多缝干涉的二维及三维仿真图像如图3和图4。

(三) 夫琅禾费圆孔衍射

强度公式:夫琅禾费圆孔衍射中, R为圆孔半径, θ为衍射角, f为凸透镜焦距。

圆孔衍射在屏上任一点的光强为:

实验仿真:

令衍射图样中心P0处光强I0=1, 可知接受屏上P处相对光强与x的函数关系为:

设R=0.00003m, f=1m, λ=632.8nm, 调用一阶贝塞尔函数, 依据光强分布公式对矩阵元的值进行设定:

4* (j1 ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) / ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) ) ^2) , 可以分别得到图5所示的二维衍射仿真图和图6所示的三维衍射仿真图。

(四) 夫琅禾费矩形孔衍射

光强公式:夫琅禾费距孔衍射中, a、b分别表示x、y方向上距孔的边长, 矩形孔衍射公式[2]为:

实验仿真:

设λ=400nm, a=0.004nm, b=0.004mm, 焦距f=60mm, x、y坐标范围设定为 (-0.2m, 0.2m) , 矩阵维数设定为 (500, 500) , 在矩阵值窗口根据 (7) 式输入: ( (sin ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ^2) * ( (sin ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ^2) , 得到图7的二维衍射图, 图8的三维衍射图。

二、小结

通过上述图像可以得到, origin软件可以从容地得到相关的仿真结果, 并且其所得到的图像细致逼真, 界面也相当清晰, 对于实验的分析探究相当有利, 可以简单形象的看懂那些抽象难懂的光学理论。

摘要：以光的夫琅禾费多缝衍射、多缝干涉、夫琅禾费圆孔、矩形孔衍射、牛顿环实验以及迈克耳孙干涉实验为例, 利用origin软件实现光学实验三维仿真。找出实验的光强公式, 并进行参数设定, 从而得到origin软件所需要的矩阵元的值, 就可得一个光强的数据矩阵, 进一步可得到仿真图。得到的仿真图简单明了, 有利于观察, 为光学探究提供方便。

关键词：光学,实验仿真,origin

参考文献

[1]赵建林.光学[M].北京:高等教育出版社, 2006:P4.