機械控制工程實驗教案

《機械控制工程》實驗教案機械工程學院機電教研室20XX年9月目錄實驗一控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件學習使用及典型控制系統(tǒng)建模分析…..（2課時）實驗二一、二階系統(tǒng)時域特性分析…………………（2課時）實驗三控制系統(tǒng)頻域特性分析………（2課時）實驗一控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件學習使用及典型控制系統(tǒng)建模分析實驗?zāi)康恼莆誐ATLAB軟件使用的基本方法；熟悉MATLAB的數(shù)據(jù)表示、基本運算和程序控制語句；熟悉MATLAB程序設(shè)計的基本方法。學習用MATLAB創(chuàng)建控制系統(tǒng)模型。實驗原理MATLAB的基本知識

MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）之意。MATLAB具有卓越的數(shù)值計算能力，具有專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學,與工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB來解算問題要比用C,FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。當MATLAB程序啟動時，一個叫做MATLAB桌面的窗口出現(xiàn)了。默認的MATLAB桌面結(jié)構(gòu)如下圖所示。在MATLAB集成開發(fā)環(huán)境下，它集成了管理文件、變量和用程序的許多編程工具。在MATLAB桌面上可以得到和訪問的窗口主要有：命令窗口（TheCommandWindow）:在命令窗口中，用戶可以在命令行提示符(>>)后輸入一系列的命令，回車之后執(zhí)行這些命令，執(zhí)行的命令也是在這個窗口中實現(xiàn)的。命令歷史窗口（TheCommandHistoryWindow）:用于記錄用戶在命令窗口(TheCommandWindows)，其順序是按逆序排列的。即最早的命令在排在最下面，最后的命令排在最上面。這些命令會一直存在下去，直到它被人為刪除。雙擊這些命令可使它再次執(zhí)行。要在歷史命令窗口刪除一個或多個命令，可以先選擇，然后單擊右鍵，這時就有一個彈出菜單出現(xiàn)，選擇DeleteSection。任務(wù)就完成了。工作臺窗口（Workspace）:工作空間是MATLAB用于存儲各種變量和結(jié)果的內(nèi)存空間。在該窗口中顯示工作空間中所有變量的名稱、大小、字節(jié)數(shù)和變量類型說明，可對變量進行觀察、編輯、保存和刪除。當前路徑窗口（CurrentDirectoryBrowser）MATLAB命令常用格式為:變量=表達式或直接簡化為:表達式通過“=”符號將表達式的值賦予變量，若省略變量名和“=”號，則MATLAB自動產(chǎn)生一個名為ans的變量。變量名必須以字母開頭，其后可以是任意字母、數(shù)字或下劃線，大寫字母和小寫字母分別表示不同的變量，不能超過19個字符，特定的變量如：pi（=3.141596）、Inf（=∞）、NaN(表示不定型求得的結(jié)果,如0/0）等不能用作它用。表達式可以由函數(shù)名、運算符、變量名等組成，其結(jié)果為一矩陣，賦給左邊的變量。MATLAB所有函數(shù)名都用小寫字母。MATLAB有很多函數(shù)，因此很不容易記憶。可以用幫助（HELP）函數(shù)幫助記憶，有三種方法可以得到MATLAB的幫助。最好的方法是使用幫助空間窗口（helpbrowser）。你可以單擊MATLAB桌面工具欄上的圖標，也可以在命令窗口(TheCommandWindows)中輸入helpdesk或helpwin來啟動幫助空間窗口（helpbrowser）。你可以通過瀏覽MATLAB參考證書或搜索特殊命令的細節(jié)得到幫助。另外還有兩種運用命令行的原始形式得到幫助。第一種方法是在MATLAB命令窗口(TheCommandWindows)中輸入help或help和所需要的函數(shù)的名字。如果你在命令窗口(TheCommandWindows)中只輸入help，MATLAB將會顯示一連串的函數(shù)。如果有一個專門的函數(shù)名或工具箱的名字包含在內(nèi)，那么help將會提供這個函數(shù)或工具箱。第二種方法是通過lookfor函數(shù)得到幫助。lookfor函數(shù)與help函數(shù)不同，help函數(shù)要求與函數(shù)名精確匹配，而lookfor只要求與每個函數(shù)中的總結(jié)信息有匹配。Lookfor函數(shù)比help函數(shù)運行起來慢得多，但它提高了得到有用信息的機會。使用HELP函數(shù)可以得到有關(guān)函數(shù)的屏幕幫助信息。常用運算符及特殊符號的含義與用法如下：+數(shù)組和矩陣的加法-數(shù)組和矩陣的減法*矩陣乘法/矩陣除法[]用于輸入數(shù)組及輸出量列表()用于數(shù)組標識及輸入量列表‘’其內(nèi)容為字符串,分隔輸入量,或分隔數(shù)組元素；1.分開矩陣的行2.在一行內(nèi)分開幾個賦值語句3．需要顯示命令的計算結(jié)果時，則語句后面不加“；”號，否則要加“；”號。%其后內(nèi)容為注釋內(nèi)容，都將被忽略，而不作為命令執(zhí)行…用來表示語句太長,轉(zhuǎn)到第二行繼續(xù)寫回車之后執(zhí)行這些命令舉例：矩陣的輸入123A=456789矩陣的輸入要一行一行的進行，每行各元素用（，）或空格分開，每行用（；）分開。MATLAB書寫格式為：A=[1,2,3;4,5,6;7,8,9]或A=[123；456；789]回車之后運行程序可得到A矩陣A=123456789需要顯示命令的計算結(jié)果時，則語句后面不加“；”號，否則要加“；”號。運行下面兩種格式可以看出他們的區(qū)別a=[123;456;789]a=[123;456;789];a=123（不顯示計算結(jié)果）456789系統(tǒng)建模(1)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：對線性定常系統(tǒng)，式中s的系數(shù)均為常數(shù)，且a1不等于零，這時系統(tǒng)在MATLAB中可以方便地由分子和分母系數(shù)構(gòu)成的兩個向量唯一地確定出來，這兩個向量可分別用變量名num和den表示。num=[b1,b2,…,bm,bm+1]den=[a1,a2,…,an,an+1]注意：它們都是按s的降冪進行排列的。舉例：傳遞函數(shù):輸入:>>num=[12,24,0,20],den=[24622]顯示:num=1224020den=24622(2)模型的連接1）并聯(lián)：parallel格式：[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)％將并聯(lián)連接的傳遞函數(shù)進行相加。舉例：傳遞函數(shù):輸入:>>num1=3;den1=[1,4];num2=[2,4];den2=[1,2,3];[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)顯示:num=051825den=1611122)串聯(lián)：series格式：[num,den]=series(num1,den1,num2,den2)％將串聯(lián)連接的傳遞函數(shù)進行相乘。3)反饋：feedback格式：[num,den]=feedback(num1,den1,num2,den2,sign)％將兩個系統(tǒng)按反饋方式連接，系統(tǒng)1為對象，系統(tǒng)2為反饋控制器，系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)均以傳遞函數(shù)的形式表示。sign用來指示系統(tǒng)2輸出到系統(tǒng)1輸入的連接符號，sign缺省時，默認為負，即sign=-1?？傁到y(tǒng)的輸入/輸出數(shù)等同于系統(tǒng)1。4)閉環(huán)：cloop（單位反饋）格式：[numc,denc]=cloop(num,den,sign)％表示由傳遞函數(shù)表示的開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，sign意義與上述相同。TF模型傳遞函數(shù)num=[bmbm-1bm-2…b1b0]den=[amam-1am-2…a1a0sys=tf(num,den)sys【例1】系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為。>>num=[01124448];>>den=[11686176105];>>sys=tf(num,den);>>sysTransferfunction:

s^3+12s^2+44s+48-------------------------------------s^4+16s^3+86s^2+176s+105實驗儀器和用具主要儀器設(shè)備：電腦,1臺/人MATLAB軟件打印機實驗方法與步驟掌握MATLAB軟件使用的基本方法；用MATLAB產(chǎn)生下列系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型：u(t)y(t)u(t)y(t)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示，傳遞函數(shù)模型u(t)u(t)y(t)u(t)y(t)u(t)y(t)實驗分析及結(jié)論記錄程序記錄與顯示給定系統(tǒng)數(shù)學模型完成上述各題注意事項掌握MATLAB軟件使用的基本方法；用Matlab產(chǎn)生系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型思考題怎樣使用MATLAB軟件？怎樣用MATLAB產(chǎn)生系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型？實驗二一、二階系統(tǒng)時域特性分析實驗?zāi)康睦肕ATLAB對一、二階系統(tǒng)進行時域分析。掌握一階系統(tǒng)的時域特性，理解時間常數(shù)T對系統(tǒng)性能的影響。掌握二階系統(tǒng)的時域特性，理解二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)ξ和ωn對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。實驗原理MATLAB的基本知識MATLAB為用戶提供了專門用于單位階躍響應(yīng)并繪制其時域波形的函數(shù)step階躍響應(yīng)常用格式：step(num,den)或step(num,den,t)表示時間范圍0～t。或step(num,den,t1:p:t2)繪出在t1～t2時間范圍內(nèi)，且以時間間隔p均勻取樣的波形。舉例：二階系統(tǒng)閉環(huán)傳函為繪制單位階躍響應(yīng)曲線。輸入:>>num=[2,5];den=[1,0.6,0.6];step(num,den)顯示:系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)性能指標實驗儀器和用具主要儀器設(shè)備：電腦,1臺/人MATLAB軟件打印機實驗方法與步驟一階系統(tǒng)T分別為0.2、0.5、1、5時單位階躍響應(yīng)曲線二階系統(tǒng)1）ωn=6,ξ分別為0.2、0.5、1時單位階躍響應(yīng)曲線2）ξ=0.7,ωn分別為2、4、12時單位階躍響應(yīng)曲線3）鍵入程序，觀察并記錄單位階躍響應(yīng)曲線4）記錄各響應(yīng)曲線實際測取的峰值大小、峰值時間、超調(diào)量及過渡過程時間，并填表：實際值理論值峰值Cmax峰值時間tp超調(diào)量過渡時間ts實驗分析及結(jié)論完成上述各題完成上述各題記錄程序，觀察記錄單位階躍響應(yīng)曲線響應(yīng)曲線及指標進行比較，作出相應(yīng)的實驗分析結(jié)果分析系統(tǒng)的動態(tài)特性注意事項注意一階慣性環(huán)節(jié)當系統(tǒng)參數(shù)T改變時，對應(yīng)的響應(yīng)曲線變化特點，以及對系統(tǒng)的性能的影響。注意二階系統(tǒng)的性能指標與系統(tǒng)特征參數(shù)ξ、ωn之間的關(guān)系。思考題一階系統(tǒng)時間常數(shù)T對系統(tǒng)性能有何影響？二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)ξ和ωn對系統(tǒng)性能有何影響？實驗三控制系統(tǒng)頻域特性分析實驗?zāi)康募由罾斫忸l率特性的概念，掌握系統(tǒng)頻率特性的測試原理及方法。利用MATLAB作出開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特圖和波特圖，對控制系統(tǒng)特性進行分析。實驗原理奈奎斯特圖（幅相頻率特性圖）MATLAB為用戶提供了專門用于繪制奈奎斯特圖的函數(shù)nyquist常用格式：nyquist(num,den)或nyquist(num,den,w)表示頻率范圍0～w。或nyquist(num,den,w1:p:w2)繪出在w1～w2頻率范圍內(nèi)，且以頻率間隔p均勻取樣的波形。舉例：系統(tǒng)開環(huán)傳函為繪制奈奎斯特圖。輸入:>>num=[2,5,1];den=[1,2,3];nyquist(num,den)顯示:對數(shù)頻率特性圖（波特圖）MATLAB為用戶提供了專門用于繪制波特圖的函數(shù)bode常用格式：bode(num,den)或bode(num,den,w)表示頻率范圍0～w。或bode(num,den,w1:p:w2)繪出在w1～w2頻率范圍內(nèi)，且以頻率間隔p均勻取樣的波形。舉例：系統(tǒng)開環(huán)傳函為繪制波特圖。輸入:>>num=num=[1];den=[1,0.2