機(jī)械控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(2024版)_第1頁(yè)
機(jī)械控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(2024版)_第2頁(yè)
機(jī)械控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(2024版)_第3頁(yè)
機(jī)械控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(2024版)_第4頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

河南機(jī)電離等專(zhuān)科學(xué)假

《機(jī)裁限制工程基砒》

詼驗(yàn)器導(dǎo)不

專(zhuān)業(yè):機(jī)械制造與自動(dòng)化、起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等

機(jī)械制造與自動(dòng)化教研室編

2024年12月

目錄

試驗(yàn)任務(wù)和要求..........................................................................-1-

試驗(yàn)?zāi)K一MATLAB基礎(chǔ)試驗(yàn)..........................................................-2-

試驗(yàn)?zāi)K二典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)........................................................-7-

試驗(yàn)?zāi)K三二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)..........................................................-13-

試驗(yàn)?zāi)K四限制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析......................................................-16-

試驗(yàn)?zāi)K五基于Simulink限制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析......................................-18-

試驗(yàn)?zāi)K六線性系統(tǒng)的頻域分析.........................................................-21-

試驗(yàn)任務(wù)和要求

一、自動(dòng)限制理論試驗(yàn)的任務(wù)

自動(dòng)限制理論試驗(yàn)是自動(dòng)限制理論課程的一部分,它的任務(wù)是:

1、通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步了解和駕馭自動(dòng)限制理論的基本概念、限制系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法;

2、重點(diǎn)學(xué)習(xí)如何利用MATLAB工具解決實(shí)際工程問(wèn)題和計(jì)算機(jī)實(shí)踐問(wèn)題;

3、提高應(yīng)用計(jì)算機(jī)的實(shí)力及水平。

二、試驗(yàn)設(shè)備

1、計(jì)算機(jī)

2、MATLAB軟件

三、對(duì)參與試驗(yàn)學(xué)生的要求

1、閱讀試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),復(fù)習(xí)與試驗(yàn)有關(guān)的理論學(xué)問(wèn),明碓每次試驗(yàn)的目的,了解內(nèi)容和方法。

2、按試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)要求進(jìn)行操作:在試驗(yàn)中留意視察,記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和圖像,并由指導(dǎo)老師更查

后才能結(jié)束試驗(yàn)。

3、試驗(yàn)后關(guān)閉電腦,整理試驗(yàn)桌子,復(fù)原到試驗(yàn)前的狀況。

4、仔細(xì)寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告,按規(guī)定格式做出圖表、曲線、并分析試驗(yàn)結(jié)果。字跡要清晰,面曲線要用

坐標(biāo)紙,結(jié)論要明確。

5、愛(ài)惜試驗(yàn)設(shè)備,遵守試驗(yàn)室紀(jì)律。

書(shū)目窗口和11文件窗口。

(1)菜單欄用于完成基本的文件輸入、編輯、顯示、MATLAB工作環(huán)境交互性設(shè)置等操作。

(2)吩咐運(yùn)行窗口"CommandWindow”是用戶與MATLAB交互的主窗口。窗口中的符號(hào)“》”表示

MATLAB已打算好,正等待用戶輸入吩咐。用戶可以在“》”提示符后面輸入吩咐,實(shí)現(xiàn)計(jì)算或繪圖功

能。

說(shuō)明:用戶只要單擊窗口分別鍵,即可獨(dú)立打開(kāi)吩咐窗口,而選中吩咐窗口中Desktop菜單的

“DockCommandWindow"子菜單又可讓吩咐窗口返回桌面(MATLAB桌面的其他窗口也具有同樣的操

作功能);在吩咐窗口中,可運(yùn)用方向鍵對(duì)已輸入的吩咐行進(jìn)行編輯,如用“t”或“I”鍵回到上

一句指令或顯示下一句吩咐。

(3)工作變量區(qū)“Workspace”指運(yùn)行MATLAB程序或吩咐所生成的全部變量構(gòu)成的空間。用戶

可以查看和變更工作變量區(qū)的內(nèi)容。包括變量的名稱(chēng)、數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),該變量的字節(jié)數(shù)及類(lèi)型。

(4)歷史指令區(qū)"CommandHistory"顯示吩咐窗口中全部執(zhí)行過(guò)的吩咐。一方面可以查看曾

經(jīng)執(zhí)行過(guò)的吩咐;另一方面可以重復(fù)利用原來(lái)輸入的吩咐行。

-ABATLAB匚厄國(guó)

NtDebugDesMopWndowHelp

0屆X*a*■:-Wd7?MTEXEt勺J田工具欄窗口分離鍵

ShcrtculiHowtoA^l劃

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Tostaxted,KATLABHelp”trowtheHelpMenu.

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<50x1double)dou>)e

<60x1double>double命令運(yùn)行窗口區(qū)

工作變量區(qū)

Li功能:顯示當(dāng)前所使用的變量功能:實(shí)時(shí)顯示指令運(yùn)行情況。

w

技巧:可用指令“clear”清除所有技巧:

當(dāng)前使用變量1?可用指令,?clc..清除命令區(qū)窗口的內(nèi)容

口-0A12-8上午孰05—?2.可用“help+空格+指令?,查詢關(guān)于指

X—00-12-14T^Us?-名J

Jie令參數(shù)的說(shuō)明

0A12-15上年12:51—%

opcnCG:1abvork\yx4.Ml')

0*?09-12-21下午10,17-*功能:顯示已經(jīng)運(yùn)行的指令.

??(0.5?r*l)?(0.!?<?!)

n310“l(fā),1].技巧:可對(duì)其中某條指令雙擊完成

den=(1,7,0).歷史指令區(qū)

bode(HUB*d?n)I相同指令的輸入

-<nd

^titleCBodeh?"必"GU)=!0?(r*l)/(e<r?7>l

nu?=10?(l41);

?????????,?A?*?、?nA?=,“A/

圖1-2MATLAB的系統(tǒng)界面(一)

(5)當(dāng)前書(shū)目窗口“CurentDirectory"顯示當(dāng)前用戶工作所在的路徑,窗II包括菜單欄、

當(dāng)前書(shū)目設(shè)置區(qū)、工具欄和文件的具體列表。

圖I-3MATLAB的系統(tǒng)界面(二)

3.MATLAB的M文件

所謂M文件,就是用戶把要實(shí)現(xiàn)的吩咐寫(xiě)在一個(gè)以.m為擴(kuò)展名的文件中。與在吩咐窗口中輸入

吩咐行方式相比,M文件的優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)試、可重復(fù)運(yùn)用。在打開(kāi)的M文件窗口中輸入程序,用Debug

和Breakpoints菜單中的選項(xiàng),就可以進(jìn)行單步運(yùn)行、分段運(yùn)行、設(shè)置和取消斷點(diǎn)等對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。

M文件分為函數(shù)式M文件和程序式M文件。一般來(lái)說(shuō),程序式M文件用于把許多須要在吩咐窗口

輸入的吩咐放在一起,就是吩咐的簡(jiǎn)潔疊加;而函數(shù)式U文件用于把重夏的程序段封裝成函數(shù)供用

戶調(diào)用。

建立:由Matlab桌面的File菜單可以打開(kāi)或新建一個(gè)M文件窗口。下面是一個(gè)程序式M文件的

例子。在新建立的M文件窗II輸入下列吩咐行,并以文件名flower,m保存。在Matlab的吩咐窗口鍵

入“flower”,將會(huì)執(zhí)行該文件畫(huà)出圖形。

例1:程序式M文件

th=-pi:0.01:pi;

rho=5*cos(3.5*th).A3

polar(th,rho)

調(diào)用該吩咐文件時(shí),不須要輸入?yún)?shù),文件自身可建立須要的變量。當(dāng)文件執(zhí)行完畢后,變量

th和rho保存在工作變量區(qū)。

例2:函數(shù)式文件

functionc=myfile(a,b):

c=sqrt((a/2)+(b.A2))

一旦函數(shù)式M文件建立,在MATLAB的吩咐窗口或在其他文件中,就可以用下列吩時(shí)調(diào)用:

a=4:

b=3;

執(zhí)行結(jié)果為:

c=

5.000()

其中,function是函數(shù)文件的關(guān)鍵字,表明該文件為函數(shù)文件;c是輸出參數(shù):myfilc為函數(shù)名(文

件名應(yīng)與函數(shù)名相同,即myfile.m);a,b為輸入變量。

二、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.熟識(shí)MATLAB試驗(yàn)環(huán)境,駕馭MATLAB吩咐窗口的基本操作。

2.駕馭MATLAB建立限制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的吩咐及模型相互轉(zhuǎn)換的方法。

3.駕馭運(yùn)用MATLAB吩咐化簡(jiǎn)模型基本連接的方法。

三、試驗(yàn)原理

限制系統(tǒng)常用的數(shù)學(xué)模型有四種:傳遞函數(shù)模型(tf對(duì)象)、零極點(diǎn)增益模型(zpk對(duì)象)、結(jié)構(gòu)

框圖模型和狀態(tài)空間模型(SS對(duì)象)。經(jīng)典限制理論中數(shù)學(xué)模型一般運(yùn)用前三種模型,狀態(tài)空間模型

屬于現(xiàn)代限制理論范疇。

1.傳遞函數(shù)模型(也稱(chēng)為多項(xiàng)式模型)

連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為:

在MATLAB中用分子、分母多項(xiàng)式系數(shù)按5的降塞次序構(gòu)成兩個(gè)向量:

num=[bo,b\b,?],den=[a。,

用函數(shù)tf()來(lái)建立限制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型,其吩咐調(diào)用格式為:G=tf(num,den)

留意:對(duì)于已知的多項(xiàng)式模型傳遞函數(shù),其分子、分母多項(xiàng)式系數(shù)兩個(gè)向量可分別用G.num{l}

與G?den{l}吩咐求出。

2.零極點(diǎn)增益模型

零極點(diǎn)模型是是分別對(duì)原傳遞函數(shù)的分子、分母進(jìn)行因式分解,以獲得系統(tǒng)的零點(diǎn)和極點(diǎn)的表示

形式。式中,K為系統(tǒng)增益,Z1,Z2,…,Zn為系統(tǒng)零點(diǎn),“I,0,…,Pn為系統(tǒng)極點(diǎn)。在MATLAB

中,用向量z,P,2構(gòu)成矢量組[Z,p,kI表示系統(tǒng)。即Z=Z2,...,Zm],p=],K=

[K],用函數(shù)吩咐zpk()來(lái)建立系統(tǒng)的零極點(diǎn)增益模型,其函數(shù)調(diào)用格式為:G=zpk(z,p,&)

3.限制系統(tǒng)模型間的相互轉(zhuǎn)換

零極點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換為多項(xiàng)式模型:G=tf(G)

多項(xiàng)式模型轉(zhuǎn)化為零極點(diǎn)模型:G=zpk(G)

4.系統(tǒng)反饋連接之后的等效傳遞函數(shù)

兩個(gè)環(huán)節(jié)反饋連接后,其等效傳遞函數(shù)可用feedback()函數(shù)求得。若閉環(huán)系統(tǒng)前向通道的傳

遞函數(shù)為G1,反饋通道的傳遞函數(shù)G2,則feedback。函數(shù)調(diào)用格式為:W=fecdback(Gl,G2,sign),

其中sign是反饋極性,sign缺省時(shí),默認(rèn)為負(fù)反饋,sign=-l;正反饋時(shí),sign=l,單位反饋時(shí),

62=1,且不能省略。

留意:可以在吩咐窗口CommandWindow干脆輸入上述吩咐然后回車(chē)來(lái)運(yùn)行,也可以先建立M

文件(如mn.m),再在吩咐窗口干脆輸入文件名字來(lái)mn然后回車(chē)來(lái)運(yùn)行。

四、試驗(yàn)內(nèi)容

1.多項(xiàng)式模型

(1).已知系統(tǒng)傳遞函數(shù):6,(5)=--里——,建立其多項(xiàng)式模型:

53+25-+25+1

nuni=[l3J;den=1l22lJ;Gl=tf(nuni,den)

(2).已知系統(tǒng)傳遞函數(shù):G,(s)=-------7--------,建立其多項(xiàng)式模型。

-s(s+l)(r+4s+4)

s=tf(<s,);G2=3/(s*(s+l)*(sA2+4*s+4))

2.零極點(diǎn)增益模型

(1).已知系統(tǒng)傳遞函數(shù):GG)=—----,建立其零極點(diǎn)模型:

(s+O.5)(s+2)(s+3)

z=[-5];p=[-0.5-2-3];k=[10];G3=zpk(z,p,k)

(2).已知系統(tǒng)傳遞函數(shù):G4(s)=6(s+2-'-2+力,建立其零極點(diǎn)模型。

45(5+1)(5+4)(?+3)

3.限制系統(tǒng)模型間的相互轉(zhuǎn)換

c24-5v+6

(1).已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)6,(5)=丁上一-,求其等效的零極點(diǎn)模型。

■r+45+5

⑵.已知系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(,(s)="十°累(s+3),求其等效的多項(xiàng)式模型。

4.系統(tǒng)反饋連接之后的等效傳遞函數(shù)

(1).已知系統(tǒng)G(S)=2,+5S+6,。⑸=5(S+2),求負(fù)反饋閉環(huán)傳遞函數(shù)。

s~+2s+35+10

numl=[256];denl=[l23];G=tf(numl,denl)

num2=[510];den2=[l10J;H=tf(num2,den2)

W=feedback(GH,?l)或者W=feedback(G,H)

(2).已知單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(S)=-3^—,求它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

s~+2s+3

五、試驗(yàn)結(jié)果分析

I.嫻熟運(yùn)用各種函數(shù)吩咐建立限制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

2.完成試驗(yàn)的例題和自我實(shí)踐,并記錄結(jié)果。

六、常見(jiàn)錯(cuò)誤示例

iModfied

?-12.270:47:08

8-12-220:05:06

?-12.220:01:36

0-12-221:08:30

0-11-140:25:56

9-12-220:3136

±J

圖I-4本試驗(yàn)常見(jiàn)錯(cuò)誤示例

試驗(yàn)?zāi)K二典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)

一、預(yù)備學(xué)問(wèn)

1.Simulink簡(jiǎn)介

Simulink是MATLAB下的面對(duì)結(jié)構(gòu)圖方式的仿真環(huán)境;Simulink與用戶交互接口是基于Windows

的圖形編程方式,特別易于接受;Simulink是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的集成環(huán)境,其主要功能是

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分圻,從而可以在實(shí)際系統(tǒng)制作出來(lái)之前,預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。

2.Simulink的啟動(dòng)

⑴.在MATLAB吩咐窗口的工具欄中單擊按鈕。

(2).在吩咐提示符“>>”下鍵入simulink吩咐,并回車(chē)。

J.1ATLAB

EileEditJtiewDebugDesktopKindowHelp

'□以Xg?GC號(hào)CurrentDirectory:|G:\MATLAB7/回

Shortcuts_£]HowtoAdd@VViat's[sieulid]Siwjlink工具按鈕

圖2-1啟動(dòng)Simulink的工具按鈕

3.Simulink的模型庫(kù)

S3inulink

8CoMonlyUs?4BlocksLjSiaulinkLitraryBrowser匚一區(qū)

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圖2-2通用模塊組

4.Simulink模型的建立

(1).選擇所須要的元素,用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)中后拖到模型編輯窗口的合適位置。

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圖2-3連續(xù)系統(tǒng)模塊組

(2).要修改模塊的參數(shù),可以用鼠標(biāo)雙擊該模塊圖標(biāo),則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相應(yīng)對(duì)話框,提示用戶修改

模塊參數(shù)。

圖2-4模型參數(shù)修改

二、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路,了解電路參數(shù)對(duì)環(huán)節(jié)特性的影響。

2.學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測(cè)量方法,并學(xué)會(huì)由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

3.學(xué)習(xí)用MATLAB仿真軟件對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容中的電路進(jìn)行仿真。

三、試驗(yàn)設(shè)備和儀器

1.“算機(jī);2.MATLAB軟件

四、試驗(yàn)原理

典型環(huán)節(jié)的概念對(duì)系統(tǒng)建模、分析和探討很有用,但應(yīng)強(qiáng)調(diào)典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型是對(duì)各種物理

系統(tǒng)元、部件的機(jī)理和特性高度志向化以后的結(jié)果,重要的是,在肯定條件下,典型模型的確定能

在肯定程度上忠實(shí)地描述那些元、部件物理過(guò)程的本質(zhì)特征。

五、試驗(yàn)內(nèi)容

1.分別畫(huà)出比例、慣性、積分、微分、比例+微分和比例+積分的模擬電路圖。

2.按下列各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),調(diào)整相應(yīng)的模擬電路的參數(shù),視察并記錄其單位階躍響應(yīng)波

形。

①比例環(huán)節(jié)Gi(S)=l和G2(S)=2

②慣性環(huán)節(jié)Gi(S)=l/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1)

③積分環(huán)節(jié)Gi(S)=("S)和G2(S)=("(0.5S)

④微分環(huán)節(jié)Gi(S)=G.5S和G2(S)=2S

⑤比例微分環(huán)節(jié)Gi(S)=(2+S)和G2(S)=(1+2S)

⑥比例積分環(huán)節(jié)(PI)Gi(S)=(1+1/S)和G2(S)=2(1+1/2S)

3.啟動(dòng)MATLAB7.0,進(jìn)入Simulink后新建文檔,分別在各文檔繪制各典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)框圖。

雙擊各傳遞函數(shù)模塊,在出現(xiàn)的對(duì)話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。然后點(diǎn)擊工具欄的)址鈕或simulation

菜單下的start吩咐進(jìn)行仿真,雙擊示波器模塊視察仿真結(jié)果,

在仿真時(shí)設(shè)置各階躍飾入信號(hào)的幅度為1,起先時(shí)間為0(微分環(huán)節(jié)起始設(shè)為0.5,以便于視察)

傳遞函數(shù)的參數(shù)設(shè)置為框圖的數(shù)中值,自己可以修改為其他數(shù)值再仿真視察其響應(yīng)結(jié)果。

比如,以比例環(huán)節(jié)為例:

比例環(huán)節(jié)(K=2)MATLAB仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖2-5(a)所示,仿真響應(yīng)結(jié)果如圖2-5(b)所示。

(b)仿真響應(yīng)結(jié)果

圖2.5比例環(huán)節(jié)MATLAB仿真

當(dāng)然,試驗(yàn)也可用程序?qū)崿F(xiàn):以慣性環(huán)節(jié)為例:num=U];den=[0.51];G=tf(num,den),step(G)即

可得到響應(yīng)曲線。

六、試驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論

1.比例環(huán)節(jié)Gi(S)=l和G2(S)=2(二選一)

2

比例環(huán)節(jié)仿真仿真結(jié)構(gòu)圖單位階躍響應(yīng)波形圖(需注明必要的特別點(diǎn))

比例環(huán)節(jié)特點(diǎn):成比例,無(wú)失真_____________________

2.慣性環(huán)節(jié)Gi(S)=l/(S+l)和G2(S)=l/(0.5S+l)(二選一)

繪制:仿真結(jié)構(gòu)圖、單位階躍響應(yīng)波形圖(須要注明必要的特別點(diǎn))

慣性環(huán)節(jié)特點(diǎn):____________________________________________

3.積分環(huán)節(jié)Gi(S)

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