实验一、线性系统的时域响应动态仿真及其实验报告

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1、实验一、线性系统的时域响应动态仿真及其实验报班级：姓名：学号：一、实验目的1、通过对机床车削过程的建模、系统动态性能分析、不同输入信号的响应 分析，掌握控制技术在机械专业中的应用。2、通过 Matlab/Simulink 仿真实验，熟悉 Matlab 软件，并学会使用 Matlab 编程对控制系统进行仿真，同时加深对时域分析方法及理论知识的理解。二、实验内容1、实验对象在机械加工领域，机床车削是很常见的一种加工方式。机床切削过程如图1 所示。由图可知，实际切削深度u引起的切削力f C）作用于刀具、机床，引起刀具、 机床和工件的变形。这些变形都折算到刀架上后，可看成是刀架产生位移x C）。o刀架

2、变形x C）又反馈过来引起切削深度u的变化，从而使工件一刀具一机床构成o一闭环系统。机床刀架抽象为一外力作用在质量上的质量弹簧阻尼系统，传递函数为G _ X （s）_1G = o（）=m F （s 丿 ms 2 + Bs + K2、实验内容1）忽略切削过程中工件上前次切纹对切削深度的影响，当以名义切削深度ui作为输入量，以刀架变形x C）作为输出量，建立车削过程的系统框图，并建立o 传递函数。2）用Mat lab软件编写M文件，做出u = 1C）和u = t时，系统的响应曲线,ii 并分析有何特点。3）用Simulink软件，设计输入分别为u二1C）和u二t时，系统的响应曲线。ii4）系统的结

3、构参数自定，并通过调整系统的结构参数，观察u二1C）的响应i曲线，分析结构参数对系统系能的影响。三、编程提示1、编写 M 文件的步骤1）设定系统的结构和参数；2）设定系统的输入；3）设定传递函数的分子和分母；4）单位阶跃输入的响应用step函数，速度输入信号用lsim函数计算。5）用plot函数做出输入信号和响应信号曲线。2、Simulink 仿真步骤1）打开Matlab软件，点击宀图标，进入Simulink仿真平台。2）点击-：? iNew model |区域中的。图标，进入Simulink工作窗口，如图2。图 2 Simulink 工作窗口3）从图 3 所示的 simulink libra

4、ry browser 中，在 continuous、source、sinks、math 模块中选 transfer fcn、step、scope 和 sum 等模块，建立数学模型。图 3 simulink library browser4）输入各仿真模块相应参数，形成系统的仿真模型，完成系统时域响应及其特性分析。四、实验要求1、到实验室做实验室之前，必须做好实验预习报告（实验目的、实验内容、 实验步骤、建模、程序设计等），若没有完成预习报告，不得进实验室做实验。 实验指导书要每人一份。2、实验过程中，认真记录实验参数、数据（包括图形）。程序若有问题可 以直接在预习报告中修改。3、实验报告包括预

5、习报告、实验过程数据记录、实验结果分析、思考题等。 做完实验一周之内要交上来。若有两份实验报告数据一致或者结果一致，视为作 弊，记为 0 分。五、思考题1、传递函数中零点对系统的性能有什么影响？ 2、在单位阶跃信号作用下，系统的结构参数如何选择，可以使得系统的输出 在 5s 钟后将近于 0 。由此得到增益Ks和Ka不同取值时的响应曲线:输出系统的 Bode 图程序：其他参数不变，改变增益Ks和Ka取值，利用MATLAB求取线性系统的频率响应曲线，分析参数增益Ks和Ka对系统的影响。程序 1 clear all; R=0.5; L=0.02; J=0.05; Kb=0.5; Kt=0.6; B=

6、0.1; Ks=8; Ka=9; num=Ks*Ka*Kt; den=(R*J) (Kb*Kt+R*B) (Ks*Ka*Kt); bode(num,den) gridKt=0.6;B=0.1;Ks=0.8;Ka=1;num=Ks*Ka*Kt;den=(R*J) (Kb*Kt+R*B) (Ks*Ka*Kt); bode(num,den)grid程序2 clear all;R=0.5;L=0.02;J=0.05;Kb=0.5;Kt=0.6;B=0.1;Ks=2;Ka=3; num=Ks*Ka*Kt;den=(R*J) (Kb*Kt+R*B) (Ks*Ka*Kt); bode(num,den)gri

7、d程序3 clear all;R=0.5;L=0.02;J=0.05;Kb=0.5;程序 4 clear all; R=0.5; L=0.02; J=0.05; Kb=0.5; Kt=0.6; B=0.1; Ks=0.5; Ka=0.6; num=Ks*Ka*Kt; den=(R*J) (Kb*Kt+R*B) (Ks*Ka*Kt); bode(num,den) gridBode Diagram iiii TTT|1010_l 10 101 10；Frequency(rad/s.ec?)；10分析：其他参数不变，增大编码器增益Ks值时，相位裕量减小，幅 值裕量也减小；当增大功率放大器增益Ka值时

8、，相位裕量减小，幅 值裕量也减小。输出系统的开环传递函数程序：clear all;R=0.5;L=0.02;J=0.05;Kb=0.5;Kt=0.6;B=0.5;Ks=0.5;Ka=0.5; num=Ks*Ka*Kt;den=Ra*J Kb*Kt+Ra*B Ks*Ka*Kt nyquist (num,den) grid输出系统的开环传递函数Nyquist图思考题：1、 原来系统的低频段、中频段和高频段有什么特点？ 答：低频段平稳，中频段变化幅度比较大，高频段又逐渐趋于平 稳。2、PID控制器的三个参数如何选择？加入PID控制后， 系统的稳定性有何变化？答：(1) PID控制器的三个参数应该从系统的稳定性、响应速度、 超调量和稳态精度等方面来选择。(2)加入PID控制后；如比例参数Kp就能够加快系统的响应速 度，提高系统的调节精度。随着 Kp 值的增大，系统响应速度越 快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性 变差，甚至会导致系统不稳定；若 Kp 值减小，调节精度下降， 响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动态性能变坏。