机械控制工程实验教案.docx
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机械控制工程实验教案
《机械控制工程》
实
验
教
案
机械工程学院机电教研室
20XX年9月
实验一控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析…..(2课时)
实验二一、二阶系统时域特性分析…………………………………(2课时)
实验三控制系统频域特性分析………………………………………(2课时)
实验一控制系统应用软件学习使用及典型控制系统建模分析
一、实验目的
1.掌握MATLAB软件使用的基本方法;
2.熟悉MATLAB的数据表示、基本运算和程序控制语句;
3.熟悉MATLAB程序设计的基本方法。
4.学习用MATLAB创建控制系统模型。
二、实验原理
1.MATLAB的基本知识
MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)之意。
MATLAB具有卓越的数值计算能力,具有专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实时控制等功能。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。
当MATLAB程序启动时,一个叫做MATLAB桌面的窗口出现了。
默认的MATLAB桌面结构如下图所示。
在MATLAB集成开发环境下,它集成了管理文件、变量和用程序的许多编程工具。
在MATLAB桌面上可以得到和访问的窗口主要有:
命令窗口(TheCommandWindow):
在命令窗口中,用户可以在命令行提示符(>>)后输入一系列的命令,回车之后执行这些命令,执行的命令也是在这个窗口中实现的。
命令历史窗口(TheCommandHistoryWindow):
用于记录用户在命令窗口(TheCommandWindows),其顺序是按逆序排列的。
即最早的命令在排在最下面,最后的命令排在最上面。
这些命令会一直存在下去,直到它被人为删除。
双击这些命令可使它再次执行。
要在历史命令窗口删除一个或多个命令,可以先选择,然后单击右键,这时就有一个弹出菜单出现,选择DeleteSection。
任务就完成了。
工作台窗口(Workspace):
工作空间是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。
在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明,可对变量进行观察、编辑、保存和删除。
当前路径窗口(CurrentDirectoryBrowser)
MATLAB命令常用格式为:
变量=表达式
或直接简化为:
表达式
通过“=”符号将表达式的值赋予变量,若省略变量名和“=”号,则MATLAB自动产生一个名为ans的变量。
变量名必须以字母开头,其后可以是任意字母、数字或下划线,大写字母和小写字母分别表示不同的变量,不能超过19个字符,特定的变量如:
pi(=3.141596)、Inf(=∞)、NaN(表示不定型求得的结果,如0/0)等不能用作它用。
表达式可以由函数名、运算符、变量名等组成,其结果为一矩阵,赋给左边的变量。
MATLAB所有函数名都用小写字母。
MATLAB有很多函数,因此很不容易记忆。
可以用帮助(HELP)函数帮助记忆,有三种方法可以得到MATLAB的帮助。
最好的方法是使用帮助空间窗口(helpbrowser)。
你可以单击MATLAB桌面工具栏上的图标,也可以在命令窗口(TheCommandWindows)中输入helpdesk或helpwin来启动帮助空间窗口(helpbrowser)。
你可以通过浏览MATLAB参考证书或搜索特殊命令的细节得到帮助。
另外还有两种运用命令行的原始形式得到帮助。
第一种方法是在MATLAB命令窗口(TheCommandWindows)中输入help或help和所需要的函数的名字。
如果你在命令窗口(TheCommandWindows)中只输入help,MATLAB将会显示一连串的函数。
如果有一个专门的函数名或工具箱的名字包含在内,那么help将会提供这个函数或工具箱。
第二种方法是通过lookfor函数得到帮助。
lookfor函数与help函数不同,help函数要求与函数名精确匹配,而lookfor只要求与每个函数中的总结信息有匹配。
Lookfor函数比help函数运行起来慢得多,但它提高了得到有用信息的机会。
使用HELP函数可以得到有关函数的屏幕帮助信息。
常用运算符及特殊符号的含义与用法如下:
+数组和矩阵的加法
-数组和矩阵的减法
*矩阵乘法
/矩阵除法
[]用于输入数组及输出量列表
()用于数组标识及输入量列表
‘’其内容为字符串
分隔输入量,或分隔数组元素
;1.分开矩阵的行
2.在一行内分开几个赋值语句
3.需要显示命令的计算结果时,则语句后面不加“;”号,否则要加“;”号。
%其后内容为注释内容,都将被忽略,而不作为命令执行
…用来表示语句太长,转到第二行继续写
回车之后执行这些命令
举例:
矩阵的输入
123
A=456
789
矩阵的输入要一行一行的进行,每行各元素用(,)或空格分开,每行用(;)分开。
MATLAB书写格式为:
A=[1,2,3;4,5,6;7,8,9]
或A=[123;456;789]
回车之后运行程序可得到A矩阵
A=123
456
789
需要显示命令的计算结果时,则语句后面不加“;”号,否则要加“;”号。
运行下面两种格式可以看出他们的区别
a=[123;456;789]a=[123;456;789];
a=123(不显示计算结果)
456
789
2.系统建模
(1)系统的传递函数模型
系统的传递函数为:
对线性定常系统,式中s的系数均为常数,且a1不等于零,这时系统在MATLAB中可以方便地由分子和分母系数构成的两个向量唯一地确定出来,这两个向量可分别用变量名num和den表示。
num=[b1,b2,…,bm,bm+1]
den=[a1,a2,…,an,an+1]
注意:
它们都是按s的降幂进行排列的。
举例:
传递函数:
输入:
>>num=[12,24,0,20],den=[24622]
显示:
num=1224020
den=24622
(2)模型的连接
1)并联:
parallel
格式:
[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)
•%将并联连接的传递函数进行相加。
举例:
传递函数:
输入:
>>num1=3;den1=[1,4];num2=[2,4];den2=[1,2,3];[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)
显示:
num=051825
den=161112
2)串联:
series
格式:
[num,den]=series(num1,den1,num2,den2)
•%将串联连接的传递函数进行相乘。
3)反馈:
feedback
格式:
[num,den]=feedback(num1,den1,num2,den2,sign)
•%将两个系统按反馈方式连接,系统1为对象,系统2为反馈控制器,系统和闭环系统均以传递函数的形式表示。
sign用来指示系统2输出到系统1输入的连接符号,sign缺省时,默认为负,即sign=-1。
总系统的输入/输出数等同于系统1。
4)闭环:
cloop(单位反馈)
格式:
[numc,denc]=cloop(num,den,sign)
•%表示由传递函数表示的开环系统构成闭环系统,sign意义与上述相同。
TF模型
传递函数
num=[bmbm-1bm-2…b1b0]
den=[amam-1am-2…a1a0]
sys=tf(num,den)
sys
【例1】系统的传递函数为。
>>num=[01124448];
>>den=[11686176105];
>>sys=tf(num,den);
>>sys
Transferfunction:
s^3+12s^2+44s+48
-------------------------------------
s^4+16s^3+86s^2+176s+105
三、实验仪器和用具
主要仪器设备:
1.电脑,1台/人
2.MATLAB软件
3.打印机
四、实验方法与步骤
1.掌握MATLAB软件使用的基本方法;
2.用MATLAB产生下列系统的传递函数模型:
3.
系统结构图如下所示,求其传递函数模型
4.系统结构图如下所示,传递函数模型
5.
系统结构图如下所示,求其多项式传递函数模型
五、实验分析及结论
1.记录程序
2.记录与显示给定系统数学模型
3.完成上述各题
六、注意事项
掌握MATLAB软件使用的基本方法;用Matlab产生系统的传递函数模型
七、思考题
1.怎样使用MATLAB软件?
2.怎样用MATLAB产生系统的传递函数模型?
实验二一、二阶系统时域特性分析
一、实验目的
1.利用MATLAB对一、二阶系统进行时域分析。
2.掌握一阶系统的时域特性,理解时间常数T对系统性能的影响。
3.掌握二阶系统的时域特性,理解二阶系统的两个重要参数ξ和ωn对系统动态特性的影响。
二、实验原理
1.MATLAB的基本知识
MATLAB为用户提供了专门用于单位阶跃响应并绘制其时域波形的函数step
阶跃响应常用格式:
step(num,den)
或step(num,den,t)表示时间范围0~t。
或step(num,den,t1:
p:
t2)绘出在t1~t2时间范围内,且以时间间隔p均匀取样的波形。
举例:
二阶系统闭环传函为
绘制单位阶跃响应曲线。
输入:
>>num=[2,5];den=[1,0.6,0.6];step(num,den)
显示:
2.系统的单位阶跃响应
3.系统的动态性能指标
三、实验仪器和用具
主要仪器设备:
1.电脑,1台/人
2.MATLAB软件
3.打印机
四、实验方法与步骤
1.一阶系统
T分别为0.2、0.5、1、5时单位阶跃响应曲线
2.二阶系统
1)ωn=6,ξ分别为0.2、0.5、1时单位阶跃响应曲线
2)ξ=0.7,ωn分别为2、4、12时单位阶跃响应曲线
3)键入程序,观察并记录单位阶跃响应曲线
4)记录各响应曲线实际测取的峰值大小、峰值时间、超调量及过渡过程时间,并填表:
实际值
理论值
峰值Cmax
峰值时间tp
超调量
过渡时间ts
五、实验分析及结论
1.完成上述各题完成上述各题
2.记录程序,观察记录单位阶跃响应曲线
3.响应曲线及指标进行比较,作出相应的实验分析结果
4.分析系统的动态特性
六、注意事项
1.注意一阶惯性环节当系统参数T改变时,对应的响应曲线变化特点,以及对系统的性能的影响。
2.注意二阶系统的性能指标与系统特征参数ξ、ωn之间的关系。
七、思考题
1.一阶系统时间常数T对系统性能有何影响?
2.二阶系统的两个重要参数ξ和ωn对系统性能有何影响?
实验三控制系统频域特性分析
一、实验目的
1.加深理解频率特性的概念,掌握系统频率特性的测试原理及方法。
2.利用MATLAB作出开环系统的奈奎斯特图和波特图,对控制系统特性进行分析。
二、实验原理
1.奈奎斯特图(幅相频率特性图)
MATLAB为用户提供了专门用于绘制奈奎斯特图的函数nyquist
常用格式:
nyquist(num,den)
或nyquist(num,den,w)表示频率范围0~w。
或nyquist(num,den,w1:
p:
w2)绘出在w1~w2频率范围内,且以频率间隔p均匀取样的波形。
举例:
系统开环传函为
绘制奈奎斯特图。
输入:
>>num=[2,5,1];den=[1,2,3];nyquist(num,den)
显示:
2.对数频率特性图(波特图)
MATLAB为用户提供了专门用于绘制波特图的函数bode
常用格式:
bode(num,den)
或bode(num,den,w)表示频率范围0~w。
或bode(num,den,w1:
p:
w2)绘出在w1~w2频率范围内,且以频率间隔p均匀取样的波形。
举例:
系统开环传函为
绘制波特图。
输入:
>>num=num=[1];den=[1,0.2,1];bode(num,den)
显示:
3.Bode图和Nyquist图的画法;
4.Nyquist稳定性判据内容;
三、实验仪器和用具
主要仪器设备:
1.电脑,1台/人
2.MATLAB软件
3.打印机
四、实验方法与步骤
1.用Matlab作Nyquist图.系统开环传函为
2.用Matlab作Bode图.系统开环传函为
3.键入程序,观察并记录各种曲线
五、实验分析及结论
1.完成上述各题
2.记录程序,观察记录各种曲线
3.根据开环频率特性图分析闭环系统稳定性及其他性能
4.作出相应的实验分析结果
六、注意事项
1.频率特性的概念
2.频率特性的测试原理及方法。
七、思考题
1.典型环节的频率特性?
2.怎样用奈奎斯特图和波特图对控制系统特性进行分析?
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- 机械 控制工程 实验 教案