1、北科大液压实验报告液压操纵系统实验报告学 院：机械工程学院专 业：机械工程及自动化班 级：机自1404学 号：41440001姓 名：丁恒 内 容：实验五、实验六、实验七实验五 电液位置操纵系统建模和特性分析1 实验目的1.1 学会利用MATLAB软件分析电液位置操纵系统的特性分析，加深对所学知识的明白得；1.2 把握电液位置操纵系统的特点及其校正方式；1.3 培育应用MATLAB软件进行电液位置操纵系统设计的实践能力。2实验内容与实验原理 见实验指导书。3 实验方式与步骤3.1实验设备运算机及MATLAB软件系统。3.2实验步骤3已知卷曲机光电液带材矫偏操纵系统工作原理方框图卷曲机光电液带材
2、矫偏操纵系统方框图及传递函数如下 编写系统特性分析程序； 运行系统特性分析程序求出系统的开环伯特图，并依照稳固性条件求出系统的开环增益K； 运行系统特性分析程序并求出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性； 依照电液位置操纵系的特点设计系统的校正环节； 编写系统特性二次建模分析程序； 运行系统特性分析程序求出系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 完成系统时域特性分析； 完成利用SIMULINK仿真模块对电液位置操纵系统的时域响应和频域响应进行仿真分析；4实验报告4.1 绘出系统的开环伯特图，计算系统的开环增益K，分析系统的开环特性；由系统的开环传函知： l/s初取K=1 l/s
3、，那么系统开环传函为： 1-2.178e-008 s5 + 3.454e-006 s4 + 0.0004238 s3 + 0.01733 s2 + sMATLAB程序见G51：G2=tf(1,1/1122 2*0.6/112 1);G3=tf(1,1/ 0);G=G1*G2*G3bode(G);bode图如下： 易患相位裕量，增益裕量，系统稳固。穿越频率为1rad/s。从稳固性考虑，相位裕量，增益裕量6dB以上。因此图像可整体上移20dB，即K=10。那么：系统的开环传函为： 10-2.178e-008 s5 + 3.454e-006 s4 + 0.0004238 s3 + 0.01733 s
4、2 + sMATLAB程序见G52:G2=tf(1,1/1122 2*0.6/112 1)G3=tf(1,1/60.52 2*0.2/60.5 1 0)G=10*G2*G3bode(G)对应开环bode图： 取得相位裕量，增益裕量 ，知足稳固性要求。穿越频率为rad/s。4.2 绘出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性，分析系统的闭环特性；系统闭环传函为：10-2.178e-008 s5 + 3.454e-006 s4 + 0.0004238 s3 + 0.01733 s2 + s + 10MATLAB程序见G53：G1=tf(1,1/1122 2*0.6/112 1);G2=tf(1,1/6
5、0.52 2*0.2/60.5 1 0);G=feedback(10*G1*G2,1)bode(G)闭环bode图： 取得谐振频率、谐振峰值都超级小，远小于3dB，知足要求。截止频率为rad/s ，幅频带宽0rad/s，相频带宽026rad/s 。系统频宽较小，快速性较低。由于系统开环传函中有一个积分环节，故该系统为I型系统，稳态误差应为零。等速输入会产生位置误差，其值为：。4.3 分析系统校正的特性并给出系统的校正环节；设计以后校正环节，参见教程P125确信参数：取=10，则 =100。依照已确信的速度放大系数，画出系统开环波特图：MATLAB程序见G54：G1=tf(1,1/1122 2*
6、0.6/112 1)G2=tf(1,1/60.52 2*0.2/60.5 1 0)G=100*G1*G2bode(G)相频裕度为，系统不稳固。需要加滞后校正环节。=10.3 rad/s则：= rad/s = rad/s可得滞后校正环节的传函（电气校正）：其bode图如下：MATLAB程序见G56：G3=tf 1)bode(G3)4.4 给出系统二次建模的传递函数并绘制系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性；将滞后校正环节串联接入系统，即校正后的系统开环传函为：其bode图如下：MATLAB程序见G55：G1=tf(1,1/1122 2*0.6/112 1);G2=tf(1,1/6
7、0.52 2*0.2/60.5 1 0);G3=tf 1);G=100*G1*G2*G3bode(G)取得相位裕量，增益裕量dB ，知足稳固性要求。穿越频率为rad/s。现在系统的开环增益还能够有少量的提高，最大开环增益为108 。系统的闭环bode图：MATLAB程序见G57：G1=tf(1,1/1122 2*0.6/112 1);G2=tf(1,1/60.52 2*0.2/60.5 1 0);G3=tf 1)G=feedback(100*G1*G2*G3,1)bode(G)取得谐振频率为rad/s ，谐振峰值为dB，小于3dB，知足要求。截止频率为rad/s ，幅频带宽0rad/s，相频带
8、宽0rad/s。4.5 绘制系统时域响应图并分析系统的时域特性；校正前系统的阶跃响应：MATLAB程序见G59：G1=tf(1,1/1122 2*0.6/112 1);G2=tf(1,1/60.52 2*0.2/60.5 1 0);G=feedback(10*G1*G2,1);step(G)可得上升时刻为s ，超调量%，过度进程时刻为s，稳态误差为零。对校正后的系统进行阶跃特性分析：MATLAB程序见G58：G1=tf(1,1/1122 2*0.6/112 1);G2=tf(1,1/60.52 2*0.2/60.5 1 0);G3=tf 1);G=feedback(100*G1*G2*G3,1
9、);step(G)阶跃响应曲线如下：可得上升时刻为s ，超调量%，小于25%，知足要求。过度进程时刻为s，稳态误差为零。校正后系统快速性提高，但过渡时刻变长。4.6 绘制系统SIMULINK仿真图，并分析系统的性能。 simulink中输入信号为幅值为1，频率可调的正弦信号，通过改变输入信号的频率测得对应输出响应的幅值如下表：频率（rad/s）1357911131517192123Simulink输出幅值4可知在输入频率为3rad/s左右时输出幅值最大，这与系统的谐振频率rad/s相一致；输入频率超过10rad/s后，输出幅值开始衰减，在系统设计的幅频带宽016.5rad/s的范围内衰减较少，
10、超过部份衰减较大，说明校正后系统的闭环特性与设计一致，具有较好的稳固性。5试探并简单回答以下问题5.1 电液位置操纵系统的特点有哪些？ 答：1.电液位置操纵系统的开环传函属于I型系统，关于阶跃信号输出响应的稳态误差为零，关于等速信号存在稳态误差，系统不能跟从等加速输入。 2.系统的应用处合要求其动态响应要迅速，因此系统的频率带宽及开环增益应该较大。 3.校正前的系统阻尼比很小，因此相位裕量比较大。可依照增益裕量确信开环增益的大小。4.通常系统中电液伺服阀的响应速度快（固有频率很高），与液压动力元件相较，其动态特性能够忽略不计，把它看为比例环节。5.2 电液位置操纵系的校正的目的是什么？答：目的
11、：1.为了知足实际应用中的要求。工程中关于系统的开环增益要求较高，以达到快速性及较小的稳态误差。为达到较高的开环增益且保证稳固性，往往需要增加校正环节，如经常使用的滞后校正环节等。 2.校正环节还能够解决减小负载误差和增大阻尼比的矛盾。实验六 电液压力操纵系统建模和特性分析1 实验目的1.1 学会利用MATLAB软件分析电液压力操纵系统的特性分析，加深对所学知识的明白得；1.2 把握电液压力操纵系统的特点及其校正方式；1.3 培育应用MATLAB软件进行电液压力操纵系统设计的实践能力；2实验内容与实验原理 见实验指导书。3 实验方式与步骤3.1实验设备运算机及MATLAB软件系统。3.2实验步
12、骤3已知疲劳实验机操纵系统工作原理方框图卷曲机光电液带材矫偏操纵系统方框图及传递函数如下 编写系统特性分析程序； 运行系统特性分析程序求出系统的开环伯特图，并依照稳固性条件求出系统的开环增益K； 运行系统特性分析程序并求出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性； 依照电液位置操纵系的特点设计系统的校正环节； 编写系统特性二次建模分析程序； 运行系统特性分析程序求出系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 完成系统时域特性分析； 完成利用SIMULINK仿真模块对电液位置操纵系统的时域响应和频域响应进行仿真分析；4实验报告4.1 绘出系统的开环伯特图，计算系统的开环增益K，分析系统的
13、开环特性；原系统的开环传函为：其中，取=1， 为系统的开环增益。初取K=1，其bode图如下：MATLAB程序见G62：G1=tf(1/376.42 0 1,1);G2=tf(1,1/376.4 1);G3=tf(1,1/409.7 1);G4=tf(1,1/8998.3 1);G=G1*G2*G3*G4;bode(G)可得穿越频率为2490rad/s和2910rad/s，对应的相位裕量别离为及，无增益裕量，系统稳固。由bode图可知，开环增益K能够取无穷大，系统仍然稳固。但当K过大时会引发系统的超调量过大，为保证系统精度可选取K=200 。由K=200，取=3.33，那么：= 3得开环bod
14、e图如下：MATLAB程序见G612：G1=tf(1/376.42 0 1,1);G2=tf(1,1/376.4 1);G3=tf(1,1/409.7 1);G4=tf(1,1/8998.3 1);G=200*G1*G2*G3*G4;bode(G)可得穿越频率为375rad/s、378rad/s和1960000rad/s，对应的相位裕量别离为、及，无增益裕量，系统稳固。4.2 绘出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性，分析系统的闭环特性；系统闭环bode图：MATLAB程序见G613：G1=tf(1/376.42 0 1,1);G2=tf(1,1/376.4 1);G3=tf(1,1/409.
15、7 1);G4=tf(1,1/8998.3 1);G=feedback(200*G1*G2*G3*G4,1);bode(G)取得谐振频率为2620rad/s ，谐振峰值为-dB。截止频率大约为370rad/s，幅频带宽0370rad/s，相频带宽0372rad/s。4.3 分析系统校正的特性并给出系统的校正环节；校正采纳积分校正。为了保证系统能够跟从等速输入信号，原系统必需是I型系统，即在系统中加入积分环节，将比例环节用积分放大环节代替，取得系统开环传函为：4.4 给出系统二次建模的传递函数并绘制系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性；系统开环传函为：其bode图：MATLAB程
16、序见G63：G1=tf(1/376.42 0 1,1);G2=tf(1,1/376.4 1);G3=tf(1,1/409.7 1);G4=tf(1,1/8998.3 1);G5=tf(1,1 0);G=200*G1*G2*G3*G4*G5;bode(G)取得穿越频率为148rad/s。 相位裕量为，大于，增益裕量为122dB，大于6dB，系统稳固。系统的闭环bode图：MATLAB程序见G614：G1=tf(1/376.42 0 1,1);G2=tf(1,1/376.4 1);G3=tf(1,1/409.7 1);G4=tf(1,1/8998.3 1);G5=tf(1,1 0);G=feedb
17、ack(200*G1*G2*G3*G4*G5,1);bode(G)取得谐振频率为144 rad/s ，谐振峰值为dB，小于3dB，知足要求。截止频率为219rad/s ，幅频带宽0219rad/s，相频带宽0174rad/s。4.5 绘制系统时域响应图并分析系统的时域特性；校正后系统对阶跃输入的响应如下：MATLAB程序见G615：G1=tf(1/376.42 0 1,1);G2=tf(1,1/376.4 1);G3=tf(1,1/409.7 1);G4=tf(1,1/8998.3 1);G5=tf(1,1 0);G=feedback(200*G1*G2*G3*G4*G5,1);step(G)
18、可得上升时刻为s ，超调量%，小于25%，知足要求。过度进程时刻为s，关于阶跃信号的稳态误差为零。4.6 绘制系统SIMULINK仿真图，并分析系统的性能。利用simulink仿真如下： simulink中输入信号为幅值为1，频率可调的正弦信号，通过改变输入信号的频率测得对应输出响应的幅值如下表：频率（rad/s）1306090120150180210240270300Simulink输出幅值15可知在输入频率超过210rad/s后，输出幅值开始衰减，在系统设计的幅频带宽0219rad/s的范围内衰减较少，超过部份衰减较大，说明校正后系统的闭环特性与设计一致，具有较好的稳固性。5试探并简单回答
19、以下问题5.1 电液压力操纵系统的特点有哪些？ 答：1.原系统是一个零型有差系统，需要增设积分放大器以组成I型系统，保证对速度信号的跟从，即保证系统的精度。 2.系统的应用处合关于幅频特性要求较高，而相频特性要求低。因此设计是以幅频特性为主。 3.力操纵系统的稳固性受负载刚度的阻碍专门大，负载刚度越小，系统越不易稳固。3.力操纵系统中，输出力是被调量，而位置、速度等那么取决于输出力和受力对象本身的状态。 4.力操纵系统中，在阀流量许诺的情形下（采纳大一些的阀），使接近 。如此有利于提高工作点处的值和减小液压缸面积值。5.2 电液压力操纵系的校正的目的是什么？答：校正的目的是提高系统的型别，改善
20、系统精度，提高系统的稳固性。实验七 电液速度操纵系统建模和特性分析1 实验目的1.1 学会利用MATLAB软件分析电液压力操纵系统的特性分析，加深对所学知识的明白得；1.2 把握电液压力操纵系统的特点及其校正方式；1.3 培育应用MATLAB软件进行电液压力操纵系统设计的实践能力；2实验内容与实验原理 见实验指导书。3 实验方式与步骤3.1实验设备运算机及MATLAB软件系统。3.2实验步骤3已知一电液速度操纵系统工作原理方框图电液速度操纵系统方框图及传递函数如下 编写系统特性分析程序； 运行系统特性分析程序求出系统的开环伯特图，并依照稳固性条件求出系统的开环增益K； 运行系统特性分析程序并求
21、出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性； 依照电液速度操纵系的特点设计系统的校正环节； 编写系统特性二次建模分析程序； 运行系统特性分析程序求出系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 完成系统时域特性分析；4实验报告4.1 绘出系统的开环伯特图，计算系统的开环增益K，分析系统的开环特性；由开环传函知：K=280则：= 系统的开环bode图：MATLAB程序见G70：G1=tf(1,1/6802 2*0.7/680 1);G2=tf(1,1/1452 2*0.6/145 1);G3=tf(1,1 0);G=280*G1*G2*G3;bode(G)可得系统的穿越频率为179rad/
22、s，相频裕度为，增益裕量dB，系统不稳固。4.2 绘出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性，分析系统的闭环特性；原系统的闭环bode图：MATLAB程序见G71：G1=tf(1,1/6802 2*0.7/680 1);G2=tf(1,1/1452 2*0.6/145 1);G3=tf(1,1 0);G=feedback(280*G1*G2*G3,1);bode(G)系统谐振频率为148rad/s ，谐振峰值为dB，大于3dB，不符合要求。截止频率为215rad/s，幅频带宽为0215rad/s，不存在相频带宽。系统明显不稳固，需要校正。4.3 分析系统校正的特性并给出系统的校正环节；采纳滞后校
23、正的方式。利用MATLAB中的sisotool工具求取校正环节的传函Gc(s)的表达式：取得滞后校正环节的传函为：其bode图：MATLAB程序见G72：G=tf(0.26 1,2.2 1);bode(G)4.4 给出系统二次建模的传递函数并绘制系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性；系统二次建模后的开环bode图：MATLAB程序见G73：G1=tf(1,1/6802 2*0.7/680 1);G2=tf(1,1/1452 2*0.6/145 1);G3=tf(1,1 0);G4=tf(0.26 1,2.2 1);G=280*G1*G2*G3*G4;bode(G)可得系统的穿越
24、频率为rad/s。幅频裕度为dB，大于6dB；相频裕度为 ，大于，系统稳固。校正后系统的闭环bode图：MATLAB程序见G74：G1=tf(1,1/6802 2*0.7/680 1);G2=tf(1,1/1452 2*0.6/145 1);G3=tf(1,1 0);G4=tf(0.26 1,2.2 1);G=feedback(280*G1*G2*G3*G4,1);bode(G)系统的谐振频率为rad/s，谐振峰值为dB，小于3dB，知足要求。截止频率为rad/s，幅频带宽为0rad/s，相频带宽为0rad/s。4.5 绘制系统时域响应图并分析系统的时域特性；系统校正后关于阶跃输入的响应如下：
25、MATLAB程序见G75：G1=tf(1,1/6802 2*0.7/680 1);G2=tf(1,1/1452 2*0.6/145 1);G3=tf(1,1 0);G4=tf(0.26 1,2.2 1);G=feedback(280*G1*G2*G3*G4,1);step(G)系统的上升时刻为s ，超调量%，小于25%，知足要求。过度进程时刻为s，关于阶跃信号的稳态误差为零。4.6 绘制系统SIMULINK仿真图，并分析系统的性能。SIMULINK仿真图如下： 在simulink中输入信号为幅值为1，频率可调的正弦信号，通过改变输入信号的频率测得对应输出响应的幅值如下表：频率（rad/s）11
26、020304050607080100120Simulink输出幅值可知在输入频率为15rad/s左右时输出幅值最大，这与系统的谐振频率10.4rad/s相一致；在输入频率超过100rad/s后，输出幅值开始衰减，在系统设计的幅频带宽0rad/s的范围内衰减较少，超过部份衰减较大，说明校正后系统的闭环特性与设计一致，具有较好的稳固性。5试探并简单回答以下问题5.1 电液速度操纵系统的特点有哪些？ 答：1.电液速度操纵系统本身是零型有差系统，因此一样附带积分放大器变成I型系统，能够跟从速度输入信号，但存在稳态误差。 2.系统本身不稳固，需要增加校正环节。捐躯系统的响应速度和精度，以使系统达到稳固性的要求。5.2 电液速度操纵系的校正的目的是什么？答：校正的目的是使系统稳固，具有适合的稳固裕度。
