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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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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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。
图1 机床的车削过程
由图可知,实际切削深度u 引起的切削力()t f 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()t x o 。刀架变形()t x o 又反馈过来引起切削深度u 的变化,从而使工件—刀具—机床构成一闭环系统。
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
()()K
Bs ms s F s X G o m ++==
2
1
2、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i u 作为输入量,以刀架变形()t x o 作为输出量,建立车削过程的系统框图,并建立传递函数。
2)用Matlab 软件编写M 文件,做出 ()t u i 1= 和t u i =时,系统的响应曲线,并分析有何特点。
3)用Simulink 软件,设计输入分别为()t u i 1= 和t u i =时,系统的响应曲线。 4)系统的结构参数自定,并通过调整系统的结构参数,观察()t u i 1=的响应曲线,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
图标,进入Simulink 仿真平台。
2)点击区域中的图标,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 library 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 browser
4)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=0.1;
Ks=8;
Ka=9;
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)
grid
程序3
clear all;
R=0.5;
L=0.02;
J=0.05;
Kb=0.5; Kt=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)
grid