《机械工程控制基础》MATLAB分析与设计仿真实验报告

《机械工程控制基础》MATLAB分析与设计

仿真实验报告

《机械工程控制基础》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2014）

一、仿真实验内容及要求

1．MATLAB 软件

要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基

本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MA TLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。

2．各章节实验内容及要求

1）第三章 线性系统的时域分析法

• 对教材第三章习题3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能

进行比较，分析仿真结果；

• 对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控

制器的作用；

• 在MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进行分析；

• 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3；

• 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在100=a K 时，试采用

微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足%5%,σ<

3250,510s ss t ms d -≤<⨯等指标。

2）第四章 线性系统的根轨迹法

• 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5；

• 利用MA TLAB 绘制教材第四章习题4-5；

• 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进行分析；

• 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进行分析。

3）第五章 线性系统的频域分析法

• 利用MA TLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；

4）第六章 线性系统的校正

• 利用MA TLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶

跃响应说明所设计控制器的功能；

• 利用MA TLAB 完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；

• 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD 控制并优化控

制器参数，使系统性能满足给定的设计指标ms t s 150%,5%<<σ。

5）第七章 线性离散系统的分析与校正

• 利用MA TLAB 完成教材第七章习题7-19的最小拍系统设计及验证；

• 利用MA TLAB 完成教材第七章习题7-24的控制器的设计及验证；

• 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”进行验证，计算D(z)=4000

时系统的动态性能指标，并说明其原因。

二、仿真实验时间安排及相关事宜

1．依据课程教学大纲要求，仿真实验共6学时，教师应在第3学周下发仿真任务书，并

按课程进度安排上机时间；学生须在实验之前做好相应的准备，以确保在有限的机时

内完成仿真实验要求的内容；

2．实验完成后按规定完成相关的仿真实验报告；

3．仿真实验报告请参照有关样本制作并打印装订。

3-5.设单位反馈系统的开环传递函数为：

)6.0 (1

4.0 )

(

++

=

s s s

s

G

试求系统在单位阶跃输入下的动态性能。

对系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比

较，分析仿真结果。

MATLAB程序：

clear,clf

s1=tf([0.4 1],[1 1 1]);

s2=tf(1,[1 1 1]);

figure(1);

step(s1);

step(s2,'b--'); 分析：加入闭环零点和不加加入闭环零点相比，加入闭环零点后起上升时间明显

加快，到达峰值的时间和不加闭环零点相比明显加快，加入闭环零点峰值时间：

Tp=3.12，超调量：ａ%=18%没加入闭环零点Tp=3.7，超调量：ａ%=7%。

3-9.设控制系统如图所示。要求：

对系统的动态性能及稳态性能通过的仿真进行分析，说明不同控制器的作用。

（1）取1τ=0，2τ=0.1，计算测速反馈校正系统的超调量、调节时间和速度误差；

（2）取1τ=0.1，2τ=0，计算比例-微分校正系统的超调量、调节时间和速度误差。

MATLAB程序：

sys1=tf([10],[1 2 10]);

t=0:0.01:10;

figure(1)

step(sys1,t);

测速反馈校正系统t1=0,t2=0.1

MATLAB程序：

sys1=tf([1 10],[1 2 10]);

t=0:0.01:10;

figure(1)

step(sys2,t);

比例—微分校正系统t1=0.1,t2=0

MATLAB程序：

sys1=tf([10],[1 2 10]);

sys2=tf([1 10],[1 2 10]);

t=0:0.01:10;

figure(1)

step(sys1,t);

figure(2)

step(sys2,t);

figure(3)

step(sys1,sys2,t);

3-30火星自主漫游车的导向控制系统结构图如图所示。该系统在漫游车的前后部都装有一个导向轮，其反馈通道传递函数为H（s）=1+Ks 要求：

（1）确定使系统稳定的K的取值范围

（2）当s3=-5为该系统的一个闭环特征根时，并计算另外两个闭环特征根；

（3）应用上一步求出K值，确定系统的单位阶跃应

>> K=[0,0.1,0.2,1,2,5,10,40,80,100];

>> for i=1:9

k=K(i);

num=[k 10];den=[1 10 k 10];

sys=tf(num,den);

t=0:0.01:20;

figure(i)