弹簧_质量_阻尼系统的建模及控制系统设计说明书
弹簧-质量-阻尼实验指导书
质量-弹簧-阻尼系统实验教学指导书北京理工大学机械与车辆学院2016.3实验一：单自由度系统数学建模及仿真 1 实验目的（1）熟悉单自由度质量-弹簧-阻尼系统并进行数学建模； （2）了解MATLAB 软件编程，学习编写系统的仿真代码； （3）进行单自由度系统的仿真动态响应分析。
2 实验原理单自由度质量-弹簧-阻尼系统，如上图所示。
由一个质量为m 的滑块、一个刚度系数为k 的弹簧和一个阻尼系数为c 的阻尼器组成。
系统输入：作用在滑块上的力f (t )。
系统输出：滑块的位移x (t )。
建立力学平衡方程：m x c x kx f ∙∙∙++=变化为二阶系统标准形式：22f x x x mζωω∙∙∙++=其中：ω是固有频率，ζ是阻尼比。
ω=2c m ζω== 2.1 欠阻尼(ζ<1)情况下，输入f (t )和非零初始状态的响应：()()sin()))]t t x t t d e ζωττζωττ+∞--=∙-=-+-⎰2.2 欠阻尼(ζ<1)情况下，输入f(t)=f0*cos(ω0*t) 和非零初始状态的的响应：02230022222002222222()cos(arctan())2f[(0)]cos()[()(2)]sin(ttx t tx ekeζωζωζωωωωωζωωωωζωω-∙-=--++-++)输出振幅和输入振幅的比值：A=3 动力学仿真根据数学模型，使用龙格库塔方法ODE45求解，任意输入下响应结果。
仿真代码见附件4 实验4.1 固有频率和阻尼实验（1）将实验台设置为单自由度质量-弹簧-阻尼系统。
（2）关闭电控箱开关。
点击setup菜单，选择Control Algorithm，设置选择Continuous Time Control，Ts=0.0042，然后OK。
（3）点击Command菜单，选择Trajectory，选取step,进入set-up,选取Open Loop Step 设置(0)counts, dwell time=3000ms,(1)rep, 然后OK。
第5章弹簧阻尼系统建模
2
7
第五章
MATLAB车辆工程应用实战
5.4 单自由度弹簧阻尼系统
根据单自由度弹簧阻尼系统建立相应平衡方程为：
yt 1 atyk btyk -1 ct f k
c= 2*ksin*wn*m; %阻尼系数
num=[wn^2];
den=[1,2*ksin*wn,wn^2];
G=tf(num,den); %系统开环传递函数
rlocus(G)
impulse(G)%脉冲响应
12
第五章
MATLAB车辆工程应用实战
5.4 单自由度弹簧阻尼系统
5.4.1 机械系统
1.2
5.4 单自由度弹簧阻尼系统
根据单自由度弹簧阻尼系统建立相应平衡方程为：
yt 1 atyk btyk -1 ct f k
at 1.9961 bt -0.9970
0.25
ct 9.9850 10-5 y1 y-1 t2 f 0
u- c1x1 - u - x1 - c2x2 -
k2
x1
x2
-
x1
c2
x2
-
x1
求拉普拉斯变换得：
s2
15s
25
s2
s s2
2
x2
s
5s
1us
20s
1x2
s
17
5.5 多自由度振动系统
第五章
MATLAB车辆工程应用实战
5.3 一阶延迟环节
二阶弹簧—阻尼系统,PID控制器设计,参数整定课案
二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及参数整定一、PID 控制的应用研究现状综述PID 控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自20世纪30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。
它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。
特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。
在应用计算机实现控制的系统中，PID 很容易通过编制计算机语言实现。
由于软件系统的灵活性，PID 算法可以得到修正和完善，从而使数字PID 具有很大的灵活性和适用性。
二、研究原理比例控制器的传递函数为：()P PG s K =积分控制器的传递函数为：11()PI P I G s K T s=+⋅微分控制器的传递函数为：11()PID P D I G s K T s T s=+⋅+⋅三、设计题目设计控制器并给出每种控制器控制的仿真结果（被控对象为二阶环节，传递 函数()G S ，参数为M=1 kg, b=2 N.s/m, k=25 N/m, F(S)=1）；系统示意图如图1所示。
图1 弹簧-阻尼系统示意图弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：F kx x b xM =++25211)()()(22++=++==s s k bs Ms s F s X s G四、设计要求通过使用MATLAB 对二阶弹簧——阻尼系统的控制器（分别使用P 、PI 、PID 控制器）设计及其参数整定，定量分析比例系数、积分时间与微分时间对系统性能的影响。
同时、掌握MATLAB 语言的基本知识进行控制系统仿真和辅助设计，学会运用SIMULINK 对系统进行仿真，掌握PID 控制器参数的设计。
（1）控制器为P 控制器时，改变比例带或比例系数大小，分析对系统性能的影响并绘制响应曲线。
（2）控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数大小，分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。
控制系统仿真与cad课程设计二阶弹簧—阻尼系统的pid控制器设计及其参数整定)
设计一：二阶弹簧—阻尼系统的P I D 控制器设计及其参数整定一设计题目考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数G(S)如下，参数为M=1kg ，b=2N.s/m ，k=25N/m ，F （S ）=1。
图1 弹簧－阻尼系统示意图弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：F kx x b xM =++ 25211)()()(22++=++==s s k bs Ms s F s X s G二设计要求1. 控制器为P 控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
2. 控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。
(例如当kp=50时，改变积分时间常数)3. 设计PID 控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量σ%<20%，过渡过程时间Ts<2s, 并绘制相应曲线。
图2 闭环控制系统结构图三设计内容1. 控制器为P 控制器时，改变比例系数p k 大小P 控制器的传递函数为：()P P G s K ，改变比例系数p k 大小，得到系统的阶跃响应曲线00.20.40.60.811.21.4Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e仿真结果表明：随着Kp 值的增大，系统响应超调量加大，动作灵敏，系统的响应速度加快。
Kp 偏大，则振荡次数加多，调节时间加长。
随着Kp 增大，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大Kp 只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。
程序：num=[1]; den=[1 2 25]; sys=tf(num,den); for Kp=[1,10:20:50] y=feedback(Kp*sys,1); step(y); hold ongtext(num2str(Kp)); end2. 控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数i T 大小（50=pK 为定值）PI 控制器的传递函数为： 11()PI P I G s K T s=+⋅ ，改变积分时间常数i T 大小，得到系统的阶跃响应曲线0.20.40.60.811.21.4S tep R esponseT i m e (sec)A m p l i t u d e仿真结果表明：Kp=50，随着Ti 值的加大，系统的超调量减小，系统响应速度略微变慢。
二阶弹簧—阻尼系统,PID控制器设计,参数整定课案
二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及参数整定一、PID 控制的应用研究现状综述PID 控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自20世纪30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。
它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。
特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。
在应用计算机实现控制的系统中，PID 很容易通过编制计算机语言实现。
由于软件系统的灵活性，PID 算法可以得到修正和完善，从而使数字PID 具有很大的灵活性和适用性。
二、研究原理比例控制器的传递函数为：()P PG s K =积分控制器的传递函数为：11()PI P I G s K T s=+⋅微分控制器的传递函数为：11()PID P D I G s K T s T s=+⋅+⋅三、设计题目设计控制器并给出每种控制器控制的仿真结果（被控对象为二阶环节，传递 函数()G S ，参数为M=1 kg, b=2 N.s/m, k=25 N/m, F(S)=1）；系统示意图如图1所示。
图1 弹簧-阻尼系统示意图弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：F kx x b xM =++25211)()()(22++=++==s s k bs Ms s F s X s G四、设计要求通过使用MATLAB 对二阶弹簧——阻尼系统的控制器（分别使用P 、PI 、PID 控制器）设计及其参数整定，定量分析比例系数、积分时间与微分时间对系统性能的影响。
同时、掌握MATLAB 语言的基本知识进行控制系统仿真和辅助设计，学会运用SIMULINK 对系统进行仿真，掌握PID 控制器参数的设计。
（1）控制器为P 控制器时，改变比例带或比例系数大小，分析对系统性能的影响并绘制响应曲线。
（2）控制器为PI 控制器时，改变积分时间常数大小，分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。
弹簧-质量-阻尼系统的建模及控制系统设计说明书
分数: ___________任课教师签字：___________华北电力大学研究生结课作业学年学期：第一学年第一学期课程名称：线性系统理论学生姓名：学号：提交时间：2014.11.27目录1 研究背景及意义 (3)2 弹簧-质量-阻尼模型 (3)2.1 系统的建立 (3)2.1.1 系统传递函数的计算 (5)2.2 系统的能控能观性分析 (7)2.2.1 系统能控性分析 (8)2.2.2 系统能观性分析 (9)2.3 系统的稳定性分析 (10)2.3.1 反馈控制理论中的稳定性分析方法 (10)2.3.2 利用Matlab分析系统稳定性 (10)2.3.3 Simulink仿真结果 (12)2.4 系统的极点配置 (15)2.4.1 状态反馈法 (15)2.4.2 输出反馈法 (16)2.4.2 系统极点配置 (16)2.5系统的状态观测器 (18)2.6 利用离散的方法研究系统的特性 (20)2.6.1 离散化定义和方法 (20)2.6.2 零阶保持器 (21)2.6.3 一阶保持器 (24)2.6.4 双线性变换法 (26)3.总结 (28)4.参考文献 (28)弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计1 研究背景及意义弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的理想元件。
由它们组成的弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统，在生活中具有相当广泛的用途，缓冲器就是其中的一种。
缓冲装置是吸收和耗散过程产生能量的主要部件，其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。
缓冲器在生活中处处可见，例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器，其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全；另外，天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功。
因此，对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。
2 弹簧-质量-阻尼模型数学模型是定量地描述系统的动态特性，揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。
弹簧阻尼系统的数学模型
弹簧阻尼系统的数学模型弹簧阻尼系统的基本模型图1所示，其中m表示系统质量，c表示粘滞摩擦系数，K表示弹簧系数，q表示系统位移。
图1 弹簧阻尼系统基本示意图结合图1，得到系统的模型的方程如下：mq¨+cq˙+kq=u，其中u表示输入作用力大小。
切换成状态空间表达式，设定系统的状态量为同时设置y=q为系统输出，因此得到的表达式为假设输入为正弦信号：u=Asinwt ,考虑到通用的状态空间系统方程dxdt=f(x,u)采用欧拉积分的方法，考虑在t时刻的系统状态x，在极短的时间内h>0, 状态变化率时f(x,u)是个常量，在时刻t到时刻（t+h）内，x(t+h)=x(t)+hf(x(t),u(t))进行一些简答图形绘制绘制输入信号图：输入信号为正弦信号，给定相应的幅值和角频率，表示输入作用力的大小部分代码：t = 0:0.1:100;u = 20*sin(0.5*t);plot(t,u,'r','LineWidth',2);xlabel('Time[sec]');ylabel('Force [N]');绘制基于状态方程的系统响应曲线，根据状态方程，在输入作用力下，观察系统的输出，即位置与时间的关系。
由图可知，黑色的曲线，则是表示系统的响应，采用的是matlab自带的函数。
其他颜色则是测试欧拉积分的方法，观察系统的输出响应曲线，发现时间间隔h越小，跟踪效果越好。
ys,ts] = lsim(sys,u,t);hvec = [10.50.1]; clear x;for iter = 1:length(hvec)x(:,1) = [0; 0];h = hvec(iter);maxi(iter) = max(t)/h;for i = 1:maxi(iter);x(:,i+1) = x(:,i) + h*(A*x(:,i) + B*u(h/0.1*i));td(i,iter) = (i-1)*h;yd(i,iter) = C*x(:,i);endendfigure(1); clf; plot(t, u);xlabel('time [sec]');ylabel('F [N]');figure(2); clf; subplot(211); hold on;analh = plot(ts, ys, 'k-', 'LineWidth',AM_data_linewidth);simh = plot(...td(1:maxi(1),1), yd(1:maxi(1),1), 'g+--', ...td(1:maxi(2),2), yd(1:maxi(2),2), 'ro--', ...td(1:maxi(3),3), yd(1:maxi(3),3), 'b--', ...'MarkerSize', 4, 'LineWidth', AM_ref_linewidth ...);当系统的输入是单位阶跃响应时，也需要观察系统的阶跃响应曲线。
37-弹簧-高质量-阻尼器系统建模与频率特性分析报告
学号：27微机原理及接口技术课程设计题目弹簧-质量-阻尼器系统建模与频率分析学院自动化学院专业电气工程及其自动化班级电气1206姓名黄思琪指导教师浩2015年1月14日课程设计任务书学生： 黄思琪 专业班级： 电气1206 指导教师： 浩 工作单位： 自动化学院 题 目: 弹簧-质量-阻尼器系统建模与仿真 初始条件：已知机械系统如图。
2b1k yp2kx要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）（1） 推导传递函数)(/)(s X s Y ，)(/)(s P s X ，（2） 给定m N k m N k m s N b g m /5,/8,/6.0,2.0212==•==，以p 为输入)(t u （3） 用Matlab 画出开环系统的波特图和奈奎斯特图，并用奈奎斯特判据分析系统的稳定性。
（4） 求出开环系统的截止频率、相角裕度和幅值裕度。
（5） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须进行原理分析，写清楚分析计算的过程及其比较分析的结果，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日目录1设计任务及要求分析 (1)1.1 初始条件11.2 要求完成的任务11.3 任务分析22 系统分析及传递函数求解 (2)2.1 系统受力分析 (2)2.2 传递函数求解 (3)2.3 系统开环传递函数的求解 (3)3 用MATLAB对系统作开环频域分析 (4)3.1开环系统波特图 (4)3.2 开环系统奈奎斯特图及稳定性判断 (6)4 系统开环频率特性各项指标的计算 (8)总结 (11)参考文献 (12)本科生课程设计成绩评定表弹簧-质量-阻尼器系统建模与频率特性分析1设计任务及要求分析1.1初始条件已知机械系统如图。
2b1k yp2kx图1.1 机械系统图1.2要求完成的任务（1） 推导传递函数)(/)(s X s Y ，)(/)(s P s X ，（2） 给定m N k m N k m s N b g m /5,/8,/6.0,2.0212==•==，以p 为输入)(t u （3） 用Matlab 画出开环系统的波特图和奈奎斯特图，并用奈奎斯特判据分析系统的稳定性。
37弹簧质量阻尼器系统建模与频率特性分析
37弹簧质量阻尼器系统建模与频率特性分析在工程中，弹簧质量阻尼器系统是一种常见的机械系统，广泛应用于减震、减振和隔振等方面。
弹簧质量阻尼器系统由弹簧、质量和阻尼器组成，其中弹簧用于提供系统的弹性支撑，质量用于惯性作用，阻尼器用于消散系统的振动能量。
建立弹簧质量阻尼器系统的数学模型并进行频率特性分析对于系统的设计和性能评估至关重要。
1.弹簧质量阻尼器系统建模弹簧质量阻尼器系统可以用简谐振动模型来描述。
假设系统由质量m、弹簧刚度k和阻尼系数c组成，其受到外力F(t)作用。
系统的运动方程可以写成如下形式：m*x''(t)+c*x'(t)+k*x(t)=F(t)其中，x(t)为系统的位移，x'(t)为系统的速度，x''(t)为系统的加速度。
频率特性分析是对弹簧质量阻尼器系统在不同频率下的响应进行研究。
在频率特性分析中，通常会研究系统的振幅-频率曲线和相位-频率曲线。
首先，通过对系统的运动方程进行拉普拉斯变换，可以得到系统的传递函数：H(s) = X(s) / F(s) = 1 / (ms^2 + cs + k)其中，s为复频域变量。
利用传递函数可以计算系统在不同频率下的振幅和相位。
根据传递函数的模和幅角，可以画出系统的振幅-频率曲线和相位-频率曲线。
3.频率特性分析实例假设一个简单的弹簧质量阻尼器系统由质量m=1kg、弹簧刚度k=10N/m、阻尼系数c=1N·s/m组成，外力F(t)为正弦函数。
通过对系统进行频率特性分析，可以得到系统在不同频率下的响应。
对于该系统，可以计算其传递函数为：H(s)=1/(s^2+s+10)通过传递函数可以计算系统在不同频率下的振幅和相位，并绘制出振幅-频率曲线和相位-频率曲线。
通过频率特性分析，可以得到系统的共振频率、共振幅值、相位延迟等重要参数，从而对系统的性能进行评估和优化。
总之，对弹簧质量阻尼器系统进行建模和频率特性分析是非常重要且必要的。
弹簧-质量-阻尼实验指导书
弹簧-质量-阻尼实验指导书(总15页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--质量-弹簧-阻尼系统实验教学指导书北京理工大学机械与车辆学院实验一：单自由度系统数学建模及仿真 1 实验目的（1）熟悉单自由度质量-弹簧-阻尼系统并进行数学建模； （2）了解MATLAB 软件编程，学习编写系统的仿真代码； （3）进行单自由度系统的仿真动态响应分析。
2 实验原理单自由度质量-弹簧-阻尼系统，如上图所示。
由一个质量为m 的滑块、一个刚度系数为k 的弹簧和一个阻尼系数为c 的阻尼器组成。
系统输入：作用在滑块上的力f (t )。
系统输出：滑块的位移x (t )。
建立力学平衡方程：m x c x kx f •••++=变化为二阶系统标准形式：22f x x x mζωω•••++=其中：ω是固有频率，ζ是阻尼比。
ω=2c m ζω== 欠阻尼(ζ<1)情况下，输入f (t )和非零初始状态的响应：()()sin()))]t t x t t d e ζωττζωττ+∞--=•-=-+-+⎰欠阻尼(ζ<1)情况下，输入f(t)=f0*cos(ω0*t) 和非零初始状态的的响应：02230022222002222222()cos(arctan())2f[(0)]cos()[()(2)]sin(ttx t tx ekeζωζωζωωωωωζωωωωζωω-•-=--++-++)输出振幅和输入振幅的比值：A=3 动力学仿真根据数学模型，使用龙格库塔方法ODE45求解，任意输入下响应结果。
仿真代码见附件4 实验固有频率和阻尼实验（1）将实验台设置为单自由度质量-弹簧-阻尼系统。
（2）关闭电控箱开关。
点击setup菜单，选择Control Algorithm，设置选择Continuous Time Control，Ts=，然后OK。
（3）点击Command菜单，选择Trajectory，选取step,进入set-up,选取Open Loop Step设置(0)counts, dwell time=3000ms,(1)rep, 然后OK。
弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计
分数: ___________任课教师签字：___________ 华北电力大学研究生结课作业学年学期：第一学年第一学期课程名称：线性系统理论学生姓名：学号：提交时目录弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计1 研究背景及意义弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的理想元件。
由它们组成的弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统，在生活中具有相当广泛的用途，缓冲器就是其中的一种。
缓冲装置是吸收和耗散过程产生能量的主要部件，其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。
缓冲器在生活中处处可见，例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器，其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全；另外，天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功。
因此，对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。
2 弹簧-质量-阻尼模型数学模型是定量地描述系统的动态特性，揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。
其中，微分方程是基本的数学模型，不论是机械的、液压的、电气的或热力学的系统等都可以用微分方程来描述。
微分方程的解就是系统在输入作用下的输出响应。
所以，建立数学模型是研究系统、预测其动态响应的前提。
通常情况下，列写机械振动系统的微分方程都是应用力学中的牛顿定律、质量守恒定律等。
弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统。
机械系统如图所示，图2-1弹簧-质量-阻尼系统机械结构简图其中、表示小车的质量，表示缓冲器的粘滞摩擦系数，表示弹簧的弹性系数，表示小车所受的外力，是系统的输入即,表示小车的位移，是系统的输出，即，i=1,2。
设缓冲器的摩擦力与活塞的速度成正比，其中，，，，，。
系统的建立由图，根据牛顿第二定律，分别分析两个小车的受力情况，建立系统的动力学模型如下：对有：对有：联立得到：对：对：令，，，，，;，得出状态空间表达式：所以，状态空间表达式为：+由此可以得出已知：，，，，，代入数据得：系统传递函数的计算在Matlab中，函数ss2tf给出了状态空间模型所描述系统的传递函数，其一般形式是[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu)，其中iu是输入值。
弹簧-质量-阻尼模型
弹簧-质量-阻尼系统1 研究背景及意义弹簧-质量-阻尼系统是一种比较普遍的机械振动系统，研究这种系统对于我们的生活与科技也是具有意义的，生活中也随处可见这种系统，例如汽车缓冲器就是一种可以耗减运动能量的装置，是保证驾驶员行车安全的必备装置，再者在建筑抗震加固措施中引入阻尼器，改变结构的自振特性，增加结构阻尼，吸收地震能量，降低地震作用对建筑物的影响。
因此研究弹簧-质量-阻尼结构是很具有现实意义。
2 弹簧-质量-阻尼模型的建立数学模型是定量地描述系统的动态特性，揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。
其中，微分方程是基本的数学模型 ，不论是机械的、液压的、电气的或热力学的系统等都可以用微分方程来描述。
微分方程的解就是系统在输入作用下的输出响应。
所以，建立数学模型是研究系统、预测其动态响应的前提 。
通常情况下，列写机械振动系统的微分方程都是应用力学中的牛顿定律、质量守恒定律等。
弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统。
机械系统如图2.1所示，图2.1 弹簧-质量-阻尼系统简图其中1m ，2m 表示小车的质量，i c 表示缓冲器的粘滞摩擦系数，i k 表示弹簧的弹性系数，i F （t ）表示小车所受的外力，是系统的输入即i U （t ）=i F （t ）,i X (t)表示小车的位移，是系统的输出，即i Y （t ）=i X (t)，i=1,2。
设缓冲器的摩擦力与活塞的速度成正比，其中1m =1kg ，2m =2kg ，1k =3k =100N/cm ，2k =300N/cm ，1c =3c =3N •s/cm ，2c =6N •s/cm 。
由图2.1，根据牛顿第二定律,，建立系统的动力学模型如下： 对1m 有：（2-1）对2m 有：（2-2）3 建立状态空间表达式令31421122,,,x x x x u F u F ====&&,则原式可化为：13123241212212423423232212()()()()()()m x l l x l x k k x k x u t m x l l x l x k k x k x u t ++-++-=++-++-=&&化简得：1221211232431()()()u t k x k k x l l x l x x m +-++++=& （2-3）2211223242342()()()u t k x k k x l l x l x x m +-+-++=& （2-4）整理得：12112212211111324323222222221234001000000100()()10()()1010000100x x u k k k l l l xm m m m m x u x k k l l k l m m m m m x x y x x ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-++⎡⎤⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-++⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦& （2-5）121321321,2,100,3003,6m m k k k l l l ========代入数据得：00100001400300961502003 4.5A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥--⎣⎦ 00001000.5B ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 10000100C ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦则系统的状态空间表达式为x y ux x ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=001000015.000100005.43200156930040010000100.4 化为对角标准型当系统矩阵A 有n 个不相等的特征根...)3,2,1(=i iλ时，相应的有n 个不相等的特征向量...)3,2,1(=i m i，所以有矩阵A 的特征矩阵[]m m m m M 4321...=根据矩阵论线性变换得：Mz x Tx z M T =⇒=⇒=-1可以使用matlab 进行对角标准型的运算，matlab 作为一种数学运算工具，很大程度的方便了了我们的计算，对于这个弹簧-质量-阻尼系统是一个四阶的状态空间表达式，所以可以用matlab 简化计算。
弹簧质量阻尼系统的建模与控制系统设计
弹簧质量阻尼系统的建模与控制系统设计对于弹簧质量阻尼系统的建模，我们可以采用牛顿第二定律来描述其运动状态：$$m\ddot{x}+b\dot{x}+kx=F$$其中，$m$是质量，$\ddot{x}$是加速度，$b$是阻尼系数，$\dot{x}$是速度，$k$是弹簧系数，$x$是位移，$F$是外力。
这个方程描述了质量受到弹簧力、阻尼力和外力的合力时的运动状态。
在实际应用中，通常外力可以忽略不计或者可以进行补偿处理。
为了进一步进行控制系统设计，我们可以将建模方程进行转换，转换成状态空间形式：$$\dot{x} = Ax + Bu$$$$y=Cx+Du$$其中，$x$是状态向量，包含位置和速度信息；$u$是输入向量，即控制器的输出；$y$是输出向量，即系统的状态信息。
$A$、$B$、$C$和$D$是矩阵。
通过选取合适的状态变量和引入控制器后，可以使得转移矩阵、输入矩阵、输出矩阵和直通矩阵达到所需的性能指标。
针对弹簧质量阻尼系统，我们可以设计不同类型的控制器来实现不同的控制目标。
常见的控制器有比例控制器、积分控制器和微分控制器，以及它们的组合，即PID控制器。
其中，比例控制器能够实现快速的响应速度，但可能会造成稳态误差；积分控制器能够消除稳态误差，但会引入超调；微分控制器能够提高稳定性和抑制振荡，但容易引入噪声。
在实际控制系统设计中，我们可以根据系统性质和控制目标的不同，选择合适的控制器类型和参数。
一般情况下，通过系统建模和参数估计，可以利用控制理论和分析工具进行开环和闭环的系统性能分析和调节，从而实现系统的精确控制和稳定性。
总结起来，弹簧质量阻尼系统的建模和控制系统设计是一项重要的工程任务。
通过建立系统的动力学方程和状态空间模型，我们可以对其进行控制系统设计和分析。
根据实际需求和控制目标，选择合适的控制器类型和参数，并进行系统性能分析和优化。
这样可以实现弹簧质量阻尼系统的精确控制和稳定性。
弹簧质量阻尼实验指导书
质量-弹簧-阻尼系统实验教学指导书北京理工大学机械与车辆学院2016.3实验一：单自由度系统数学建模及仿真 1 实验目的（1）熟悉单自由度质量-弹簧-阻尼系统并进行数学建模； （2）了解MATLAB 软件编程，学习编写系统的仿真代码； （3）进行单自由度系统的仿真动态响应分析。
2 实验原理单自由度质量-弹簧-阻尼系统，如上图所示。
由一个质量为m 的滑块、一个刚度系数为k 的弹簧和一个阻尼系数为c 的阻尼器组成。
系统输入：作用在滑块上的力f (t )。
系统输出：滑块的位移x (t )。
建立力学平衡方程：m x c x kx f •••++=变化为二阶系统标准形式：22f x x x mζωω•••++=其中：ω是固有频率，ζ是阻尼比。
ω=2c m ζω== 2.1 欠阻尼(ζ<1)情况下，输入f (t )和非零初始状态的响应：()()sin()))]t t x t t d e ζωττζωττ+∞--=•-=-+-⎰2.2 欠阻尼(ζ<1)情况下，输入f (t )=f 0*cos(ω0*t ) 和非零初始状态的的响应：02230022222002222222()cos(arctan())2f [(0)]cos()[()(2)]sin(t t x t t x e k e ζωζωζωωωωωζωωωωζωω-•-=--++-++)输出振幅和输入振幅的比值：A =3 动力学仿真根据数学模型，使用龙格库塔方法ODE45求解，任意输入下响应结果。
仿真代码见附件 4 实验4.1 固有频率和阻尼实验（1）将实验台设置为单自由度质量-弹簧-阻尼系统。
（2）关闭电控箱开关。
点击setup 菜单，选择Control Algorithm ，设置选择Continuous Time Control ，Ts=0.0042，然后OK 。
（3）点击Command菜单，选择Trajectory，选取step,进入set-up,选取Open Loop Step设置(0)counts, dwell time=3000ms,(1)rep, 然后OK。
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word文档整理分享分数: ___________任课教师签字：___________ 华北电力大学研究生结课作业学年学期：第一学年第一学期课程名称：线性系统理论学生姓名：学号：提交时间：2014.11.27目录目录 (2)1 研究背景及意义 (4)2 弹簧-质量-阻尼模型 (4)2.1 系统的建立 (5)2.1.1 系统传递函数的计算 (7)2.2 系统的能控能观性分析 (9)2.2.1 系统能控性分析 (10)2.2.2 系统能观性分析 (11)2.3 系统的稳定性分析 (12)2.3.1 反馈控制理论中的稳定性分析方法 (12)2.3.2 利用Matlab分析系统稳定性 (13)2.3.3 Simulink仿真结果 (15)2.4 系统的极点配置 (18)2.4.1 状态反馈法 (18)2.4.2 输出反馈法 (19)2.4.2 系统极点配置 (20)2.5系统的状态观测器 (22)2.6 利用离散的方法研究系统的特性 (24)2.6.1 离散化定义和方法 (24)2.6.2 零阶保持器 (26)2.6.3 一阶保持器 (29)2.6.4 双线性变换法 (31)3.总结 (33)4.参考文献 (33)弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计1 研究背景及意义弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的理想元件。
由它们组成的弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统，在生活中具有相当广泛的用途，缓冲器就是其中的一种。
缓冲装置是吸收和耗散过程产生能量的主要部件，其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。
缓冲器在生活中处处可见，例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器，其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全；另外，天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功。
因此，对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。
2 弹簧-质量-阻尼模型数学模型是定量地描述系统的动态特性，揭示系统的结构、参数与动态特性之间关系的数学表达式。
其中，微分方程是基本的数学模型，不论是机械的、液压的、电气的或热力学的系统等都可以用微分方程来描述。
微分方程的解就是系统在输入作用下的输出响应。
所以，建立数学模型是研究系统、预测其动态响应的前提。
通常情况下，列写机械振动系统的微分方程都是应用力学中的牛顿定律、质量守恒定律等。
弹簧-质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统。
机械系统如图2.1所示，图2-1弹簧-质量-阻尼系统机械结构简图其中错误!未找到引用源。
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表示小车的质量，错误!未找到引用源。
表示缓冲器的粘滞摩擦系数，错误!未找到引用源。
表示弹簧的弹性系数，错误!未找到引用源。
表示小车所受的外力，是系统的输入即错误!未找到引用源。
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表示小车的位移，是系统的输出，即错误!未找到引用源。
，i=1,2。
设缓冲器的摩擦力与活塞的速度成正比，其中错误!未找到引用源。
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2.1 系统的建立由图 2.1，根据牛顿第二定律，分别分析两个小车的受力情况，建立系统的动力学模型如下：对错误!未找到引用源。
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得出状态空间表达式：所以，状态空间表达式为：错误!未找到引用源。
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由此可以得出已知：错误!未找到引用源。
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代入数据得：2.1.1 系统传递函数的计算在Matlab中，函数ss2tf给出了状态空间模型所描述系统的传递函数，其一般形式是[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,iu)，其中iu是输入值。
用Matlab将状态空间表达式表示为传递函数：在输入1单独作用的情况下A=[0 0 1 0;0 0 0 1; -400 300 -9 6;150 -200 3 -4.5];B=[0 0;0 0;1 0;0 0.5];C=[1 0 0 0;0 1 0 0];D=[0 0;0 0];[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,1)运行程序，得到：num =0 -0.0000 1.0000 4.5000 200.00000 -0.0000 -0.0000 3.0000 150.0000den =1.0e+004 *0.0001 0.0014 0.0623 0.1800 3.5000 在输入2单独作用的情况下：A=[0 0 1 0;0 0 0 1; -400 300 -9 6;150 -200 3 -4.5]; B=[0 0;0 0;1 0;0 0.5];C=[1 0 0 0;0 1 0 0];D=[0 0;0 0];[num,den]=ss2tf(A,B,C,D,2)运行程序，得到：num =0 -0.0000 -0.0000 3.0000 150.0000 0 -0.0000 0.5000 4.5000 200.0000den =1.0e+004 *0.0001 0.0014 0.0623 0.1800 3.5000由此可知：位移错误!未找到引用源。
对外力错误!未找到引用源。
的传递函数是：位移错误!未找到引用源。
对外力错误!未找到引用源。
的传递函数是：位移错误!未找到引用源。
对外力错误!未找到引用源。
的传递函数是：位移错误!未找到引用源。
对外力错误!未找到引用源。
的传递函数是：2.2 系统的能控能观性分析在反馈控制理论中只讨论输入量对输出量的控制。
而这两个量的关系唯一地由系统的传递函数所确定。
一个稳定的系统，一定能控。
同时，系统的输出量本身就是我们想要控制的量，对于一个实际的系统来说，输出量当然是可以被观测到的，因此在反馈控制理论中没有必要设立能控和能观这两个概念。
然而在现代控制理论中，能控和能观是两个重要的基本概念。
我们把反映系统内部运动状态的状态向量作为被控量，而且它们不一定是实际上可观测到的物理量，至于输出量则是状态向量的线性组合，这就产生了从输入量到状态量的能控性问题和从输出量到状态量的能观测性问题。
在现代控制中，分析和设计一个控制系统，必须研究这个系统的能控性和能观性。
状态方程描述了输入错误!未找到引用源。
(t)引起状态X（t）的变化过程；输出方程则描述了由状态变化引起的输出Y（t）的变化。
能控性和能观性正是分别分析错误!未找到引用源。
(t)错误!未找到引用源。
对状态X（t）的控制能力以及Y（t）对X（t）的反应能力。
2.2.1 系统能控性分析设线性定常系统的状态方程为式中 A——n×n矩阵B——n×r矩阵C——m×n矩阵D——m×r矩阵系统能控的充分必要条件为：能控判别阵错误!未找到引用源。
的秩R(错误!未找到引用源。
)=n，用Matlab计算能控矩阵的秩，从而对该系统的能控性进行判别，程序为：A=[0 0 1 0;0 0 0 1; -400 300 -9 6;150 -200 3 -4.5];B=[0 0;0 0;1 0;0 0.5];C=[1 0 0 0;0 1 0 0];D=[0 0;0 0];Qc=ctrb(A,B)R1=rank(Qc)运行程序，得到：R1 =4等于矩阵行数，由此可以判断，系统是完全能控的。
2.2.2 系统能观性分析设线性定常系统的状态方程为：错误!未找到引用源。
式中 A——n×n矩阵B——n×r矩阵C——m×n矩阵D——m×r矩阵能观的充分必要条件为：能观判别阵错误!未找到引用源。
的秩R(错误!未找到引用源。
)=n，下面，用Matlab计算能控矩阵的秩，从而对该系统的能控性进行判断：A=[0 0 1 0;0 0 0 1; -400 300 -9 6;150 -200 3 -4.5];B=[0 0;0 0;1 0;0 0.5];C=[1 0 0 0;0 1 0 0];D=[0 0;0 0];Qo=obsv(A,C)R2=rank(Qo)运行程序，得到：R2 =4满秩，因此可以判断，该系统是完全能观的。
综上所述，这是一个既能控又能观的系统。
2.3 系统的稳定性分析2.3.1 反馈控制理论中的稳定性分析方法稳定性是一个系统可以被采用的最基本的条件，是系统的固有属性。
稳定系统的定义如下：设控制系统处于某一起始的平衡状态，在外力的作用下，它离开了平衡状态，当外作用消失后，如果经过足够长的时间它能够恢复到起始的平衡状态，则称这样的系统为稳定的系统，否则称为不稳定的系统。
由稳定性的定义可见，稳定性是系统去掉外力作用后自身的一种恢复能力，所以是系统的一种固有特性。
对于线性定常系统，它取决于系统本身的结构和参数，而与初始条件和外界作用无关。
线性定常系统稳定的充分必要条件是：闭环系统特征方程的所有特征根为负实数或具有负实部的共轭复数，即所有特征根位于复平面的左半平面。
只要有一个闭环特征根分布在右半平面上，系统就是不稳定的；如果没有右半平面的根，但有纯虚根，则系统是临界稳定的；在工程上，处于不稳定和临界稳定的线性定常系统是不能采用的[1]。
在古典控制系统中，我们判断系统的稳定性经常用劳斯-赫尔维茨代数判据、时域分析法、根轨迹法、频域分析法等方法，但那只针对低阶系统。
实际的工业生产中，经常会遇见一些特别复杂的系统。
这时古典控制理论中的方法就有点捉襟见肘了。
1892年俄国学者李雅普诺夫提出的稳定性理论是确定系统稳定性的更一般性理论，它采用了状态向量描述，不仅适用于单变量、线性、定常的系统，而且适用于多变量，非线性、时变的系统。
李雅普诺夫理论在建立一系列关于稳定性概念的基础上，提出了判断系统稳定性的两种方法：一种方法是利用线性系统微分方程的解来判断系统稳定性，称为李雅普诺夫第一法或间接法；另一种方法是首先利用经验和技巧来构造李雅普诺夫函数，进而利用李雅普诺夫函数来判断系统稳定性，称为李雅普诺夫第二法或直接法。
2.3.2 利用Matlab分析系统稳定性随着计算机技术的发展，在现代控制理论中，我们经常采用Matlab判断系统的稳定性。
对于线性定常系统，典型的系统输入信号类型有脉冲、阶跃、斜坡、加速度、正弦信号。
系统的稳定性是对任何输入信号而言，即若一个系统是稳定的，则其在任何输入信号情况下对应的输出曲线是收敛的。