机械工程控制基础实验指导书

1机械工程控制基础实验指导书西安科技大学高新学院2014年9月2说明高等教育是探索人类全面发展的素质教育，认为实验教学和理论教学具有同等重要的作用。在实验中，掌握机器操作、仪表调试、现象观察、数据处理及报告书写等一系列实践性教学环节，有利于智力开发和操作技能的训练以及工作能力的锻炼，培养严肃认真，一丝不苟．实事求是的工作作风。认真准备实验是做好实验．保证实验效果的先决条件。要认真阅读实验指导书．复习有关理论，了解实验目的、实验原理、实验步骤，熟悉实验所使用的试验装置，注意操作事项。完成实验正确的方法首先要接受指导教师对预习情况的抽查，听从安排，按操作规程使用机器设备，完成自己所承担的实验任务。实验过程中要完整记录实验数据，实验中所使用的全部设备使用完毕后应恢复到原来状态。仔细整理实验数据并写好实验报告是对实验结果的总结，既是清楚完整的原始纪录．又应经过科学处理和分析。图形要直观明了、文字要简洁正确。实验报告应包括实验名称．日期及同组人员：实验的原始记录，实验数据的处理方法．分析依据及结论，图形坐标清楚．比例选择恰当，曲线应根据多点的位置考虑误差原因，将其光滑连接。“机械工程控制基础”是机械工程一级学科各专业的一门重要技术理论基础课程．也是一门专业性、实践性很强的课程。机械工程控制基础实验的主要任务是加强理论、巩固基础、培养学生的动手能力、观察思考能力和创新能力。这本实验指导书理论性强、实践性强、操作性强，尽量避开传统控制实验对专用实验设备和实验场地的依赖，每个实验都提供了“分立元件电路模拟”和“计算机软件仿真”等多种实现方法，详细阐述了实验原理、实验内容、要求与思考。经济的发展与工业技术的提高，为机械工程控制基础实验科学提供了广泛的研究课题。工程技术人员已经根据人们的不同需求完成各种精度要求高、结构复杂、实用性强的实验测试项目。应用前景极为广阔，机械工程控制基础实验技术必将得到进一步的发展。3实验一MATLAB与SIMULINK的基本操作一、实验目的1、了解MATLAB与SIMULINK的工作环境及其安装与运行。2、熟悉MATLAB与SIMULINK的常用交互界面与常用指令.3、掌握MATLAB与SIMULINK的基本语法和基本操作。4、了解控制实验中MATLAB与SIMULINK的基本操作。二、实验内容1、建立并执行M文件MATLAB.M2、在SIMULINK中通过示波器观察正弦信号的仿真曲线和单价阶跃函数经过惯性环节后的仿真曲线。三、实验原理1、MATLAB与SIMULINK概述。MATLAB(MatrxLaboratory,矩阵实验宅)是MathWorks公司于1982年推出的高性能数值计算和可视化数学软件，提供了专门的控制系统工具箱，控制系统中的许多应用，如时域分析、频域分析、根轨迹作图等都可以用一个简单的M函数命令实现。尤其是所提供的Simulink软件包,采用与传递函数动态框图非常相似的结构图模型．用虚拟示波器显尔仿真曲线，特别适用于“机械工程控制基础”课程实验的系统仿真和分析。2、熟悉MATLAB与SIMULINK的常用交互界面与常用指令.1)MATLAB的运行执行C:＼Matlab＼bin＼Matlab．exe或双击Matlab图标，即可进入MATLAB的工作界面窗口，如图1-1所示。在工作界面窗口中，左上方窗口为交互界面分类目录窗，提供进人工具、演示和文件的便捷方式；左下方窗口为指令历史窗口，用于记录和观察先前用过的函数．拷贝和执行被选择的行：右方窗口为指令窗口，用于输入变量运行函数和M文件。图1-12)MATLAB中M文件的建立当用户要执行的指令较少时，可直接在指令窗口键入命令，每行命令末尾用“：”标记。若需显示某行命令的执行结果，则该行未不要“；”而直接回车。当用户执行的指令较多或需4反复修改使用时，可以将要执行的命令编程，称为M文件。在指令窗口上打开下拉菜单“F11e-New-M_FILe”选项，如图1-2所示。在指令窗口上打开下拉菜单“Edit”,可以编辑M文件。M文件的运行有两种方式：选择“Debug-Run”或直接按F5键,或者在命令窗口的编辑区键人M文件名并回车。3）SIMULINK的运行。图1-2指令窗中执行指令simulink，或点击指令窗工具栏中的“Simulink”图标，便可以打开SIMUUNK模块库浏览器，如图1-3和图1-4所示。图1-3图1-4其中:Continuous：连续单元模块组，Discrete:离散单元模块组，Function&Tables：函数与表格模块组,Math：数学模块组，Nonlineary：非线性单元模块组，Single&Systems:信号与系统模块组，5inks：输出单元模块组,Source:输入单元模块组，用鼠标双击任何一个模块组图标，打开相应的模块组，即可将所需要的功能模块拖至空白的模型窗：四、实验步骤1、编写Matlab程序a1.m，并观察结果。clear;％清除MAILM工作空间中保存的变量x=-8:0.5:8;％定义自变量x的—维刻度向量y=x';％定义自变量y的—维刻度向量X=ones(size(y))*x;％计算自变量平面上取值点x坐标的二维数组5Y=y*ones(size(x));％计算自变量平面上取值点y坐标的二维数组R=sqrt(X.^2+Y.^2)+eps;％计算中间变量R＝22yxZ=sin(R)./R;％计算与自变量二维数组相应的函数值RRz/)sin(surf(X,Y,Z);％绘制三维网线曲面colormap(cool)％指定网线曲面用hot包图绘制axis([-1010-1010-0.51])％给图形的坐标铀设定范围xlabel('x'),ylabel('y'),zlabel('z')％给图形的坐标轴分别加标识为x.y.zgridon％给图形加上网格线title('MATLAB1-1')％给图形加上标题为“MATLAB1-1“2、Simulink示波器仿真。1)在Simulink模块库浏览器窗口中，双击“Sources”子库,显示输入单元模块2)新建空白模型窗口，将正弦波输人单元模块(sinewavc)拖入,如图1-5.3)将“sinks”子库中的示波器模块(Scope)拖至模型窗内。图1-5如图1-6将其与正弦波模块之间用信号线相连，连接信号线可以将鼠标指向输出单元模块左侧的输入端*，当光标变成“+”时，按住鼠标的任何一键并移向输出单元模块右侧的输出端，然后松开鼠标键；也可以先点击输入单元模块，然后在按住ctrl键的同时点击输出单元模块，输出与输入模块之间自动产生信号连线,如图1-7.。4)点击模型窗中的“仿真启动”图标▶，或选用菜单Simulation-Start,图1-6并双击示波器图标便可在示波器的显示屏上看到黄色的正弦波仿真曲线。示波器显示屏菜单的功能如下：Parameters:示波器属性参数设置,Zoom:整体缩放,Zoom-Xaxis:x轴缩放,Zoom-Yaxis:y轴缩放,Autosca1e:自动尺寸调整,Savecurrentaxissetting:保存当前坐标轴设置,图1-76Restoresavedaxissetting:恢复保存的坐标轴设置FloatingScope:设置示波器为浮游状态.3、Simulink传递函数仿真。1)在“Sources”子库,选择单位阶跃输人模块(step)，在“Continues”子库,选择TransferFunction模块，在“sinks”子库中选择示波器模块(Scope)，双击示波器图标，点击菜单Parameters，设置“Numberofaxis”为2，此时图1-8“Scope”模块变为两个输入端口。2)双击TransferFunction图标，没置参数如图1.8所示。即惯性环节的时间常数为0．1。3)按图1-9连线4)点击模型窗中的“仿真启动”图标▶，或选用菜单Simulation-Start,并双击示波器图标，可在示波器的显示屏上图1-9看到黄色的单位阶跃响应曲线。五、实验要求1、分析结出的MATLAB参考程序，理解MATLAB程序设计的思维方法及其结构。添加或改变程序的指令、参数，验证效果，熟悉MATLAB操作。2、总结MATLAB指令的作用及其调用格式：3、改变示波器的属性参数设置．观察并记录相应的仿真曲线。改变输出单元模块或输人单元模块．观察并记录相应的仿真曲线。六、实验思考1、MATLAB参考程序中，eps变量的作用是浮点相对精度、表达任何数的相对误差，引入eps是为了避免在下一条指令进行除法时出现sin(0)／o的现象。2、如何绘制模块之间信号的斜连线或折连线。如何设置SIMULINK中各模块参数。实验二数学模型及一阶系统一、实验目的1、掌握MATLAB建立系统数学模型的方法。2、学习典型环节的软件仿真方法，学习典型环节传递函数的单位阶跃响。二、实验内容1、用MATLAB建立系统1052)3(2sssG的多项式模型，)10)(5)(2()1(10)3(ssssG的零极点模型，用MATLAB求解习题，如图2-1,其中：7)(20)(10)(6tetcdttdc)(10)(5)(20tctbdttdb切始条件为零、试求传递函数)(/)(sRsC2、典型环节的软件仿真及单位阶跃响。图2-1三、实验方法1、多项式模型TF和零极点增益模型ZP多项式模型sys=tf(num,den),其中num为传递函数分子系数向量,den为传递函数分母系数向量；零极点增益模型sys=zpk(z,p,k),其中z为系统的零点向量，p为系统的极点向量，k为系统增益.上述控制系统可以用模型转换函数相互转换、例如：将系统的多项式模型sysD变为零极点模型sysL,sysL=tf2zp(sysD),或[z,p,k]＝tf2zp(num,den);将系统的零极点模型sysL变为多项式模型sysD,(sysD)=tf2zp(sysL)或[num,den]=＝tf2zp(z,p,k).2、模型的连接系统串联连接可使用series()函数，例如sys=series(sys1，sys2)或[num,den]=series(num1,den1,num2,den2)系统并联连接可使用parallel()函数，例如sys=parallel(sys1，sys2)或[num,den]=parallel(num1,den1,num2,den2)前一种格式直接返回系统模型，后一种格式返回系统的分子系数向量num和分母系数向量den。系统反馈连接可使用fccdbnck()函数,例如sys=fccdbnck(sys1，sys2,sign)或[num,den]=series(num1,den1,num2,den2,sign)sign表示反馈的符号，负反馈时sign＝—1(可缺省)；正反馈时sign＝1。四、实验步骤1、建立系统1052)3(2sssG的多项式模型b1.m文件，并运行，图2-2如图2-2。建立系统)10)(5)(2()1(10)3(ssssG的零极点模型b2.m文件，并运行，如图2-3。8求解图2-1习题。对)(20)(10)(6tetcdttdc和)(10)(5)(20tctbdttdb求拉氏变换，则531010620)()()(sssEsCsG14252010)()(sssCBsH,b3.m如图2-4。图2-3conv()函数可以表示两个多项式的乘法，并且可以嵌套。例如)523)1()66)(2(4)(322ssssssssG,b4.m如图2-5。2、建立典型环节数学模型。1)建立比例环节12/)(RRsG的传递函数b5.m，并绘制单位阶跃响应曲线。R1=10^5;图2-4R2=2*10^5;nump=R2/R1;denp=1;Gp=tf(nump,denp)figure=(1)step(Gp)图图2-52)建立惯性环节)1/(1)(TssG的传递函数b6.m，并绘制单位阶跃响应曲线。