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1、机电一体化实验指导书精品文档27页 实验一计算机控制系统时间响应分析 “教书先生”恐怕是市井百姓最为熟悉的一种称呼，从最初的门馆、私塾到晚清的学堂，“教书先生”那一行当怎么说也算是让国人景仰甚或敬畏的一种社会职业。只是更早的“先生”概念并非源于教书，最初出现的“先生”一词也并非有传授知识那般的含义。孟子中的“先生何为出此言也？”；论语中的“有酒食，先生馔”；国策中的“先生坐，何至于此？”等等，均指“先生”为父兄或有学问、有德行的长辈。其实国策中本身就有“先生长者，有德之称”的说法。可见“先生”之原意非真正的“教师”之意，倒是与当今“先生”的称呼更接近。看来，“先生”之本源含义在于礼貌和尊称，并

2、非具学问者的专称。称“老师”为“先生”的记载，首见于礼记?曲礼，有“从于先生，不越礼而与人言”，其中之“先生”意为“年长、资深之传授知识者”，与教师、老师之意基本一致。一、 实验目的要练说，先练胆。说话胆小是幼儿语言发展的障碍。不少幼儿当众说话时显得胆怯：有的结巴重复，面红耳赤；有的声音极低，自讲自听；有的低头不语，扯衣服，扭身子。总之，说话时外部表现不自然。我抓住练胆这个关键，面向全体，偏向差生。一是和幼儿建立和谐的语言交流关系。每当和幼儿讲话时，我总是笑脸相迎，声音亲切，动作亲昵，消除幼儿畏惧心理，让他能主动的、无拘无束地和我交谈。二是注重培养幼儿敢于当众说话的习惯。或在课堂教学中，改变过

3、去老师讲学生听的传统的教学模式，取消了先举手后发言的约束，多采取自由讨论和谈话的形式，给每个幼儿较多的当众说话的机会，培养幼儿爱说话敢说话的兴趣，对一些说话有困难的幼儿，我总是认真地耐心地听，热情地帮助和鼓励他把话说完、说好，增强其说话的勇气和把话说好的信心。三是要提明确的说话要求，在说话训练中不断提高，我要求每个幼儿在说话时要仪态大方，口齿清楚，声音响亮，学会用眼神。对说得好的幼儿，即使是某一方面，我都抓住教育，提出表扬，并要其他幼儿模仿。长期坚持，不断训练，幼儿说话胆量也在不断提高。 1 培养学生初步的MATLAB编程能力； 课本、报刊杂志中的成语、名言警句等俯首皆是,但学生写作文运用到文

4、章中的甚少,即使运用也很难做到恰如其分。为什么?还是没有彻底“记死”的缘故。要解决这个问题,方法很简单,每天花3-5分钟左右的时间记一条成语、一则名言警句即可。可以写在后黑板的“积累专栏”上每日一换,可以在每天课前的3分钟让学生轮流讲解,也可让学生个人搜集,每天往笔记本上抄写,教师定期检查等等。这样,一年就可记300多条成语、300多则名言警句,日积月累,终究会成为一笔不小的财富。这些成语典故“贮藏”在学生脑中,自然会出口成章,写作时便会随心所欲地“提取”出来,使文章增色添辉。 2 培养学生初步利用MATLAB对离散控制系统进行时域、频域分析的能力。二、 实验原理及方法1对如下离散控制系统进行

5、单位阶跃响应、单位脉冲响应的仿真： 8.06.15.14.32)(22+=ZZZzzG 2用到的控制系统工具箱函数有： dstep( ) 离散时间阶跃响应dbode() 离散波特图dimpulse( ) 离散时间单位脉冲响应 dnyquist() 离散Nyquist图3可参考如下MATLAB语言仿真样例程序进行编程： num=2 -3.4 1.5; den=1 -1.6 0.8; %画离散单位阶跃响应曲线y,x=dstep(num,den) subplot(2,2,1) plot(y,.r) grid xlabel(Time/s); ylabel(Amplitude); title(Discr

6、ete step response) %画离散单位脉冲响应曲线y,x=dimpulse(num,den); subplot(2,2,2) plot(y,.g) grid xlabel(Time/s); ylabel(Amplitude); title(Discrete impulse response) %画离散系统bode图subplot(2,2,3) 1 dbode(num,den,0.1); title(Discrete Bode Plot) grid %画离散系统的nyquist图subplot(2,2,4) dnyquist(num,den,0.1) title(Discrete N

7、yquist Plot) grid 4参考仿真结果曲线如下： 0204060-0.500.511.52Time/sAmplitudeDiscrete step response010203040-1012Time/sAmplitudeDiscrete impulse response-20190Magnitude (dB)10-1100101102-90090Phase (deg)-2024-4-2024-2 dB-4 dB0 dB10 dB6 dB-10 dB4 dB2 dB-6 dBDiscrete Bode PlotFrequency (rad/sec)Discrete Nyquist

8、PlotReal AxisImaginary Axis 三、实验仪器及材料1 计算机一台； 2 MATLAB平台； 3 打印机一台。四、实验步骤 1开机，进入MATLAB记事本窗口； 2新建“*M”文件，输入程序，保存“*M”文件； 3 进入命令窗口，运行“*M”文件，实现仿真； 2 实验二伺服电机控制系统仿真 一、 实验目的1 初步掌握在MATLAB环境下，用Simulink建立系统模型2 培养学生对系统线性化模型进行仿真的能力。 二、 实验原理及方法Simulink是MATLAB里的一个实现动态系统建模、仿真与分析的仿真集成环境软件工具包(Dynamic System Simulation

9、)，是控制系统计算与仿真最先进的高效工具。主要的功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而可以在实际系统制作出来之前，预先对系统进行仿真与分析，并可以对系统做适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少系统设计过程中反复修改的时间，实现高效率地开发系统的目标。 Simulink过利用模块组合的方法可以方便用户快速、准确地创建动态系统的计算机模型。它可以用来模拟线性与非线性系统，连续与非连续系统，或者这些混合的系统，是强大的系统仿真工具。 Simulink的每一个模块实际上都是一个系统，一个典型的Simulink模块包括输入、状态和输出三个部分： 输入模块

10、：即信号源模块，包括常数信号源、函数信号发生器和用户自定义信号； 状态模块：即被模拟的系统模块，它是Simulink的中心模块，是系统建模的核心和主要部分；Simu1ink的状态模块可以是连续的、离散的，或者是它们二者的结合。在MATLAB中，用函数tf（）来建立控制系统的传递函数模型，或者将零极点模型或或者状态空间模型转换为传递函数模型。函数命令的调用格式为： sys=tf（mun，den） sys=tf（mun，den，ts） sys=tf（mun，den）函数返回的变量sys为连续系统的传递函数模型。函数输入参量mun与den分别为系统的分子与分母多项式系数向量。sys=tf（mun，d

11、en，ts）函数返回的变量sys为离散系统的传递函数模型。函数输入参量mun与den的含义同上， ts为采样周期，当ts= -1或者ts=0时，则系统的采样周期未定义。 输出模块：即信号显示模块，它能够以图形方式、文件格式进行显示，也可以在MATLAB的工作空间显示，输出模块主要集中在Sinks库。在Simulink中，模块都是用矢量来表示这三个部分的，如图2-1所示。图2-1基本模型 1 在三个部分中，状态模块是最重要的，它决定了系统的输出，而它的当前值又是前一个时间模块状态和输入的函数。现有的状态模块必须保存前面的状态值，并计算当前的状态值。 Simu1ink仿真分为两个阶段：初始化和模型

12、执行。三、实验仪器及材料1 计算机一台； 2 MATLAB平台； 3 打印机一台。三、 实验步骤在Simulink中可以建立3种系统模型，即连续系统、离散系统和混合系统。利用Simulink仿真首先要确定现实系统对应的模型，只有建立模型以后才可以确定运用Simulink的那部分模块建立模型。 连续系统使用微分方程描述，离散系统使用差分方程描述，离散一混合系统采用差分微分联立方程描述。 连续系统通常都是用微分方程描述的系统，而现实世界中的多数实际系统也都是连续变化的，根据现实世界建立连续的模型，通常使用Continuous模块库、Math operation模块库和Nonlinear模块库中的模

13、块。 离散系统通常都是用差分方程描述的系统，而实验中，都是采用离散采样。利用Simulink模型建模时，通常使用Discrete模块库、Mahh operation模块库和Sink模块库和Source模块库中的模块。1下面以一个典型线性反馈控制系统为例说明实验的步骤。例：一个典型线性反馈控制系统结构如图2-2所示，图中R(s)为输入函数，y(s)为输出，Gc(s)为控制器模型，G(s)为对象模型，H(s)为反馈模型。各个模块分别为： 4324)(23+=ssssGc, 33)(+=sssG, 101.01)(+=ssH 图2-2 线性反馈控制系统结构 用Simulink仿真软件求出开环和闭环系

14、统的阶跃响应曲线。Simulink软件仿真步骤如下： (1)开机，进入MATLAB窗口； 选择“ ”选项按钮，进入simulink浏览器即模块库。 2 (2)在simulink窗口，新建一个模型窗口。 (3)在模块库浏览器窗口中双击“Control System Toolbox”图标，即打开控制系统工具箱，并将其中的LTI模型拖动到新建的模型窗口中，共需要3个(可再拖动两次，也可以复制两个)，重新命名后分别作为Gc(s)、G(s)和H(s)的函数模块。由于H(s)是反向模块(即表示负反馈)，所以需选中该模块后，按快捷键（）十两次以改变其传输方向。 (4)双击其中的Gc(s)模块，将出现设置模块

15、参数对话框，将“LTI system variable”一栏中原来系统默认的传递函数修改为tf(4,1,2,3,4)，同样把G(s)的传递函数修改为tf(1,-3，1，3)，H(s)的传递函数修改为tf(1，0.01，1)。 (5)在模块库浏览器窗口中，双击Sources模块(信号源)，将其中的Step模块(阶跃信号)拖动到模型窗口；双击Math模块(数学运算)，将其中的Sum 模块(求和运算)拖动到模型窗口；双击Sinks模块(输出)，将其中的Scope模块(示波器)拖动到模型窗口。 并按图23连接好系统。 (6)选择模型窗口“Simulation”菜单中的“Star”命令，即可得到与图2-4完全一致的闭环系统阶跃响应曲线。断开图2-3中H（s）模块左侧或右侧的连线，使其成为开环系统（如图2-5所示）。（7）再进行仿真，即可得到如图2-6的开环系统阶跃响应曲线。 图2-3线形反馈控制系统仿真模型 图2-4 开环系统的阶跃响应曲线 2-5 线性反馈控制系统仿真模型 图2-6 开环系统的阶跃响应曲线 3 从这个例子可以看出，开环系统是稳定的，而闭环系统是不稳定的。因此，并不是所有的控制器和闭环结构都