自动控制原理实验报告控制系统设计10.docx

1、自动控制原理实验报告控制系统设计10控制系统设计自动控制原理实验报告姓名：班号：学号： 目录一.选题背景 3二、被控对象建模 4三、线性化： 6四、模型分析 7劳斯判据 7阶跃响应曲线 8Nyquist图： 8Bode图： 9五、仿真 10(一) 四分之一车模型 10(二) 二分之一车模型： 12六、总结 14控制系统设计总结： 14小车模型： 14模型改进方法： 15仿真的改进方法： 15一.选题背景 说明为何选择此被控对象，这种控制系统当前（未来，历史上）有哪些应用，控制器的设计要求；四分之一汽车模型和二分之一汽车模型。在设计初期或者在做模型研究的时候，往往采取这种形式。这种模型一般用来分

2、析汽车最基本的频率和振型特征，也可以用作其他用途，如研究汽车动力特性。概念设计阶段，在知道了汽车最基本参数之后，就可以迅速计算出整车的振动特性。应用软件有matlab等。悬架是汽车的车架与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用车轮和车架之间的力矩，缓冲由路面传给车架或车身的冲击，并衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺的行驶。悬架是汽车系统中的一个重要组成部分，影响着骑车的行驶的平顺性和操纵稳定性等性能，是现在轿车的关键部件之一。悬架系统包括弹性元件、减振和传力装置等三部分，这三部分分别起缓冲、减振和力传递作用，个别结构还有缓冲块、横向稳定杆等，下图为一个独立式被动悬架结构

3、图。二、被控对象建模 描述数学建模过程；在车悬架系统整个建模过程中，我们首先将该系统近似简化为1/4小车模型，我们假设弹簧是线性的并画出抽象表示图如下：然后对其进行简单的受力分析：化简后得进行拉普拉斯变换后进行相关的代数运算后，得到传递函数路面的设计:运用simulink中的状态空间模型计算四分之一车模型的，ACC，DTL和SWS。首先利用simulink建立路面不平度模型，生成路面谱。所运用的公式如下三、线性化：任何一个实际的振动系统都是无限复杂的，为了能对之进行分析，一定要加以简化，并在简化的基础上建立合适的力学模型。振动系统的力学模型是由三种理想化的元件组成的，它们是：质块、阻尼器和弹簧

4、.在振动系统中，弹性元件(或弹簧)对于外力作用的响应，表现为一定的位移或变形。下图(a)为弹性元件的示意图。弹簧所受外力Fs是位移x的函数，即有：(a) (b)Fs =f(x) (1-1)其关系如图(b)所示。Fs在数量上等于弹簧的弹性恢复力，但方向相反。在一定的范围(称为线性范围)内，Fs是x的线性函数，即：Fs =kx (1-2)式中，k称为弹簧刚度，其量纲为(力长度)，通常取单位为Nm，Ncm，或Nmm。显然，由图b)，有：k (1-3)即弹簧刚度k在数值上等于使弹簧产生单位位移所需施加的力。对于弹性元件需要指出以下几点：(1)、通常假定弹簧是没有质量的。而实际上，物理系统中的弹簧总是具

5、有质量的，在处理实际问题时，若弹簧质量相对较小，则可忽略不计；否则需对弹簧质量作专门处理或采用连续模型。(2)、(1-2)、(1-3)式所示关系，是对弹簧的一种线性化处理。工程实践表明，大参数振动系统的振幅不会超出其弹性元件的线性范围，因而，这种线性化处理符合一般机械系统的实际情况。四、模型分析劳斯判据 1 56582.3 4113924 0 55957.3 4113924 0 27.92b 4113924由劳斯判据稳定条件得：当b0时系统稳定阶跃响应曲线由图可得超调量：48.4%，峰值：1.48，上升时间：0.113S，调节时间：1.53S。Nyquist图：由于系统无有半平面的开环极点，从

6、图中可以看出Nyquist图没有包围(-1,j0)这一点，说明系统是稳定的。Bode图：相角裕度=74.5 、幅值裕度h=38dB，相应的截止频率、穿越频率,五、仿真(一) 四分之一车模型用MATLAB的simulink模拟传递函数：化简后得到的图：左侧为路面情况模拟模拟出来的路面状况：注：纵坐标每格为0.05m路面大约在0.1-0.1之间波动模拟出来的减震效果：注：纵坐标每格为0.05m从图中可以明显地看出经过减震后的曲线比原来的路面曲线“平缓”了许多，这说明减震器起到了相应的作用。(二) 二分之一车模型：用MATLAB的simulink模拟传递函数：模拟出来的路面效果：我们用两个不相同的路

7、面状况来模拟左右两个轮子所遇到的不同状况注：纵坐标每格为0.05m两侧路面高度差：注：纵坐标每格为0.05m模拟出来的减震效果：注：纵坐标每格为0.05m减震后两侧高度差为注：纵坐标每格为0.05m从图中可以看出经过减震后的两个轮子之间的高度差基本保持在0.2-0.2m之间，而且相对于上面两轮子不同的路况函数六、总结控制系统设计总结：对于小车模型，我们通过对其进行适当的简化，抽象成物理模型，然后通过对其进行简单的力学分析，得到微分方程，从而转化为自动控制模型，为了便于计算，进行了线性化。分析了系统的稳定性，调节情况，动态参数然后对路面，汽车减震装置进行了模拟，的到了路面模拟图、减震后的效果图等

8、一系列结果数据。小车模型：1/4小车模型为了便于分析计算，我们对真是的模型进行了大量的简化，把车轮、车身与车轮的连接、和其之间的阻尼都简化成了线性的。1/2小车模型我们将其简化为两个1/4小车模型通过中间的刚性杆连接而成的。模型改进方法：为了更能反应真实小车模型，可以将模型中的线性弹性装置还有阻尼器看成是非线性的，比如可以考虑其弹性的范围限度，非线性弹性函数等。模型中的、b等参数都是参照网上相关数据给出的，存在一定的片面性，为了增加仿真的真实性，可以取不同的b等数据分别测试其减震结果，调节情况等数据。得出一组最优化的参数。仿真的改进方法：本文中进行的小车只进行了一种路面仿真，普遍性较差，可以增加路面情况，观察在各种路面情况下小车的减震情况。对于1/2小车模型，可以适当考虑两个轮胎之间的机械联动关系，使系统更加真实。可以增加汽车在转弯时的系统仿真，由于汽车转弯时重心的偏移，将汽车转弯简化成车的请按两轮受到一个弯矩，从而对两轮各自进行分析。