潘培福matlad大作业.doc

一 、带饱和输出特性PID控制系统的被控对象为=，其PID控制器为=5+。以与为前向通道的单位负反馈系统。试对于PID控制器分别采用以下3种办法：PID控制3个分量叠加、传递函数方框图与PID控制子系统绘制其Simulink仿真模型图，并对其进行阶跃仿真。然后对PID控制子系统进行封装。（结合P141例7-5、P144例7-6）（本题20分）解：1、分析：根据题意，已知PID控制器为=5+，即=5，=0.048，=0。PID的三个分量。2、PID的三个分量叠加法则。3、将PID的三个分量叠加作用直接绘制早系统中Simulink模型如图所示。图中的阶跃信号设为“1”，即单位阶跃作用，三信号叠加模块“Add”，混路器模块Mux,饱和特性为“+”1或“-1”，时间延迟“80”s，仿真时间为“2000”。模块的设置参数如图所示根据PID控制三个分量叠加的Simulink模型可得出下面的系统的单位阶跃给定响应曲线如图4、传递函数的方框图法： 将PID的三个分量叠加作用（求和）通分后求得一个传递函数，即=5+=，将传递函数绘制在系统的Simulink模型mx0706a.mdl如图7-62所示。对模型mx0706a.mdl进行仿真，结果同样得到7-61所示的系统的单位阶跃给定响应曲线。根据PID控制传递函数方框的Simulink模型进行仿真得到如图所示系统单位阶跃给定响应曲线。5、PID系统控制法。 定义子系统，如图模型，如图所示：定义子系统如图所示：（6）子系统的封装。封装步骤如图所示封装PID控制子系统的Simulink模型 二、例17-9：试用“SimPowerSystems”实体图形化模型库的模块建立转速闭环直流脉宽PWM-M调速系统的仿真模型，并对其进行仿真。（结合P334页的例17-10、P337页的例1711）（本题20分）解：（1）利用“SimPowerSystems”实体图形化模型库的模块建立转速闭环直流脉宽PWM-M调速系统的仿真模型如图所示：转速闭环直流脉宽PWM-M调速系统仿真模型panpeifu2.mdl（2）部分模块的参数设置如下： DC Machine 参数设置对话框 Selector参数设置对话框 selector 参数设置对话框 电桥参数设置对话框（3）转速调节器的传递函数=(4)模型的仿真及仿真结果在仿真模型panpeifu2.mdl中，选择算法Ode23tb，即仿真的结果如图a图和b图所示(a) （b） 模型panpeifu2.mdl的仿真波形三、某温度过程控制系统被控广义对象的传递函数为：，式中：K=10（/kg）/min，T=50s，=80/5s，试用Cohen-Coon整定公式计算系统串联P、PI、PD、PID校正器的参数，并进行阶跃给定响应的仿真。要求利用题目一已经封装好的PID控制器进行仿真，合理调整P、I、D三个参数，还可以随意再增加适当的环节，使最后的仿真曲线效果要求尽量达到超调量较小，响应速度较快，振荡次数较少的最佳效果。（结合P401例18-10）（本题20分）解：利用kttau（）先求被控对象传递函数拟合成延迟一贯性环节的三个参数K、T、。再利用cc01（）函数计算P、PI、PID、校正器参数的程序jl1410.m如下：% MATLAB FUNCTION PROGRAM j11410.mclearG1=tf(10/60,50 1);G2=tf(1,50 1);tau1=80*pi/5;np,dp=pade(tau1,2);Gp=tf(np,dp);G=G1*G2*Gp;K,T,tau=kttau(G);Gc1=cc01(1,K,T,tau)Gc2=cc01(2,K,T,tau)Gc3=cc01(3,K,T,tau)Gc4=cc01(4,K,T,tau)G12=G1*G2;Gcc1=feedback(G12*Gc1,Gp);set(Gcc1,Td,tau1);step(Gcc1);hold onGcc2=feedback(G12*Gc2,Gp);set(Gcc2,Td,tau1);step(Gcc2);Gcc3=feedback(G12*Gc3,Gp);set(Gcc3,Td,tau1);step(Gcc3);Gcc4=feedback(G12*Gc4,Gp);set(Gcc4,Td,tau1);step(Gcc4);axis(0,1000,0,1.5);gtext(1 P control)gtext(2 PI control)gtext(3 PD control)gtext(4 PID control)程序运行后，求出P、PI、PD、PID、校正器的传递函数分别为：Gc1 = 9.7294 Transfer function:732.2 s + 7.45- 98.28 s Transfer function:193.3 s + 10.55 Transfer function:4.244e004 s2 + 1774 s + 12.06- 147.2 s程序运行后，还得到用Cohen-Coon公式计算的P、PI、PID校正器校正后系统阶跃给定响应曲线，如图所示。由图可见，用Cohen-Coon公式计算的P、PI、PD、PID校正器对系统校正后，其阶跃给定响应曲线中的P、PI校正两者响应深速度基本相同，两种校正的超调量大不一样。而PD、PID两种校正的响应速度基本相同，两种校正的超调量也大不一样。因为P、PD与PI、PID两类情况的不同，所以被调量的终了值不同。PD与PID校正的响应速度比另外两种的快，PD与P两种校正的超调量比另外两种的大。四、对于传递函数为的归一化二阶系统，制作一个能绘制该系统单位阶跃响应的图形用户界面。本例演示要求分别采用纯MATLAB程序（参考例10.1-1所示）和GUI控件（参考例10.6.2-1所示）两种形式来实现，要求写出两种不同实现方式的详细设计步骤，要有程序代码和界面设置截图。（本题30分）具体技术要求：（1）主体图形界面与图形用户界面GUI制作.doc中例10.1-1和例10.6.2-1的显示界面大体类似，起始阻尼比设置为0.707，并在按【Enter】键后，在轴上画出默认的相应的红色曲线，坐标范围：X轴0,20；Y轴0,2.5。（2）菜单有【Options】选项，在菜单【Options】下，有2个下拉菜单项【Box on】和【Box off】；缺省时默认为Box off 状态（参考例10.1-1 和例10.6.2-1）。（3）在点击【Grid on】或【Grid off】按键时，在轴上画出或删除“分格线”；缺省时，无分格线。（4）所设计的界面和其上的图形对象、控件对象都按比例缩放，位置可以任意放置。（5）创建一个与该曲线相联系的现场菜单能随时改变曲线的颜色，要求能设置改变5种不同的颜色（参考例10.3.4-1）。（6）在该界面中，采用滚动条的方式来改变阻尼比的大小，起始阻尼比设置为0.707，阻尼比可在0.02,2.02中连续调节，标志当前阻尼比的值；标志峰值时间和大小；标志（响应从0到0.95所需的）上升时间（参考例10.4.3.2-1）。解：(原窗口)(加网格)(box on)（最大峰值与输入阻尼比为0.707）（上升时间）（输入阻尼比为0.1674）（红色曲线）（青色曲线）(黄色曲线)(黑色曲线)(蓝色曲线)图10.6.2-4 Boxonbox off蓝色青色黄色绿色红色五、结合机械工程设计分析M文件集(第2版)中的例子，同时结合自己的本专业所学到的知识，设计一个MATLAB程序用来解决与自己学到的机械学科知识有关的实际问题。（本题10分）轴系设计计算(斜齿圆柱齿轮传动设计计算、轴弯扭组合强度计算、滚动轴承寿命计算) （已知：输送带工作拉力 f = 3000 N 输送带工作速度 v = 3.00 m/s 滚筒直径 d = 250 mm 齿轮传动效率 nu = 0.97 齿轮副传动比 i = 3.50mn =3）解：新建一个M-file命名为panpeifusheji.m在输入以下程序段：% 轴系设计计算(斜齿圆柱齿轮传动设计计算、轴弯扭组合强度计算、滚动轴承寿命计算)% - 已知条件 -f=3000; % 输送带工作拉力(N)v=3; % 输送带工作速度(m/s)d=250; % 滚筒直径(mm)nu=0.97; % 斜齿圆柱齿轮传动效率i=3.5; % 齿轮副传动比hd=pi/180; % 角度换算成弧度的系数disp disp = 已知条件 =;fprintf(1, 输送带工作拉力 f = %3.0f N n,f);fprintf(1, 输送带工作速度 v = %3.2f m/s n,v);fprintf(1, 滚筒直径 d = %3.0f mm n,d);fprintf(1, 齿轮传动效率 nu = %3.2f n,nu);fprintf(1, 齿轮副传动比 i = %3.2f n,i);% - 1-齿轮传动设计计算(采用硬齿面齿轮传动) -p2=f*v/1000; % 大齿轮传递功率(kW)n2=60*v*1e3/pi/d; % 大齿轮转速(r/min)p1=p2/nu; % 小齿轮传递功率(kW)n1=i*n2; % 小齿轮转速(r/min)chm=1500; % 试验齿轮接触疲劳极限(MPa) cfm=460; % 试验齿轮弯曲疲劳极限(MPa)chp=0.9*chm; % 试验齿轮许用接触应力(MPa)cfp=1.4*cfm; % 试验齿轮许用弯曲应力(单向传动)z1=18; % 小齿轮齿数(选取)z2=round(i*z1); % 大齿轮齿数u=z2/z1; % 齿数比pd=0.675; % 齿宽系数bat0=10; % 螺旋角初值t1=9550*p1/n1; % 小齿轮传递转矩(Nm)zv1=z1/(cos(bat0*hd)3; % 小齿轮当量齿数zv2=u*zv1; % 大齿轮当量齿数ysf1=4.43; % 小齿轮齿形系数ysf2=3.88; % 大齿轮齿形系数if ysf1=ysf2 ysf=ysf1; % 确定计算齿形系数else ysf=ysf2;endk=1.6; % 载荷系数am=12.0; % 齿根弯曲强度计算系数(螺旋角范围15-25度)mnj=am*(k*t1*ysf/pd/z12/cfp)(1/3); % 按照齿根弯曲强度计算模数(mm)if mnj15 & bat=25 螺旋角在15-25度范围内,计算系数选择合适else 螺旋角超出15-25度范围,重新选择计算系数endd1=mn*z1/cos(bat*hd); % 计算分度圆直径(mm)d2=u*d1;han=1.0; % 正常齿制cn=0.25;da1=d1+2*han*mn; % 计算齿顶圆直径(mm)da2=d2+2*han*mn;df1=d1-2*han*mn-2*cn*mn; % 计算齿根圆直径(mm)df2=d2-2*han*mn-2*cn*mn;b=pd*d1;b2=round(b/2)*2; % 确定齿宽(mm)b1=b2+6;ad=733; % 齿面接触强度计算系数(螺旋角范围15-25度)d1j=ad*(k*t1*(u+1)/pd/chp2/u)(1/3); % 按照齿面接触强度计算分度圆直径(mm)if d1j=d1 满足齿面接触强度要求else 不满足齿面接触强度要求,需要修改设计参数endv=pi*d1*n1/6e4; % 齿轮圆周速度(m/s)fprintf(1, 分度圆直径 d1 = %3.3f mm n,d1);fprintf(1, 小齿轮齿顶圆直径 da1 = %3.3f mm n,da1);fprintf(1, 齿根圆直径 df1 = %3.3f mm n,df1);fprintf(1, 齿宽 b1 = %3.0f mm n,b1);fprintf(1, 大齿轮齿顶圆直径 da2 = %3.3f mm n,da2);fprintf(1, 齿根圆直径 df2 = %3.3f mm n,df2);fprintf(1, 齿宽 b2 = %3.0f mm n,b2);最后运行得出结果是：= 已知条件 = 输送带工作拉力 f = 3000 N 输送带工作速度 v = 3.00 m/s 滚筒直径 d = 250 mm 齿轮传动效率 nu = 0.97 齿轮副传动比 i = 3.50 mn = 3 = 齿轮传动设计计算 = 大齿轮传递功率 p2 = 9.000 kW 大齿轮转速 n2 = 229.183 r/min 小齿轮传递功率 p1 = 9.278 kW 小齿轮转速 n1 = 802.141 r/min 试验齿轮许用接触应力 chp = 1350.000 MPa 试验齿轮许用弯曲应力 cfp = 644.000 MPa 小齿轮齿数 z1 = 18 大齿轮齿数 z2 = 63 齿宽系数 pd = 0.675 齿数比 u = 3.500 小齿轮传递转距 t1 = 110.465 Nm 小齿轮当量齿数 zv1 = 18.846 大齿轮当量齿数 zv2 = 65.96