南京工程学院控制系统仿真课程设计论文

1、 南京工程学院 期末考查报告 课 题 名 称： 控制系统仿真 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 朱建忠 所 在 院 系： 电力工程学院 专 业 名 称： 建筑电气与智能化 2015年 1 月 3 日 成绩 目录 一、题目及要求 . 1 二、基本题 . 2 三、基于matlab的数控螺旋面钻头尖刃磨机仿真研究 . 5 （一）物理模型 . 5 （二）建立仿真方程 . 6 （三）系统方程的组装 . 9 （四）初始条件的设定 . 10 （五）机构的仿真及其结果 . 10 四、心得体会 . 14 五、参考文献 . 15 1 一、题目及要求 （一）基本题 xxxxxy?2345 要求：1、求解上述多项式

2、等于10的解，并将结果输出保存到硬盘中； 2、将多项式以子程序的方式描述出来； 3、求当 10,.100/3,100/2,100/,0?x时y的取值； 4、采用绘图工具将)(xy的函数曲线描绘出来，并且在曲线图上标注； （二）找到一个具体的对象进行建模，需要阐述建模过程，对象可以是电力拖动或者多级水箱，也可以是CSTR，建模时可以到图书馆找相关书籍或者到CNKI中国知网找相关文章。具体要求如下： 1、将建模后的模型写成子函数并进行封装 2、搭建系统的闭环控制，采用simulink搭建，通过simulink调用系统模型的m文件 3、控制器采用PID，PID的搭建采用三种形式完成，分别是： a）系

3、统自带的PID模块 b）simulink模块并联形式搭建（采用simulink内部的运算单元）c）采用m语言编写，然后采用在simulink中调用。 4、三种形式的控制器的运行结果进行比较，然后在控制器中进行比较，根据模型的要求，适当引入积分饱和处理以及微分先行的功能。 （三）到图书馆找书自学Matlab的GUI功能，通过菜单的方式完成上述的仿真过程。 （四）整个论文采用小四字体，行间距为20磅，字体为宋体，图表必须统一标注，标注字体大为小采用五号，公式采用必须采用公式编辑器，且需要对公式标注。文章段落清晰，章节之间需插入分页符。必须标明文献引用。 2 二、基本题 解答过程： 图1-1 （1）

4、要求1：求解上述多项式等于10的解，并将结果输出保存到硬盘中。 分析： 先清屏从内存中清除变量和函数，题目要求多项式等于10，即求解0102345?xxxxx的解，用roots（）实现，结果存入result中，save为 .mat文件，计算结果见图1-1。 （2）要求2：将多项式以子程序的方式描述出来 主程序： clear %清除所有变量 x=input(请输入x的值) %提示输入 if x=0 disp(y=0) else y=jisuan(x) end 3 子程序： function result=jisuan(x) result=x5+x4+x3+x2+x 执行主程序计算x=5的值结果如

5、图1-2所示。 图1-2 （3）要求3：求当 10,.100/3,100/2,100/,0?x时y的取值； 分析：使用循环法 程序如下 for x=0:pi/100:10 disp(x) disp(x) y=x5+x4+x3+x2+x disp(.) End 4 结果如图1-3所示 图1-3 （4）要求4：采用绘图工具将)(xy的函数曲线描绘出来，并且在曲线图上标注 程序 clear %清除变量 x=0:pi/100:10 %定义x范围 p=1 1 1 1 1 y=polyval(p,x) plot(x,y) %plot绘图命令的使用 xlabel(x) ylabel(y) %设置x，y坐标轴

6、的名称 title(y=x5+x4+x3+x2+x) %设置曲线名称 结果如图1-4所示。 5 图1-4 三、基于matlab的数控螺旋面钻头尖刃磨机的仿真研究 （一）物理模型 图2-1二并联杆数控螺旋面钻头尖刃磨机床示意图 6 图2-2 二并联杆数控螺旋面钻头尖刃磨机床刃磨原理图 重要假设条件： 1、二并联杆数控螺旋面钻头尖刃磨机床是通过两组并联杆（2，a和3，b）保证动平台4只在空间中做水平运动，而没有翻转运动。每一组并联杆是由空间相互平行的4根杆件组成，由于组内各杆件受力相同，所以将其简化成平面机构如图2-2。构件a，b是保证动平台4只做水平运动的辅助平行杆，所以可以假设将机构中杆件a，

7、b省略，而动平台4只做水平移动，没有翻转运动，也就是4相对于地面的夹角4恒等于0。 2、直线电机的次子有两个（1和5）但是在加工过程中并不是两者同时运动，所以假设5与导轨固联。 3、假设机床在工作过程中动平台4只受到树直向上的恒力作用，且作用在其中心位置。 基于以上假设机床平面结构示意图如图2-3。 图2-3二并联杆数控螺旋面钻头尖刃磨机床简化机构平面结构示意图 （二）建立仿真方程 C2=cos(2) S2=sin(2) C3=cos(3) S3=sin(3) 7 1、力方程（分别对各个杆件进行受力分析） 对动平台4：受力分析如图2-4 图2-4动平台4的受力分析 对并联杆2：受力分析如图2-

8、5 图2-5并联杆2的受力分析 对直线电机滑块1：受力分析如图2-6 图2-6直线电机滑块1的受力分析 对并联杆3：受力分析如图2-7 图2-7并联杆3的受力分析 F24x+F43x=m4*Ac4x （1） F24y+F43y=m4*Ac4y （2） F24y*rc4-F43y*rc4=0 （3） F12x+F24x=-m2*Ac2x （4） F12y+F24y=-m2*Ac2y （5） F12x*rc2*S2+F12y*rc2*C2 -F24x*rc2*S2-F24y*rc2*C2=I2*2 （6） Fm+F12x=m1*r1_dot_dot （7） Fy=F12y （8） F13x+F43

9、x=-m3*Ac3x （9） F13y+F43y=-m3*Ac3y （10） F43x*r3*C3+F43y*r3*S3= I3*3 （11） 8 2、闭环矢量运动方程（矢量图如图2-8） 图2-8 闭环矢量图 矢量方程为：R1+R2=R3+R4 将上述矢量方程分解为x和y方向，并分别对方程两边对时间t求两次导数得： r1_dot_dot+r2*2*S2+r2*w22*C2=r3*3*S3+r3*w32*C3 （12） r2*2*C2-r2*w22*S2=r3*3*C3-r3*w32*S3 （13） 3、质心加速度的矢量方程 矢量关系： Ac3=Rc3_dot_dot Ac4=R3_dot_d

10、ot+ Rc4_dot_dot Ac2=R3_dot_dot+ R4_dot_dot+ Rc2_dot_dot (_dot_dot表示对时间求两次导数) 将上述三个矢量方程分别分解为x和y 方向，则它们等效为以下六个方程； Ac3x=-rc3*w32*C3-rc3*3*S3 (14) Ac3y=-rc3*w32*S3+rc3*3*C3 (15) Ac4x=-r3*w32*C3-r3*3*S3 (16) Ac4y=-r3*w32*S3+r3*3*C3 (17) Ac2x=-r3*w32*C3-r3*3*S3-rc2*w22*C2-rc2*2*S2 (18) Ac2y=-r3*w32*S3+r3*

11、3*C3-rc2*w22*S2+rc2*2*C2 (19) 图2-9质心加速度的矢量示意图 9 力未知量为： F12x,F12y,F24x,F24y,F43x,F43y,F13x,F13y,Fy,Fm 引入的加速度有： 2，3，r1_dot_dot，Ac3x，Ac3y，Ac4x，Ac4y，Ac2x，Ac2y （三）系统方程的组装 将所有19个方程组装成矩阵形式 1010000000000200000010100000000002000022222222000000200000000001010000000000004000010100000000000040001010000000000000

12、10000000010010000000100000010000000000000010100000000mmrcSrcCrcSrcCImmm?3000000001010000000030000003333000003000000000000000002233100000000000000002233000000000000000002233010000000000000002233001000000000000000330001000000000000mmrCrSIrSrSrCrCrcSrSrcCrCrcS?003300001000000000000033000001000000000000

13、330000001rcCrSrC? 1201202402404343013013000203332322222222332322222233441FxFyFxFyFxpFyFxFyFyFmrwCrwCrwSrwSrcwCAcxAcyAcxAcyAcxAcyr?3323222233233323332333233323rwSrcwSrwSrcwCrcwSrwCrwS? 10 （四）初始条件的设定 假设图3位置就是初始位置。由于2+3=180度（3.14弧度），所以积分器初始值设为 2=1，3=2.14，r1=1.5，其它积分器初始值均设为0。 （五）机构的仿真及其结果 仿真结果： 1、并联杆2的运

14、动参数曲线如图 2-10 2、并联杆3的运动参数曲线如图 2-11 2-1并联的动参w2图2-11并联杆2的运动参数3，w3，3 11 3、直线电极滑块1的运动参数曲线如图 2-12 4、各个杆件内力曲线如图2-13 由图可知F24y与F43y的曲线重合，而实际上F24y,F43y是并联杆与动平台之间的内力，它们实际上也是相等的，所以曲线与实际情况相符。 图2-13各个杆件内力曲线 图2-12直线电极滑块1的运动参数r1,r1_dot, r1_dot_dot曲线 12 5、直线电机驱动力Fm与导轨对直线电机次子法向支持力Fy的曲线 6、并联杆2的质心加速度Ac2x，Ac2y曲线如图2-15 图

15、2-14Fm与Fy的曲线 图2-15并联杆2的质心加速度Ac2x，Ac2y曲线 13 7、并联杆3的质心加速度Ac3x，Ac3y曲线如图 2-16 8、动平台4的质心加速度Ac4x，Ac4y曲线如图 2-17 图2-16并联杆3的质心加速度Ac3x，Ac3y曲线 图2-17动平台4的质心加速度Ac4x，Ac4y曲线 14 9、误差曲线 图2-18机构仿真误差随时间的变化曲线 M函数为 function e=my7(u) %u(1)=r1 %u(2)=theta_2 %u(3)=theta_3 r2=1.0; r3=1.0; r4=0.5; ex=u(1)-r2*cos(u(2)+r3*cos(

16、u(3)-r4; ey=r2*sin(u(2)-r3*sin(u(3); e=norm(ex ey); 结论： 由误差曲线可以看出误差程周期变化，并且是收敛状态，所以仿真正确。 四、心得体会 通过本次期末考核，我收获颇丰。就单纯的来说，我对自动控制加深了理解，更进一步掌握了控制理论的控制方法。MATLAB功能之强大，应用范围之广。但我了解的却只是皮毛。经过多年的发展，它已经成为广大科研工作者和高校师生所信赖的产品。通过这次亲身操作，我也感受到了它的便利之处。在电气工程领域，这款软件有着巨大的优势。MATLAB中还集成了Simulink模型输入与仿真环 15 境，使得它为控制系统的仿真与CAD中

17、的应用开辟了新局面。经过本次考察，我发现干什么事都要认真，踏踏实实地干，一点都马虎不得，在工作学习中要不断提高自信心，但自信心是来自于实力，关键是要提高实力，提高自身素质，为将来的工作生活打下坚实的基础。 所以，从种种层面来说，此次论文都令我获益匪浅。 五、参考文献 1王划一，杨西侠自动控制原理 2施阳Matlab语言精要及动态仿真工具SimulinkM西安：西北工业大学出版社，1997：4160 3刘克哲物理学M北京：高等教育出版社，2003 4黄永安，马路，刘慧敏Matlab Simulink建模仿真开发与高级工程应用M北京：清华大学出版社，2005 5葛述卿Simulink和GUI结合实现机械系统仿真及动画J机械研究与应用，2006，1(