下载文档原格式
阳泉学院毕业设计说明书毕业生姓名: 王冬专业：电气自动化技术学号:１３０7２３0１6指导教师：郭志坚所属系（部) :信息系二〇一五年九月毕业设计评阅书题目:基于MATＬＡB的电液位置伺服控制系统的建模与仿真研究信息系电气自动化技术专业姓名王冬设计时间：20１５年9月２1日~2015年11月22日评阅意见：成绩：评阅教师: (签字）职务:20１年月日毕业设计评阅书题目:基于ＭATLＡB的电液位置伺服控制系统的建模与仿真研究信息系电气自动化技术专业姓名王冬设计时间:201５年９月２１日~ ２015年１1月２2日评阅意见:成绩：指导教师: （签字）职务：２０1年月日毕业设计答辩记录卡信息系电气自动化技术专业姓名王冬答辩内容记录员：（签名)成绩评定专业答辩组组长：（签名）２0１年月目录摘要ﻩ错误!未定义书签。
Absｔrａctﻩ错误!未定义书签。
一、绪论ﻩ错误!未定义书签。
1.1电液伺服系统的发展与研究现状 ................................................. 错误!未定义书签。
1.２电液伺服系统的特点及分类 ........................................................ 错误!未定义书签。
1.3电液位置伺服系统ﻩ错误!未定义书签。
1.4 研究内容及目的 ............................................................................ 错误!未定义书签。
二、电液位置控系统的数学建模ﻩ错误!未定义书签。
2.1 电液伺服系统基础理论 ................................................................ 错误!未定义书签。
2.２电液伺服控制系统建模ﻩ错误!未定义书签。
2.3电液位置伺服系统的基本原理 .................................................. 错误!未定义书签。
控制系统的Matlab仿真与设计部分习题参考教学设计前言控制系统是现代自动化领域的重要组成部分之一。
它利用现代数学、自动控制理论、电子技术和计算机技术来研究各种对象的控制和调节方法。
本文将介绍控制系统的Matlab仿真与设计部分习题参考教学设计，希望对广大读者有所帮助。
控制系统的Matlab仿真Matlab是目前应用最广泛的数学软件之一，它具有强大的数值计算能力以及图像处理、符号计算和仿真等功能。
在控制系统的Matlab仿真中，我们可以通过该软件来模拟储能器、滤波器、条件器和电机等各种组件的工作状态，从而对控制系统的实际工作进行预测和优化。
控制系统的Matlab仿真需要掌握的基本步骤包括：建模、仿真和验证。
其中，建模是指根据控制系统的实际情况设计出相应的数学模型；仿真是指通过Matlab进行模拟计算，得到控制系统的工作状态；验证是指对仿真结果进行分析，评估控制系统的工作状态，从而优化控制系统的设计。
控制系统的设计控制系统的设计需要依据实际控制对象的特性和性能需求，选择合适的控制策略并设计相应的控制器和调节器。
通常，控制系统的设计包括控制器的选择、系统的建模、系统的仿真和调试等步骤。
控制器的选择是控制系统设计的重要环节之一。
控制器可以根据需要选择PID控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
系统的建模是指建立控制系统的数学模型，通常采用状态空间法、传递函数法和图论法等。
系统的仿真是通过Matlab进行模拟计算，得到控制系统的工作状态。
当控制系统设计完成后，还需要进行调试和测试，确保其稳定可靠。
习题参考教学设计控制系统的Matlab仿真与设计是自动控制专业的重要学科，也是考试中的重要内容。
为帮助学生更好地学习掌握该学科，以下提供控制系统的Matlab仿真与设计部分习题参考教学设计，供学生参考。
1.将系统的控制器换成模糊控制器，仿真比较不同控制器的控制效果。
2.建立磁浮模型，采用状态空间法求解系统的传递函数，并选取合适的调节器进行调节。
电液伺服控制系统的设计与仿真引言电液伺服系统具有响应速度快、输出功率大、控制精确性高等突出优点，因而在航空航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。
随着电液伺服阀的诞生，使液压伺服技术进入了电液伺服时代，其应用领域也得到广泛的扩展。
随着液压系统逐渐趋于复杂和对液压系统仿真要求的不断提高，传统的利用微分方程和差分方程建模进行动态特性仿真的方法已经不能满足需要。
因此，利用AMESim、Matlab／Simulink等仿真软件对电液伺服控制系统进行动态仿真，对于改进系统的设计以及提高液压系统的可靠性都具有重要意义。
1 液压系统动态特性研究概述随着液压技术的不断发展与进步和应用领域与范围的不断扩大，系统柔性化与各种性能要求更高，采用传统的以完成执行机构预定动作循环和限于系统静态性能的系统设计远远不能满足要求。
因此，现代液压系统设计研究人员对系统动态特性进行研究，了解和掌握液压系统动态工作特性与参数变化，以提高系统的响应特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。
1.1 液压系统动态特性简述液压系统动态特性是其在失去原来平衡状态到达新的平衡状态过程中所表现出来的特性，原因主要是由传动与控制系统的过程变化以及外界干扰引起的。
在此过程中，系统各参变量随时间变化性能的好坏，决定系统动态特性的优劣。
系统动态特性主要表现为稳定性（系统中压力瞬间峰值与波动情况）以及过渡过程品质（执行、控制机构的响应品质和响应速度）问题。
液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法等。
数字仿真法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种方法。
先是建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上求出系统中主要变量在动态过程的时域解。
该方法适用于线性与非线性系统，可以模拟出输入函数作用下系统各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程直接、全面的了解，使研究人员在设计阶段就可预测液压系统动态性能，以便及时对设计结果进行验证与改进，保证系统的工作性能和可靠性，具有精确、适应性强、周期短以及费用低等优点。
北方民族大学学士学位论文论文题目:基于MATLAB的液位与流量串级控制系统设计与仿真院(部)名称: 电气信息工程学院专业: 电气工程及其自动化论文提交时间: 2011年5月20日论文答辩时间: 2011年5月28日学位授予时间:北方民族大学教务处制毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要随着科学技术的不断进步，在现代各种复杂控制系统中，串级控制系统占有较大比重；串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统，是为了提高单回路控制系统的控制效果而提出来的一种控制方案。
控制系统MATLAB仿真与应用课程设计一、课程设计背景控制系统在现代工业中发挥着至关重要的作用，尤其是在制造业和航空航天等领域中，控制系统是保证工业自动化和安全性的重要手段。
因此，掌握控制系统理论和工具的应用成为了工程类学生必备的技能之一。
MATLAB是一款用于科学计算和数据可视化的强大工具，在控制系统仿真和设计中具有广泛的应用。
本课程设计旨在通过MATLAB的应用，帮助学生深入理解控制系统的原理以及如何进行仿真和调试。
二、课程设计任务1. 设计要求本课程设计要求学生能够掌握MATLAB在控制系统仿真和设计中的应用，具体要求如下：1.学生需选择一个控制系统，进行仿真设计。
2.学生需掌握MATLAB图形界面设计方式和仿真工具箱使用。
3.学生需设计控制器并进行仿真调试。
4.学生需记录仿真数据并分析仿真结果。
2. 设计步骤本课程设计的设计步骤如下：1.设计控制系统模型–系统建模2.设计控制器并进行仿真调试–控制器设计–仿真调试3.记录仿真数据并进行结果分析–仿真结果导出–结果分析三、MATLAB应用实例1. 实例背景某生产线上有一台温度控制器，其目标是控制加热元件输出功率，使得温度保持在给定范围内。
因需求设计一个PID控制器。
2. 实例步骤以下为实例步骤：1.建立控制系统模型–根据温控器特性建立传递函数：$$ G(s)=\\frac{1}{(s+1)} $$2.设计PID控制器–设计传统PID控制器：$$ K_p=1.2,\\quad K_i=1.2,\\quad K_d=0.5 $$3.进行仿真调试–选择仿真时间为50秒，步长设置为0.1秒4.记录仿真数据并进行结果分析3. 记录仿真数据设计完成后，使用MATLAB仿真工具箱进行控制器测试和调试，记录测试结果，例如温度的变化曲线等。
具体操作步骤如下：1.设置仿真参数，包括仿真时间、控制器类型等。
2.运行仿真程序，得到仿真数据。
3.将仿真结果可视化，例如绘制仿真结果的图表。
M A T L A B电液位置伺服控制系统设计及仿真数控机床工作台电液位置伺服控制系统设计及仿真姓名：雷小舟专业:机械电子工程子方向：机电一体化武汉工程大学机电液一体化实验室位置伺服系统是一种自动控制系统。
因此，在分析和设计这样的控制系统时，需要用自动控制原理作为其理论基础，来研究整个系统的动态性能，进而研究如何把各种元件组成稳定的和满足稳定性能指标的控制系统。
若原系统不稳定可通过调整比例参数和采用滞后校正使系统达到稳定，并选取合适的参数使系统满足设计要求。
1 位置伺服系统组成元件及工作原理数控机床工作台位置伺服系统有不同的形式，一般均可以由给定环节、比较环节、校正环节、执行机构、被控对象或调节对象和检测装置或传感器等基本元件组成[1]。
根据主机的要求知系统的控制功率比较小、工作台行程比较大，所以采用阀控液压马达系统。
系统物理模型如图1所示。
图1 数控机床工作台位置伺服系统物理模型系统方框图如图2所示。
图2 数控机床工作台位置伺服系统方框图数控机床工作台位置伺服系统是指以数控机床工作台移动位移为控制对象的自动控制系统。
位置伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动及保护为一体。
数控机床的工作台位置伺服系统输出位移能自动地、快速而准确地复现输入位移的变化，是因为工作台输出端有位移检测装置（位移传感器）将位移信号转化为电信号反馈到输入端构成负反馈闭环控制系统。
反馈信号与输入信号比较得到差压信号，然后把差压信号通过伺服放大器转化为电流信号，送入电液伺服阀（电液转换、功率放大元件）转换为大功率的液压信号（流量与压力）输出，从而使液压马达的四通滑阀有开口量就有压力油输出到液压马达，驱动液压马达带动减速齿轮转动，从而带动滚珠丝杠运动。
因滚珠丝杠与工作台相连所以当滚珠丝杠 运动时，工作台也发生相应的位移。
2数控工作台的数学模型 2.1 工作台负载分析工作台负载主要由切削力c F ,摩擦力f F 和惯性力a F 三部分组成，则总负载力为:a f c L F F F F ++=2.2液压执行机构数学模型工作台由液压马达经减速器和滚珠丝杠驱动。
根据力矩平衡方程，减速器输入轴力矩L T 为:式中:t 为丝杠导程，m/r ；i 为减速器传动比，'/m m i θθ=,m θ,'m θ分别为齿轮减速器输入轴、输出轴角位移，rad 。
由运动传递原理知，液压马达最大转速max n 为:式中:max v 为工作台的最大运动速度，m/s 。
由液压马达输出力矩表达式可知，液压马达所需排量m Q 为:L L m m p T D Q /22ππ==式中:L p 为液压马达负载压力，MPa ，一般取3/2s Lp p=，s p 为液压系统压力，MPa ；m D 为液压马达弧度排量，rad /m 3。
液压马达负载流量为:max n Q q m L =伺服阀压降V p 为:L s V p p p -=考虑泄漏等影响，L q 可以增大10~20%,根据L q 和V p ，查手册得额定流量，选择合适的液压泵和电液伺服阀。
阀控马达液压伺服系统模型：（1）伺服阀的线性流量方程为:L c v q L p K x K Q -=位置伺服系统动态分析经常是在零位工作条件下进行的，此时增量和变量相等。
式中参数:q K 为阀的流量增益；c K 为阀的流量压力系数，v x 为滑阀阀芯的位移；L p 为负载压力，21p p p L -=（2）液压马达的流量连续性方程：式中参数:m D 液压马达的体积排量；m θ液压马达的角位移；im C 液压马达的内泄露系数；e β系统的有效体积弹性模量(3)液压马达的力矩平衡方程:L m m m m t m L T G s B s J D p +++=θθθ式中参数:t J 为液压马达运动部分(包括折算到液压马达轴上)负载的总惯量；m B 为液压马达粘性阻尼系数；G 为负载的扭转弹簧刚度；L T 作用于液压马达轴上的任意外负载力矩。
工作台质量折算到液压马达轴的转动惯量为:考虑到齿轮、丝杆和液压马达的惯性，t J 可适当放大20~50%。
2.3电液伺服控制系统的传递函数 放大器的增益a K 为：式中：I ∆为输出电流，A ；e U 为输入电压，V 。
液压固有频率为:式中：t V 为液压马达的容积,3m 。
液压阻尼比为:假定阻尼比仅由阀的流量—压力系数产生。
零位流量—压力系数0c K 可近似计算为:阀控马达的传递函数：如此，以阀芯位移为v x 输入，以液压马达的角位移m θ为输出的传涕函数为:以负载力矩为L T 输入，以液压马达的角位移m θ为输出的传递函数为:式中：sv ω以及sv ξ由伺服阀生产商给出数据。
式中，m q 0为所查样本阀处于最大阀压差时的空载流量,s /m 3。
减速齿轮与丝杠的传递函数为:位移传感器和放大器的动态特性可以忽略，其传递函数可以用它们的增益表示。
式中:f U 为反馈电压信号；p x 为工作台位移。
根据以上确定的传递函数，可绘制出数控机床工作台位置伺服系统的模型如图3所示。
图3见草稿。
故系统的开环传递函数为：式中：开环增益系数v K 为：m f s sv a v D K K K K K /=2.4系统的技术要求：“位置”误差mm 05.0±<+pf p e e （指令或干扰为“位置”输入）； “速度”误差mm 1<v e （指令为“速度”输入，即斜坡输入）； 频带宽度Hz 103>-dB f 。
3仿真实验3.1仿真实验参数仿真实验已知参数见如下：N 400=c F ；N 1600=f F ；s /m 08.0max =v ；2max s /m 2.1=a ；kg 800=t m ；r /m 102.12-⨯=t ；2=i ；pa 10635⨯=s p ；36m 1010-⨯=t V ；m 1051.22-⨯=w ；m 1056-⨯=c r ；pa 108.12-⨯=μ；s /rad 600=sv ω；5.0=sv ξ；100=f K ；1=a K 。
3.2仿真传递函数的确定将已知参数代入2中各式，计算各项后，可得 伺服阀的传递函数为：负载特性没有弹性负载时液压马达和负载的传递函数为:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⨯=135734.1235710484.1226s s s q mθ 系统的开环传递函数为：()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=135768.23571600160026.5982222s s s s s s H s G 根据以上确定的传递函数，用Simulink 可绘制出数控机床工作台位置伺服系统的模型如图4所示。
图4数控机床工作台位置伺服系统模型3.3仿真实验结果分析 3.3.1系统稳定性根据系统开环传递函数做出1=a K 时仿真Bode 图(如图5），增益裕量dB 82.4-=m G ,相位裕量ο26-=m P 均为负值，此时系统不稳定。
为了使系统稳定，考虑将图中0dB 线上移，使相位裕量ο50=γ，此时增益裕量dB 7.11=g K ，穿越频率79.7rad/s ，由dB 39lg 20=v K ,得开环增益为:90=v K ，故放大器增益为:15.026.5989026.598===v a K K上式计算出的a K 为校正后的值，下面做出15.0=a K 时开环系统的Bode 图，如图6。
可以看出:增益裕量dB 5.11=m G ,相位裕量ο50=m P 均为正值，此时系统稳定。
所以15.0=a K 就是所求的放大器增益。
图51=a K 时开环系统的Bode 图图615.0=a K 时开环系统的Bode 图15.0=a K 时，系统的仿真输出如图7所示，当输入V 1=r u 时输出m 01.0=p x 。
系统是稳定的。
由图7可得，系统的瞬态性能指标其数值大小各为：（1）上升时间r t :s 0232.0=r t ； （2）峰值时间p t :s 0332.0=p t ； （3）最大超调量p M :%18=p M ；（4）调整时间s t :s 0836.0=s t 。
3.3.2闭环系统的频宽机床工作台液压伺服系统的开环系统Nichols 仿真曲线如图8所示，由曲线中-3dB 与Nichols 线的交点分析得出:闭环系统频带宽度Hz 17dB 3=-f 。
图7数控机床工作台液压伺服系统仿真结果（Ka=0.15）图8开环系统Nichols 仿真曲线3.3.3系统的稳态误差分析 系统的位置误差f e 为：fa nf K K I e =式中：n I 为系统的输入信号。
系统的速度误差r e 为：vr K ve =式中：v 为工作台运动速度。
精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 对于干扰来说，系统是0型的。
启动和切削不处于同一动作阶段，静摩擦干扰就不必考虑。
伺服放大器的温度零漂为0.5%~ 1%n I 、伺服阀的零漂和滞环为1%~2%n I 、执行元件的不灵敏区为0.5 %~1%n I 。
假定上述干扰量之和为±2%n I ，由此引起的系统的位置误差为：对指令输入来说，系统是I 型的，最大速度s /m 08.0max =v 时的速度误差为:综上所述，所设计的系统能达到的性能指标为m 1045-⨯±=f e ，m 10915.84-⨯=r e ，Hz 17dB 3=-f 能在稳定性、频带宽度及稳态误差等性能指标方面满足预定性能要求。
4结论根据要求设计出某数控机床工作台电液位置伺服控制装置，建立了电液位置伺服控制系统的数学模型和传递函数，在MATLAB 环境下进行仿真，并确定出使系统稳定的开环增益。
同时应用频率响应法对电液伺服控制系统的性能进行了分析，从而得到了满足要求的可靠的电液伺服系统。
