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中北大学机械工程与自动化学院实验指导书课程名称：《机械工程控制基础》课程代号：02020102适用专业：机械设计制造及其自动化实验时数：4学时实验室：数字化实验室实验内容：1.系统时间响应分析2.系统频率特性分析机械工程系2010.12实验一 系统时间响应分析实验课时数：2学时 实验性质：设计性实验 实验室名称：数字化实验室一、实验项目设计内容及要求1.试验目的本实验的内容牵涉到教材的第3、4、5章的内容。
本实验的主要目的是通过试验，能够使学生进一步理解和掌握系统时间响应分析的相关知识，同时也了解频率响应的特点及系统稳定性的充要条件。
2.试验内容完成一阶、二阶和三阶系统在单位脉冲和单位阶跃输入信号以及正弦信号作用下的响应，求取二阶系统的性能指标，记录试验结果并对此进行分析。
3.试验要求学习教材《机械工程控制基础（第5版）》第2、3章有关MA TLAB 的相关内容，要求学生用MA TLAB 软件的相应功能，编程实现一阶、二阶和三阶系统在几种典型输入信号（包括单位脉冲信号、单位阶跃信号、单位斜坡信号和正弦信号）作用下的响应，记录结果并进行分析处理：对一阶和二阶系统，要求用试验结果来分析系统特征参数对系统时间响应的影响；对二阶系统和三阶系统的相同输入信号对应的响应进行比较，得出结论。
4.试验条件利用机械工程与自动化学院数字化试验室的计算机，根据MA TLAB 软件的功能进行简单的编程来进行试验。
二、具体要求及实验过程1.系统的传递函数及其MA TLAB 表达 (1)一阶系统 传递函数为：1)(+=Ts Ks G 传递函数的MA TLAB 表达： num=[k]；den=[T,1]；G(s)=tf(num,den) (2)二阶系统 传递函数为：2222)(nn n w s w s w s G ++=ξ传递函数的MA TLAB 表达： num=[2n w ]；den=[1，ξ2wn ，wn^2]；G(s)=tf(num,den) （3）任意的高阶系统 传递函数为：nn n nm m m m a s a sa s ab s b s b s b s G ++++++++=----11101110)(传递函数的MA TLAB 表达：num=[m m b b b b ,,,110- ]；den=[n n a a a a ,,,110- ]；G(s)=tf(num,den)若传递函数表示为：)())(()())(()(1010n m p s p s p s z s z s z s Ks G ------=则传递函数的MATLAB 表达：z=[m z z z ,,,10 ]；p=[n p p p ,,,10 ]；K=[K]；G(s)=zpk(z,p,k) 2.各种时间输入信号响应的表达（1）单位脉冲信号响应：[y,x]=impulse[sys,t] （2）单位阶跃信号响应：[y,x]=step[sys,t] （3）任意输入信号响应：[y,x]=lsim[sys,u,t]其中，y 为输出响应，x 为状态响应（可选）；sys 为建立的模型；t 为仿真时间区段（可选） 试验方案设计可参考教材相关内容，相应的M 程序可参考（杨叔子主编的《机械工程控制基础》第五版）提供的程序，在试验指导教师的辅导下掌握M 程序的内容和格式要求，并了解M 程序在MATLAB 软件中的加载和执行过程。
中北大学《机械工程控制基础》实验报告班级 X学号 32姓名陈国梁时间 2011-12-24实验一：系统时间响应分析实验时间：2011-12-24 实验室名称：数字化实验室内容：1、 实验结果与相应的MATLAB 程序一阶系统单位脉冲和单位阶跃响应clear all;t=[0:0.001:0.2]; %nG=[1];tao=0.2;dG=[tao 1];G1=tf(nG ,dG); tao=0.3;dG=[tao 1];G2=tf(nG ,dG); tao=0.4;dG=[tao 1];G3=tf(nG ,dG) %[y1,T]=impulse(G1,t);[y1a,T]=step(G1,t); [y2,T]=impulse(G2,t);[y2a,T]=step(G2,t); [y3,T]=impulse(G3,t);[y3a,T]=step(G3,t); %subplot(121),plot(T,y1,'--',T,y2,'-.',T,y3,'-') legend('tao=0.2','tao=0.3','tao=0.4') xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)');grid on;subplot(122),plot(T,y1a,'--',T,y2a,'-.',T,y3a,'-') legend('tao=0.2','tao=0.3','tao=0.4') grid on;xlabel('t(sec)'),ylabel('x(t)');0.050.10.150.21.522.533.544.55t(sec)x (t )0.050.10.150.200.10.20.30.40.50.60.7t(sec)x (t)二阶系统单位脉冲和单位阶跃响应clear all; t=[0:0.01:4]; wn=7;nG=[wn^2];kc=0.3;dG1=[1 2*kc*wn wn^2];G1=tf(nG ,dG1); kc=0.6;dG2=[1 2*kc*wn wn^2];G2=tf(nG ,dG2); kc=0.9;dG3=[1 2*kc*wn wn^2];G3=tf(nG ,dG3); [y1,T]=impulse(G1,t);[y1a,T]=step(G1,t); [y2,T]=impulse(G2,t);[y2a,T]=step(G2,t); [y3,T]=impulse(G3,t);[y3a,T]=step(G3,t); subplot(121),plot(T,y1,'--',T,y2,'-.',T,y3,'-') legend('kc=0.3','kc=0.6','kc=0.9'), xlabel('t(sec)'),ylabel('y(t)');grid on;subplot(122),plot(T,y1a,'--',T,y2a,'-.',T,y3a,'-') legend('kc=0.3','kc=0.6','kc=0.9'), grid on;xlabel('t(sec)'),ylabel('y(t)');1234-2-112345t(sec)y (t )123400.20.40.60.811.21.4t(sec)y (t )二阶系统正弦响应及响应 clear all;t=[0:0.01:14]; u=sin(0.3*pi*t); wn=7;nG=[wn^2];kc=0.9;dG=[1 2*kc*wn wn^2];G=tf(nG ,dG); y=lsim(G ,u,t);plot(t,u,'-.',t,y,'-',t,u'-y,'--','linewidth',1) legend('u(t)','y(t)','e(t)')grid;xlabel('t(sec)'),ylabel('y(t)');2468101214-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81t(sec)y (t )close all; %t=0:0.001:4; %yss=1;dta=0.02; % wn=7;nG=[wn^2];kc=0.3;dG1=[1 2*kc*wn wn^2];G1=tf(nG ,dG1); kc=0.6;dG2=[1 2*kc*wn wn^2];G2=tf(nG ,dG2); kc=0.9;dG3=[1 2*kc*wn wn^2];G3=tf(nG ,dG3); y1=step(G1,t);y2=step(G2,t);y3=step(G3,t); % kc=0.3;% 求上升时间trr=1;while y1(r)<yss;r=r+1;end tr1=(r-1)*0.001;%求峰值ymax 和峰值时间tp [ymax,tp]=max(y1); tp1=(tp-1)*0.001;%求超调量mpmp1=(ymax-yss)/yss;%求调整时间tss=4001;while y1(s)>1-dta & y1(s)<1+dta;s=s-1;end ts1=(s-1)*0.001;% kc=0.6;r=1;while y2(r)<yss;r=r+1;endtr2=(r-1)*0.001;[ymax,tp]=max(y2);tp2=(tp-1)*0.001;mp2=(ymax-yss)/yss;s=4001;while y2(s)>1-dta &y3(s)<1+dta;s=s-1;endts2=(s-1)*0.001;% % kc=0.9;r=1;while y3(r)<yss;r=r+1;endtr3=(r-1)*0.001;[ymax,tp]=max(y3);tp3=(tp-1)*0.001;mp3=(ymax-yss)/yss;s=4001;while y3(s)>1-dta & y3(s)<1+dta;s=s-1;end ts3=(s-1)*0.001;%输出数据[tr1 tp1 mp1 ts1;tr2 tp2 mp2 ts2;tr3 tp3 mp3 ts3]ans =0.2810 0.4700 0.3723 1.60400.3960 0.5610 0.0948 0.38100.8820 1.0300 0.0015 0.67102、实验分析内容：（1）分析时间常数对一阶系统时间响应的影响；（2）分析参数对二阶系统的时间响应的性能指标的影响；（3）分析系统稳定性与系统特征值的关系；（4）了解系统频率响应的特点。
第三章系统的时间响应分析机械⼯程控制基础教案Chp.3时间响应分析基本要求(1) 了解系统时间响应的组成；初步掌握系统特征根的实部和虚部对系统⾃由响应项的影响情况，掌握系统稳定性与特征根实部之间的关系。
(2 ) 了解控制系统时间响应分析中的常⽤的典型输⼊信号及其特点。
(3) 掌握⼀阶系统的定义和基本参数，能够求解⼀阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应；掌握⼀阶系统时间响应曲线的基本形状及意义。
掌握线性系统中，存在微分关系的输⼊，其输出也存在微分关系的基本结论。
(4) 掌握⼆阶系统的定义和基本参数；掌握⼆阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼⽐之间的对应关系；掌握⼆阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。
(5) 了解主导极点的定义及作⽤；(6) 掌握系统误差的定义，掌握系统误差与系统偏差的关系，掌握误差及稳态误差的求法；能够分析系统的输⼊、系统的结构和参数以及⼲扰对系统偏差的影响。
(7) 了解单位脉冲响应函数与系统传递函数之间的关系。
重点与难点重点(1) 系统稳定性与特征根实部的关系。
(2) ⼀阶系统的定义和基本参数，⼀阶系统的单位脉冲响应、单位阶跃响应及单位斜坡响应曲线的基本形状及意义。
(3) ⼆阶系统的定义和基本参数；⼆阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼⽐之间的对应关系；⼆阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。
(4) 系统误差的定义，系统误差与系统偏差的关系，误差及稳态误差的求法；系统的输⼊、系统的结构和参数以及⼲扰对系统偏差的影响。
难点(1) ⼆阶系统单位脉冲响应曲线、单位阶跃响应曲线的基本形状及其振荡情况与系统阻尼⽐之间的对应关系；⼆阶系统性能指标的定义及其与系统特征参数之间的关系。
(2) 系统的输⼊、系统的结构和参数以及⼲扰对系统偏差的影响。
建⽴数学模型后进⼀步分析、计算和研究控制系统所具有的各种性能。
3-1 时间响应由哪两个部分组成？各部分的定义是什么？答：根据工作状态的不同，把系统的时间响应分为瞬态响应和稳态响应。
系统稳定时，它的自由响应称为瞬态响应，即系统在某一输入信号的作用下其输出量从初始状态到稳定状态的响应过程。
而稳态响应一般就是指强迫响应，即当某一信号输入时，系统在时间趋于无穷大时的输出状态。
3-2 设温度计能在1分钟内指示出实际温度值的98%，并且假设温度计为一阶系统，求时间常数。
如果将温度计放在澡盆内，澡盆的温度依10℃/min 的速度线性变化，求温度计示值的误差是多大？解1：依题意可得已知条件为1=t 分，98.0)(=t C 而一阶系统的传递函数为11)()(+=Ts t R t C即 )(11)(s R Ts s C +=在上述第一问中，要求温度计在1分钟内指示出响应值的98%，这相当于对温度计输入一个单位阶跃。
亦即 )(1)(t t r = 则 s s R 1)(=11111)(+-=⋅+=Ts T s sTs s C即 ]11[)]([)(11+-==--Ts T sL t C L t cTt eTs L sL ----=+-=1]11[]1[11将1=t 分及98.0)(=t C 代入上式可得Te 1198.0--=即 02.098.011=-=-Te将上式两端取自然对数化简后得秒分36.15256.09.3102.0lg 3.21==--=-=T解2：在第二问中已知澡盆温度以分/10线性变化，说明输入函数t At t r 10)(==，为斜坡函数，此时温度计的误差为)()()()(t c At t c t r t e -=-=而当 At t r =)( 时2)(sA s R =即 ]11[11)(11)(222++-=⋅+=+=Ts Ts T sA sATs s R Ts s C则 ]11[)()(211211++-==----Ts TLs T LsLA s C L t C)(]1111[1121Tt TeT t A Ts TLsTLsLA ----+-=++-=即 )1()()(Tt Tt eAT TeT t A At t e ---=+--=将已知和已求得之值数1=t 分、256.0=t 分、10=A 代入上式即可求得温度计的误差为)(53.298.0256.010)(上式为近似计算=⨯⨯=t e 。
