微纳机电系统建模与仿真大作业.

《机械系统设计仿真》大作业一、简答题（30分，每题5分）1、机械系统设计的基本问题是什么?答：机械系统设计的基本问题是机构的综合、运动学和动力学分析与设计。

2、求解动力学的两个基本问题是什么?答：两个基本问题是：一、动力学逆问题，己知运动求力；二、动力学正问题，已知力求运动。

3、简述牛顿—欧拉法的解题步骤。

答：采用牛顿—欧拉方法的基本步骤是先将系统的约束解除，分割成若干个单个的刚体或质点，然后对每个刚体或质点应用牛顿第二定律和欧拉动力学方程一一建立运动微分方程。

4、简述主工具箱上部的12个图标的功能,如图1所示。

：5、鼠标的右键操作主要应用于哪些场合?答：使用鼠标右键的场合主要有：1)显示建模过程中屏幕亡的各种对象的弹出式菜单，例如：构件、标记、约束、运动、力等。

2)在各种输入对话框中的参数文本输入栏，显示输入参数的弹出式菜单。

3)在后处理过程中，显示曲线图中各种对象的弹出式菜单，例如：曲线、标题、坐标、符号标记等。

4)在主工具箱、快捷工具栏等有工具图标集的场合，显示所选择的工具图标集的所有图标命令。

图16、解释几何样机的参数化建模，并指出ADAMS ／View 提供的4种参数化建模方法。

答：1.参数化建模是将样机的建模参数设置为可以改变的变量、表达式和函数，在分析过程中，只需改变样机模型中有关参数值，程序就可以自动地更新整个样机模型，获得新的样机模型，以便预先设置可变参数，自动地进行一系列的仿真分析，研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最危险的操作工况以及最优化的设计结果。

2.ADAMS ／View 提供了4种参数化建模方法：使用参数表达式、参数化点坐标、关联移动和使用设计变量。

二、图2所示为一单摆，质量为m ，摆长为l 。

设摆的悬点P 沿x 轴按x p ＝Asin ωt 运动，讨论系统的自由度，并写出约束方程。

(10分) 解：M 、P 共有2×N ＝4个坐标，系统满足3个完整约束X P ＝Asin ωt Y P ＝0（X m －Y p ）2＋Y m 2＝L2该系统没有非完整约束，因此是一个完整系统，其自由度数为4－3＝1。

《系统建模与仿真》课程作业要求鉴于本重修课程上课对象主要为工业工程毕业班的同学，很多同学在企业进行实习，上课学生太少，因此后续课堂授课不再进行，而改由同学们自学。

自学参考资料主要有：（1）课程讲义（需要到曹旭东处去拿底稿进行复印）及其模型（在上下载）；（2）WITNESS软件操作指南，下载链接：/s/1gd43COV。

课程作业相关说明：（1）课程最终考核依据：为提交报告（和模型）+前期出席情况。

（2）提交截止时间：2014-5-23（3）提交方式：纸质打印报告一份（交由曹旭东同一收齐后，在截止时间之前联系并交给我），报告（和模型，若有）电子档发送至jiannywang@ （4）报告要求：文档结构和排版参考毕业论文的格式（5）课程作业题型(一)（A类课题）根据课程讲义独立章节的模型进行流程扩展或条件变更，进行模型的设计、仿真结果的统计分析和改善设计，并最终形成仿真设计分析报告。

(二)（B类课题）根据实习企业的生产、物流或供应链系统、也可以是服务系统，选择系统中相对独立的部分（子系统）进行系统仿真方案设计，需要包括：（i）系统现状分析，主要是描述清楚系统运作过程相关的内容，可能包括系统设施布局、组成要素（机器设备、仓库、车辆、人员、订单等）、组成要素的运作流程和数据（加工时间、运输时间、订单量等）、存在的问题（例如：设备利用率不高、系统库存过高、订单满足率过低等），以及其他相关内容。

（ii）仿真目标和可行方案，主要说明该系统进行仿真可能达成的目标，以及为了达成该目标可能采取的方案（这些方案的效果需要通过仿真方能够进行评价，在报告中可以通过其他方法进行这些方案效果进行简要分析）。

(三)（C类课题）系统建模与仿真研究报告，主要是进行系统建模与仿真研究文献综述，或系统建模与仿真的实际应用介绍等。

注：（1）三类题型优劣排序为A—〉B—〉C（2）报告成文不少于8页；（3）报告格式排版需要工整清楚，图表清晰；（4）报告需要封面页：写上课程名称、课题名称、姓名、班级、学号、日期等。

第1题——最小二乘法的具体应用例子[题目]已知某一单输入单输出线性系统的差分方程形式为101()(1)()(1)()y k a y k b u k b u k k ξ=--++-+但其参数1a ，0b ，1b 为未知数，且()k ξ为不相关的随机序列。

经过辨识试验，测得5组输入输出数据为(1) 1.5u =，(2) 3.8u =-，(3) 3.1u =，(4) 2.99u =，(5) 5.12u =和(1)0.8y =，(2)0.1y =-，(3)0.45y =，(4)0.34y =，(5)0.12y =。

试求出其最优参数估计。

解：编写MATLAB 程序如下：u(1)=1.5;u(2)=-3.8;u(3)=3.1;u(4)=2.99;u(5)=5.12;y(1)=0.8;y(2)=-0.1;y(3)=0.45;y(4)=0.34;y(5)=0.12;c=10000;P=diag([c,c,c]);f=[-y(1) u(2) u(1)];K=P*f'*inv((1+f*P*f'));x=K*y(3);for n=1:1:2f=[-y(n+1) u(n+2) u(n+1)];%f2P=P-P*f'*inv((1+f*P*f'))*f*P;%P1K=P*f'*inv((1+f*P*f'));%K2x=x+K*(y(n+3)-f*x);%x2end其中x 中存储最终的结果：a1=-0.023;b0=-0.018;b1=0;第2题——以M 文件的形式编写一个MATLAB 仿真程序[题目]给定被控系统模型(1)()0.8()()y k y k u k f k +=++，其中干扰()0.20.1sin 0.01f k k =+，初值(0)0.2y =，(0)0u =。

试编写一个M 文件，对该系统在PD 控制律(1)()()u k u k u k +=+∆12()[()()]{[(1)()][(1)()]}r r r u k B y k y k B y k y k y k y k ∆=-++--+-作用下的输出()y k 进行仿真，将系统的实际输出()y k 与参考输出()r y k 画在同一张坐标图上。

第一章习题1-1什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？答：仿真是建立在控制理论，相似理论，信息处理技术和计算技术等理论基础之上的,以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识，统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。

它所遵循的基本原则是相似原理。

1-2在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区别?各有什么特点?答：解析法就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析，计算。

它是一种纯物理意义上的实验分析方法,在对系统的认识过程中具有普遍意义。

由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等因素的影响，其应用往往有很大局限性.仿真法基于相似原理，是在模型上所进行的系统性能分析与研究的实验方法.1-3数字仿真包括那几个要素？其关系如何？答: 通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统，数学模型与计算机。

由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题,统称为建模问题；将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验.1—4为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何?.答：由于受到电路元件精度的制约和容易受到外界的干扰,模拟仿真较数字仿真精度低但模拟仿真具有如下优点：（1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然和逼真。

（2）仿真速度极快，失真小，结果可信度高。

（3）能快速求解微分方程.模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关.（4）可以灵活设置仿真试验的时间标尺，既可以进行实时仿真，也可以进行非实时仿真.（5）易于和实物相连。

1-5什么是CAD技术？控制系统CAD可解决那些问题？答：CAD技术，即计算机辅助设计（Computer Aided Design)，是将计算机高速而精确的计算能力,大容量存储和处理数据的能力与设计者的综合分析，逻辑判断以及创造性思维结合起来，用以加快设计进程，缩短设计周期，提高设计质量的技术.控制系统CAD可以解决以频域法为主要内容的经典控制理论和以时域法为主要内容的现代控制理论。

《系统建模与仿真》作业第一次（共两次）布置作业时间：“经典建模法”结束后 要求交作业时间：从布置日开始不超过1周 作业量：共3道题第1题——体现电气系统经典建模[题目] 在如图所示的电路中，R 表示一个电阻，L 表示一个电感，C 表示一个电容，i 表示电流强度，u 表示输入电压，c u 表示电容器的输出电压。

试写出一个状态空间数学模型。

u图1 典型的RLC 电路第2题——体现机械系统经典建模[题目]如图2是一个文字处理器打印轮轴控制系统的简化图。

打印轮轴由一个直流电动机通过皮带和滑轮进行控制。

假设皮带是刚性的，电动机与皮带轮之间的连接也是刚性的，并定义如下的参数和变量：m ()T t 是电动机的力矩；m ()t 是电动机的角位移；()y t 是打印轮轴的线性位移；m J 式电动机的惯量；m B 是电动机的粘性摩擦系数；K 是扭转轴的刚性系数；r 是滑轮的半径；M 是打印轮轴的质量。

（1）写出系统的微分方程；（2）写出系统的传递函数模型m ()()Y s T s 。

T打印轮轴图2 打印轮轴控制系统简化图第3题——体现热工过程经典建模汽轮机高压加热器疏水系统的原理框图如图3所示，其中各段抽汽的压力大小关系为321p p p >>，抽汽温度大小关系为321T T T >>。

给水流量w 和给水温度T 一般来说为两个随机变量。

三个疏水管道阀门的开度为归一化量，即]1,0[,,321∈u u u 。

三个高压加热器的疏水水位分别为1y ，2y ，3y 。

它们的关系可描述为),,,(111111T w T p f u k y+-= ),,,(22223122T w T p f u k u k y+-= ),,,(T w T p f u k u k y+-=图3 汽机高加疏水系统原理框图式中的),,,(111T w T p f ，),,,(222T w T p f ，),,,(333T w T p f 表示系统的不确定干扰，1k ，2k ，3k ，4k ，5k 表示适当的正常数。

系统建模与仿真作业集课程设计一、概述本课程设计旨在培养学生系统建模与仿真的能力，让学生掌握系统建模的基本方法和仿真工具的使用。

课程设计包括以下任务：•建立一个系统模型；•用仿真软件验证该系统模型；•通过仿真结果优化与改进系统模型；•展示仿真结果并撰写分析报告。

二、任务描述建立系统模型在本任务中，学生需设计一个系统模型，并用系统建模工具进行模型设计。

模型设计需要描述系统中各个组成部分的功能与流程，并从中提取重要的参数用于后续仿真分析。

仿真验证在本任务中，学生需要选取合适的仿真工具进行仿真模拟。

仿真分析需要模拟系统在不同的运行条件下的运行情况，并对仿真结果进行分析与评估。

优化改进系统模型在本任务中，学生需要根据仿真结果进行分析，并对系统模型进行优化与改进。

学生需要针对仿真结果中的问题提出解决方案，并将其应用于系统模型中。

分析报告在本任务中，学生需要将仿真结果进行分析，并将分析结果撰写报告。

报告需要包含模型分析、仿真结果、优化方案和结论等内容。

三、任务要求本课程设计要求学生掌握以下技能：系统建模学生需要掌握系统建模的基本方法，如通用建模语言（UML）、数据流图（DFD）等。

在模型设计过程中，学生需要考虑系统的整体性，合理规划模型结构，从而设计出可行的系统模型。

仿真工具学生需要掌握常见的仿真工具，如MATLAB、Simulink等，并学会使用这些仿真工具进行仿真分析。

仿真结果分析学生需要基于仿真结果进行分析，并从中获得对系统运行状态的认识。

学生需要学会从多个维度对仿真结果进行分析，如系统稳定性、系统响应时间等。

结果展示和报告撰写学生需要掌握报告撰写的基本要求，了解报告的结构和格式。

学生需要准确地展示仿真结果，说明所得的结论，并提出改进建议，从而完成一份完整的课程设计报告。

四、评分标准本课程设计的评分标准如下：系统模型设计（20分）学生需要根据实际情况设计出可行的系统模型，同时需要理清模型的结构和流程，确保模型符合实际场景。

机电产品建模与仿真报告引言机电产品建模与仿真是一种将现实世界中的机电产品通过数学模型和计算机仿真技术来进行分析和优化的方法。

通过建模和仿真，可以帮助工程师们更好地理解机电产品的性能和工作原理，并进一步提升产品的设计和制造质量。

本报告将介绍机电产品建模与仿真的基本原理和应用，并结合一个具体的案例进行分析和讨论。

机电产品建模与仿真的原理和方法机电产品建模与仿真一般分为以下几个步骤：1. 建立数学模型：通过对机电产品进行理论分析和实验测试，获得其工作原理和性能数据，并将其转化为数学方程或函数。

常用的建模方法包括物理模型、基于市场数据的统计模型和机器学习模型等。

2. 进行仿真计算：利用计算机软件或编程语言，将前一步中所得到的数学模型转化为计算机可执行的代码，并进行仿真计算。

这些代码可以利用数值方法和数学算法对模型进行求解和优化。

3. 验证和验证模型：将仿真计算的结果与实测数据进行对比，以验证模型的准确性和可靠性。

如果模型与实际数据吻合度高，则可将其用于进一步优化产品设计或进行性能预测。

4. 进行参数优化和设计改进：通过改变模型中的参数和变量，比如材料选取、结构设计等，来寻求最优的产品性能和工作条件。

这可以通过将优化问题转化为某种目标函数，并利用现代优化方法进行求解。

案例分析：电动汽车驱动系统仿真模型为了更好地解释机电产品建模与仿真的过程和效果，我们以电动汽车驱动系统为例进行分析。

1. 数学模型的建立：我们首先需要对电动汽车驱动系统进行分析和实验测试，并获得其关键性能参数，比如电池容量、驱动电机的转矩输出曲线等。

然后，我们可以利用这些数据建立电池的电化学模型和驱动电机的动力学模型。

2. 仿真计算的进行：利用电化学模型和动力学模型，我们可以编写计算机代码进行仿真计算。

这些代码可以根据电池的电量和驱动轮的负载情况，计算出电动汽车的续航里程和动力性能等。

同时，我们还可以通过仿真计算来评估不同的驱动系统设计方案，并比较其性能差异。

系统建模与仿真作业集课程设计引言本文档将介绍一个基于系统建模与仿真作业集的课程设计，详细说明系统设计和仿真的过程。

本课程设计旨在提高学生对系统建模与仿真的理解，并将这些理论知识应用到实际场景中。

通过本课程设计，学生将学习如何使用系统建模和仿真工具来设计和验证系统的性能和功能。

设计目标本课程设计的主要目标是通过实践帮助学生掌握以下技能：1.使用系统建模和仿真工具来设计和验证系统的性能和功能2.编写系统建模和仿真程序以完成建模和仿真任务3.将理论知识应用到实际场景中，提高学生对系统建模与仿真的理解设计步骤本课程设计的内容将围绕着以下三个方面进行：1.系统建模与仿真的理论2.使用系统建模与仿真工具进行系统建模与仿真3.实际案例的应用第一步：系统建模与仿真的理论在本课程设计的第一步中，学生将学习系统建模与仿真的理论。

这些理论将包括以下内容：1.系统建模与仿真的基本概念和原理2.系统建模与仿真的语言和工具3.系统建模与仿真的技术和方法课程设计者应该选择适合学生学习的教材和参考资料，并设计测试来帮助学生理解和掌握这些理论。

第二步：使用系统建模与仿真工具进行系统建模与仿真在本课程设计的第二步中，学生将学习如何使用系统建模与仿真工具来进行系统建模与仿真。

这些工具将包括以下内容：1.系统建模与仿真软件的介绍和应用2.系统建模与仿真的模型设计3.系统建模与仿真的参数设定与调整课程设计者应该提供示例程序和操作演示视频来帮助学生了解和熟悉这些工具。

第三步：实际案例的应用在本课程设计的第三步中，学生将学习如何将理论知识应用到实际场景中。

这些实际案例将包括以下内容：1.真实系统建模与仿真2.实际案例的模型和参数设定3.实际案例的仿真结果分析和评价课程设计者应该提供具有挑战性的案例和评估标准，来帮助学生提高实际运用系统建模与仿真技术的能力。

结论本课程设计基于系统建模与仿真作业集，通过三个步骤来帮助学生掌握和应用系统建模与仿真技术。

系统建模与仿真习题二及答案1. 考虑如图所示的典型反馈控制系统框图(1)假设各个子传递函数模型为66.031.05.02)(232++-+=s s s s s G ，s s s G c 610)(+=，21)(+=s s H 分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法求该系统的传递函数模型。

(2) 假设系统的受控对象模型为s e s s s G 23)1(12)(-+=，控制器模型为 ss s G c 32)(+=，并假设系统是单位负反馈，分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法能求出该系统的传递函数模型？如果不能，请近似该模型。

解：（1）clc;clear;G=tf([2 0 0.5],[1 -0.1 3 0.66]);Gc=tf([10 6],[1 0]);H=tf(1,[1 2]);G1=feedback(G*Gc,H)G2=G*Gc/(1+G*Gc*H)Gmin=minreal(G2)结果：Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3Transfer function:20 s^8 + 50 s^7 + 83.8 s^6 + 179.3 s^5 + 126 s^4 + 57.54 s^3 + 26.58 s^2 + 3.96 ss^9 + 1.8 s^8 + 25.61 s^7 + 22.74 s^6 + 74.11 s^5 + 73.4 s^4 + 30.98 s^3+ 13.17 s^2 + 1.98 s Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3(2)由于s c e s s s s G s G 232)1(3624)(*)(-++= 方法1：将s e 2-转换为近似多项式。