弹簧-质量-阻尼系统的建模与控制系统设计线性系统理论结课报告 .docx
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1、精品名师归纳总结分数: 任课老师签字: 华北电力高校争论生结课作业学 年 学 期:第一学年第一学期课 程 名 称:线性系统理论学 生 姓 名: 学号:提 交 时 间: 2021.11.27目录目录.1.1 争论背景及意义3.2 弹簧-质量-阻尼模型 .3.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.1 系统的建立4.2.1.1 系统传递函数的运算5.2.2 系统的能控能观性分析 .7.2.2.1 系统能控性分析 .8.2.2.2 系统能观性分析 .9.2.3 系统的稳固性分析 .1 02.3.1 反馈掌握理论中的稳固性分析方法 1. 02.3.2 利用 Matlab 分析系统稳固性 1
2、. 02.3.3 Simulink 仿真结果 .1 22.4 系统的极点配置 .1 52.4.1 状态反馈法 .1 52.4.2 输出反馈法 .1 62.4.2 系统极点配置 .1 62.5 系统的状态观测器 .1 82.6 利用离散的方法争论系统的特性2. 02.6.1 离散化定义和方法 .2 02.6.2 零阶保持器 .2 22.6.3 一阶保持器 .2 42.6.4 双线性变换法 .2 63.总结.2 8.4.参考文献 .2 8.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结弹簧-质量-阻尼系统的建模与掌握系统设计1 争论背景及意义弹簧、阻尼器、质量块是组成机械系统的抱负元件.由它们组
3、成的弹簧 -质量-阻尼系统是最常见的机械振动系统,在生活中具有相当广泛的用途,缓冲器就 是其中的一种 .缓冲装置是吸取和耗散过程产生能量的主要部件,其吸取耗散能量的才能大小直接关系到系统的安全与稳固.缓冲器在生活中到处可见,例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器,其缓冲系统的性能直接影响 着汽车的稳固与驾驶员安全。另外,天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳固与否直接影响着交会对接的胜利.因此,对弹簧 -质量-阻尼系统的争论有着特别深的现实意义 .2 弹簧-质量-阻尼模型数学模型是定量的描述系统的动态特性,揭示系统的结构、参数与动态特 性之间关系的数学表达式 .其中,微分方程是基本
4、的数学模型,不论是机械的、液压的、电气的或热力学的系统等都可以用微分方程来描述.微分方程的解就是系统在输入作用下的输出响应 .所以,建立数学模型是争论系统、猜测其动态响应的前提 .通常情形下,列写机械振动系统的微分方程都是应用力学中的牛顿定律、质量守恒定律等 .弹簧-质量 -阻尼系统是最常见的机械振动系统.机械系统如图 2.1 所示,图 2-1 弹簧-质量-阻尼系统机械结构简图其中、表示小车的质量,表示缓冲器的粘滞摩擦系数,表示弹簧可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结的 弹 性 系 数 ,表 示 小 车 所 受 的 外 力 , 是 系 统 的 输 入 即,表示小车位置移,是系统的输
5、出,即, i=1,2.设 缓冲 器 的 摩 擦力 与活 塞的 速 度成 正比 , 其 中,.2.1 系统的建立由图 2.1,依据牛顿其次定律,分别分析两个小车的受力情形,建立系统的动力学模型如下:对有:对有:联立得到: 对:对:令,。,得出状态空间表达式:所以,状态空间表达式为:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结+由此可以得出已知:, 代入数据得:2.1.1 系统传递函数的运算在 Matlab 中,函数 ss2tf 给出了状态空间模型所描述系统的传递函数,其可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结一般形式是 num,den=ss2tfA,B,C,D,iu ,其中 iu 是
6、输入值 .用 Matlab 将状态空间表达式表示为传递函数: 在输入 1 单独作用的情形下A=0 0 1 0。0 0 0 1。 -400 300 -9 6。150 -200 3 -4.5。B=0 0。0 0。1 0。0 0.5。C=1 0 0 0。0 1 0 0。D=0 0。0 0。num,den=ss2tfA,B,C,D,1运行程序,得到:num =0-0.00001.00004.5000 200.00000-0.0000-0.00003.0000 150.0000den =1.0e+004 *0.00010.00140.06230.18003.5000在输入 2 单独作用的情形下:A=0
7、0 1 0。0 0 0 1。 -400 300 -9 6。150 -200 3 -4.5。B=0 0。0 0。1 0。0 0.5。C=1 0 0 0。0 1 0 0。D=0 0。0 0。num,den=ss2tfA,B,C,D,2运行程序,得到:num =0-0.0000-0.00003.0000 150.0000可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0-0.00000.50004.5000 200.0000den =1.0e+004 *0.00010.00140.06230.18003.5000由此可知:位移对外力的传递函数是:位移对外力的传递函数是:位移对外力的传递函数是:位移对
8、外力的传递函数是:2.2 系统的能控能观性分析在反馈掌握理论中只争论输入量对输出量的掌握 .而这两个量的关系唯独的由系统的传递函数所确定 .一个稳固的系统,肯定能控 .同时,系统的输出量本身就是我们想要掌握的量,对于一个实际的系统来说,输出量当然是可以被观测可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结到的,因此在反馈掌握理论中没有必要设立能控和能观这两个概念.然而在现代掌握理论中,能控和能观是两个重要的基本概念.我们把反映系统内部运动状态的状态向量作为被控量,而且它们不肯定是实际上可观测到的物理量,至于输出量就是状态向量的线性组合,这就产生了从输入量到状态量的能控性问题和从输出量到状态量的
9、能观测性问题.在现代掌握中,分析和设计一个掌握系统,必需争论这个系统的能控性和 能观性.状态方程描述了输入Ut 引起状态 X(t)的变化过程。输出方程就描述了由状态变化引起的输出 Y(t)的变化 .能控性和能观性正是分别分析Ut 对状态 X(t)的掌握才能以及 Y( t)对 X(t)的反应才能 .2.2.1 系统能控性分析设线性定常系统的状态方程为式中 A nn 矩阵B nr 矩阵C mn 矩阵D mr 矩阵系统 能 控的 充分 必 要 条 件为 : 能 控 判 别 阵=n,的 秩R用 Matlab 运算能控矩阵的秩,从而对该系统的能控性进行判别,程序为:A=0 0 1 0。0 0 0 1。
10、-400 300 -9 6。150 -200 3 -4.5。B=0 0。0 0。1 0。0 0.5。C=1 0 0 0。0 1 0 0。D=0 0。0 0。Qc=ctrbA,B R1=rankQc运行程序,得到:可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结R1 =4等于矩阵行数,由此可以判定,系统是完全能控的.2.2.2 系统能观性分析设线性定常系统的状态方程为:式中 A nn 矩阵B nr 矩阵C mn 矩阵D mr 矩阵能观的充分必要条件为:能观判别阵的秩 R=n, 下面,用 Matlab 运算能控矩阵的秩,从而对该系统的能控性进行判定:A=0 0 1 0。0 0 0 1。 -400
11、300 -9 6。150 -200 3 -4.5。B=0 0。0 0。1 0。0 0.5。C=1 0 0 0。0 1 0 0。D=0 0。0 0。Qo=obsvA,C R2=rankQo运行程序,得到:R2 =4满秩,因此可以判定,该系统是完全能观的.综上所述,这是一个既能控又能观的系统.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2.3 系统的稳固性分析2.3.1 反馈掌握理论中的稳固性分析方法稳固性是一个系统可以被采纳的最基本的条件,是系统的固有属性.稳固系统的定义如下:设掌握系统处于某一起始的平稳状态,在外力的作用下,它离开了平稳状态,当外作用消逝后,假如经过足够长的时间它能够恢复到
12、起始的平稳状态,就称这样的系统为稳固的系统,否就称为不稳固的系统.由稳固性的定义可见,稳固性是系统去掉外力作用后自身的一种复原才能,所以是系统的一种固有特性.对于线性定常系统,它取决于系统本身的结构和参数,而与初始条件和外界作用无关 .线性定常系统稳固的充分必要条件是:闭环系统特点方程的全部特点根为负实数或具有负实部的共轭复数,即全部特点根位于复平面的左半平面.只要有一个闭环特点根分布在右半平面上,系统就是不稳固的。假如没有右半平面的根,但有纯虚根,就系统是临界稳固的。在工程上,处于不稳固和临界稳固的线性定常系统是不能采纳的 1.在古典掌握系统中,我们判定系统的稳固性常常用劳斯-赫尔维茨代数判
13、据、时域分析法、根轨迹法、频域分析法等方法,但那只针对低阶系统.实际的工业生产中,常常会遇见一些特殊复杂的系统.这时古典掌握理论中的方法就有点捉襟见肘了 .1892 年俄国学者李雅普诺夫提出的稳固性理论是确定系统稳固性的更一般性理论,它采纳了状态向量描述,不仅适用于单变量、线性、定常的系统,而 且适用于多变量,非线性、时变的系统.李雅普诺夫理论在建立一系列关于稳固性概念的基础上,提出了判定系统稳固性的两种方法:一种方法是利用线性系 统微分方程的解来判定系统稳固性,称为李雅普诺夫第一法或间接法。另一种 方法是第一利用体会和技巧来构造李雅普诺夫函数,进而利用李雅普诺夫函数 来判定系统稳固性,称为李
14、雅普诺夫其次法或直接法.2.3.2 利用 Matlab 分析系统稳固性随着运算机技术的进展,在现代掌握理论中,我们常常采纳Matlab 判定系统的稳固性 .对于线性定常系统,典型的系统输入信号类型有脉冲、阶跃、斜可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结坡、加速度、正弦信号 .系统的稳固性是对任何输入信号而言,即如一个系统是稳固的,就其在任何输入信号情形下对应的输出曲线是收敛的.然而,阶跃信号包含了另外几种常见输入信号的特性,所以我们常通过观看系统的单位阶跃响应曲线判定判定系统的稳固性 .如系统的单位阶跃响应是收敛的,就系统一般是收敛的。否就,是发散的 .在 Matlab 中输入相应系统
15、的状态空间表达式矩阵来求取系统的特点值:A=0 0 1 0。0 0 0 1。 -400 300 -9 6。150 -200 3 -4.5。B=0 0。0 0。1 0。0 0.5。C=1 0 0 0。0 1 0 0。D=0 0。0 0。eigA运行程序,得到:ans =-5.7735 +22.3859i-5.7735 -22.3859i-0.9765 + 8.0332i-0.9765 - 8.0332i由此可以知道,经运算得出A 阵的全部特点根均在复平面的左半平面,因此得出该系统是稳固的 .给系统加起阶跃信号:A=0 0 1 0。0 0 0 1。 -400 300 -9 6。150 -200 3
16、 -4.5。B=0 0。0 0。1 0。0 0.5。C=1 0 0 0。0 1 0 0。D=0 0。0 0。stepA,B,C,D结果如下可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0.01From: In1Step ResponseFrom: In2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结0.0081ut0.006O:To0.004可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结eildutp m A2tu O:o T0.00200.010.0080.0060.0040.002002460246可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Time sec图 2-2 阶跃响应曲
17、线由图可以看出,在阶跃响应下,系统在肯定时间内收敛于某一固定值,因此可以判定系统是稳固的,但同时我们也可以看出,系统的调剂时间比较长,假如想要削减调剂时间,那么需要重新配置极点,对系统进行改进.下面的章节将对系统进行极点的配置 .2.3.3 Simulink 仿真结果依据上述原理,用 Matlab 中的 Simulink 组件进行仿真 .依据状态空间表达式,搭建系统模型如下图所示:我们分别对只有输入1 作用下和只有输入2 作用下的系统使用Simulink 进行仿真,让其与 Matlab 图像进行对比可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2-3 Simulink 模型图(1) 仅有
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