液压控制系统实验报告.docx

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液压控制系统 实验报告 学 院：机械工程学院 专 业：机械工程及自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 内 容：实验五、实验六、实验七 实验五 电液位置控制系统建模和特性分析 1． 实验目的 1.1 学会使用MATLAB软件分析电液位置控制系统的特性分析，加深对所学知识的理解； 1.2 掌握电液位置控制系统的特点及其校正方法； 1.3 培养应用MATLAB软件进行电液位置控制系统设计的实践能力。 2．实验内容与实验原理 见实验指导书。 3． 实验方法与步骤 3.1实验设备　计算机及MATLAB软件系统。 3.2实验步骤 3.2.1已知卷曲机光电液带材矫偏控制系统工作原理方框图 卷曲机光电液带材矫偏控制系统方框图及传递函数如下 3.2.2 编写系统特性分析程序； 3.2.3 运行系统特性分析程序求出系统的开环伯特图，并根据稳定性条件求出系统的开环增益K； 3.2.4 运行系统特性分析程序并求出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性； 3.2.5 根据电液位置控制系的特点设计系统的校正环节； 3.2.6 编写系统特性二次建模分析程序； 3.2.7 运行系统特性分析程序求出系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 3.2.8 完成系统时域特性分析； 3.2.9 完成利用SIMULINK仿真模块对电液位置控制系统的时域响应和频域响应进行仿真分析； 4．实验报告 4.1 绘出系统的开环伯特图，计算系统的开环增益K，分析系统的开环特性； 由系统的开环传函知：K=Ki1.6710-394.510-4=Ki0.1767 l/s 初取K=1 l/s，则系统开环传函为： 1 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 2.178e-008 s^5 + 3.454e-006 s^4 + 0.0004238 s^3 + 0.01733 s^2 + s MATLAB程序见G51： G2=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]); G3=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]); G=G1*G2*G3 bode(G); bode图如下： 易得相位裕量89，增益裕量26.7dB，系统稳定。穿越频率为1rad/s。 从稳定性考虑，相位裕量40~60，增益裕量6dB以上。所以图像可整体上移20dB，即K=10。则：Ki=K0.1767=56.6 A/m 系统的开环传函为： 10 ------------------------------------------------------------------------------------------- 2.178e-008 s^5 + 3.454e-006 s^4 + 0.0004238 s^3 + 0.01733 s^2 + s MATLAB程序见G52: G2=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]) G3=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]) G=10*G2*G3 bode(G) 对应开环bode图： 得到相位裕量79.6，增益裕量6.66dB ，满足稳定性要求。穿越频率为10.3rad/s。 4.2 绘出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性，分析系统的闭环特性； 系统闭环传函为： 10 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 2.178e-008 s^5 + 3.454e-006 s^4 + 0.0004238 s^3 + 0.01733 s^2 + s + 10 MATLAB程序见G53： G1=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]); G2=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]); G=feedback(10*G1*G2,1) bode(G) 闭环bode图： 得到谐振频率、谐振峰值都非常小，远小于3dB，满足要求。截止频率为13.3rad/s ，幅频带宽0—13.3rad/s，相频带宽0—26rad/s 。系统频宽较小，快速性较低。 由于系统开环传函中有一个积分环节，故该系统为I型系统，稳态误差应为零。等速输入会产生位置误差，其值为：ev=VK。 4.3 分析系统校正的特性并给出系统的校正环节； 设计之后校正环节，参见教程P125确定参数： 取α=10，则 Kvc=αK=100。 根据已确定的速度放大系数Kvc，画出系统开环波特图： MATLAB程序见G54： G1=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]) G2=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]) G=100*G1*G2 bode(G) 相频裕度为-126，系统不稳定。需要加滞后校正环节。 ωc=10.3 rad/s 则：ωrc=14~15ωc=2.5 rad/s ωcα=2.510=0.25 rad/s 可得滞后校正环节的传函（电气校正）： Gc(s)=Sωrc+1αsωrc+1=s2.5+1s0.25+1 其bode图如下： MATLAB程序见G56： G3=tf([1/5.2 1],[1/0.25 1]) bode(G3) 4.4 给出系统二次建模的传递函数并绘制系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 将滞后校正环节串联接入系统，即校正后的系统开环传函为： Aus=100s(s21122+20.6112s+1)(s260.52+20.260.5s+1)∙s2.5+1s0.25+1 其bode图如下： MATLAB程序见G55： G1=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]); G2=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]); G3=tf([1/2.5 1],[1/0.25 1]); G=100*G1*G2*G3 bode(G) 得到相位裕量67.4，增益裕量6.69dB ，满足稳定性要求。穿越频率为10.4rad/s。此时系统的开环增益还可以有少许的提高，最大开环增益为108 。 系统的闭环bode图： MATLAB程序见G57： G1=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]); G2=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]); G3=tf([1/2.5 1],[1/0.25 1]) G=feedback(100*G1*G2*G3,1) bode(G) 得到谐振频率为3.93rad/s ，谐振峰值为1.24dB，小于3dB，满足要求。截止频率为16.5rad/s ，幅频带宽0—16.5rad/s，相频带宽0—23.2rad/s。 4.5 绘制系统时域响应图并分析系统的时域特性； 校正前系统的阶跃响应： MATLAB程序见G59： G1=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]); G2=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]); G=feedback(10*G1*G2,1); step(G) 可得上升时间为0.151s ，超调量0.445%，过度过程时间为0.4s，稳态误差为零。 对校正后的系统进行阶跃特性分析： MATLAB程序见G58： G1=tf([1],[1/112^2 2*0.6/112 1]); G2=tf([1],[1/60.5^2 2*0.2/60.5 1 0]); G3=tf([1/2.5 1],[1/0.25 1]); G=feedback(100*G1*G2*G3,1); step(G) 阶跃响应曲线如下： 可得上升时间为0.129s ，超调量15.2%，小于25%，满足要求。过度过程时间为1.03s，稳态误差为零。校正后系统快速性提高，但过渡时间变长。 4.6 绘制系统SIMULINK仿真图，并分析系统的性能。 simulink中输入信号为幅值为1，频率可调的正弦信号，通过改变输入信号的频率测得对应输出响应的幅值如下表： 频率（rad/s） 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Simulink输出幅值 1.04 1.14 1.14 1.06 0.98 0.89 0.81 0.74 0.69 0.65 0.61 0.59 可知在输入频率为3rad/s左右时输出幅值最大，这与系统的谐振频率3.93rad/s相一致；输入频率超过10rad/s后，输出幅值开始衰减，在系统设计的幅频带宽0—16.5rad/s的范围内衰减较少，超过部分衰减较大，说明校正后系统的闭环特性与设计一致，具有较好的稳定性。 5．思考并简单回答下列问题 5.1 电液位置控制系统的特点有哪些？ 答：1.电液位置控制系统的开环传函属于I型系统，对于阶跃信号输出响应的稳态误差为零，对于等速信号存在稳态误差，系统不能跟随等加速输入。 2.系统的应用场合要求其动态响应要迅速，因此系统的频率带宽及开环增益应该较大。 3.校正前的系统阻尼比很小，因此相位裕量比较大。可根据增益裕量确定开环增益的大小。 4.通常系统中电液伺服阀的响应速度快（固有频率很高），与液压动力元件相比，其动态特性可以忽略不计，把它看为比例环节。 5.2 电液位置控制系的校正的目的是什么？ 答：目的：1.为了满足实际应用中的要求。工程中对于系统的开环增益要求较高，以达到快速性及较小的稳态误差。为达到较高的开环增益且保证稳定性，往往需要增加校正环节，如常用的滞后校正环节等。 2.校正环节还可以解决减小负载误差和增大阻尼比的矛盾。 实验六 电液压力控制系统建模和特性分析 1． 实验目的 1.1 学会使用MATLAB软件分析电液压力控制系统的特性分析，加深对所学知识的理解； 1.2 掌握电液压力控制系统的特点及其校正方法； 1.3 培养应用MATLAB软件进行电液压力控制系统设计的实践能力； 2．实验内容与实验原理 见实验指导书。 3． 实验方法与步骤 3.1实验设备　计算机及MATLAB软件系统。 3.2实验步骤 3.2.1已知疲劳实验机控制系统工作原理方框图 卷曲机光电液带材矫偏控制系统方框图及传递函数如下 3.2.2 编写系统特性分析程序； 3.2.3 运行系统特性分析程序求出系统的开环伯特图，并根据稳定性条件求出系统的开环增益K； 3.2.4 运行系统特性分析程序并求出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性； 3.2.5 根据电液位置控制系的特点设计系统的校正环节； 3.2.6 编写系统特性二次建模分析程序； 3.2.7 运行系统特性分析程序求出系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 3.2.8 完成系统时域特性分析； 3.2.9 完成利用SIMULINK仿真模块对电液位置控制系统的时域响应和频域响应进行仿真分析； 4．实验报告 4.1 绘出系统的开环伯特图，计算系统的开环增益K，分析系统的开环特性； 原系统的开环传函为： GsHs=K(s2376.42+1)(s376.4+1)(s409.7+1)(s8998.3+1) 其中，取Gsv=1， K=210-2KaKsv 为系统的开环增益。 初取K=1，其bode图如下： MATLAB程序见G62： G1=tf([1/376.4^2 0 1],[1]); G2=tf([1],[1/376.4 1]); G3=tf([1],[1/409.7 1]); G4=tf([1],[1/8998.3 1]); G=G1*G2*G3*G4; bode(G) 可得穿越频率为2490rad/s和2910rad/s，对应的相位裕量分别为183及177，无增益裕量，系统稳定。 由bode图可知，开环增益K可以取无限大，系统仍然稳定。但当K过大时会引起系统的超调量过大，为保证系统精度可选取K=200 。 由K=200，取Ksv=3.3310-2 m3/s∙A，则：Ka=KKsv210-2= 3105 得开环bode图如下： MATLAB程序见G612： G1=tf([1/376.4^2 0 1],[1]); G2=tf([1],[1/376.4 1]); G3=tf([1],[1/409.7 1]); G4=tf([1],[1/8998.3 1]); G=200*G1*G2*G3*G4; bode(G) 可得穿越频率为375rad/s、378rad/s和1960000rad/s，对应的相位裕量分别为90.3、270.3及90.3，无增益裕量，系统稳定。 4.2 绘出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性，分析系统的闭环特性； 系统闭环bode图： MATLAB程序见G613： G1=tf([1/376.4^2 0 1],[1]); G2=tf([1],[1/376.4 1]); G3=tf([1],[1/409.7 1]); G4=tf([1],[1/8998.3 1]); G=feedback(200*G1*G2*G3*G4,1); bode(G) 得到谐振频率为2620rad/s ，谐振峰值为-0.0433dB。截止频率大约为370rad/s，幅频带宽0—370rad/s，相频带宽0—372rad/s。 4.3 分析系统校正的特性并给出系统的校正环节； 校正采用积分校正。为了保证系统能够跟随等速输入信号，原系统必须是I型系统，即在系统中加入积分环节，将比例环节用积分放大环节代替，得到系统开环传函为： GsHs=K(s2376.42+1)s(s376.4+1)(s409.7+1)(s8998.3+1) 4.4 给出系统二次建模的传递函数并绘制系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 系统开环传函为： GsHs=200(s2376.42+1)s(s376.4+1)(s409.7+1)(s8998.3+1) 其bode图： MATLAB程序见G63： G1=tf([1/376.4^2 0 1],[1]); G2=tf([1],[1/376.4 1]); G3=tf([1],[1/409.7 1]); G4=tf([1],[1/8998.3 1]); G5=tf([1],[1 0]); G=200*G1*G2*G3*G4*G5; bode(G) 得到穿越频率为148rad/s。 相位裕量为47.7，大于30，增益裕量为122dB，大于6dB，系统稳定。 系统的闭环bode图： MATLAB程序见G614： G1=tf([1/376.4^2 0 1],[1]); G2=tf([1],[1/376.4 1]); G3=tf([1],[1/409.7 1]); G4=tf([1],[1/8998.3 1]); G5=tf([1],[1 0]); G=feedback(200*G1*G2*G3*G4*G5,1); bode(G) 得到谐振频率为144 rad/s ，谐振峰值为1.84dB，小于3dB，满足要求。截止频率为219rad/s ，幅频带宽0—219rad/s，相频带宽0—174rad/s。 4.5 绘制系统时域响应图并分析系统的时域特性； 校正后系统对阶跃输入的响应如下： MATLAB程序见G615： G1=tf([1/376.4^2 0 1],[1]); G2=tf([1],[1/376.4 1]); G3=tf([1],[1/409.7 1]); G4=tf([1],[1/8998.3 1]); G5=tf([1],[1 0]); G=feedback(200*G1*G2*G3*G4*G5,1); step(G) 可得上升时间为0.0114s ，超调量22.8%，小于25%，满足要求。过度过程时间为0.0579s，对于阶跃信号的稳态误差为零。 4.6 绘制系统SIMULINK仿真图，并分析系统的性能。 利用simulink仿真如下：（见untitled61.mdl） simulink中输入信号为幅值为1，频率可调的正弦信号，通过改变输入信号的频率测得对应输出响应的幅值如下表： 频率（rad/s） 1 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Simulink输出幅值 1.0 1.01 1.05 1.11 1.19 1.23 1.10 0.81 0.51 0.31 0.18 可知在输入频率超过210rad/s后，输出幅值开始衰减，在系统设计的幅频带宽0—219rad/s的范围内衰减较少，超过部分衰减较大，说明校正后系统的闭环特性与设计一致，具有较好的稳定性。 5．思考并简单回答下列问题 5.1 电液压力控制系统的特点有哪些？ 答：1.原系统是一个零型有差系统，需要增设积分放大器以构成I型系统，保证对速度信号的跟随，即保证系统的精度。 2.系统的应用场合对于幅频特性要求较高，而相频特性要求低。所以设计是以幅频特性为主。 3.力控制系统的稳定性受负载刚度的影响很大，负载刚度越小，系统越不易稳定。 3.力控制系统中，输出力是被调量，而位置、速度等则取决于输出力和受力对象本身的状态。 4.力控制系统中，在阀流量允许的情况下（采用大一些的阀），使PL接近Ps 。这样有利于提高工作点处的Kc值和减小液压缸面积Ap值。 5.2 电液压力控制系的校正的目的是什么？ 答：校正的目的是提高系统的型别，改善系统精度，提高系统的稳定性。 实验七 电液速度控制系统建模和特性分析 1． 实验目的 1.1 学会使用MATLAB软件分析电液压力控制系统的特性分析，加深对所学知识的理解； 1.2 掌握电液压力控制系统的特点及其校正方法； 1.3 培养应用MATLAB软件进行电液压力控制系统设计的实践能力； 2．实验内容与实验原理 见实验指导书。 3． 实验方法与步骤 3.1实验设备　计算机及MATLAB软件系统。 3.2实验步骤 3.2.1已知一电液速度控制系统工作原理方框图 电液速度控制系统方框图及传递函数如下 3.2.2 编写系统特性分析程序； 3.2.3 运行系统特性分析程序求出系统的开环伯特图，并根据稳定性条件求出系统的开环增益K； 3.2.4 运行系统特性分析程序并求出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性； 3.2.5 根据电液速度控制系的特点设计系统的校正环节； 3.2.6 编写系统特性二次建模分析程序； 3.2.7 运行系统特性分析程序求出系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 3.2.8 完成系统时域特性分析； 4．实验报告 4.1 绘出系统的开环伯特图，计算系统的开环增益K，分析系统的开环特性； 由开环传函知：K=280 则：Ka=K0.09552.46710-20.4106=0.297 A/s∙V 系统的开环bode图： MATLAB程序见G70： G1=tf([1],[1/680^2 2*0.7/680 1]); G2=tf([1],[1/145^2 2*0.6/145 1]); G3=tf([1],[1 0]); G=280*G1*G2*G3; bode(G) 可得系统的穿越频率为179rad/s，相频裕度为-40.8，增益裕量-6.58dB，系统不稳定。 4.2 绘出系统的闭环伯特图并分析系统的闭环特性，分析系统的闭环特性； 原系统的闭环bode图： MATLAB程序见G71： G1=tf([1],[1/680^2 2*0.7/680 1]); G2=tf([1],[1/145^2 2*0.6/145 1]); G3=tf([1],[1 0]); G=feedback(280*G1*G2*G3,1); bode(G) 系统谐振频率为148rad/s ，谐振峰值为6.99dB，大于3dB，不符合要求。截止频率为215rad/s，幅频带宽为0—215rad/s，不存在相频带宽。系统明显不稳定，需要校正。 4.3 分析系统校正的特性并给出系统的校正环节； 采用滞后校正的方法。利用MATLAB中的sisotool工具求取校正环节的传函Gc(s)的表达式： 得到滞后校正环节的传函为： Gcs=1+0.26s1+2.2s 其bode图： MATLAB程序见G72： G=tf([0.26 1],[2.2 1]); bode(G) 4.4 给出系统二次建模的传递函数并绘制系统二次建模的开环伯特图和闭环伯特图并分析系统的特性； 系统二次建模后的开环bode图： MATLAB程序见G73： G1=tf([1],[1/680^2 2*0.7/680 1]); G2=tf([1],[1/145^2 2*0.6/145 1]); G3=tf([1],[1 0]); G4=tf([0.26 1],[2.2 1]); G=280*G1*G2*G3*G4; bode(G) 可得系统的穿越频率为33.8rad/s。幅频裕度为11.8dB，大于6dB；相频裕度为63.8 ，大于30，系统稳定。 校正后系统的闭环bode图： MATLAB程序见G74： G1=tf([1],[1/680^2 2*0.7/680 1]); G2=tf([1],[1/145^2 2*0.6/145 1]); G3=tf([1],[1 0]); G4=tf([0.26 1],[2.2 1]); G=feedback(280*G1*G2*G3*G4,1); bode(G) 系统的谐振频率为10.4rad/s，谐振峰值为0.718dB，小于3dB，满足要求。截止频率为67.9rad/s，幅频带宽为0—67.9rad/s，相频带宽为0—55.4rad/s。 4.5 绘制系统时域响应图并分析系统的时域特性； 系统校正后对于阶跃输入的响应如下： MATLAB程序见G75： G1=tf([1],[1/680^2 2*0.7/680 1]); G2=tf([1],[1/145^2 2*0.6/145 1]); G3=tf([1],[1 0]); G4=tf([0.26 1],[2.2 1]); G=feedback(280*G1*G2*G3*G4,1); step(G) 系统的上升时间为0.0368s ，超调量8.13%，小于25%，满足要求。过度过程时间为0.459s，对于阶跃信号的稳态误差为零。 4.6 绘制系统SIMULINK仿真图，并分析系统的性能。 SIMULINK仿真图如下： 在simulink中输入信号为幅值为1，频率可调的正弦信号，通过改变输入信号的频率测得对应输出响应的幅值如下表： 频率（rad/s） 1 10 20 30 40 50 60 70 80 100 120 Simulink输出幅值 1.0 1.06 1.04 0.97 0.90 0.83 0.75 0.67 0.62 0.49 0.35 可知在输入频率为15rad/s左右时输出幅值最大，这与系统的谐振频率10.4rad/s相一致；在输入频率超过100rad/s后，输出幅值开始衰减，在系统设计的幅频带宽0—67.9rad/s的范围内衰减较少，超过部分衰减较大，说明校正后系统的闭环特性与设计一致，具有较好的稳定性。 5．思考并简单回答下列问题 5.1 电液速度控制系统的特点有哪些？ 答：1.电液速度控制系统本身是零型有差系统，因此一般附带积分放大器变为I型系统，可以跟随速度输入信号，但存在稳态误差。 2.系统本身不稳定，需要增加校正环节。牺牲系统的响应速度和精度，以使系统达到稳定性的要求。 5.2 电液速度控制系的校正的目的是什么？ 答：校正的目的是使系统稳定，具有合适的稳定裕度。