液壓控制系統
實驗報告
學院：機械工程學院
專業：機械工程及自動化
班級：學號：
姓名：內容：實驗
五、實驗
六、實驗七
實驗五電液位置控制系統建模和特性分析
1． 實驗目的
1.1 學會使用matlab軟體分析電液位置控制系統的特性分析，加深對所學知識的理解；
1.2 掌握電液位置控制系統的特點及其校正方法；
1.3 培養應用matlab軟體進行電液位置控制系統設計的實踐能力。
2．實驗內容與實驗原理
見實驗指導書。
3． 實驗方法與步驟
3.1實驗裝置計算機及matlab軟體系統。
3.2實驗步驟
3.2.1已知捲曲機光電液帶材矯偏控制系統工作原理方框圖
捲曲機光電液帶材矯偏控制系統方框圖及傳遞函式如下
3.2.2 編寫系統特性分析程式；
3.2.3 執行系統特性分析程式求出系統的開環伯特圖，並根據穩定性條件求出系統的開環增益k；
3.2.4 執行系統特性分析程式並求出系統的閉環伯特圖並分析系統的閉環特性；
3.2.5 根據電液位置控制系的特點設計系統的校正環節；
3.2.6 編寫系統特性二次建模分析程式；
3.2.7 執行系統特性分析程式求出系統二次建模的開環伯特圖和閉環伯特圖並分析系統的特性；
3.2.8 完成系統時域特性分析；
3.2.9 完成利用simulink**模組對電液位置控制系統的時域響應和頻域響應進行**分析；
4．實驗報告
4.1 繪出系統的開環伯特圖，計算系統的開環增益k，分析系統的開環特性；
由系統的開環傳函知： l/s
初取k=1 l/s，則系統開環傳函為：
12.178e-008 s^5 + 3.454e-006 s^4 + 0.0004238 s^3 + 0.01733 s^2 + s
matlab程式見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圖如下： 易得相位裕量，增益裕量26.7db，系統穩定。穿越頻率為1rad/s。
從穩定性考慮，相位裕量，增益裕量6db以上。所以影象可整體上移20db，即k=10。則：
系統的開環傳函為：
102.178e-008 s^5 + 3.454e-006 s^4 + 0.0004238 s^3 + 0.01733 s^2 + s
matlab程式見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)
對應開環bode圖： 得到相位裕量，增益裕量6.66db ，滿足穩定性要求。穿越頻率為10.3rad/s。
4.2 繪出系統的閉環伯特圖並分析系統的閉環特性，分析系統的閉環特性；
系統閉環傳函為：
102.178e-008 s^5 + 3.454e-006 s^4 + 0.0004238 s^3 + 0.01733 s^2 + s + 10
matlab程式見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)
閉環bode圖：
得到諧振頻率、諧振峰值都非常小，遠小於3db，滿足要求。截止頻率為13.3rad/s ，幅頻帶寬0—13.
3rad/s，相頻帶寬0—26rad/s 。系統頻寬較小，快速性較低。
由於系統開環傳函中有乙個積分環節，故該系統為i型系統，穩態誤差應為零。等速輸入會產生位置誤差，其值為：。
4.3 分析系統校正的特性並給出系統的校正環節；
設計之後校正環節，參見教程p125確定引數：
取=10，則= =100。
根據已確定的速度放大係數，畫出系統開環波特圖：
matlab程式見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)
相頻裕度為，系統不穩定。需要加滯後校正環節。
=10.3 rad/s
則： =2.5 rad/s0.25 rad/s
可得滯後校正環節的傳函（電氣校正）：
其bode圖如下：
matlab程式見g56：
g3=tf([1/5.2 1],[1/0.25 1])
bode(g3)
4.4 給出系統二次建模的傳遞函式並繪製系統二次建模的開環伯特圖和閉環伯特圖並分析系統的特性；
將滯後校正環節串聯接入系統，即校正後的系統開環傳函為：
其bode圖如下：
matlab程式見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，增益裕量6.69db ，滿足穩定性要求。穿越頻率為10.4rad/s。此時系統的開環增益還可以有少許的提高，最大開環增益為108 。
系統的閉環bode圖：
matlab程式見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)
得到諧振頻率為3.93rad/s ，諧振峰值為1.24db，小於3db，滿足要求。
截止頻率為16.5rad/s ，幅頻帶寬0—16.5rad/s，相頻帶寬0—23.
2rad/s。
4.5 繪製系統時域響應圖並分析系統的時域特性；
校正前系統的階躍響應：
matlab程式見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)
可得上公升時間為0.151s ，超調量0.445%，過度過程時間為0.4s，穩態誤差為零。
對校正後的系統進行階躍特性分析：
matlab程式見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)
階躍響應曲線如下：
可得上公升時間為0.129s ，超調量15.2%，小於25%，滿足要求。過度過程時間為1.03s，穩態誤差為零。校正後系統快速性提高，但過渡時間變長。
4.6 繪製系統simulink**圖，並分析系統的效能。
simulink中輸入訊號為幅值為1，頻率可調的正弦訊號，通過改變輸入訊號的頻率測得對應輸出響應的幅值如下表：
可知在輸入頻率為3rad/s左右時輸出幅值最大，這與系統的諧振頻率3.93rad/s相一致；輸入頻率超過10rad/s後，輸出幅值開始衰減，在系統設計的幅頻帶寬0—16.5rad/s的範圍內衰減較少，超過部分衰減較大，說明校正後系統的閉環特性與設計一致，具有較好的穩定性。
5．思考並簡單回答下列問題
5.1 電液位置控制系統的特點有哪些？
答：1.電液位置控制系統的開環傳函屬於i型系統，對於階躍訊號輸出響應的穩態誤差為零，對於等速訊號存在穩態誤差，系統不能跟隨等加速輸入。
2.系統的應用場合要求其動態響應要迅速，因此系統的頻率頻寬及開環增益應該較大。
3.校正前的系統阻尼比很小，因此相位裕量比較大。可根據增益裕量確定開環增益的大小。
4.通常系統中電液伺服閥的響應速度快（固有頻率很高），與液壓動力元件相比，其動態特性可以忽略不計，把它看為比例環節。
5.2 電液位置控制系的校正的目的是什麼？
答：目的：1.
為了滿足實際應用中的要求。工程中對於系統的開環增益要求較高，以達到快速性及較小的穩態誤差。為達到較高的開環增益且保證穩定性，往往需要增加校正環節，如常用的滯後校正環節等。
2.校正環節還可以解決減小負載誤差和增大阻尼比的矛盾。
實驗六電液壓力控制系統建模和特性分析
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