流体传动与控制系统计算机仿真.pdf

普通高等教育机电类“十三五”规划教材 流体传动与控制系统 计算机仿真 主 编 梁 全 副主编 徐 威 刘慧芳 参 编 邓佳玉 平忠源 主 审 宋胜伟 内 容 简 介 本书全面系统地介绍了流体传动与控制系统计算机仿真的理论和方法，内容包括液压系统常见的仿真方法、液压流体力学基础、MATLAB 简介、古典控制理论基础、常用的数值计算方法及 MATLAB数值计算函数、Simulink 仿真基础、液压 PLC 技术基础、常用液压元件及系统的建模方法。为了学以致用，在介绍基础理论的同时，还介绍了详细的建模操作步骤。本书体系结构完整，是高等院校机械设计制造及其自动化专业教材，可作为高等院校机械类本科高年级学生及研究生的教学用书，也可作为从事液压控制系统技术研究与应用的工程技术人员的自学与参考书籍。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 流体传动与控制系统计算机仿真/梁全主编.北京：电子工业出版社，2018.11 普通高等教育机电类“十三五”规划教材 ISBN 978-7-121-34358-2.流 .梁 .液压传动控制系统计算机仿真高等学校教材 .TH137 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2018）第 115620 号 策划编辑：赵玉山 责任编辑：韩玉宏 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871 092 1/16 印张：12 字数：307.2 千字 版 次：2018 年 11 月第 1 版 印 次：2018 年 11 月第 1 次印刷 定 价：38.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：。III 前 言 本书的写作目的是总结液压系统计算机仿真的关键技术，但在写作过程中，并没有仅仅局限在液压仿真方面，而是包含了机电控制等相关内容，所以最终本书命名为流体传动与控制系统计算机仿真。之所以命名为“传动与控制”，说明本书不仅包括“传动”系统的仿真，也包括“控制”系统的仿真。“仿真”这一名词在计算机刚刚诞生时，是一个十分时髦的词汇，那时如果什么东西能和计算机搭上边，就都会显得高深莫测、新颖别致。随着时代的进步和发展，“仿真”被滥用了，渐渐地人们把“仿真”和“不实际”“不准确”“不现实”联系在一起，使仿真脱离了其本质。本书的写作目的中很重要的一条，是希望能够还原仿真的本质。按“百度百科”中对仿真的定义，仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。这句话基本说清了仿真的本质。笔者认为，仿真有两个直接的目的：一个是分析现有系统，另一个是辅助设计新系统。仿真使实际系统不存在时，人们就能在一定程度上对其进行了解、研究。试想，价格昂贵、搭建费时费力的传动系统，借助仿真就可以在一台小小的个人计算机上运行，在还没有搭建实际的系统时，就能够对将来要发生的事情做出规划和预测，那将在多大程度上节省金钱和时间呀！所以，同学们在学习本课程时，任何时候都应该把握住仿真的本质，不能主次颠倒、本末倒置，时刻要记住，仿真不是目的而是手段。计算机仿真离不开软件，本课程采用的仿真软件是 MATLAB。之所以采用这个软件，是因为该软件能阐明仿真本质。该软件既能进行“功能仿真”，就是把液压、气动回路的功能在没有构建系统时，就能够比较清晰地展示给用户；又能进行“性能仿真”，就是深入系统内部，回答用户对系统性能探求的好奇心，是更高级的仿真。另外，本书还介绍了在 MATLAB 环境下对 PLC 系统进行仿真的方法。本书共 8 章。第 1 章介绍液压系统常见的仿真方法，第 2 章介绍液压流体力学基础，第 3章是 MATLAB 简介，第 4 章介绍古典控制理论基础，第 5 章介绍常用的数值计算方法及MATLAB 数值计算函数，第 6 章介绍 Simulink 仿真基础，第 7 章介绍液压 PLC 技术基础，第 8 章介绍常用液压元件及系统的建模方法。其中，第 3 章由沈阳工业大学徐威老师撰写，第 5 章由沈阳工业大学刘慧芳老师撰写，其余章节和最终统稿由沈阳工业大学梁全老师完成。最后，还要回到仿真的本质上来，虽然笔者在写作过程中试图还原仿真的本质，但是由于水平有限，可能没有达到希望的目的，恳请读者在学习使用的过程中批评指正，使本书日趋完美。作 者 V 目 录 第 1 章 液压系统常见的仿真方法 1 1.1 动态系统的计算机仿真 1 1.1.1 系统与系统模型 1 1.1.2 仿真与计算机仿真 1 1.2 计算机仿真的三要素和三项基本活动 2 1.3 常见的仿真方法 2 1.3.1 传递函数分析法 3 1.3.2 功率键合图法 3 1.3.3 节点容腔法 3 1.4 系统按数学模型分类 4 1.4.1 线性系统 4 1.4.2 非线性系统 4 1.5 控制系统的线性化数学模型 5 课后题 7 第 2 章 液压流体力学基础 8 2.1 液体的主要物理性质 8 2.1.1 密度和重度 8 2.1.2 可压缩性 8 2.1.3 黏性 9 2.2 液体静力学 9 2.2.1 液体静压力及其度量 9 2.2.2 帕斯卡原理10 2.3 液体动力学 10 2.3.1 连续性方程10 2.3.2 伯努利方程（能量方程）10 2.3.3 动量方程10 2.4 阻力计算 11 2.4.1 管道中流体流动的两种状态11 2.4.2 圆管层流11 2.4.3 圆管紊流12 2.5 孔口出流及缝隙流动12 2.5.1 孔口出流12 2.5.2 缝隙流动12 课后题14 VI 第 3 章 MATLAB 简介 15 3.1 MATLAB 操作环境16 3.1.1 启动和退出16 3.1.2 菜单栏及其功能18 3.1.3 命令窗口18 3.1.4 工作空间18 3.1.5 历史命令窗口18 3.1.6 编辑调试器18 3.1.7 图形窗口（Figure Window）19 3.1.8 MATLAB 的帮助20 3.1.9 MATLAB 搜索路径21 3.2 MATLAB 数值计算22 3.2.1 MATLAB 数据类型22 3.2.2 MATLAB 变量的初始化23 3.2.3 多维数组25 3.2.4 标量运算和数组运算26 3.3 MATLAB 符号运算27 3.3.1 符号运算基础27 3.3.2 复数和复变函数运算29 3.4 MATLAB 常用绘图命令30 3.4.1 基本的绘图命令30 3.4.2 图形窗口处理命令30 3.4.3 坐标轴相关命令30 3.4.4 文字标示命令31 3.4.5 在图形上添加或删除栅格命令31 3.4.6 图形保持或覆盖命令31 3.5 MATLAB 程序设计32 3.5.1 MATLAB 编程步骤32 3.5.2 伪代码的应用33 3.5.3 关系运算符和逻辑运算符34 3.5.4 MATLAB 程序流程控制36 3.5.5 自定义函数44 课后题47 第 4 章 古典控制理论基础48 4.1 复数与复变函数 48 4.1.1 复数的定义48 4.1.2 复数的表示方法48 4.1.3 复数的四则运算49 4.1.4 复变函数49 VII 4.2 拉普拉斯变换及拉普拉斯反变换50 4.2.1 拉普拉斯变换的定义50 4.2.2 典型时间函数的拉氏变换50 4.2.3 拉氏变换的性质52 4.2.4 拉普拉斯反变换53 4.2.5 MATLAB 中的拉氏变换54 4.3 动态过程的传递函数描述55 4.4 系统模型的连接 57 4.4.1 模型串联57 4.4.2 模型并联57 4.4.3 反馈连接57 4.5 MATLAB/Simulink 在时域分析中的应用57 4.5.1 时域分析中 MATLAB 函数的应用58 4.5.2 时域响应性能指标求取60 4.6 系统误差分析与计算63 4.6.1 系统的误差与偏差64 4.6.2 系统的稳态误差与稳态偏差64 4.6.3 误差的一般计算65 4.7 控制系统的频率特性66 4.7.1 频率响应66 4.7.2 频率特性的求法67 4.7.3 频率特性的伯德图67 4.8 利用 MATLAB 绘制控制系统的伯德图68 4.9 Routh 判据 71 4.10 频率法的稳定性分析72 4.10.1 稳定判据72 4.10.2 稳定裕度72 4.10.3 相位裕度72 4.10.4 幅值裕度72 课后题74 第 5 章 常用的数值计算方法及 MATLAB 数值计算函数76 5.1 非线性方程（组）的数值解法76 5.2 微分方程的数值计算77 5.3 常微分方程（组）的解析解法77 5.3.1 用 MATLAB 求常微分方程（组）的通解77 5.3.2 用 MATLAB 求常微分方程（组）的特解78 5.4 常微分方程（组）的数值求解79 5.4.1 数值解决基本原理79 5.4.2 解微分方程（组）的欧拉法81 VIII 5.4.3 四阶定步长龙格-库塔算法81 5.4.4 常微分方程（组）的刚性和非刚性82 5.4.5 解常微分方程（组）初值问题的 MATLAB 库函数82 5.5 高阶常微分方程（组）的数值解法85 5.6 微分代数方程求解 86 课后题88 第 6 章 Simulink 仿真基础89 6.1 Simulink 简介 89 6.1.1 简介89 6.1.2 功能89 6.1.3 特点89 6.1.4 启动90 6.1.5 Simulink 建模仿真90 6.1.6 Simulink 建模仿真的基本过程90 6.2 Simulink 的建模方法 91 6.2.1 打开模型91 6.2.2 模块操作91 6.2.3 模块的连线操作91 6.2.4 Simulink 模型的基本结构92 6.3 Simulink 运行仿真 92 6.4 Simulink 模块库 93 6.4.1 模块库简介93 6.4.2 常用模块组93 6.4.3 连续模块组94 6.4.4 离散模块组94 6.4.5 非连续模块组94 6.4.6 逻辑运算模块组94 6.4.7 函数与表格模块组94 6.4.8 数学运算模块组94 6.4.9 端口与子系统模块94 6.4.10 信号通道模块组94 6.4.11 信号接受模块组94 6.4.12 信号源模块组95 6.4.13 用户自定义模块组95 6.5 子系统及其封装技术95 6.5.1 创建 Simulink 子系统的两种方法95 6.5.2 Simulink 子系统的两种作用95 6.5.3 例子95 6.6 Simulink 模型仿真 97 IX 6.6.1 仿真的基本过程97 6.6.2 对单自由度系统进行仿真97 6.7 仿真过程中代数环的消除方法 100 6.7.1 代数环产生的原因 101 6.7.2 产生代数环的条件 102 6.7.3 代数环的消除 103 课后题 104 第 7 章 液压 PLC 技术基础 105 7.1 定义 105 7.2 适用领域 105 7.3 组成 105 7.3.1 硬件 106 7.3.2 软件 108 7.4 S7-200 的寻址与基本指令 109 7.4.1 S7-200 的寻址 109 7.4.2 各数据存储区寻址 110 7.4.3 基本指令 112 7.4.4 定时器 113 7.4.5 计数器 115 7.5 用 MATLAB 仿真 PLC 117 7.5.1 仿真方法概述 117 7.5.2 数学指令的转换 123 7.5.3 计数器和定时器指令的转换 124 7.6 应用实例一 125 7.7 应用实例二 127 7.7.1 水箱的物理建模 128 7.7.2 PLC 的物理建模 131 课后题 136 第 8 章 常用液压元件及系统的建模