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文檔簡(jiǎn)介
1、<p><b> 目 錄</b></p><p> 一.直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)……………………………2</p><p> 1.1直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)裝置…………………………2</p><p> 1.2系統(tǒng)方塊圖……………………………………………2</p><p> 1.3直線一級(jí)倒立擺機(jī)理建?!?/p>
2、…………………………2</p><p> 1.4 Matlab仿真分析………………………………………4</p><p> 二.串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計(jì)………………………7</p><p> 2.1超前校正裝置的設(shè)計(jì)……………………………………7</p><p> 2.2滯后校正裝置的設(shè)計(jì)……………………………………9</p>
3、<p> 2.3滯后—超前裝置的設(shè)計(jì)…………………………………10</p><p> 2.4小結(jié)……………………………………………………12</p><p> 三.PID控制器的設(shè)計(jì)…………………………………13</p><p> 3.1PID控制系統(tǒng)圖…………………………………………13</p><p> 3.2PI
4、D控制器的控制規(guī)律……………………………………13</p><p> 3.3參數(shù)掃描得到合適的kp、ki、kd…………………………13</p><p> 3.4P控制器的設(shè)計(jì)…………………………………………15</p><p> 3.5PI控制器的設(shè)計(jì)…………………………………………16</p><p> 3.6PD 控制器的設(shè)計(jì)……
5、…………………………………17</p><p> 3.7PID控制器的設(shè)計(jì)………………………………………18</p><p> 3.8小結(jié)……………………………………………………19</p><p> 一、直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)</p><p> 1.1直線一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)裝置</p><p> 該裝置由計(jì)
6、算機(jī)、電控箱、一級(jí)倒立擺系統(tǒng)等部件組成,控制一級(jí)擺倒立。</p><p><b> 1.2系統(tǒng)方塊圖</b></p><p> 1.3直線一級(jí)倒立擺機(jī)理建模 </p><p> 在忽略了空氣阻力,各種摩擦之后,可將直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng),如下圖1.3所示。</p><p> 我們不妨做以下
7、假設(shè): M 小車質(zhì)量 </p><p><b> m 擺桿質(zhì)量 </b></p><p><b> b 小車摩擦系數(shù) </b></p><p> I 擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度 </p><p><b> I 擺桿慣量 </b></p><p>
8、 F 加在小車上的力 </p><p><b> x 小車位置 </b></p><p> φ 擺桿與垂直向上方向的夾角 </p><p> θ 擺桿與垂直向下方向的夾角(考慮到擺桿初始位置為豎直向下)</p><p> 因?yàn)槲覀兊妮斎肓渴切≤嚨募铀俣?,輸出量是小車的角度,所以在這里我們僅對(duì)小車的加速度和位移進(jìn)
9、行物理分析。</p><p> 對(duì)擺桿垂直方向的合力進(jìn)行分析,得到下面的方程:</p><p><b> ?。?-1)</b></p><p> 力矩平衡方程如下: (1-2)</p><p> 因?yàn)棣?π+φ,cosφ= -cosθ,sinφ= -sinθ,故等式前面有負(fù)號(hào)。</p>
10、<p> 將這個(gè)兩個(gè)方程進(jìn)行化簡(jiǎn)合并,可以得到方程:</p><p><b> (1-3)</b></p><p> 設(shè)(是擺桿與垂直向上方向之間的夾角),假設(shè)與1(單位是弧度)相比很小,即«1,則可以進(jìn)行近似處理:cosφ=1 ,線性化后兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方程如下:</p><p><b> (1-4)<
11、/b></p><p> 對(duì)方程組進(jìn)行拉普拉斯變換,得到 :</p><p><b> (1-5)</b></p><p> 所以擺桿角度和小車位移的傳遞函數(shù)為:</p><p><b> (1-6)</b></p><p> 由上式化簡(jiǎn)可得出擺桿角度和小車加
12、速度的傳遞函數(shù)為:</p><p><b> (1-7)</b></p><p> 實(shí)際系統(tǒng)的模型參數(shù)如下: M 小車質(zhì)量 1.096 Kg ,m 擺桿質(zhì)量 0.109 Kg ,b 小車摩擦系數(shù) 0 .1N/m/sec ,l 擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度 0.2 5m ,I 擺桿慣量 0.0034 kg*m*m ,T 采樣頻率 0.005秒 。</p>
13、<p> 將模型參數(shù)代入公式(1-7)可得:</p><p> 1.4 Matlab仿真分析</p><p> Matlab程序清單:</p><p><b> K=100;</b></p><p> num=k*0.02725;</p><p> den=[0.01021
14、25 0 -0.26705];</p><p> ga=tf(num,den); %待校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)</p><p> gb=feedback(ga,1,-1); %待校正系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p> figure(1); </p><p> st
15、ep(gb);grid; %待校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)</p><p> figure(2);</p><p> margin(ga);grid; %待校正系統(tǒng)的Bode圖</p><p> figure(3);</p><p> rlocus(ga);grid;
16、 %待校正系統(tǒng)的根軌跡</p><p><b> 運(yùn)行結(jié)果:</b></p><p> 圖1.4.1 待校正系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)</p><p> 圖1.4.2 待校正系統(tǒng)的Bode圖</p><p> 圖1.4.3 待校正系統(tǒng)的根軌跡</p><p> 由圖1.4.1-
17、1.4.3可知,該系統(tǒng)不穩(wěn)定,所以需要進(jìn)行校正。</p><p> 二、串聯(lián)校正裝置的頻域設(shè)計(jì)</p><p> 2.1超前校正裝置的設(shè)計(jì)</p><p><b> 校正目標(biāo)如下:</b></p><p> 1.設(shè)Kp≥0,相位裕量 400</p><p><b> 則根據(jù)
18、</b></p><p><b> 解得K=98</b></p><p> 2.由伯德圖可知,原系統(tǒng)的 = ,ωc =15.7rad/s</p><p> =Δθ+ε=40°-0°+5°(ε取5°) </p><p> 令 =
19、 ,按下式確定α,即 </p><p> 為了充分利用超前網(wǎng)絡(luò)的相位超前特性,應(yīng)使校正后系統(tǒng)的截止頻率c正好在ωm處,即?。害豤=ωm。 </p><p> 分析可知,ωm位于1/αT與1/T的幾何中點(diǎn),求得:</p><p> 而在ωm在點(diǎn)上G0(jω)的幅值應(yīng)為:</p><p> -10lg α= -7.65dB</p&g
20、t;<p> 3.從 原系統(tǒng)的伯德圖上,可求得</p><p> ωm=24.9 rad /s</p><p><b> 所以</b></p><p> 4.為了補(bǔ)償超前網(wǎng)絡(luò)造成的衰減,引入 倍的放大器 。得到超前校正裝置的傳遞函數(shù)</p><p> 所以,校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞
21、函數(shù):</p><p> 5.Matlab仿真分析</p><p> num0=0.02725;</p><p> num1=[10 100];</p><p> num=conv(num0,num1); </p><p> den0=[0.0102125 0 -0.26705];<
22、/p><p> den1=[0.025 1];</p><p> den=conv(den0,den1);</p><p> ga=tf(num,den);</p><p> gb=feedback(ga,1,-1);</p><p> figure(1);</p><p> step(
23、gb);grid;</p><p> figure(2);</p><p> margin(ga);grid;</p><p><b> 運(yùn)行結(jié)果:</b></p><p> 圖2.2.1 超前校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)</p><p> 由階躍響應(yīng)圖像可知,此超前環(huán)節(jié)可調(diào)整系統(tǒng)至穩(wěn)定,但
24、超調(diào)量較大。</p><p> 圖2.22 超前校正后系統(tǒng)的Bode圖</p><p> =400 ,h=+dB,ωc 從15.7 rad/s增加到了30.7 rad/s,且由相頻曲線可得系統(tǒng)已穩(wěn)定。原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到改善,滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。</p><p> 超前網(wǎng)絡(luò)是利用網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性,只要正確地將超前網(wǎng)絡(luò)的交接頻率1/ɑT和1/T選在待校正系統(tǒng)截
25、止頻率的兩旁,并適當(dāng)選擇ɑ和T,就可以使已校正系統(tǒng)的截止頻率和相角裕度滿足性能指標(biāo)的要求,從而改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。超前校正能使瞬態(tài)響應(yīng)得到顯著改善,穩(wěn)態(tài)精確度的改變則很小,它可以增強(qiáng)高頻噪聲效應(yīng)。</p><p> 2.2校正裝置的設(shè)計(jì)</p><p><b> Gc(s)= </b></p><p> 滯后網(wǎng)絡(luò)是利用滯后網(wǎng)絡(luò)的高頻幅
26、值衰減特性,使已校正系統(tǒng)截止頻率下降,從而使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度。而由待校正系統(tǒng)的相頻特性曲線可以看出,原系統(tǒng)相位裕度為00 ,滯后補(bǔ)償無法對(duì)原系統(tǒng)提升相位,補(bǔ)償后的相位裕度小于等于0°,無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求,所以該系統(tǒng)無法使用滯后補(bǔ)償。</p><p> 滯后校正使穩(wěn)態(tài)精確度得到顯著提高,但瞬間響應(yīng)的時(shí)間卻隨之而增加。滯后校正能抑制高頻噪聲信號(hào)的影響。</p><p> 2.
27、3滯后—超前校正裝置的設(shè)計(jì)</p><p><b> 校正目標(biāo)如下</b></p><p><b> 1.</b></p><p> =46°,ωc=18rad/s,因?yàn)橐?°的余量 ,可得 =54°
28、 </p><p> =arcsin[(a-1)/(a+1)],即54=arcsin[(a-1)/(a+1)],解得a=7.16。</p><p> 2.1/Ta=0.1ωc ,得Ta=0.49</p><p> 又-20lga+L’(ωc ’’)+20lgTbωc ’’=0,解得Tb=0.5989,</p><p&g
29、t; 3.-滯后校正器的傳遞函數(shù)為</p><p> 4.Matlab仿真分析:</p><p> num0=0.02725;</p><p> num1=[30 108.89 100];</p><p> num=conv(num0,num1); </p><p> den0=[0.0
30、102125 0 -0.26705];</p><p> den1=[0.3224 4.11 1];</p><p> den=conv(den0,den1);</p><p> ga=tf(num,den);</p><p> gb=feedback(ga,1,-1);</p><p> figure(1)
31、;</p><p> step(gb);grid; </p><p> figure(2); </p><p> margin(ga);grid;</p><p> 圖2.3.1超前-滯后校正后系統(tǒng)單位階
32、躍響應(yīng)</p><p> 圖2.3.2超前-滯后校正后系統(tǒng)的Bode圖</p><p> 滯后-超前校正綜合了超前校正和滯后校正兩者的特性。它增加了相位超前角,并且在增益交接頻率上增大了相位裕量。滯后—超前校正裝置的相位滯后部分在增益交接頻率附近引起響應(yīng)的衰減。因此,它允許在低頻范圍內(nèi)增大增益,從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。</p><p><b> 2.
33、4小結(jié)</b></p><p> 由于原系統(tǒng)的相位裕度是0°,滯后補(bǔ)償無法對(duì)原系統(tǒng)提升相位。所以滯后不能滿足要求。而超前,超前-滯后兩種方法均能滿足要求。比較這兩周方法,會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然超前-滯后的穩(wěn)定性沒有超前好,但是他的響應(yīng)速度變快了,而且控制精度也比超前要好,這兩種方法各有個(gè)優(yōu)點(diǎn),綜合考慮超前-滯后更好一些。</p><p> 1.超前校正是利用相位超前的特性,獲
34、得所需要的結(jié)果;滯后校正是利用其高頻衰減特性,獲得所要的結(jié)果。而滯后—超前是兼有兩者的特性,從而達(dá)到要求的。</p><p> 2.超前校正一般用來改善穩(wěn)定裕度。它有可能提供更高的增益交接頻率。比較高的增益交接頻率意味著比較大的帶寬,大的帶寬意味著調(diào)整時(shí)間的減少。因此,如果需要大的帶寬,或者說具有快速的響應(yīng)特性,應(yīng)當(dāng)采用超前校正。但它需要一個(gè)附加的增益增量,以補(bǔ)償超前網(wǎng)絡(luò)本身的衰減。</p>&l
35、t;p> 3.滯后校正降低了系統(tǒng)在高頻區(qū)的增益,但是并不降低系統(tǒng)在低頻區(qū)的增益。因?yàn)橄到y(tǒng)的帶寬減小,所以系統(tǒng)具有較低的響應(yīng)速度。因?yàn)榻档土烁哳l增益,系統(tǒng)的總增益可以增大,因此低頻增益可以增加,故改善了穩(wěn)態(tài)精度。此外,系統(tǒng)中包含的任何高頻噪聲,都可以得到衰減。</p><p> 4.如果既需要獲得快速響應(yīng)特性,又需要獲得良好的穩(wěn)態(tài)精度,則可以采用滯后—超前校正裝置。通過應(yīng)用滯后—超前校正裝置,低頻增益增大
36、,改善了穩(wěn)態(tài)精度,也增大了系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定裕度。</p><p> 三.PID控制器的設(shè)計(jì)</p><p> 3.1PID控制系統(tǒng)圖:</p><p> 3.2PID控制器的控制規(guī)律:</p><p> 將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,故稱PID控制器。其控制規(guī)律為</p&g
37、t;<p> 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式</p><p> 式中:——比例系數(shù);——積分時(shí)間常數(shù);——微分時(shí)間常數(shù)。</p><p> 3.3程序掃描法得到合適的kp、ki、kd</p><p> Matlab程序清單:t=0:0.01:10;</p><p> for kp=70:1:180</p><
38、p> for ki=95:1:120</p><p> for kd=5:1:30</p><p> numpid=[kd kp ki];</p><p> denpid=[1 0];</p><p> num=0.02725;</p><p> den=[0.0102125 0 -0.26705];
39、</p><p> numc=conv(num,numpid);</p><p> d1=conv(denpid,den);</p><p> sys=tf(numc,d1);</p><p> sys1=feedback(sys,1,-1);</p><p> y=step(sys1,t);</p&g
40、t;<p> s=101;while y(s)>0.98 & y(s)<1.02;s=s-1;end;</p><p> settling_time=(s-1)*0.01</p><p> if settling_time<1</p><p><b> break;</b></p>
41、<p><b> end</b></p><p><b> end</b></p><p> if settling_time<1</p><p><b> break;</b></p><p><b> end</b></
42、p><p><b> end</b></p><p> if settling_time<1</p><p><b> break;</b></p><p><b> end</b></p><p><b> end</b&g
43、t;</p><p> figure(1);</p><p> step(sys1);</p><p><b> grid</b></p><p><b> xlabel</b></p><p><b> ylabel</b></p>
44、;<p> sol=[kp;ki;kd;settling_time]</p><p><b> kp</b></p><p><b> ki</b></p><p><b> kd</b></p><p> settling_time </p&g
45、t;<p><b> 運(yùn)行結(jié)果:</b></p><p> Kp=70;ki=110;kd=8;settling_time=0.9900</p><p> 圖3.1PID參數(shù)掃描階躍響應(yīng)圖</p><p> 3.4比例控制器的設(shè)計(jì)</p><p> 圖3.4.1比例控制器框圖</p>
46、<p> 圖3.4.2一級(jí)倒立擺比例控制器控制下小車位移與擺桿角度</p><p> 圖3.4.3一級(jí)倒立擺比例控制器控制下階躍響應(yīng)</p><p> Kp的取值會(huì)影響系統(tǒng)的開環(huán)增益和響應(yīng)速度,kp越大響應(yīng)速度越快。由此P控制器的階躍響應(yīng)圖像可知,系統(tǒng)并不穩(wěn)定,所以此P控制器無法達(dá)到要求。</p><p> 3.5比例-積分控制器的設(shè)計(jì)</
47、p><p> 圖3.5.1比例-積分控制器框圖</p><p> 圖3.5.2一級(jí)倒立擺比例-積分控制器控制下小車位移與擺桿角度</p><p> 圖3.5.3一級(jí)倒立擺比例-積分控制器控制下階躍響應(yīng)</p><p> 引入PI控制器后,閉環(huán)系統(tǒng)由原來的Ⅰ型系統(tǒng)變成了Ⅱ型系統(tǒng),對(duì)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性是有好處的。但ki越大將使系統(tǒng)超調(diào)增大,過
48、大的ki會(huì)使系統(tǒng)發(fā)散。由此PI控制器的階躍響應(yīng)圖像可知,系統(tǒng)并不穩(wěn)定,所以此PI控制器不能達(dá)到目標(biāo)。</p><p> 3.6比例-微分控制器的設(shè)計(jì)</p><p> 圖3.6.1比例-微分控制器框圖</p><p> 圖3.6.2一級(jí)倒立擺比例-微分控制器控制下小車位移與擺桿角度</p><p> 圖3.6.3一級(jí)倒立擺比例-微分控
49、制器控制下階躍響應(yīng)</p><p> PD調(diào)節(jié)器的引入,相當(dāng)于給原系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)增加了一個(gè) s= -Kp / KD 的零點(diǎn),kd取得過大會(huì)使系統(tǒng)過度時(shí)間變長(zhǎng),而過小的kd又會(huì)使系統(tǒng)震蕩增加。由此PD控制的階躍響應(yīng)可知,我們選到了一個(gè)合適的kd參數(shù),它使系統(tǒng)穩(wěn)定,所以此PD控制器滿足要求。</p><p> 3.7 PID控制器的設(shè)計(jì)</p><p>
50、圖3.7.1比例-積分-微分控制器框圖</p><p> 圖3.7.2比例-積分-微分控制器控制下小車位移與擺桿角度</p><p> 圖3.7.3比例-積分-微分控制器控制下階躍響應(yīng)</p><p> 由此PID的階躍響應(yīng)圖像可知,系統(tǒng)穩(wěn)定,所以PID控制可以滿足要求。</p><p><b> 3.8小結(jié)</b&g
51、t;</p><p> 在上面已經(jīng)驗(yàn)證過,P和PI控制不能使擺桿立起來。它們不能滿足要求。而PD和PID控制都能滿足要求,比較這兩種方法,會(huì)發(fā)現(xiàn)PID控制比PD控制多了一個(gè)零點(diǎn),阻尼比就變大,同時(shí)抑制系統(tǒng)的震蕩,系統(tǒng)更穩(wěn)定了。因此,PID控制法更好。</p><p><b> 參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p> 1.《自動(dòng)控制原理》
52、第五版. 胡壽松. 科學(xué)出版社</p><p> 2.《綜合課程設(shè)計(jì)A任務(wù)書》.盛沙、戴波.北京石油化工學(xué)院</p><p> 3.《Matlab及其在電路與控制理論中的應(yīng)用》.陳小平、李長(zhǎng)杰.</p><p> 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社</p><p> 4.《Matlab原理與工程應(yīng)用》.【美】Edward B.Magrab.電子工
53、業(yè)出版社</p><p> 5.《現(xiàn)代控制工程》第四版.【美】Katsuhiko Ogata. 電子工業(yè)出版社</p><p><b> 體 會(huì)</b></p><p> 為期三周的控制系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束。在這三周中,我與我的小組學(xué)到了學(xué)到從課本和課堂上很難接觸到的內(nèi)容和知識(shí)。我認(rèn)為課程設(shè)計(jì)是最能培養(yǎng)能力的一個(gè)環(huán)節(jié)。首先,第一
54、周,我們自學(xué)了自動(dòng)控制原理第六章線性系統(tǒng)的校正方法,Matlab軟件的應(yīng)用。學(xué)習(xí)了如何設(shè)計(jì)超前、滯后、滯后—超前的傳遞函數(shù),還有三階工程法以及PID控制器。其次,依據(jù)任務(wù)指導(dǎo)書我們了解了此次課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)。從對(duì)系統(tǒng)的機(jī)理建模、Matlab編程到各種控制器的設(shè)計(jì)比較。我覺得我們收獲頗豐。最重要的是,我們嘗試并很好的學(xué)會(huì)如何在小組中發(fā)揮自己的總用,盡自己的努力和優(yōu)勢(shì),為這個(gè)小組貢獻(xiàn)自己的力量。</p><p>
55、 通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性,只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,我們只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來,在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,從理論中得出結(jié)論,才能真正為創(chuàng)造出價(jià)值,從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。并且,學(xué)習(xí)是一個(gè)持續(xù)的過程,永遠(yuǎn)不要滿足自己所學(xué)的,因?yàn)橛性S多的東西你還沒有學(xué)到,還有許多其它領(lǐng)域的知識(shí)是自己所不曾涉及到的。例如,這次的課程設(shè)計(jì),我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)理建模,得到了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。而后用Ma
56、tlab對(duì)其進(jìn)行仿真,但得到的圖像我們從沒見類似的,一時(shí)之間我們不知所措,不知道如何利用得到的圖像,這就是我們的不足?,F(xiàn)在的我們,可能只會(huì)對(duì)學(xué)過的或遇到過的系統(tǒng)和圖像進(jìn)行分析并加以利用。但一旦遇到?jīng)]有接觸過的我們就毫無辦法了。課程設(shè)計(jì)就是為了解決這樣的問題而存在的,我們只有虛心去學(xué)習(xí),問老師,查資料才能彌補(bǔ)自身的不足</p><p> 此次課程設(shè)計(jì),尤其讓我覺得受用終身的是,學(xué)到了一門功能強(qiáng)大的軟件和語言—Ma
57、tlab,矩陣實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)軟件我很早就聽說過,但一直沒有合適的情景去學(xué)習(xí)它。是課程設(shè)計(jì)為我搭建這個(gè)平臺(tái),讓我不僅對(duì)Matlab有了一個(gè)整體的認(rèn)識(shí),也讓我對(duì)Matlab在本專業(yè)中的應(yīng)用有一個(gè)很好的學(xué)習(xí)。在這期間,我學(xué)到了許多命令,函數(shù)功能和編譯方法,尤其是Matlab中的SIMULINK在我們控制領(lǐng)域是有很重要的用處的。</p><p> 我會(huì)永遠(yuǎn)記住這次的課程設(shè)計(jì),它對(duì)自動(dòng)控制原理的學(xué)習(xí)與實(shí)踐以及今后的相關(guān)學(xué)習(xí)
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