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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 題目: 電纜卷線機(jī)線速控制 </p><p><b> 一、控制系統(tǒng)分析</b></p><p> ?。ㄒ唬┛刂葡到y(tǒng)分析:</p><p> 電纜卷線機(jī)線速控制系統(tǒng)如圖1-1-1所示。</p><p> 圖1-1-1 電纜卷線機(jī)控制系統(tǒng)</p><p
2、> ?。ǘ┛刂七^程分析:</p><p> 電纜卷線機(jī)控制系統(tǒng)中,一個(gè)測(cè)速計(jì)用來測(cè)量電纜離開卷線筒的速度,轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出用來控制卷軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度。當(dāng)電纜繞滿時(shí),電纜卷筒的半徑R為4m。當(dāng)沒有卷繞電纜時(shí),卷軸的半徑R=2m。若電纜卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為I=18.5R4-221,則半徑變化率為:</p><p> 式中:W為卷軸厚度;D為電纜直徑。</p><p>
3、; Rw為電纜的實(shí)際速度,卷軸角速度w= =轉(zhuǎn)矩積分的1/I倍。放大器的傳遞函數(shù)是K,電機(jī)的傳遞函數(shù)為 ,測(cè)速計(jì)為 。</p><p><b> 二、控制系統(tǒng)建模</b></p><p> (一)轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)特性變量關(guān)系:</p><p> 電纜卷線機(jī)速度控制系統(tǒng)中,與電纜卷線機(jī)線速度變化相關(guān)的主要變量都集中在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性環(huán)節(jié),系統(tǒng)內(nèi)部各變
4、量和參數(shù)定義如下:</p><p><b> R——卷筒半徑</b></p><p><b> I——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</b></p><p><b> D——電纜直徑</b></p><p><b> W——卷軸厚度</b></p><
5、;p><b> M——轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b> ω——卷軸角速度</b></p><p> 在電纜卷線機(jī)工作的過程當(dāng)中,根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)關(guān)系和剛體力學(xué)基本工作原理,各變量之間的變量關(guān)系如下:</p><p> I=18.5R4-221 </p>&l
6、t;p> dR/dt=-(D^2w')/2πW </p><p> ω=1/I*∫M </p><p> ?。ǘ┛刂葡到y(tǒng)仿真模型</p><p> 卷軸松開時(shí),卷軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是隨時(shí)間變化的仿真過程中應(yīng)將這個(gè)變化考慮在內(nèi)。根據(jù)(一)中式子變量之間的關(guān)系,若電纜的期望速度為50m/s,W=
7、2,D=0.1,以及t=0時(shí)R=3.5的情況下,選取增益K的取值分別為0.01、0.1、0.5等不同取值,在Simulink中搭建仿真模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真,系統(tǒng)仿真圖如下圖2-2-1所示。</p><p> 圖2-2-1 Simulink仿真模型</p><p> 三、系統(tǒng)特性研究和最佳控制策略確定</p><p> (一)單純的比例控制調(diào)節(jié):&
8、lt;/p><p> 當(dāng)增益K=0.01、0.1、0.5、1時(shí),分別計(jì)算系統(tǒng)在20s內(nèi)的速度響應(yīng)。選擇增益K的取值,使系統(tǒng)的超調(diào)量小于20%并保證最快的響應(yīng)速度。</p><p> 調(diào)節(jié)K=0.01、0.1、0.5、1時(shí)響應(yīng)曲線如下圖3-1-1、圖3-1-2、圖3-1-3、圖3-1-4所示:</p><p> 圖3-1-1 K=0.01
9、 圖3-1-2 K=0.1</p><p> 圖3-1-3 K=0.5 圖3-1-4 K=1</p><p> 由以上四幅圖,可見K分別取值0.01、0.1、0.5、1時(shí),隨著系統(tǒng)比例增益的增加,被控量的穩(wěn)態(tài)偏差減小,但也因?yàn)榭刂屏孔兓^大而造成控制過程的震蕩加劇。隨著K增大,由于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差減小開始系統(tǒng)的響應(yīng)速度有大變小,但是當(dāng)K
10、大于一定值時(shí),系統(tǒng)的超調(diào)量增加,因?yàn)檎鹗幖觿?,穩(wěn)定時(shí)間又增大,響應(yīng)時(shí)間再變大,不能取到最優(yōu)。經(jīng)過多次試探,當(dāng)K=0.69時(shí),系統(tǒng)的超調(diào)量控制在了20%以內(nèi),同時(shí)保證響應(yīng)速度最快為8.915s。響應(yīng)曲線如圖3-1-5所示:</p><p> 圖3-1-5 K=0.69系統(tǒng)響應(yīng)曲線</p><p> (二)比例—積分—微分(PID)控制器調(diào)節(jié):</p><p>
11、比例—積分—微分(PID)控制器是在工業(yè)過程控制中最常見的一種控制裝置,廣泛的應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和電力等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。PID的基本控制作用有:比例作用提供基本的反饋控制;積分作用用于消除穩(wěn)態(tài)誤差;微分作用可預(yù)測(cè)將來的誤差變化以減小動(dòng)態(tài)偏差。PID控制器特別適用于過程的動(dòng)態(tài)特性是線性的而且控制性能要求不太高的場(chǎng)合。</p><p> 它的傳遞函數(shù)Gc(s)=Kp(1+1/Ti*s+Td*s)<
12、;/p><p> 在此處電纜卷線機(jī)線速控制系統(tǒng)中,用PI、PD或PID控制器替換放大器并進(jìn)行調(diào)試,與單純的P控制比較控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)變化。</p><p> 在Simulink模型中,可按圖3-2-1所示組成PID控制器,其中Ki=1/Ti</p><p> 圖3-2-1 理想PID控制器模型</p><p> 1、用PI控制器替換放大
13、器,得到系統(tǒng)模型如圖3-2-2所示:</p><p> 圖3-2-2 PI控制器系統(tǒng)仿真模型</p><p> 在PI控制器中,控制變量,固定Kp=0.69不變,改變Ki=1/Ti的值,分別選取Ki=1、0.1、0.05、0.01、0.001、0.000001,觀察Ki由大變小對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響,響應(yīng)曲線分別如下圖3-2-3、圖3-2-4、圖3-2-5、圖3-2-6、圖3-2-7、圖3-
14、2-8所示</p><p> 圖3-2-3 Ki=1 圖3-2-4 Ki=0.1</p><p> 圖3-2-5 Ki=0.05 圖3-2-6 Ki=0.01</p><p> 圖3-2-7 Ki=0.001 圖3-2-8 Ki=0.000001</
15、p><p> 由上面六圖可以看出,在Ti很小,即Ki很大時(shí),比例控制器幾乎不起作用,系統(tǒng)劇烈震蕩并且不穩(wěn)定,增大Ti,即減小Ki的值,系統(tǒng)穩(wěn)定,但是在Ki較大時(shí),系統(tǒng)超調(diào)量過大,隨著Ki的變小,系統(tǒng)超調(diào)量不斷變小,并且響應(yīng)速度變快,響應(yīng)時(shí)間變短,當(dāng)Ki小道一定程度,繼續(xù)減小Ki,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)還會(huì)繼續(xù)有微小的變化,成倍改變Ki數(shù)值,對(duì)參數(shù)影響作用變得不明顯,取Ki=0.001時(shí),響應(yīng)時(shí)間為8.92s</p&
16、gt;<p> 2、用PD控制器替換放大器,得到系統(tǒng)模型如圖3-2-9所示:</p><p> 圖3-2-9 PD控制器系統(tǒng)仿真模型</p><p> 在PD控制器中,控制變量,固定Kp=0.8不變,改變Kd的值,分別選取Td=5、1、0.5、0.1,觀察Td由大變小對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響,響應(yīng)曲線分別如下圖3-2-10、圖3-2-11、圖3-2-12、圖3-2-13所示&l
17、t;/p><p> 圖3-2-10 Td=5 圖3-2-11 Td=1</p><p> 圖3-2-12 Td=0.5 圖3-2-13 Td=0.1</p><p> 由上圖可見,調(diào)節(jié)Td的大小,使Td有大變小的過程中,在Td較大時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間拖得很長(zhǎng),隨著Td的減小,系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間不
18、短的縮短;但是當(dāng)Td小于一后,系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)量,并隨著Td的進(jìn)一步減小,超調(diào)量增大,系統(tǒng)出現(xiàn)輕微震蕩,雖然此時(shí)的超調(diào)量沒有超出系統(tǒng)的要求指標(biāo),但是由于系統(tǒng)震蕩的出現(xiàn),增大了調(diào)整時(shí)間,似的響應(yīng)相對(duì)變慢。不斷地試探Td的取值,當(dāng)Td=0.73時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)最快,響應(yīng)時(shí)間為4.6649s,響應(yīng)圖像如下圖3-2-14所示:</p><p> 圖3-2-14 Kd=0.73時(shí)PD控制器響應(yīng)曲線</p><
19、;p> 3、用PID控制器替換放大器,得到系統(tǒng)模型如圖3-2-15所示:</p><p> 圖3-2-15 PID控制器系統(tǒng)仿真模型</p><p> 利用衰減曲線經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)純比例控制器衰減振蕩曲線進(jìn)行PID的參數(shù)整定,得到當(dāng)Kp=1.72的時(shí)候,衰減比為4:1,計(jì)算出要正定的PID控制器參數(shù)Kp=2.15,積分時(shí)間Ti=2.001,所以Ki=0.49975,微分時(shí)間Td=0
20、.667,得到PID整定的曲線效果如圖3-2-16所示,超調(diào)量過大,效果并不好。</p><p> 圖3-2-16 PID控制器經(jīng)驗(yàn)法響應(yīng)曲線</p><p> 按照P、I、D控制器各自的功能特點(diǎn),通過不斷地嘗試改變參數(shù),增大積分時(shí)間使減小Ki,減小系統(tǒng)的超調(diào)量,并調(diào)節(jié)微分時(shí)間Td使得超調(diào)量盡量小,以使得調(diào)整時(shí)間不用拖得過長(zhǎng),得到當(dāng)Kp=2.15、Ki=0.145、Td=1.8時(shí),效果
21、最后,整定得到的PID控制器響應(yīng)曲線如圖3-2-17所示:</p><p> 圖3-2-17 PID控制器修正響應(yīng)曲線</p><p> 修正后,雖然系統(tǒng)的超調(diào)量得到了改善,但是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間又被拖長(zhǎng)。</p><p> 針對(duì)該系統(tǒng),通過用PI、PD、PID控制器分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,與單純的P控制器比較控制系統(tǒng)性能指標(biāo),當(dāng)采用PD控制器時(shí),系統(tǒng)的超調(diào)量小于20
22、%的情況下響應(yīng)速度最快,效果最佳。</p><p> ?。ㄈ┛刂破鞯念l域法設(shè)計(jì):</p><p><b> 1、超前控制器調(diào)試</b></p><p> 超前控制器主要作用是通過其相位超前效應(yīng)來改變頻率響應(yīng)曲線的形狀,產(chǎn)生足夠大的相位超前角,以補(bǔ)償原來系統(tǒng)中原件造成的過大的相位滯后。</p><p> 超前控制器
23、數(shù)學(xué)模型為 (α>1)</p><p> 在系統(tǒng)仿真模型中,用超前控制器替換放大器進(jìn)行調(diào)試</p><p> 首先,控制α不變,改變變量T,觀察T的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。</p><p> 先固定α=3,將T由0——1中采樣取值進(jìn)行試驗(yàn),分別取T=0.01、0.1、0.3、0.5、0.8、1進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如下圖3-3-1、圖3-3-2、圖3-3-
24、3、圖3-3-4、圖3-3-5和圖3-3-6所示:</p><p> 圖3-3-1 T=0.01 圖3-3-2 T=0.1</p><p> 圖3-3-3 T=0.3 圖3-3-4 T=0.5</p><p> 圖3-3-5 T=0.8 圖
25、3-3-6 T=1</p><p> 有以上T的變化,系統(tǒng)不同的響應(yīng)曲線可見T=0.01和T=1時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量都超過了20%,隨著T的由小到大,系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量先變小后變大;響應(yīng)時(shí)間ts開始隨著系統(tǒng)震蕩變小二變小,之后隨著系統(tǒng)的震蕩而拖長(zhǎng),通過細(xì)致的比較當(dāng)T=0.3時(shí)系統(tǒng)曲線響應(yīng)的效果最佳,響應(yīng)速度最快。</p><p> 然后固定T=0.3,對(duì)α在1——10之間采樣觀察變化走向,分別
26、取α=1、3、5、7,響應(yīng)結(jié)果分別如圖3-3-7、圖3-3-8、圖3-3-9和圖3-3-10所示</p><p> 圖3-3-7 a=1 圖3-3-8 a=3</p><p> 圖3-3-9 a=5 圖3-3-10 a=7</p><p> 有α的變化規(guī)律可見,當(dāng)α從1到
27、3的過程中,系統(tǒng)超調(diào)量在減小,α過小則超調(diào)量過大,振蕩劇烈,拖得響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng);α從3到5的過程中,系統(tǒng)效果比較好;大于5之后則系統(tǒng)又有向下的震蕩而拖長(zhǎng)了響應(yīng)時(shí)間,所以最合適的α的值應(yīng)該取于3到5,經(jīng)過細(xì)致的試探,當(dāng)T=0.3,α=4.45時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)效果最好,響應(yīng)時(shí)間為2.0138s,系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖3-3-11所示:</p><p> 圖3-3-11 超前控制器響應(yīng)曲線</p><p>
28、; 2、滯后控制器調(diào)試:</p><p> 滯后控制器將給系統(tǒng)帶來滯后角。其目的不是為了引入滯后角,而是要使系統(tǒng)增益適當(dāng)衰減,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。</p><p> 滯后控制器的數(shù)學(xué)模型為 (β<1)</p><p> 用滯后控制器進(jìn)行調(diào)試,首先固定一個(gè)β不變,改變T的取值試探最合適的T的取值,在固定下T的取值,試探β的最佳取值,確定最佳滯后控制器。
29、</p><p> 在此系統(tǒng)中,先固定T=150,令β在0——1之間取值,令β=0.1、0.4、0.7、0.99得到響應(yīng)曲線如圖3-3-12、圖3-3-13、圖3-3-14、圖3-3-15所示</p><p> 圖3-3-12 β=0.1 圖3-3-13 β=0.4</p><p> 圖3-3-14 β=0.7
30、 圖3-3-15 β=0.99</p><p> 由以上β的變化響應(yīng)曲線可見,β選擇的太小,和系統(tǒng)響應(yīng)速度過慢,β選擇的太大,則系統(tǒng)的超調(diào)量過大,為了保證超調(diào)量不超過20%,并且要得到最快的響應(yīng)時(shí)間,β的取值應(yīng)在0.7左右,最終選定β=0.71時(shí),在超調(diào)量小于20%的情況下保證最快的響應(yīng)速度。</p><p> 固定β的取值為0.71,調(diào)整T的取值,選擇T的
31、取值分別為T=50、150、300、400,得到響應(yīng)曲線如圖3-3-16、圖3-3-17、圖3-3-18、圖3-3-19所示:</p><p> 圖3-3-16 T=50 圖3-3-17 T=150</p><p> 圖3-3-18 T=300 圖3-3-19 T=400</p><p>
32、; 以上四幅圖,T的改變對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響非常微小,起不到主導(dǎo)作用,相比之下,取T=300較為好一些。輸出響應(yīng)如圖3-3-18所示,響應(yīng)時(shí)間ts=8.8322s</p><p> 3、滯后超前控制器調(diào)試:</p><p> 相位超前控制能減少系統(tǒng)的上升之間和超調(diào)量,但是加大了系統(tǒng)的頻帶寬度,從而容易受到噪聲的影響;相位滯后控制能減少系統(tǒng)的超調(diào)量,提高它的穩(wěn)定性,但是系統(tǒng)頻帶寬度變窄,延
33、長(zhǎng)了上升時(shí)間。對(duì)有些系統(tǒng),當(dāng)之用超前控制或者滯后控制都無法滿足結(jié)果時(shí),可以采用滯后超前控制器。典型的滯后超前控制器的頻率特性設(shè)計(jì)法應(yīng)當(dāng)是超前和滯后兩種方法的結(jié)合,但是實(shí)際中考慮的因素較多,要根據(jù)所需,針對(duì)特定變量進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)上的試探。</p><p> 在該系統(tǒng)當(dāng)中,首相將前面調(diào)試出的滯后和超前控制器串聯(lián)在一起替換系統(tǒng)的放大器,得到曲線如圖3-3-20所示:</p><p> 圖3-3-2
34、0 滯后超前初步整定響應(yīng)曲線</p><p> 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間ts=5.9601s,系統(tǒng)為無超調(diào)系統(tǒng),為了進(jìn)一步提高響應(yīng)速度,增大β的取值進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試,當(dāng)β=0.93時(shí),系統(tǒng)有超調(diào)在20%以內(nèi),響應(yīng)速度相比更快,響應(yīng)時(shí)間ts=2.287s,響應(yīng)曲線如下圖3-3-21所示:</p><p> 圖3-3-21 滯后超前控制器響應(yīng)曲線</p><p> 經(jīng)過比較
35、超前控制器、滯后控制器和滯后超前控制器,單純的超前控制器已經(jīng)達(dá)到了很好的效果,超調(diào)量很小的情況下,響應(yīng)速度很快。滯后超前控制器的響應(yīng)結(jié)果比超前控制器響應(yīng)結(jié)果超調(diào)量稍小,響應(yīng)速度稍慢,兩者都達(dá)到了很好的效果,比之之前的PID的控制器響應(yīng)的效果要好得多。</p><p> 四、實(shí)踐結(jié)論討論與實(shí)踐心得</p><p> ?。ㄒ唬?shí)踐結(jié)果結(jié)論討論</p><p> 實(shí)際
36、問題運(yùn)行過程當(dāng)中,為了滿足預(yù)定的性能指標(biāo)要求,有許多的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,例如最優(yōu)控制、預(yù)測(cè)控制、魯棒控制、H∞控制等,他們的設(shè)計(jì)思路各不相同。在這里電纜卷線機(jī)線速控制系統(tǒng)中,根據(jù)系統(tǒng)的特性,分析了應(yīng)用PI、PD、PID控制器和超前、滯后、滯后超前控制器對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行整定,尋求最優(yōu)整定方案的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐。</p><p> 為了滿足在系統(tǒng)超調(diào)量小于20%的情況下,響應(yīng)速度最快的性能指標(biāo)要求,單方面的調(diào)節(jié)單一變
37、量,往往無法滿足最優(yōu)的整定結(jié)果,甚至不能滿足要求。滿足了超調(diào)量,則響應(yīng)速度變慢,滿足了響應(yīng)速度,超調(diào)量或者穩(wěn)定性出現(xiàn)不和諧的地方。</p><p> 在PID的控制器中,Kp的作用用來消除偏差,Kp越大,抑制偏差的響應(yīng)越快,但是Kp的增加也有可能帶來控制過程的反復(fù)震蕩,因此在確定的過程當(dāng)中要進(jìn)行適當(dāng)兼顧各方面指標(biāo)的一種折中。而增大Ti值,能使比例作用相對(duì)增強(qiáng),也能減小震蕩傾向,兩方面的結(jié)合就可以使得這種的效果更
38、傾向于我們所期望的數(shù)值。但Ti過小則比例控制幾乎不起作用,過大則會(huì)拖長(zhǎng)控制過程,響應(yīng)變慢。而PD控制器中Td增大,又可以減少動(dòng)態(tài)偏差,但也不宜過大。各種參數(shù)合理配置,能讓在動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求折中之后更傾向于我們所期待的最理想的結(jié)果。</p><p> 而傳統(tǒng)的頻域超前、滯后校正,對(duì)系統(tǒng)的各方面性能指標(biāo)各有自己主導(dǎo)的影響。相位超前控制器增大了系統(tǒng)的頻帶寬度,減小了系統(tǒng)的超調(diào)量,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,對(duì)響應(yīng)速度也有著積極
39、的影響。滯后控制器也可以減小超調(diào)量,但是由于滯后控制器減小了系統(tǒng)的頻帶寬度,使得上升時(shí)間增長(zhǎng)。超調(diào)量減小得越多,上升時(shí)間也就拖得越長(zhǎng),這對(duì)響應(yīng)速度是不利的。滯后超前控制器是兩者的結(jié)合,某些方面可以通過利用對(duì)方優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)本身不足,根據(jù)指標(biāo)要求,適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置,使得我們整定的系統(tǒng)更符合要求。</p><p> 在本次試驗(yàn)中,最后的超前控制器和滯后超前控制器,都要優(yōu)于PID控制PD控制很多,經(jīng)過多次的整定,通過頻域控
40、制得到了該系統(tǒng)的最優(yōu)整定方式。</p><p> ?。ǘ?shí)踐心得體會(huì):</p><p> 通過本次自控原理的課程設(shè)計(jì)實(shí)踐,相對(duì)于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)而言,讓我真正體會(huì)到了實(shí)踐活動(dòng)的綜合性。并且在研究分析的過程當(dāng)中,不僅要求對(duì)控制對(duì)象特性研究,還要求確定最佳的控制策略,而為了最佳的控制策略,就要一遍一遍不斷地嘗試,認(rèn)真的總結(jié)規(guī)律,統(tǒng)籌各方面指標(biāo)要求,合理規(guī)劃參數(shù)配置。</p><
41、;p> 在本次試驗(yàn)中,為了分析超前和滯后控制器參數(shù)的最優(yōu)選擇,運(yùn)用了控制變量的方法進(jìn)行規(guī)律分析,然后再進(jìn)行統(tǒng)籌歸納。這需要認(rèn)真的分析數(shù)據(jù)變化方向,來確定我們需要的更好的方案。</p><p> 在數(shù)學(xué)建模的過程當(dāng)中,要充分了解被控對(duì)象的工作原理和控制過程,分析與變量相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)的變化方式,準(zhǔn)確的仿真的控制過程。仿真過程中要對(duì)Simulink十分的熟悉,扎實(shí)的基礎(chǔ)才能做到事半功倍。比如在搭建Simuli
42、nk仿真模型的過程當(dāng)中,由于之前不熟悉乘法器和除法器的部件,在搭建的過程當(dāng)中遇到了很大的麻煩,靈活的應(yīng)用軟件,是做好課程設(shè)計(jì)實(shí)踐的最基本基礎(chǔ)。</p><p><b> 參考文獻(xiàn):</b></p><p> 【1】楊平,翁思義,郭平. 自動(dòng)控制原理——理論篇[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,2009.</p><p> 【2】楊平,余潔,徐
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