燕山大學(xué)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)一 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)分析五、分析整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 2.1仿真結(jié)果曲線2.2計(jì)算1) 求增益裕量和相角裕量 增益裕量以分貝表示時(shí)： 由公式Kg（dB）=20lgKg=-L（wg）=-20lg|G（jwg）H（jwg）|（dB），及第一幅曲線圖中wg=2rad/s?？傻茫篏（jwg）=-0.25 H（jwg）=1代入得增益裕量Kg（dB）=12dB 由=180o+(wc),由第一幅曲線圖可得(wc)=-138.5o 所以相角裕量=180o-138.5o=41.5o2) 求系統(tǒng)的帶寬和諧振峰值 由第二幅曲線圖可得，當(dāng)對(duì)數(shù)幅值L（w）下降到-3dB時(shí)，所對(duì)應(yīng)的角頻率即為截止頻率，讀圖得wb=1.

2、07rad/s，所以系統(tǒng)的帶寬為0wBWwb=1.07rad/s。由控制工程基礎(chǔ)知：Bode圖中諧振頻率wr處對(duì)應(yīng)的值為20lgMr，由第二幅曲線圖讀圖得20lgMr=3.09dB解得Mr=1.4273) 求系統(tǒng)的最大超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差、過(guò)渡時(shí)間由MATLAB運(yùn)算結(jié)果可知：最大超調(diào)Mp=0.2783穩(wěn)態(tài)誤差e=-0.0037過(guò)渡時(shí)間ts=9.9251s 實(shí)驗(yàn)二 單位負(fù)反饋系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定五、分析整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.系統(tǒng)Simulink模型圖2.Ti=0，Kd=0，令Kp分別等于0,0.1,1,10,50得到的一組響應(yīng)曲線3.Kp=0，Kd=0，令Ti分別等于0,0.01,

3、0.1得到的一組響應(yīng)曲線4.Ti=0.01，Kp=50，令Kd分別等于0.01,0.1,0.15,0.18得到的一組響應(yīng)曲線5.令Kp=50，Ti=0.01，Kd=0.18得到系統(tǒng)最終響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)三 典型機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)4、 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1、 電機(jī)的選擇 在電動(dòng)機(jī)的選擇上，既可以選擇步進(jìn)電機(jī)，也可以選擇直流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)是：a有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。b轉(zhuǎn)換精度高，正反轉(zhuǎn)控制靈活。而直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能夠承受頻繁地沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁地?zé)o級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)能滿足各

4、種不同的特殊運(yùn)行要求。再次考慮到成本，直流電機(jī)比步進(jìn)電機(jī)要低許多。綜上所述，選擇直流電動(dòng)機(jī)。2、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速目的，但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開與關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)控制開與關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)，易損壞，壽命較短，可靠性不高?？紤]到電流、電壓的等級(jí)及小車的尺寸、外觀等因素，選用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，L2

5、98是雙H橋高電壓大電流集成電路。3、 路面檢測(cè)方案的設(shè)計(jì) 根據(jù)探測(cè)路面黑線的基本原理可選方案有：采用普通發(fā)光二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案，該方案在設(shè)計(jì)使用時(shí)，容易受到外界光源的干擾，有時(shí)候甚至檢測(cè)不到，雖然采取超高亮度的發(fā)光二極管可以降低一定的干擾，但是會(huì)增加額外的功率損耗。脈沖調(diào)制的反射式紅外接收發(fā)射器。采用交流分量的調(diào)制信號(hào)，可大幅度減少外界干擾；采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，可大大提高信噪比。 比較上述兩種方案，方案二占有很大的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)上有很多紅外探頭也都是基于這個(gè)原理，不但能完成準(zhǔn)確測(cè)量，而且避免了電路的復(fù)雜性。4、 行程檢測(cè)方法 車輪檢速與路程計(jì)算方案有：

6、采用光電編碼盤進(jìn)行檢測(cè)，用計(jì)數(shù)器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，能很精確的計(jì)算出小車已經(jīng)走過(guò)的距離。通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，霍爾傳感器與磁鋼配對(duì)使用時(shí)，每對(duì)應(yīng)一次霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖，把磁鋼固定在車輪上，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算霍爾傳感器發(fā)出脈沖的頻率，便可實(shí)現(xiàn)速度與路程計(jì)算，方法簡(jiǎn)單，且價(jià)格合理，所以選用它。5、 避障方案設(shè)計(jì) 避障方案有：脈沖調(diào)制的反射式紅外接收發(fā)射器。采用交流分量的調(diào)制信號(hào)，可大幅度減少外界干擾；采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，可大大提高信噪比。采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機(jī)前方有障礙物，否則通知單片機(jī)可以向前行駛?？紤]到價(jià)格以及具體應(yīng)用場(chǎng)合，

7、選擇方案一。5、 智能車車體設(shè)計(jì)（主要零部件二維圖，包括底座、連扳、后輪和前輪，共四張)六、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、 路面黑線檢測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 路面黑線檢測(cè)主要通過(guò)黑白線檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)，黑白線檢測(cè)傳感器有效探測(cè)距離達(dá)5cm，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，最遠(yuǎn)可達(dá)10cm，但精度降低。但小車底盤平均高度為7cm，對(duì)精度要求也不高，故完全滿足使用要求。當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，紅外光管接收到反射回來(lái)的紅外光，其輸出立即發(fā)生高電平跳變，該信號(hào)經(jīng)邏輯比較后送單片機(jī)分析處理。為保證小車沿黑線行駛，采用了兩個(gè)傳感器并行排列。在小車行走過(guò)程中，若向左方偏離黑線，則右側(cè)的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳給單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)控制車頭向右轉(zhuǎn)。向右偏

8、同理，如此即可保證小車始終沿黑線行駛。2、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) L298是雙H橋高電壓大電流集成電路，其輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻。Vss接邏輯控制部分的電源，常用+5V。Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1-IN4輸入引腳采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開與關(guān)，EnA、EnB引腳則為使能控制端。其控制表如下：輸入功能Ven=HC=H； D=L正轉(zhuǎn)C=L； D=H反轉(zhuǎn)C=D制動(dòng)Ven=LC=停止D=3、 車輪速度與路程計(jì)算 在車體和車輪上分別固定霍爾元件和磁鋼。車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)單片機(jī)測(cè)量產(chǎn)生脈沖的頻率，就可以得出小車的速度。測(cè)得車輪的直徑，可計(jì)算出車輪的周長(zhǎng)，在單片機(jī)控制時(shí)，每檢測(cè)到一個(gè)脈沖，認(rèn)為小車前進(jìn)了一周。對(duì)脈沖信號(hào)整形后送入單片機(jī)進(jìn)行