浙師大機電一體化設(shè)計實驗報告

1、機電一體化設(shè)計實驗報告 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機械xxx班 姓 名： 碗底魚 二零一七年四月概述 XY平臺系統(tǒng)GXY 系列工作臺集成有 4 軸運動控制器、電機及其驅(qū)動、電控箱、運動平臺等部件。各部件全部設(shè)計成相對獨立的模塊，便于面向不同實驗進行重組。 機械部分是一個采用滾珠絲杠傳動的模塊化十字工作臺，用于實現(xiàn)目標(biāo)軌跡和動作。為了紀(jì)錄運動軌跡和動作效果，專門配備了筆架和繪圖裝置，筆架可抬起或下降，其升降運動由電磁鐵通、斷電實現(xiàn)，電磁鐵的通斷電信號由控制卡通過 IO 口給出。 執(zhí)行裝置根據(jù)驅(qū)動和控制精度的要求可以分別選用交流伺服電機， 直流伺服電機和步進電機。直流伺服電機具有

2、起動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制、效率高的優(yōu)點。但維護困難，使用壽命短，速度受到限制。交流伺服電機具有高速，高加速度，無電刷維護，環(huán)境要求低等優(yōu)點，但驅(qū)動電路復(fù)雜，價格高。一般伺服電機和驅(qū)動器組成一個速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，用戶則根據(jù)需要可通過運動控制器構(gòu)造一個位置（半）閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機不需要傳感器，不需要反饋，用于實現(xiàn)開環(huán)控制；步進電機可以直接用數(shù)字信號進行控制，與計算機的接口比較容易；沒有電刷，維護方便、壽命長；啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)容易控制。步進電機的缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步（輸入脈沖而電機不轉(zhuǎn)動）等。當(dāng)采用交流伺服電機作為執(zhí)行裝置時，安裝在電機軸上的增量碼盤充當(dāng)位置傳

3、感器，用于間接測量機械部分的移動距離，如果要直接測量機械部分移動位移，則必須額外安裝光柵尺等直線位移測量裝置。 控制裝置由 PC 機、 GT-400-SV（或 GT-400-SG）運動控制卡和相應(yīng)驅(qū)動器等組成。運動控制卡接受 PC 機發(fā)出的位置和軌跡指令，進行規(guī)劃處理，轉(zhuǎn)化成伺服驅(qū)動器可以接受的指令格式，發(fā)給伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器進行處理和放大，輸出給執(zhí)行裝置?？刂蒲b置和電機（執(zhí)行裝置）之間的連接示意如下左圖所示，實物圖如下右圖所示：實驗一 直流伺服電機位置環(huán) PID 調(diào)整實驗一、實驗?zāi)康膶W(xué)會使用數(shù)字式 PID 控制器；熟悉用試探法調(diào)節(jié) PID 控制器參數(shù)的過程。二、實驗原理數(shù)字式 PID

4、控制器一般來說，位置系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性均不能令人滿意，必須在系統(tǒng)中加入適當(dāng)?shù)男Ｕb置來改造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本實驗中，通過使用在系統(tǒng)的前向通道中串聯(lián)一個 PID 控制器來改善系統(tǒng)的性能。 加入 PID 控制器校正以后的位置系統(tǒng)框圖如下。模擬式 PID 的控制算法：其中，u（t），e（t）分別是控制器的控制量輸出和系統(tǒng)的跟隨誤差，KP，T I，TD 分別是比例系數(shù)，積分時間和微分時間。離散化后得到數(shù)字式的 PID 控制算式：其中，KI，KD 分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。由于計算機適合計算增量式的算式，推導(dǎo)可得如下的增量式形式：以上形式是控制程序中實現(xiàn)的 PID 控制算法形式。對 PID 控制參數(shù)的

5、調(diào)節(jié)一般在一定的準(zhǔn)則下采取現(xiàn)場調(diào)試的方法，在 PID 控制的三個組成部分中，比例項的作用是對偏差信號做出及時響應(yīng)；微分項的作用是減少超調(diào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性；積分項的作用是消除靜差，提高控制精度，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。在實際調(diào)試時可以先選取一組 PID 參數(shù)初值，然后根據(jù)實際系統(tǒng)的控制情況對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，一般在經(jīng)過幾次調(diào)節(jié)以后均能得到較好的控制效果。三、實驗設(shè)備直流伺服線性模塊或直流伺服 XY 平臺一套GT-400-SV 卡一塊PC 機一臺四、實驗步驟1、按下電控箱上“系統(tǒng)上電”按鈕，使實驗平臺上電；2、雙擊桌面“ MotorControlBench.exe” 圖標(biāo)，打開運動控

6、制平臺實驗軟件，點擊界面下方“直流伺服電機按鈕”按鈕，進入如下圖所示界面：3、電機通道選擇“ 1 軸”，在實驗內(nèi)容中選擇“位置控制”，此時界面內(nèi)容將發(fā)生變化，在設(shè)定位置值處中輸入位置控制的目標(biāo)值40000；4、在位置環(huán) PID 參數(shù)設(shè)置欄中輸入一組 PID 控制器參數(shù)的初值3，5，5；5、點擊界面中“開始”按鈕，平臺上電機開始運動，待軸運動一段時間后，點擊“停止”按鈕停止電機運動；6、點擊“顯示”按鈕，界面右側(cè)將顯示電機位置階躍響應(yīng)曲線和數(shù)據(jù)；7、觀察位置階躍響應(yīng)曲線；8、點擊“計算”按鈕，觀察計算結(jié)果中的超調(diào)量和上升時間；9、根據(jù)結(jié)果調(diào)整 PID 參數(shù)； 10、關(guān)閉實驗平臺電源，實驗完畢。五

7、、實驗內(nèi)容以下是實驗得出的數(shù)據(jù)和曲線。設(shè)置PID 控制器參數(shù)為1，5，5時的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，5，5時的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為5，5，5時的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，2，5時的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，7，5時的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，5，2時的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，5，7時的曲線圖實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：序號比例參數(shù)（Kp）積分參數(shù)（Ki）微分參數(shù)（Kd）超調(diào)率（Mp）上升時間（tr）115515.170%0.262235514.003%0.202355512.905%0.18143258.133%0.342537517.017%0.1

8、62635214.608%0.182735713.600%0.202六、實驗總結(jié)根據(jù)實驗現(xiàn)象，分析 P、 I、 D 各個環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的控制作用；（1）從表中1、2、3組數(shù)據(jù)比較可以看出，當(dāng)保證積分參數(shù)Ki和微分參數(shù)Kd相同時，增大比例參數(shù)Kp的值，超調(diào)率和上升時間都減小了，由此可以得出比例項的作用是對偏差信號做出及時響應(yīng)（2）從表中2、4、5組數(shù)據(jù)比較可以看出，當(dāng)保證比例參數(shù)Kp和微分參數(shù)Kd相同時，增大積分參數(shù)Ki的值，超調(diào)率增大了而上升時間減小了，由此可以得出積分項的作用是消除靜差，提高控制精度，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。（3）從表中2、6、7組數(shù)據(jù)比較可以看出，當(dāng)保證比例參數(shù)Kp和積分參數(shù)Ki相

9、同時，增大微分參數(shù)Kd的值，超調(diào)率減小了而上升時間增大了，由此可以得出微分項的作用是減少超調(diào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。實驗二 運動控制器的調(diào)整PID 控制器的基本控制作用一、實驗?zāi)康牧私鈹?shù)字濾波器的基本控制作用，掌握調(diào)整數(shù)字濾波器的一般步驟和方法，調(diào)節(jié)運動控制器的濾波器參數(shù)，使電機運動達到要求的性能。二、實驗原理目前大多數(shù)工業(yè)控制器內(nèi)起核心控制作用的通常是一個濾波器，該濾波器包含了幾個基本的控制作用：比例控制作用、微分控制作用和積分控制作用?？刂破鲗⑦@幾個基本控制作用進行組合，就構(gòu)成了各種類型的控制器，下圖所示為 PID 控制器。運動控制器通常是一個數(shù)字控制器，因此其核心通常是一

10、個數(shù)字濾波器。除了上面提到比例、積分和微分控制作用外，許多運動控制器還包含有速度前饋和加速度前饋等控制作用。比例控制器實質(zhì)上就是一種增益可調(diào)的放大器。在具有積分控制作用的控制器中，控制器的輸出量 u(t)的值，是與作用誤差信號 e(t)成正比的速率變化的。積分控制器表示成拉普拉斯變換量的形式為： U(s)/E(s)=Ki/s。如果 e(t)的值加倍，則 u(t)的變化速度也加倍，當(dāng)作用誤差信號為零時， u(t)的值將保持不變。積分控制作用有時也稱為復(fù)位控制。微分控制作用是控制器輸出中與作用誤差信號變化率成正比的那一部分，有時又稱為速率控制。微分控制作用具有預(yù)測的優(yōu)點，但同時它又放大了噪聲信號，

11、并且還可能在執(zhí)行器中造成飽和效應(yīng)。微分控制作用不能單獨使用。通過將上述三種基本控制作用進行組合，可以得到不同類型的控制器，目前在工業(yè)界經(jīng)常采用的有比例加積分(PI)控制器，比例加微分（ PD）控制器和比例加積分加微分（ PID）控制器等。三、實驗設(shè)備交流伺服 XY 平臺一套GT-400-SV 卡一塊PC 機一臺實驗用工具一套四、實驗步驟1、松開 XY 平臺各電機軸與絲杠間的聯(lián)軸器,使 XY 平臺處于不加負載的工作狀態(tài);2、檢查系統(tǒng)電氣連線是否正確，確認后，給實驗平臺上電；3、雙擊桌面“ MotorControlBench.exe” 按鈕，進入運動控制平臺實驗軟件，點擊界面下方“單軸單機實驗”按

12、鈕，進入如圖所示界面；4、選取實驗電機，例如選取“ 1 軸”即實驗平臺中的 X 軸為當(dāng)前軸；5、電機控制模式欄將根據(jù)實際電機的配置情況自動設(shè)置，“脈沖量”表示控制信號為脈沖信號，“模擬電壓”表示控制信號為模擬電壓；6、設(shè)置位置環(huán) PID 參數(shù)， PID 參數(shù)在電機控制模式為“模擬電壓”下有效，“脈沖量”下無效。為了防止電機震動，調(diào)節(jié)參數(shù) Kp 時應(yīng)在教師指導(dǎo)下逐步增大；7、選擇速度規(guī)劃模式為 S 曲線模式；GT-400-SV 運動控制器具有兩種速度規(guī)劃曲線： T 形曲線和 S 形曲線，在 T 形曲線模式下設(shè)置加加速度無效。8、在 S 曲線模式參數(shù)輸入頁面中設(shè)置各運動參數(shù)；參考設(shè)置如圖所示：9、

13、設(shè)置 PID 參數(shù)值；設(shè)置如圖所示：10. 將采集數(shù)據(jù)類型設(shè)置為實際值；11. 點擊“開啟軸”按鈕，將 PID 參數(shù)載入運動控制器中，點擊“運行”按鈕，電機開始轉(zhuǎn)動。同時程序讀取板卡對編碼器采樣得到的數(shù)據(jù)，位于程序界面左側(cè)的繪圖區(qū)域中的三個坐標(biāo)軸分別顯示采集到的實際位置，速度，加速度；12. 單軸運動停止。用戶設(shè)置運動停止后，程序停止讀取采樣數(shù)據(jù)，顯示曲線不再更新；13. 運動完成后，可將采集數(shù)據(jù)或圖形保存(具體操作方法見軟件使用說明書)；14. 逐步增大 Kp 參數(shù)值，重復(fù)執(zhí)行第 11 步，直到電機發(fā)生震顫， 觀察平臺的響應(yīng)情況及繪圖區(qū)域中的顯示圖形；15. 電機發(fā)生震顫，即斷伺服，將P參數(shù)

14、稍微調(diào)小，再上伺服，直到電機不發(fā)生顫震；16. 分析并理解 Kp 參數(shù)對電機運行的影響；五、實驗內(nèi)容1、改變kp（1）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=3, Kd=0, Ki=0, 控制電機得到以下運行結(jié)果：（2）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=5, Kd=0, Ki=0, 控制電機得到以下運行結(jié)果：（3）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Kd=0, Ki=0, 控制電機得到以下運行結(jié)果：（4）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=25, Kd=0, Ki=0, 控制電機得到以下運行結(jié)果：在上面Kp的調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Kp=12時，位移-時間曲線中，規(guī)劃值曲線與實際值曲線擬合的最好，所以Kp取定122、改變Ki

15、（1）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=3, Kd=0, 控制電機得到以下運行結(jié)果：（2）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=6, Kd=0, 控制電機得到以下運行結(jié)果：（3）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=9, Kd=0, 控制電機得到以下運行結(jié)果：在Ki的調(diào)節(jié)過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ki=6時，速度-時間曲線和加速度-時間曲線中，規(guī)劃值曲線與實際值曲線擬合的最好，所以Ki取定63、改變Kd（1）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=6, Kd=3, 控制電機得到以下運行結(jié)果：（2）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=6, Kd=9, 控制電機得到以下運行結(jié)果：（3）

16、設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=6, Kd=15, 控制電機得到以下運行結(jié)果：觀察以上曲線可以得出當(dāng)Kd=15時，實際曲線與理論曲線最相近綜上，PID控制器對該交流伺服電機的控制參數(shù)為Kp=12，Ki=6，Kd=15六、實驗總結(jié)1、分析P、I、D各個環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的控制作用； （1）從以上實驗曲線中可以得出保持積分系數(shù)與微分系數(shù)為0的情況下，隨著比例系數(shù)p的增大，位移，速度和加速度隨時間變化的實際值曲線越來越接近規(guī)劃值曲線，由此可以得出p環(huán)節(jié)對應(yīng)的比例控制器實質(zhì)上就是一種增益可調(diào)的放大器，反映系統(tǒng)的當(dāng)前偏差，增大Kp可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過大的比例會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；（2）I代表的是積分環(huán)節(jié)，反映系統(tǒng)的累計誤差，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度，只要有誤差，積分環(huán)