浙師大機(jī)電一體化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī)械xxx班 姓 名： 碗底魚 二零一七年四月概述 XY平臺(tái)系統(tǒng)GXY 系列工作臺(tái)集成有 4 軸運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、電控箱、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等部件。各部件全部設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的模塊，便于面向不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重組。 機(jī)械部分是一個(gè)采用滾珠絲杠傳動(dòng)的模塊化十字工作臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)軌跡和動(dòng)作。為了紀(jì)錄運(yùn)動(dòng)軌跡和動(dòng)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(yùn)動(dòng)由電磁鐵通、斷電實(shí)現(xiàn)，電磁鐵的通斷電信號(hào)由控制卡通過 IO 口給出。 執(zhí)行裝置根據(jù)驅(qū)動(dòng)和控制精度的要求可以分別選用交流伺服電機(jī)， 直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流伺服電機(jī)具有

2、起動(dòng)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(diǎn)。但維護(hù)困難，使用壽命短，速度受到限制。交流伺服電機(jī)具有高速，高加速度，無電刷維護(hù)，環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，但驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。一般伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，用戶則根據(jù)需要可通過運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)造一個(gè)位置（半）閉環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)不需要傳感器，不需要反饋，用于實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制；步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，與計(jì)算機(jī)的接口比較容易；沒有電刷，維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)；啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)容易控制。步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步（輸入脈沖而電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)）等。當(dāng)采用交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置時(shí)，安裝在電機(jī)軸上的增量碼盤充當(dāng)位置傳

3、感器，用于間接測(cè)量機(jī)械部分的移動(dòng)距離，如果要直接測(cè)量機(jī)械部分移動(dòng)位移，則必須額外安裝光柵尺等直線位移測(cè)量裝置。 控制裝置由 PC 機(jī)、 GT-400-SV（或 GT-400-SG）運(yùn)動(dòng)控制卡和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器等組成。運(yùn)動(dòng)控制卡接受 PC 機(jī)發(fā)出的位置和軌跡指令，進(jìn)行規(guī)劃處理，轉(zhuǎn)化成伺服驅(qū)動(dòng)器可以接受的指令格式，發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行處理和放大，輸出給執(zhí)行裝置?？刂蒲b置和電機(jī)（執(zhí)行裝置）之間的連接示意如下左圖所示，實(shí)物圖如下右圖所示：實(shí)驗(yàn)一 直流伺服電機(jī)位置環(huán) PID 調(diào)整實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，通過使用在系統(tǒng)的前向通道中串聯(lián)一個(gè) 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(shí)間和微分時(shí)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(jì)算機(jī)適合計(jì)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(shí)現(xiàn)的 PID 控制算法形式。對(duì) 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(chǎng)調(diào)試的方法，在 PID 控制的三個(gè)組成部分中，比例項(xiàng)的作用是對(duì)偏差信號(hào)做出及時(shí)響應(yīng)；微分項(xiàng)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(dòng)態(tài)特性；積分項(xiàng)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(shí)際調(diào)試時(shí)可以先選取一組 PID 參數(shù)初值，然后根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制情況對(duì)參數(shù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備直流伺服線性模塊或直流伺服 XY 平臺(tái)一套GT-400-SV 卡一塊PC 機(jī)一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)步驟1、按下電控箱上“系統(tǒng)上電”按鈕，使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電；2、雙擊桌面“ MotorControlBench.exe” 圖標(biāo)，打開運(yùn)動(dòng)控

6、制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件，點(diǎn)擊界面下方“直流伺服電機(jī)按鈕”按鈕，進(jìn)入如下圖所示界面：3、電機(jī)通道選擇“ 1 軸”，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中選擇“位置控制”，此時(shí)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(diǎn)擊界面中“開始”按鈕，平臺(tái)上電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，待軸運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，點(diǎn)擊“停止”按鈕停止電機(jī)運(yùn)動(dòng)；6、點(diǎn)擊“顯示”按鈕，界面右側(cè)將顯示電機(jī)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(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，觀察計(jì)算結(jié)果中的超調(diào)量和上升時(shí)間；9、根據(jù)結(jié)果調(diào)整 PID 參數(shù)； 10、關(guān)閉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電源，實(shí)驗(yàn)完畢。五

7、、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以下是實(shí)驗(yàn)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(shí)的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，5，5時(shí)的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為5，5，5時(shí)的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，2，5時(shí)的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，7，5時(shí)的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，5，2時(shí)的曲線圖設(shè)置PID 控制器參數(shù)為3，5，7時(shí)的曲線圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：序號(hào)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(shí)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(shí)驗(yàn)總結(jié)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析 P、 I、 D 各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)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(shí)，增大比例參數(shù)Kp的值，超調(diào)率和上升時(shí)間都減小了，由此可以得出比例項(xiàng)的作用是對(duì)偏差信號(hào)做出及時(shí)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(shí)，增大積分參數(shù)Ki的值，超調(diào)率增大了而上升時(shí)間減小了，由此可以得出積分項(xiàng)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(shí)，增大微分參數(shù)Kd的值，超調(diào)率減小了而上升時(shí)間增大了，由此可以得出微分項(xiàng)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(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)二 運(yùn)動(dòng)控制器的調(diào)整PID 控制器的基本控制作用一、實(shí)驗(yàn)?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(yùn)動(dòng)控制器的濾波器參數(shù)，使電機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到要求的性能。二、實(shí)驗(yàn)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(gè)濾波器，該濾波器包含了幾個(gè)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。控制器將這幾個(gè)基本控制作用進(jìn)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(yùn)動(dòng)控制器通常是一個(gè)數(shù)字控制器，因此其核心通常是一

10、個(gè)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(hào) 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(hào)為零時(shí)， u(t)的值將保持不變。積分控制作用有時(shí)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(hào)變化率成正比的那一部分，有時(shí)又稱為速率控制。微分控制作用具有預(yù)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它又放大了噪聲信號(hào)，

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(dú)使用。通過將上述三種基本控制作用進(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備交流伺服 XY 平臺(tái)一套GT-400-SV 卡一塊PC 機(jī)一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用工具一套四、實(shí)驗(yàn)步驟1、松開 XY 平臺(tái)各電機(jī)軸與絲杠間的聯(lián)軸器,使 XY 平臺(tái)處于不加負(fù)載的工作狀態(tài);2、檢查系統(tǒng)電氣連線是否正確，確認(rèn)后，給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電；3、雙擊桌面“ MotorControlBench.exe” 按鈕，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)實(shí)驗(yàn)軟件，點(diǎn)擊界面下方“單軸單機(jī)實(shí)驗(yàn)”按

12、鈕，進(jìn)入如圖所示界面；4、選取實(shí)驗(yàn)電機(jī)，例如選取“ 1 軸”即實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的 X 軸為當(dāng)前軸；5、電機(jī)控制模式欄將根據(jù)實(shí)際電機(jī)的配置情況自動(dòng)設(shè)置，“脈沖量”表示控制信號(hào)為脈沖信號(hào)，“模擬電壓”表示控制信號(hào)為模擬電壓；6、設(shè)置位置環(huán) PID 參數(shù)， PID 參數(shù)在電機(jī)控制模式為“模擬電壓”下有效，“脈沖量”下無效。為了防止電機(jī)震動(dòng)，調(diào)節(jié)參數(shù) Kp 時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yè)面中設(shè)置各運(yùn)動(dòng)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(shí)際值；11. 點(diǎn)擊“開啟軸”按鈕，將 PID 參數(shù)載入運(yùn)動(dòng)控制器中，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)程序讀取板卡對(duì)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(gè)坐標(biāo)軸分別顯示采集到的實(shí)際位置，速度，加速度；12. 單軸運(yùn)動(dòng)停止。用戶設(shè)置運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)發(fā)生震顫， 觀察平臺(tái)的響應(yīng)情況及繪圖區(qū)域中的顯示圖形；15. 電機(jī)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(jī)不發(fā)生顫震；16. 分析并理解 Kp 參數(shù)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響；五、實(shí)驗(yàn)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(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：（2）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=5, Kd=0, Ki=0, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：（3）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Kd=0, Ki=0, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：（4）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=25, Kd=0, Ki=0, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：在上面Kp的調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Kp=12時(shí)，位移-時(shí)間曲線中，規(guī)劃值曲線與實(shí)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(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：（2）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=6, Kd=0, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：（3）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=9, Kd=0, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：在Ki的調(diào)節(jié)過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ki=6時(shí)，速度-時(shí)間曲線和加速度-時(shí)間曲線中，規(guī)劃值曲線與實(shí)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(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：（2）設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=6, Kd=9, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：（3）

16、設(shè)置 PID 參數(shù)為 Kp=12, Ki=6, Kd=15, 控制電機(jī)得到以下運(yùn)行結(jié)果：觀察以上曲線可以得出當(dāng)Kd=15時(shí)，實(shí)際曲線與理論曲線最相近綜上，PID控制器對(duì)該交流伺服電機(jī)的控制參數(shù)為Kp=12，Ki=6，Kd=15六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、分析P、I、D各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的控制作用； （1）從以上實(shí)驗(yàn)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(shí)間變化的實(shí)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(duì)應(yīng)的比例控制器實(shí)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(huì)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(jì)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)