自控原理實驗任務書A

自控原理實驗指導書PAGEPAGE35《自動控制原理》實驗指導書戴波盛沙北京石油化工學院信息工程學院2005年8月目錄TOC\o"1-2"\h\z實驗一《控制系統(tǒng)裝置實驗》 1實驗二《典型環(huán)節(jié)的階躍響應實驗》 1實驗三《Matlab軟件控制系統(tǒng)分析實驗》 1實驗四《典型控制系統(tǒng)研究與分析》 1實驗四《典型控制系統(tǒng)研究與分析》（選做二） 1附錄一球桿系統(tǒng)使用說明 1附錄二直線倒立擺系統(tǒng)使用說明 1實驗一《控制系統(tǒng)裝置實驗》實驗目的：通過對典型實際控制系統(tǒng)裝置的認識，了解實現(xiàn)控制的物理方式，建立控制的系統(tǒng)概念，加深對自動控制原理的理論認識。掌握如何根據(jù)實際物理系統(tǒng)畫控制系統(tǒng)方塊圖。實驗內(nèi)容與要求：1流量控制系統(tǒng)裝置流量控制系統(tǒng)裝置是以水為介質(zhì)，由容器、管線、泵組成，如下圖：圖1.1流量控制系統(tǒng)圖1.1流量控制系統(tǒng)轉子流量計變送器記錄儀電/氣轉換調(diào)節(jié)器泵孔板通過了解該裝置的工作過程，完成以下任務：畫出系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖，并說明其工作原理。2球桿控制系統(tǒng)裝置直線位移傳感器IPM智能驅(qū)動器圖1.2球桿控制系統(tǒng)電腦直線位移傳感器IPM智能驅(qū)動器圖1.2球桿控制系統(tǒng)電腦該裝置由球桿裝置、IPM智能驅(qū)動器、計算機、電機、齒輪減速器、直線位移傳感器所組成，通過電機控制小球在桿上的位置。計算機輸入小球的控制位置，把數(shù)據(jù)傳輸給IPM智能驅(qū)動器，產(chǎn)生相應的控制量，使電機轉動，帶動杠桿臂運動，使小球的位置得到控制。了解該裝置的工作過程，完成如下任務：畫出球桿控制系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖，并說明其工作原理。3直線一級倒立擺與直線二級倒立擺控制系統(tǒng)裝置圖1.3直線倒立擺控制系統(tǒng)圖1.3直線倒立擺控制系統(tǒng)該裝置由計算機、電控箱、倒立擺本體等部件組成，通過控制小車直線運動，達到使擺桿穩(wěn)定倒立的目的。了解該裝置的工作過程，完成如下任務：畫出一級倒立擺系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖，并說明其工作原理。4雙旋翼控制系統(tǒng)裝置該裝置是由計算機、電控箱、雙旋翼裝置組成的三自由度多變量控制裝置，通過調(diào)節(jié)兩個旋翼的旋轉速度，達到控制雙旋翼高度、傾角、轉速的目的。圖1.4雙旋翼MIMO系統(tǒng)圖1.4雙旋翼MIMO系統(tǒng)了解該裝置的工作過程，完成如下任務：畫出雙旋翼系統(tǒng)閉環(huán)控制原理圖，并說明其工作原理。三．實驗條件：流量控制系統(tǒng)、球桿控制系統(tǒng)、倒立擺控制系統(tǒng)、雙旋翼控制系統(tǒng)。四．其它要求：結合教材第一章的內(nèi)容，加深對“控制”、“開環(huán)”、“閉環(huán)”、“反饋”“方塊圖”等概念的認識。實驗二《典型環(huán)節(jié)的階躍響應實驗》一．實驗目的：熟悉并掌握labACT實驗系統(tǒng)的使用。熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路、傳遞函數(shù)及其特性，掌握典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究。測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線，了解參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。初步了解MATLAB中SIMULINK的使用方法。二.實驗原理:1典型環(huán)節(jié)的階躍響應采用電路模擬方法，在實驗板上通過電路模擬比例、積分和一階慣性環(huán)節(jié)，用信號發(fā)生器產(chǎn)生輸入信號，用示波器觀察不同環(huán)節(jié)輸入輸出信號情況。比例環(huán)節(jié)微分方程c(t)=-K*r(t)傳遞函數(shù)C(S)/R(S)=-K圖2.1比例環(huán)節(jié)模擬電路圖如圖2.1所示。圖2.1比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分方程Tdc(t)/dt=-r(t)傳遞函數(shù)C(S)/R(S)=-1/TS模擬電路圖如圖2.2所示。慣性環(huán)節(jié)（一階系統(tǒng)）微分方程Tdc(t)/dt+c(t)=-K*r(t)圖2.2積分環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)C(S)/R(S)=-K/(TS+1)圖2.2積分環(huán)節(jié)圖2.3慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖如圖2.3所示。圖2.3慣性環(huán)節(jié)三.實驗內(nèi)容：設計并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應，并研究參數(shù)變化對其輸出響應的影響；利用MATLAB中的SIMULINK工具箱，完成各典型環(huán)節(jié)的軟件仿真，并與模擬電路測試的結果相比較。四、實驗步驟1、熟悉實驗箱，利用實驗箱上的模擬電路單元，構建所設計的（可參考本實驗附錄）典型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。比例環(huán)節(jié)要求r(t)為一階躍信號,幅度為1V，改變比例系數(shù)（K=0.5、K=2），觀測結果，研究參數(shù)變化對輸出響應的影響。積分環(huán)節(jié)要求r(t)為一階躍信號，幅度1V，改變時間常數(shù)T（R1=100K、C1=1uF，R1=200K、C1=1uF,觀測結果，研究參數(shù)變化對輸出響應的影響。慣性環(huán)節(jié)要求r(t)為一階躍信號，幅度為1V，改變時間常數(shù)T及比例系數(shù)K（R1=100K、C1=1uF、K＝1;R1=100K、C1=1uF、K=2）,觀測結果，根據(jù)結果，測量出慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T（具體方法，可參考《自動控制原理》一階系統(tǒng)的單位階躍響應），研究參數(shù)變化對輸出響應的影響。2、運行MATLAB中的SIMULINK，構建典型環(huán)節(jié)，進行仿真實驗，存儲波形和數(shù)據(jù)完成實驗報告。（可選做）五.實驗報告要求:畫出各典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖和階躍響應曲線，并注明參數(shù)。根據(jù)測得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應曲線，分析參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響。六．實驗思考題：用運放模擬典型環(huán)節(jié)進，其傳遞函數(shù)在什么假設條件下近似導出的？積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)，而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)。想一想，為何實驗時，各典型環(huán)節(jié)都用到了兩個運放，而介紹原理時，只用了一個運放。七.實驗條件：微機及MATLAB軟件1臺電路實驗箱1套實驗三《Matlab軟件控制系統(tǒng)分析實驗》實驗目的：1．學會使用Matlab求出系統(tǒng)的階躍響應；使用Matlab繪制系統(tǒng)的根軌跡。2．掌握利用Matlab軟件來分析與設計穩(wěn)定的系統(tǒng)。二.實驗原理：在《自動控制原理》第三章當中，介紹了判定一個線性系統(tǒng)的穩(wěn)定的充分必要條件是：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根均具有負實部，或者說，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點均嚴格位于左半S平面。1948年，埃文斯（Evans）提出一種求解閉環(huán)特征方程根的簡單方法，并且在控制工程中得到了廣泛的應用。這種方法稱為根軌跡法。根軌跡法是在已知控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的極點、零點分布的基礎上，研究系統(tǒng)參數(shù)的變化（通常該參數(shù)為增益K）對控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)極點分布的影響的一種圖解法。應用根軌跡法，只需要通過簡單的計算，即可看出某個或某些系統(tǒng)參數(shù)變化時，對系統(tǒng)閉環(huán)極點的影響趨勢。這種定性的分析在研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和在提出改善系統(tǒng)性能的合理途徑等方面都具有重要意義。三．實驗內(nèi)容與步驟需要分析的系統(tǒng)如下：利用勞思判據(jù)，求出使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍。（預習時完成）當K=10、50、120時，分別利用Matlab程序求出系統(tǒng)的階躍響應，觀察k的取值對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，在實驗報告中記錄三種情況下的系統(tǒng)的階躍響應。用Matlab編程畫出系統(tǒng)根軌跡圖，確定使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍，并與計算的取值相比較。（提示：根軌跡畫的是K從0至∞時，所有閉環(huán)極點的集合，根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件，知只要極點在虛軸的左邊就是穩(wěn)定的系統(tǒng)。那么如何找到K的取值呢？）五.實驗條件：微機1臺2）電路仿真軟件1套六.其它要求:實驗前教師檢查實驗預習報告，預習報告要求計算出使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍，編寫自己的實驗程序，預習報告不通過不得進行實驗。Matlab相關命令：用Matlab繪制系統(tǒng)的根軌跡的指令為rlocus(num,den).例1．已知系統(tǒng)的閉環(huán)傳函為使用matlab來求階躍響應。利用命令step(num,den,t)t=0:0.1:30;num=[10];den=[1210];step(num,den,t)axis('square');gridontitle('階躍響應')運行結果為：例2.已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為使用Matlab繪制系統(tǒng)的根軌跡。num=[0,0,1,1];den=[1,9,0,0];rlocus(num,den)axis('square');gridontitle('Root-locusplotofG(s)=K(s+1)/[(s^2(s+9)]')xlable('Re');ylable('Im')運行結果為：實驗四《典型控制系統(tǒng)研究與分析》一．實驗目的：通過對球桿系統(tǒng)進行分析和實驗，學生可以學習對物理系統(tǒng)的建模和控制系統(tǒng)的設計，熟悉PID控制的設計和調(diào)節(jié)，及各參數(shù)對于控制的影響。二．實驗原理及方法：LLeverArmBeamαLLeverArmBeamαθdθd對小球在導軌上滾動的動態(tài)過程的完整描述是非常復雜的，設計者的目的是對于該控制系統(tǒng)給出一個相對簡單的模型。實際上使小球在導軌上加速滾動的力是小球的重力在同導軌平行方向上的分力同小球受到的摩擦力的合力。考慮小球滾動的動力學方程，小球在V型桿上滾動的加速度： (1)其中μ為小球與軌道之間的摩擦系數(shù)，而α為軌道桿與水平面之間的夾角。但在進行數(shù)學建模的過程中，我們忽略了摩擦力，因此，其基本的數(shù)學模型轉換成如下方式： (2)當α<<1時，將上式線性化，得到傳遞函數(shù)如下 (3)其中X(s)為小球在軌道上的位置。但是，在實際控制的過程中，桿的仰角是由電動機的轉角輸出來實現(xiàn)的。影響電動機轉角和桿仰角之間關系的主要因素就是齒輪的減速比和非線性。因此，我們可以得到它們的關系如下： (4)把（4）式代入（3）式，我們可以得到另一個模型： (5)因此，球桿系統(tǒng)實際上可以簡化為一個二階系統(tǒng)。由建模分析我們得到球桿系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: （6）三．實驗內(nèi)容：球桿系統(tǒng)的開環(huán)模型球桿系統(tǒng)是一個典型的單輸入單輸出系統(tǒng)，通過上面的分析可以得到，其傳遞函數(shù)可以近似為一個兩階的積分器：W(S)W(S)其中，為開環(huán)傳遞函數(shù)的拉普拉斯變換。X(s)和θ(s)分別為系統(tǒng)輸出（小球的位置）和輸入（齒輪的角度）的拉普拉斯變換。1）如果不穩(wěn)定，則需要對其添加控制器。假設控制的指標要求如下：調(diào)整時間小于2.5秒（5%誤差）超調(diào)量小于10%下面將采用PID控制來設計它的控制器：,其中，kp,ki和kd為PID控制器的比例，積分和微分參數(shù)。1）P控制分析-W-W(s)Gp(s)efeedback 、其中，Xd為小球目標位置的拉普拉斯變換，設PID控制器為:根據(jù)P控制框圖，與對象的傳函，求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。根據(jù)閉環(huán)傳遞函數(shù)，取Kp=1，g=9.8,L=0.4,d=0.04時在matlab下編寫程序，畫出系統(tǒng)的階躍響應曲線。（參考程序）g=9.8;L=0.4;D=0.04;Num=[(g*D)/L];Den=[100];Plant=tf(Num,Den);%系統(tǒng)的開環(huán)傳函kp=3;Sys_cl=feedback(kp*Plant,1,-1);%求系統(tǒng)的閉環(huán)傳函Step(0.2*Sys_cl);%給系統(tǒng)施加一個0.2m的階躍輸入在球桿系統(tǒng)中進行實驗，讓小球穩(wěn)定在一個位置，如50,取參數(shù)Kp=3,觀察實際結果，得到實際響應曲線，分析實驗結果與仿真是否一致。記錄下實際響應的結果。按照附錄的步驟，在MATLABSimulink環(huán)境下運行演示程序。2）PD控制分析-W(s)-W(s)Gpd(s)e設PD控制器為：G（s）=1+KdS為簡單起見，我們假設比例增益KP＝6，調(diào)整KD.的大小。根據(jù)PD控制框圖，與對象的傳函，求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。根據(jù)閉環(huán)傳遞函數(shù)，取Kp=6，g=9.8,L=0.4,d=0.04,Kd=6（可以任?。r在matlab下編寫M文件，畫出系統(tǒng)的階躍響應曲線，觀察，判斷此時的系統(tǒng)是否為一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，得到仿真條件下，系統(tǒng)的超調(diào)量和穩(wěn)定時間？是否滿足設計要求？如果不滿足要求，可更改Kp與Kd的值，直到滿足系統(tǒng)要求為止。(參考程序)：g=9.8; L=0.4; D=0.04;Num=[(g*D)/L];Den=[100];Plant=tf(Num,Den);%系統(tǒng)的開環(huán)傳函Kp=6;Kd=6;Contr=tf([KdKp],1);Sys_cl=feedback(Contr*Plant,1,-1)T=0:0.01:5;Step(0.2*Sys_cl);在球桿系統(tǒng)中進行實驗，讓小球穩(wěn)定在一個位置，如50,取參數(shù)Kp,Kd為仿真的值，觀察實際結果，得到實際響應曲線，分析實驗結果與仿真是否一致。記錄下實際響應的結果。按照附錄的步驟，在MATLABSimulink環(huán)境下運行演示程序。4)分析一下，PD控制很快平衡的原因，對比實驗結果與仿真結果的區(qū)別。四．實驗條件：1）球桿控制1套2）微機1臺3）matlab軟件包1套五．其它要求：實驗前教師檢查實驗預習報告，預習報告要求得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，編寫Matlab程序，預習報告不通過不得進行實驗。實驗四《典型控制系統(tǒng)研究與分析》（選做二）一．實驗目的：通過對一級倒立擺系統(tǒng)進行分析和實驗，學生可以學習對物理系統(tǒng)的建模和控制系統(tǒng)的設計，熟悉PID控制的設計和調(diào)節(jié)，及各參數(shù)對于控制的影響。二．實驗原理及方法：1微分方程的推導圖4.1直線一級倒立擺系統(tǒng)在忽略了空氣阻力，各種摩擦之后，可將直線一級倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)，如下圖4.1所示。圖4.1直線一級倒立擺系統(tǒng)我們不妨做以下假設：M小車質(zhì)量m擺桿質(zhì)量b小車摩擦系數(shù)l擺桿轉動軸心到桿質(zhì)心的長度I擺桿慣量F加在小車上的力x小車位置φ擺桿與垂直向上方向的夾角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）下圖是系統(tǒng)中小車和擺桿的受力分析圖。其中，和為小車與擺桿相互作用力的水平和垂直方向的分量。注意：在實際倒立擺系統(tǒng)中檢測和執(zhí)行裝置的正負方向已經(jīng)完全確定，因而矢量方向定義如圖所示，圖示方向為矢量正方向分析小車水平方向所受的合力，可以得到以下方程：由擺桿水平方向的受力進行分析可以得到下面等式：把這個等式代入上式中，就得到系統(tǒng)的第一個運動方程：為了推出系統(tǒng)的第二個運動方程，我們對擺桿垂直方向上的合力進行分析，可以得到下面方程：力矩平衡方程如下：注意：此方程中力矩的方向，由于θ=π+?，cos?=-cosθ,sin?=-sinθ,故等式前面有負號。合并這兩個方程，約去和，得到第二個運動方程：設（是擺桿與垂直向上方向之間的夾角），假設與1（單位是弧度）相比很小，即《1，則可以進行近似處理：cos，，(。用來代表被控對象的輸入力，線性化后兩個運動方程如下:對方程組(1.3)進行拉普拉斯變換，得到:把方程組化簡得到一級倒立擺的傳遞函數(shù)為:其中q=[(M+m)(I+ml2)-(ml)2]實際系統(tǒng)的模型參數(shù)如下:M小車質(zhì)量1.096Kgm擺桿質(zhì)量0.109Kgb小車摩擦系數(shù)0.1N/m/secl擺桿轉動軸心到桿質(zhì)心的長度0.25mI擺桿慣量0.0034kg*m*mT采樣頻率0.005秒注意：在進行實際系統(tǒng)的MATLAB仿真時，請將采樣頻率改為實際系統(tǒng)的采樣頻率。請用戶自行檢查系統(tǒng)參數(shù)是否與實際系統(tǒng)相符，否則請改用實際參數(shù)進行實驗。2PID控制設計SinglePendulumSinglePendulumPIDffr(s)=0f+_ +_eefeedback-feedback-設PID控制器為:三．實驗內(nèi)容：根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)及PID控制器的傳函求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。在matlab下編寫程序，進行仿真實驗，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)請仔細觀察思考控制器參數(shù)對系統(tǒng)瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應的影響。找到一組合適的控制器參數(shù)作業(yè)實際控制的參數(shù)。進入matlabsimulink窗口，點擊InvertedPendulumToolbox，在其右邊點擊singlePendlumPIDControlDemo,進行仿真實驗。在StartRealPendulumControl/PID模塊修改PID控制器參數(shù)及控制周期。如果控制效果不理想，調(diào)整控制器參數(shù)，直到獲得較好的控制效果。分析理論結果與實際結果的差異。四．實驗條件：一級倒立擺控制系統(tǒng)，裝有Matlab軟件包的計算機。五．其它要求：實驗前教師檢查實驗預習報告，預習報告要求得出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，預習報告不通過不得進行實驗。附錄一球桿系統(tǒng)使用說明1.系統(tǒng)簡述球桿系統(tǒng)（Ball&Beam）是為自動控制原理等基礎控制課程的教學實驗而設計的實驗設備。該系統(tǒng)涵蓋了許多經(jīng)典的和現(xiàn)代的設計方法。這個系統(tǒng)有一個非常重要的性質(zhì)——它是開環(huán)不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制問題成了大多數(shù)控制系統(tǒng)需要克服的難點，有必要在實驗室中研究。但是由于絕大多數(shù)的不穩(wěn)定控制系統(tǒng)都是非常危險的，因此成了實驗室研究的主要障礙。而球桿系統(tǒng)就是解決這種矛盾的最好的實驗工具，它簡單、安全并且具備了一個非穩(wěn)定系統(tǒng)所具有的重要的動態(tài)特性。整個裝置由球桿執(zhí)行系統(tǒng)、控制器和直流電源等部分組成。該系統(tǒng)對控制系統(tǒng)設計來說是一種理想的實驗模型。正是由于系統(tǒng)的結構相對簡單，因此比較容易理解該模型的控制過程。球桿執(zhí)行系統(tǒng)（如圖1所示）由一根V型軌道和一個不銹鋼球組成。V型槽軌道一側為不銹鋼桿，另一側為直線位移電阻器。當球在軌道上滾動時，通過測量不銹鋼桿上輸出電壓可測得球在軌道上的位置。V型槽軌道的一端固定，而另一端則由直流電機（DCmotor）的經(jīng)過兩級齒輪減速，再通過固定在大齒輪上的連桿帶動進行上下往復運動。V型槽軌道與水平線的夾角可通過測量大齒輪轉動角度和簡單的幾何計算獲得。這樣，通過設計一個反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流電機的轉動，就可以控制小球在軌道上的位置。GBB1004型球桿系統(tǒng)由三大部分組成：IPM100智能驅(qū)動器、球桿裝置和控制計算機。IPM100智能驅(qū)動器使用方法請參照《IPM100SK用戶手冊》；計算機為裝有Windows的計算機或是其他兼容機。本實驗說明主要講述球桿裝置、控制軟件及實驗.BallandBeam系統(tǒng)圖示如下：BeamBeamLeverArmBallLeverArmGear圖1.1球桿裝置示意圖在一長約0.4米的軌道上放置一不銹鋼球，軌道的一側為不銹鋼桿，另一側為直線位移傳感器，當球在軌道上滾動時，通過測量不銹鋼桿上輸出的電壓信號可獲得球在軌道上的位置。電機轉動帶動齒輪系驅(qū)動杠桿臂LeverArm轉動，軌道Beam隨杠桿臂的轉動與水平方向也有一偏角,球的重力分量會使它沿著軌道滾動，設計一個控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)伺服角度使得不銹鋼球在Beam上的位置能被控制。此系統(tǒng)為一個單輸入（電機轉角）、單輸出（小球位置）系統(tǒng)，輸入量利用伺服電機自帶角度編碼器來測量，輸出量由軌道上電位器的電壓信號來獲得。系統(tǒng)組成框圖如下：計算機IPM100智能伺服驅(qū)動器伺服電機計算機IPM100智能伺服驅(qū)動器伺服電機球桿裝置電機編碼器直線位移傳感器系統(tǒng)包括計算機、IPM100智能伺服驅(qū)動器、球桿本體和光電碼盤、線性傳感器幾大部分，組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤將杠桿臂與水平方向的夾角、角速度信號反饋給IPM100智能伺服驅(qū)動器，小球的位移、速度信號由直線位移傳感器反饋。智能伺服控制器可以通過RS232接口和計算機通訊，利用鼠標或鍵盤可以輸入小球的控制位置和控制參數(shù)，通過控制決策計算輸出（電機轉動方向、轉動速度、加速度等），并由IPM100智能伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應的控制量，使電機轉動，帶動杠桿臂運動，使球的位置得到控制。2.機械部分選用直流伺服電機，采用齒輪箱減速機構進行減速，在輸出齒輪上距齒輪圓心（小于齒輪半徑）處連接一杠桿臂LeaverArm，此連接處螺釘不能固定太緊，杠桿臂的另一端與軌道Beam鉸鏈，機構的另一端是一固定座，此固定座上端與軌道的左側鉸鏈，見下圖：圖2.1球桿系統(tǒng)機械圖電機箱內(nèi)部機構：電機，齒輪減速機構。整個機構運行如下：電機轉動帶動與連桿相連的齒輪轉動，此時連接點與齒輪中心連線和水平線的夾角為（角度應被限定在一定角度范圍內(nèi)，即使導軌傾角最大和最?。?，軌道會繞左側與固定座鉸鏈處轉動，軌道與水平方向的角度為。此處角度編碼器用于測量角度，此為系統(tǒng)的輸入信號。圖2.2轉角α和β示意圖3．電氣部分a)球滾動時位移的測量：直線位移傳感器線性軌道傳感器接＋5V電壓。軌道兩邊測得的電壓作為IPM100控制卡A/D輸入口的信號。當小球在軌道上滾動時，通過不銹鋼桿上輸出的電壓信號的測量可得到小球在軌道上的位置。ToA/D＋5vToA/D＋5vGND直線位移傳感器300Ω直線位移傳感器300Ω不銹鋼桿不銹鋼桿圖3.1小球位置測量示意圖b)伺服輸出角度的測量：采用IPM100控制器，電機驅(qū)動齒輪轉動時通過電機實際位置轉換得到角度，接線及定義請參照《IPM100SK用戶手冊》4．軟件實現(xiàn)注意在使用軟件前，請仔細閱讀《IPM100SK用戶手冊》，不正確的操作將對系統(tǒng)造成破壞。4.1控制程序流程圖：從鍵盤或鼠標鍵入小球位置從鍵盤或鼠標鍵入小球位置否是否在軌道范圍內(nèi)？否是否在軌道范圍內(nèi)？是重新鍵入新的數(shù)據(jù)是重新鍵入新的數(shù)據(jù)——讀出運動控制卡檢測到的小球的當前位置——讀出運動控制卡檢測到的小球的當前位置ControllerController反饋回運動控制卡反饋回運動控制卡驅(qū)動Leverarm,驅(qū)動Leverarm,帶動Beam轉動一個角度以使球穩(wěn)定在所要控制的位置4.2操作請按以下操作打開IPMStudioMotion固高科技球桿系統(tǒng)運行窗口4.2.1安裝IPMMotionStudio把光盤裝入計算機光驅(qū)，選擇“IPMMotionStudio”進入安裝界面，然后點擊“IPMMotionStudioSetupKit”選項，按照提示步驟進行安裝。注釋：1）安裝程序?qū)a(chǎn)生一個包含所有組件的“IPMMotionStudio”文件夾2）在WinNT的操作系統(tǒng)中請選擇“Administrator”（管理員）用戶登錄4.2.2安裝固高科技球桿系統(tǒng)控制程序?qū)allBeamProject文件夾拷貝到安裝目錄中“...\IPMMotionStudio\Projects”文件夾中，在修改前請注意備份。4.3運行程序1．點擊“開始“菜單如下圖所示：圖4.1開始IPMMotionStudio2．打開IPMMotionStudio應用程序窗口：圖4.2IPMMotionStudio窗口備注：如果打開失敗或是在窗口中下方?jīng)]有顯示找到P069.001.C01.S000A,請參照《IPM100SK用戶手冊》相關章節(jié)打開固高球桿系統(tǒng)控制軟件點擊”O(jiān)penProjects”打開工程文件,注意在打開之前,請確認您已經(jīng)將BallBeamProject文件拷貝到“...\IPMMotionStudio\Projects”文件夾中,也可以點擊”Browse”按鈕指定路徑,如下圖所示:圖4-3打開工程文件如果點擊”O(jiān)K”后窗口沒有顯示內(nèi)容:請按下圖點擊菜單“View|Project”打開工程窗口:圖4-4顯示工程界面工程窗口如下圖所示:圖4-5工程界面4.“Motor”和”Drive”已經(jīng)調(diào)試好,建議用戶在比較熟悉IPM100SK及電機特性前不要更改.詳細調(diào)試方法見<IPM100SK用戶手冊>相關章節(jié).5.點擊上圖中”Motion”圖標,打開控制程序如下圖圖4-6控制程序(BallBeam)窗口6.點擊“+”或“-“打開(關閉)組如下圖所示:圖4-7程序編輯窗口確認程序正確后點擊”O(jiān)K”關閉對話框,回到如圖4-5所示工程界面,請按下面步驟運行程序:1)給IPM100上電并確認計算機和IPM100之間通訊正常。2)點擊運行按鈕運行程序,運行程序時請用手托起連桿使球桿保持在水平位置,直到程序給電機上伺服時松開,過程中請注意安全,小心手指被齒輪夾傷!正確方法如下圖所示:圖4-8手指夾持位置示意圖遇到不正常情況請點擊(IPM100復位)、(電機下伺服)或直接關掉電源停止電機運動7.為觀察小球位置、電機位置等參數(shù),點擊”ViewControlPanels”選擇”固高科技球桿系統(tǒng)”如下圖所示:圖4-9進入固高科技球桿系統(tǒng)可視化界面點擊鼠標打開以下窗口:圖4-10固高科技球桿系統(tǒng)界面在上面的小窗口中,點擊鼠標右鍵,如下圖所示:圖4-11開始可視化顯示窗口點擊”Start”開始進行可視化顯示,顯示如下:說明:界面分成左邊和右邊兩大部分,左邊顯示小球位置、速度,位置誤差,電機位置、電機速度等量,右邊為參數(shù)調(diào)整界面,包括小球目標位置,PID參數(shù)調(diào)節(jié),Break,Continue,Axisoff等命令.圖4-12固高科技球桿系統(tǒng)界面在界面左邊,可以觀察控制的結果,如下圖所示,圖4-13運行結果顯示圖在右邊,可以在線更改參數(shù)1)更改小球目標位置,拖動小球目標位置滑塊,到需要的位置,或是鍵入小球目標位置.2)更改PID控制參數(shù),上下拖動Kp,Ki,Kd窗口內(nèi)滑塊,調(diào)整其參數(shù),由于Kp,Ki,Kd都為int型,所以只能為整數(shù).(由于內(nèi)部DSP乘法計算限制)3)點擊”Break”可以暫停運動,點擊”Continue”繼續(xù)運行,點擊”Axisoff”關閉電機。附程序說明(TML語言):第一部分:變量聲明(int為16位整型,long為32位帶符號整型,fixed為32位實型,前16位為整數(shù)部分,后16位為小數(shù)部分)注:英文注釋為程序自帶注釋intKp;//PID控制器比例系數(shù)intKi;//PID控制器積分系數(shù)intKd;//PID控制器微分系數(shù)fixedBallRefPos;//小球目標位置fixedFeedbackVol;//反饋電壓fixedBallActPos;//小球?qū)嶋H位置fixedBallPosErrNew;//此采樣周期中小球?qū)嶋H位置相對目標位置的位置誤差fixedBallPosErrOld;//上次采樣周期中小球?qū)嶋H位置相對目標位置的位置誤差fixedBallPosErrDot;//小球運動速度fixedPIDMotorPos;//PID比例部分引起的電機目標位置fixedPIDErrDot;//PID微分部分引起的電機目標位置fixedBallPosErrIntegral;//PID積分部分引起的電機目標位置longMulResult;//乘積結果(用于IPM100內(nèi)部DSP乘積運算)intMulTran;//乘積轉移變量(用于IPM100內(nèi)部DSP乘積運算)fixedPD_PID_Select;//PDPID控制器選擇因子(用于分段PID控制)intMotorTPos;//電機目標位置BallRefPos=200;//Set32bitvariableBallRefPoswithvalue/32bitvariable200Kp=4;//SetvariableKpwithvalue/16bitvariable/label4Ki=8;//SetvariableKiwithvalue/16bitvariable/label8Kd=4;//SetvariableKdwithvalue/16bitvariable/label4第二部分:主控制循環(huán)loop:FeedbackVol(H)=0;//SetHIGHpartofvariableFeedbackVolwithvalue/16bitvariable0FeedbackVol(L)=AD5;//SetLOWpartofvariableFeedbackVolwithvalue/16bitvariableAD5//通過AD5讀取電壓反饋值,0-5V的電壓被轉化成0-1的小數(shù)FeedBackVol*400<<0;//SetPregisterwiththeproductofvariableFeedBackVolwithvalue/variable400LEFTshiftedwith0bits.//電壓反饋值乘以400(桿實際有效長度)得到小球?qū)嶋H位置MulResult=PROD(L);//Set32bitvariableMulResultwithvalue/32bitvariablePROD(L)//乘積結果送入乘積寄存器MulTran=MulResult(H);//SetvariableMulTranwithHIGHpartof32bitvariableMulResultBallActPos(H)=MulTran;//SetHIGHpartofvariableBallActPoswithvalue/16bitvariableMulTranMulTran=MulResult(L);//SetvariableMulTranwithLOWpartof32bitvariableMulResultBallActPos(L)=MulTran;//SetLOWpartofvariableBallActPoswithvalue/16bitvariableMulTran//48位的乘積結果轉化成32位fixed實數(shù)型BallPosErrNew=BallActPos;//Set32bitvariableBallPosErrNewwithvalue/32bitvariableBallActPosBallPosErrNew-=BallRefPos;//SubstractfromvariableBallPosErrNewthevalue/variableBallRefPos//計算位置誤差BallPosErrDot=BallPosErrNew;//Set32bitvariableBallPosErrDotwithvalue/32bitvariableBallPosErrNewBallPosErrDot-=BallPosErrOld;//SubstractfromvariableBallPosErrDotthevalue/variableBallPosErrOldBallPosErrOld=BallPosErrNew;//Set32bitvariableBallPosErrOldwithvalue/32bitvariableBallPosErrNew//計算位置誤差微分BallPosErrDot*20<<0;//SetPregisterwiththeproductofvariableBallPosErrDotwithvalue/variable20LEFTshiftedwith0bits.//采樣周期位50ms,轉化單位mm/采樣周期到mm/sMulResult=PROD;//Set32bitvariableMulResultwithvalue/32bitvariablePRODMulTran=MulResult(H);//SetvariableMulTranwithHIGHpartof32bitvariableMulResultBallPosErrDot(H)=MulTran;//SetHIGHpartofvariableBallPosErrDotwithvalue/16bitvariableMulTranMulTran=MulResult(L);//SetvariableMulTranwithLOWpartof32bitvariableMulResultBallPosErrDot(L)=MulTran;//SetLOWpartofvariableBallPosErrDotwithvalue/16bitvariableMulTran//48位的乘積結果轉化成32位fixed實數(shù)型PD_PID_Select=BallPosErrDot;//Set32bitvariablePD_PID_Selectwithvalue/32bitvariableBallPosErrDot//根據(jù)誤差微分選擇PID控制策略GOTOBallPosErrDot_GT_0,PD_PID_Select,GT;//GOTOBallPosErrDot_GT_0ifPD_PID_Select>0PD_PID_Select+=50;//AddtovariablePD_PID_Selectthevalue/variable50GOTOPD_control,PD_PID_Select,LT;//GOTOPD_controlifPD_PID_Select<0GOTOCheckPosErr;BallPosErrDot_GT_0:PD_PID_Select-=50;//SubstractfromvariablePD_PID_Selectthevalue/variable50GOTOPD_Control,PD_PID_Select,GT;//GOTOPD_ControlifPD_PID_Select>0GOTOCheckPosErr;//當速度小于50mm/s時采用PID控制策略CheckPosErr:PD_PID_Select=BallPosErrNew;//Set32bitvariablePD_PID_Selectwithvalue/32bitvariableBallPosErrNewGOTOBallPosErr_GT_0,PD_PID_Select,GT;//GOTOBallPosErr_GT_0ifPD_PID_Select>0PD_PID_Select+=50;//AddtovariablePD_PID_Selectthevalue/variable50GOTOPD_control,PD_PID_Select,LT;//GOTOPD_controlifPD_PID_Select<0BallPosErrIntegral+=BallPosErrNew;//AddtovariableBallPosErrIntegralthevalue/variableBallPosErrNewGOTOPID_control;BallPosErr_GT_0:PD_PID_Select-=50;//SubstractfromvariablePD_PID_Selectthevalue/variable50GOTOPD_Control,PD_PID_Select,GT;//GOTOPD_ControlifPD_PID_Select>0BallPosErrIntegral+=BallPosErrNew;//AddtovariableBallPosErrIntegralthevalue/variableBallPosErrNewGOTOPID_Control;//當位置誤差小于50mm時采用PID控制策略,注,只有同時滿足上面兩個條件才采用PID控制,否則采用PD控制PD_control:BallPosErrIntegral=0;//Set32bitvariableBallPosErrIntegralwithvalue/32bitvariable0//積分清零PID_control://比例控制作用BallPosErrNew*Kp<<0;//SetPregisterwiththeproductofvariableBallPosErrNewwithvalue/variableKpLEFTshiftedwith0bits.MulResult=PROD;//Set32bitvariableMulResultwithvalue/32bitvariablePRODMulTran=MulResult(H);//SetvariableMulTranwithHIGHpartof32bitvariableMulResultPIDMotorPos(H)=MulTran;//SetHIGHpartofvariablePIDMotorPoswithvalue/16bitvariableMulTranMulTran=MulResult(L);//SetvariableMulTranwithLOWpartof32bitvariableMulResultPIDMotorPos(L)=MulTran;//SetLOWpartofvariablePIDMotorPoswithvalue/16bitvariableMulTran//積分控制作用BallPosErrIntegral>>=6;//ShiftRIGHTvariableBallPosErrIntegralby6bits.BallPosErrIntegral*Ki<<0;//SetPregisterwiththeproductofvariableBallPosErrIntegralwithvalue/variableKiLEFTshiftedwith0bits.MulResult=PROD;//Set32bitvariableMulResultwithvalue/32bitvariablePRODMulTran=MulResult(H);//SetvariableMulTranwithHIGHpartof32bitvariableMulResultPIDMotorPos(H)+=MulTran;//AddtovariablePIDMotorPos(H)thevalue/variableMulTranMulTran=MulResult(L);//SetvariableMulTranwithLOWpartof32bitvariableMulResultPIDMotorPos(L)+=MulTran;//AddtovariablePIDMotorPos(L)thevalue/variableMulTranBallPosErrIntegral<<=6;//ShiftLEFTvariableBallPosErrIntegralby6bits.//微分控制作用BallPosErrDot*Kd<<0;//SetPregisterwiththeproductofvariableBallPosErrDotwithvalue/variableKdLEFTshiftedwith0bits.MulResult=PROD;//Set32bitvariableMulResultwithvalue/32bitvariablePRODMulTran=MulResult(H);//SetvariableMulTranwithHIGHpartof32bitvariableMulResultPIDMotorPos(H)+=MulTran;//AddtovariablePIDMotorPos(H)thevalue/variableMulTranMulTran=MulResult(L);//SetvariableMulTranwithLOWpartof32bitvariableMulResultPIDMotorPos(L)+=MulTran;//AddtovariablePIDMotorPos(L)thevalue/variableMulTran//給定電機目標位置及運動模式MotorTPos=PIDMotorPos(H);//SetvariableMotorTPoswithHIGHpartof32bitvariablePIDMotorPosCPOS=MotorTPos<<0;//Set32bitvariableCPOSwith16bitvalueofvariableMotorTPosleftshiftedwith0bitsCACC=1.27324;//Accelerationcommandforpositionprofile//給定電機運動加速度CSPD=8.00000;//Speedcommandforpositionprofile//給定電機運行速度CPA;//PositioncommandisAbsoluteMODEPP3;//SetPositionProfileMode3TUM1;//SetTargetUpdateMode1UPD;//Updateimmediate//設定時針為10個DSP周期即:10*5ms=50ms!RT10;//SeteventifRelativeTime>=10WAIT!;//WAITuntileventoccursGOTOloop;//主循環(huán)結束__ 常見故障及解決辦法：IPM智能伺服驅(qū)動器和計算機通訊不正常，顯示Boardnotfound！請參見IPM100SK用戶手冊中通訊錯誤解決辦法！電機不能正常運轉，請確認電機