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...倒立擺實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí):機(jī)械103班實(shí)踐小組名稱:第三小組實(shí)踐小組組員:序號(hào)姓名學(xué)號(hào)1鄧敏09150201272潘光興09150200913羅耀新10072000824岑志聰10072000935羅卓儀10072000946陳上富10072000957劉辰熙1007200090實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:1、編碼器原理及使用實(shí)驗(yàn)2、MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)老師:向建化2012/11/271.MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)1.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解機(jī)理法建模的基本步驟;2、了解實(shí)現(xiàn)倒立擺的基本操作;3、學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí)如何調(diào)節(jié)倒立擺系統(tǒng)上的交流伺服電機(jī);4、學(xué)會(huì)對(duì)倒立擺進(jìn)行基本調(diào)試;5、掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的基本方法;1.2實(shí)驗(yàn)要求:1、采用機(jī)理法建立直線一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型;2、分析倒立擺的穩(wěn)定性,并在MATLAB中仿真驗(yàn)證;1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備:1、倒立擺各系列;1.4實(shí)驗(yàn)原理:將運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)前軸設(shè)定成速度控制模式,用戶需要設(shè)定最大速度和加速度兩個(gè)參數(shù)。在該模式下,開始運(yùn)動(dòng)時(shí)將以設(shè)定的加速度連續(xù)加速到設(shè)定的最大速度,運(yùn)動(dòng)方向由速度的符號(hào)確定,即正速度產(chǎn)生正向運(yùn)動(dòng),而負(fù)速度產(chǎn)生負(fù)向運(yùn)動(dòng)。通過這種模式實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)。1.5實(shí)驗(yàn)步驟:1、打開MATLAB/Simulink仿真環(huán)境;2、在窗口的左上角點(diǎn)擊按鈕新建一個(gè)“Model”窗口;3、在“SimulinkLibraryBrowse”窗口中,打開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”;4、拉“SetCurrentAxis’sAccandVel”模塊到剛才新建的“untitled”窗口中;5、雙擊“SetAccVel”模塊,打開如下窗口,參數(shù)設(shè)置如下:“Axisnumber”:選擇軸號(hào)為“1”,即小車電機(jī)所使用的軸。“Backvelocity”:此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng)的速度,單位為米/秒?!癇ackposition”:此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng),單位為脈沖數(shù)。6、從“Simulink\Souces”中拉兩個(gè)“Constant”到“untitled”窗口中;7、按下圖連接三個(gè)模塊:8、設(shè)置兩個(gè)“Constant”模塊參數(shù)如下:設(shè)置小車的運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)為0.2米/秒,加速度為0.1米/秒。9、在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”中拉一個(gè)“GT400-SVInitialization”模塊到窗口中;10、選擇仿真模式為“External”;11、將文件保存為“MoterTest”,點(diǎn)擊菜單“Simulation\SimulationParameters”設(shè)置參數(shù)。修改“Simulationtime”和“Solveroptions”,其中仿真時(shí)間“inf”表示無窮長,步長設(shè)置為0.005s。點(diǎn)擊“Real-TimeWorkshop”打開如下所示窗口:12、點(diǎn)擊“Browse”修改設(shè)置為”Real-TimeWindowsTarget”;13、點(diǎn)擊“OK”;14、點(diǎn)擊“”編譯程序;15、打開電控箱電源;16、連接程序;17、運(yùn)行程序;18、觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果;19、修改最大速度和加速度分別為2和1,觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果;六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果:第一次:小車運(yùn)動(dòng)速度較慢;第二次:小車運(yùn)動(dòng)速度明顯加快;2.編碼器原理及使用實(shí)驗(yàn)2.1.1編碼器原理旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角位移傳感器,它分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種,其中光電式脈沖編碼器是閉環(huán)控制系統(tǒng)中最常用的位置傳感器。旋轉(zhuǎn)編碼器有增量編碼器和絕對(duì)編碼器兩種,圖2-1為光電式增量編碼器示意圖,它由發(fā)光元件、光電碼盤、光敏元件和信號(hào)處理電路組成。當(dāng)碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光源透過光電碼盤上的光欄板形成忽明忽暗的光信號(hào),光敏元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后通過信號(hào)處理電路的整形、放大、分頻、記數(shù)、譯碼后輸出。為了測(cè)量出轉(zhuǎn)向,使光欄板的兩個(gè)狹縫比碼盤兩個(gè)狹縫距離小1/4節(jié)距,這樣兩個(gè)光敏元件的輸出信號(hào)就相差π/2相位,將輸出信號(hào)送入鑒向電路,即可判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。光電式增量編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度α(分辨角、分辨率),而這與碼盤圓周內(nèi)所分狹縫的線數(shù)有關(guān)。α=其中n——編碼器線數(shù)。由于光電式脈沖編碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)分辨角就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào),因此,根據(jù)脈沖數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度,由傳動(dòng)比換算出直線位移距離;根據(jù)脈沖頻率可得工作軸的轉(zhuǎn)速;根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號(hào)的相位先后,可判斷光電碼盤的正、反轉(zhuǎn)。絕對(duì)編碼器通過與位數(shù)相對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管和光敏二極管對(duì)輸出的二進(jìn)制碼來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度。與增量編碼器原理相同,用于測(cè)量直線位移的傳感器是光柵尺。由于光電編碼器輸出的檢測(cè)信號(hào)是數(shù)字信號(hào),因此可以直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,不需放大和轉(zhuǎn)換等過程,使用非常方便,因此應(yīng)用越來越廣泛。2.1.2角度換算對(duì)于線數(shù)為的編碼器,設(shè)信號(hào)采集卡倍頻數(shù)為,則有角度換算關(guān)系為:式中?——為編碼器軸轉(zhuǎn)角;N——編碼器讀數(shù)對(duì)于電機(jī)編碼器,在倒立擺使用中需要把編碼器讀數(shù)轉(zhuǎn)化為小車的水平位置,以下轉(zhuǎn)換關(guān)系:式中——小車位移;——同步帶輪直徑2.1.3編碼器使用實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為倒立擺系統(tǒng)上的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器,在充分理解以上實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一擺桿角度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)按以下實(shí)驗(yàn)步驟完成在MATLAB下的擺桿角度檢測(cè)實(shí)驗(yàn),注意,在使用之前請(qǐng)仔細(xì)閱讀倒立擺的相關(guān)使用手冊(cè)和熟悉MATLAB部分知識(shí),確定MATLAB已經(jīng)安裝好實(shí)時(shí)控制工具箱和VC編譯環(huán)境(參見《固高M(jìn)ATLAB實(shí)時(shí)控制軟件用戶手冊(cè)》)。打開MATLAB以及Simulink環(huán)境:2)在窗口的左上角點(diǎn)擊“”建立一個(gè)新窗口:3)在Simulink窗口中,打開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”如下圖所示:4)在“GetCurrentAxis’sPosition”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵并將模塊拉到(以下簡稱為“拉”)剛才新建的窗口“untitled”中:5)雙擊“GetPos”模塊,打開如下窗口,并選擇軸號(hào)為“2”,即第一級(jí)擺桿連接的編碼器,此編碼器固定于小車上。6)從“Simulink\Sinks”中拉一個(gè)“Scope”到“untitled”窗口中:7)連接兩個(gè)模塊(移動(dòng)鼠標(biāo)到“<“上,鼠標(biāo)箭頭變成“+”,按下鼠標(biāo)左鍵并移動(dòng)到“>”上,松開鼠標(biāo)):8)在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”中拉一個(gè)“GT400-SVInitialization”模塊到窗口中:9)選擇上圖中上方的“Normal”為“External”:10)將文件保存為“EncoderTest”,點(diǎn)擊菜單“Simulation\SimulationParameters”設(shè)置參數(shù):11)點(diǎn)擊“Browse”修改設(shè)置為”Real-TimeWindowsTarget”12)點(diǎn)擊“OK”13)點(diǎn)擊“”編譯程序,在Command窗口中會(huì)有編譯信息顯示:14)打開電控箱電源;15)點(diǎn)擊“”連接程序;16)點(diǎn)擊“”運(yùn)行程序;17)雙擊“Scope”模塊觀察數(shù)據(jù):18)手動(dòng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿一圈,觀察顯示結(jié)果,在數(shù)據(jù)超出顯示范圍時(shí),點(diǎn)擊“”進(jìn)行縮放。從圖中可以看出,編碼器讀數(shù)為2400,等于編碼器的線數(shù)(600)的四倍(板卡4倍頻),順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿,觀察讀數(shù)和擺桿實(shí)際角度。19)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。備注:具體模型請(qǐng)參見EncoderTest.mdl,其路徑如下:“matlabroot\toolbox\GoogolTech\InvertedPendulum\”,也可以在Simulink環(huán)境中打開模型:進(jìn)入MATLABSimulink實(shí)時(shí)控制工具箱“GoogolEducationProducts”打開“InvertedPendulum\BasicExperiments”中的“EncoderTestExperiment”如下圖所示:系統(tǒng)模型如下:2.2MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為倒立擺系統(tǒng)上的交流伺服電機(jī)。將運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)前軸設(shè)定成速度控制模式,用戶需要設(shè)定最大速度和加速度兩個(gè)參數(shù)。在該模式下,開始運(yùn)動(dòng)時(shí)將以設(shè)定的加速度連續(xù)加速到設(shè)定的最大速度,運(yùn)動(dòng)方向由速度的符號(hào)確定,即正速度產(chǎn)生正向運(yùn)動(dòng),而負(fù)速度產(chǎn)生負(fù)向運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中,這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以隨時(shí)修改。實(shí)驗(yàn)步驟如下:1)打開MATLAB/Simulink仿真環(huán)境;2)在窗口的左上角點(diǎn)擊“”新建一個(gè)“Model”窗口:3)在“SimulinkLibraryBrowse”窗口中,打開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”,如下圖所示:4)拉“SetCurrentAxis’sAccandVel”模塊到剛才新建的“untitled”窗口中:5)雙擊“SetAccVel”模塊,打開如下窗口,參數(shù)設(shè)置如下圖:“Axisnumber”:選擇軸號(hào)為“1”,即小車電機(jī)所使用的軸?!癇ackvelocity”:此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng)的速度,單位為米/秒?!癇ackposition”:此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng),單位為脈沖數(shù)。6)從“Simulink\Souces”中拉兩個(gè)“Constant”到“untitled”窗口中:7)按下圖連接三個(gè)模塊:8)設(shè)置兩個(gè)“Constant”模塊參數(shù)如下:9)在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”中拉一個(gè)“GT400-SVInitialization”模塊到窗口中:10)按上圖選擇仿真模式為“External”。11)將文件保存為“MoterTest”,點(diǎn)擊菜單“Simulation\SimulationParameters”設(shè)置參數(shù)。12)點(diǎn)擊“Browse”修改設(shè)置為”Real-TimeWindowsTarget”13)點(diǎn)擊“OK”如下圖所示:14)點(diǎn)擊“”編譯程序,在Command窗口中會(huì)有編譯信息顯示:15)打開電控箱電源;16)點(diǎn)擊“”連接程序;17)點(diǎn)擊“”運(yùn)行程序;18)觀察小車的運(yùn)動(dòng)軌跡,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。修改最大速度和加速度兩個(gè)參數(shù),觀察小車的運(yùn)動(dòng)軌跡,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。參考模型:進(jìn)入MATLABSimulink實(shí)時(shí)控制工具箱“GoogolEducationProducts”,打開“InvertedPendulum\BasicExperiments”中的“ServoMotorControlExperiment”如下圖所示:實(shí)驗(yàn)總結(jié):我們共做了MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)、編碼器原理及使用實(shí)驗(yàn),由于事先已經(jīng)將參數(shù)設(shè)計(jì)好并經(jīng)過精心的仿真修改,所以實(shí)驗(yàn)耗時(shí)并不長,我們?cè)诼犕昀蠋煹脑敿?xì)解說后便開始了此次實(shí)驗(yàn)。首先我們將每個(gè)倒立擺
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