倒立摆机电控制系统结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 本科生毕业论文（设计） 题 目 倒立摆机电控制系统结构设计说明书 系 别 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化技术 学生姓名 学 号 100920508 年级 2010 级 指导教师 二 0 一四 年 四 月 三十 日 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 倒立摆机电控制系统结构设计说明书 专业； 机械设计制造及其自动化 学生： 指导老师： 摘 要 机械工业是一个国家的重要产业，机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对倒立摆机电控制系统进行改良和优化是当务之急。有大型倒立 摆机电控制系统生产企业对设备的安全指标的有着一定生产的严格要求。在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。国内 倒立摆机电控制系统 设备的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。倒立摆机电控制系统的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。 近期对机械行业中倒立摆机电控制系统的使用情况进行了调查，发现在机械行业中倒立摆机电控制系统的应用场合比比 皆是。 本次的毕业设计课题的是倒立摆机电控制系统的设计。本文介绍了倒立摆机电控制系统的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，该倒立摆机电控制系统的优点是高效，经济，并且安全系数高，运行平稳。本次倒立摆机电控制系统的设计，大大地提高了人们对机电控制系统思想觉悟，并且对后续的倒立摆机电控制系统的开发和研制都有着一定的影响，在某种程度上大大提升了该设备在国内外的竞争力，体现了机械工业重要性这一核心价值。 关键词： 倒立摆系统 控制对象 强耦合系统 变量 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 is a to do to a to or It in to in to in is of of it to on of of is to a by of to it of in is a It is as an to as a of of of is a to 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 le on by in to of is we by of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 目录 摘要 .一章 引言 .题的研究背景和意义 .二章倒立摆机电控制系统结构 的总体设计 .立摆机电控制系统结构 的功能需求 .统实现结构图 .三章倒立摆机电控制系统结构设计 .伺服电机的工作原理及选型计算 .伺服电机的工作原理 .伺服电机的选型计算 .光电码盘的工作原理 .四章倒立摆机电控制系统中 控制算法的实现 .论 .谢 .考文献 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 第一章 引言 题的研究背景和意义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研 项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的 任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平 行进化。 大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专 业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成 ，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。 立摆系统的工作原理 倒立摆 机电控制 系统 由 计算机， I/O 卡，伺服系统，倒立摆的 驱赶 和一个光电编码器反馈测量元件组成一个闭环系统。 其中以 直线倒立摆为例，原理框图如下图所买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 示。图 1 用编 码器的伺服电机，汽车可以根据位移反馈编码器通过转换增益，速度信号可以通过位移差得到。通过光电编码器 2 和直接反馈给 I/O 卡摆角和角速度信号的测量，可以得到角差。从 I/O 卡读取实时数据的计算机，以确定控制决策（电机，输出扭矩和 I/O 卡）。电气控制箱控制相应的 I/O 卡量的内部电路后，驱动电机转动，使汽车是根据控制要求的运动，达到控制的目的。为两个或两个以上的系列级倒立摆，需要增加光电编码器检测摆角。实际的系统配置，配置 I/O 卡，根据需要的伺服电机和驱动器。 具体倒立摆的工作原理图如下 : 第二章倒立摆机电控制系统 结构 的总体设计 立摆机电控制系统结构 的功能需求 （ 1） 需要可以任意调节转速的交流伺服电机配伺服驱动器一套。 （ 2） 通过 制程序能够灵活地控制倒立摆机电控制系统的运行。 （ 3）电压参数： 220V 交流电或者 48V 直流电压。 统实现结构图 根据课题的要求和技术指标，我们知道，该机电控制系统为二级倒立摆机电控制系统，其结构原理图，已经在上述图示中有所表达，伺服电机配带光电码盘，通过伺服电机驱动同步带轮传动，实现小车的往复运动，在惯性力的作用下，摆杆 1 和摆杆 2 会随着小车的运行而左右摆动，适时的 数据会由摆杆后面配带的光电码盘反馈给 I/O 卡， 制系统就会对 I/O 卡里的数据进行读买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 取，从而控制伺服电机的动作，其 结构图如 下图 所示。 根据图 显然需要直线导杆，光电码盘，伺服电机， 制箱等等 功能部件，其中的每一个功能部件又都有多种选择的余地，当我们对每一个功能部件进行分析、比较、选择和确定后，总体方案便确定下来了 。 第三章倒立摆机电控制系统结构设计 立摆机电控制系统的组成 倒立摆机电控制系统硬件的组成主要包括 ： 交流伺服电机、光电码盘、直线导杆、移动小车、 传动带轮等等。其具体结构图如下： 制系统硬件核心元件的选择 为实现 倒立摆机电控制系统各方面性能的测试，需要用到伺服电机驱动系统，同步带轮传动系统，直线导杆装置等等，为了便于对倒立摆系统的研究有买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 一个准确的数据，必要对控制系统中各元件进行准确的选型计算，这样才能对倒立摆机电控制系统中的个测试指标有一个准确的判断。 服电机的选择及作用 服电机的工作原理 在这次倒立摆机电控制系统的结构设计中，我们采用交流伺服电机驱动，伺服电机是一种最常用的电机，广泛应用 于各行各业。具有单相电容式单相异步电动机交流伺服电动机定子结构，定子上设有两个位置 90绕组，励磁绕组的 总是连接到 F；另一个是绕组连接控制，电压控制信号的 此，交流伺服电机和伺服电机的两个。交流伺服电动机的转子通常是由鼠笼，但对伺服电机的机械特性有较宽的线性范围，速度，“旋转”现象和快速响应的性能，与普通电动机相比，应具有转子电阻和转动惯量小的特点。使用两种形式的转子结构：一个由导电材料制成的鼠笼转子高电阻率的电阻率高，为了减小转子的转动惯量，转子细长；另一种是由铝合金制成的空心杯转 子，杯壁很薄，仅为二要减少磁路的磁阻，空心杯形，在固定在转子定子的地方，空心杯转子惯性矩小，响应速度快，运行稳定，因此被广泛应用。在控制电压的交流伺服电机，脉冲磁场产生只有励磁绕组的定子，转子和固定。当控制电压，将定子产生旋转磁场，转子沿着旋转磁场方向转动，在恒定负载的情况下，对控制电压改变电机的速度的大小，相位控制电压时相反，伺服电机反转。 服电机的选型计算 已知整个倒立摆机电控制系统的结构中，伺服电机所受到的负载来自移动小车的重力，摆杆的重力，光电码盘的重力以及直线导杆的重力和各方面 的摩擦力，在这里，我们取总重量为 10动小车可以往复移动的范围为 50000动买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 速度为 12r/： 001020 根据本次设计由于为了该机构的方便使用，我们选择交流伺服电机驱动移动小车移动，交流伺服电机的型号是 92体的电机设计计算如下： 1）交流伺服电机设计计算 1、确定运行时间 本次设计加速时间 01(t 60 载速度（ m/ 有速度可知每秒移动 50 . 0 3 31 . 2 = 1 . 23 6 0 电 机 0 0 / m i 0 0 5电 机 0 . 3 1 0 2 0 0 0 . 0 0 5 1 . 7 3 0 . 9 N m 式中： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 为摩擦系数 ; 左右水平运动2220 . 0 0 5( ) 2 0 0 0 . 0 0 0 1 2 6 7 7 9 ( . )22 M M k g m伺服电机的负载惯量为：4 3 4 5 27 . 8 7 1 0 0 . 4 0 . 2 3 . 7 2 1 0 ( . )3 2 3 2 L D k g m总惯量为：20 . 0 0 0 3 2 ( . ) L L M J k g 启动转矩 12 ( ) 2 6 3 6 . 9 ( 0 . 0 0 0 3 2 ) 1 . 2 5 6 0 1 . 2 J M J L J 必须转矩 2 . 3 6 . T M T L T S S N m； 里取 据以上得出数据，我们选用交流伺服电机型号为 92用交流电源驱动，根据电机的特性曲线以及参数表如下： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用交流伺服电机的具体型号为 92机额定功率为 定转矩为 定转速为 3000r/机大致图如下： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 外形尺寸 92机输出轴径为 14 电码盘的工作原理及作用 电码盘的工作原理 光电码盘 ，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电码盘 是由光栅盘和光电检测装置组 成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90旱牧铰仿龀逍藕拧 ， 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 增量式编码器是直接利用光电转换原理 输出三组方波脉冲 A、 相； A、 于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件 根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 码盘必须有 前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它 的特点是： 是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是精度取决于位数，目前有 10位、 14位等多种。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 线导杆的选择 通过丝杆螺母连接法兰，带动整个医疗床装置做上下运行，为了要保证平稳，需要有导向装置，这里就需要设计导向光杆和直线轴承配合整个丝杆螺母装置。 用于测试的 程塑料支架；钢架适用于工作温度；不锈钢轴承适用于水，蒸汽，硝酸等腐蚀性介质和真空的工作场所，按下列公式确定型 轴承的计算。 硬度：硬度系数 硬度， H = 1。 温度系数：工作温度小于 100C， 1，温度 100 接触系数 每根轴装一套轴承， 根轴装二套轴承， 根轴装三套轴承， 根轴装四套轴承， 荷系数 小于 15 米 /分钟的速度，无冲击，无振动， 小于 60 米 /分钟的速度，超调量小或振荡， 运行速度大于 60 米 /分钟，或有更大的冲击，振动， 时间是生命的 （ 10000 1） / 2 * L（ S * 60）（单位：小时小时） L：长度寿命 (万米 )， 作行程 (米 )， 分钟往复次数 已知行程 L=，工作温度 60分钟往复次数 0，微小冲击，轴承工作载荷 00度大于 望寿命 000 小时，试选择轴承型号。 按以上工作条件： 1 . 0 , 1 . 0 , 0 . 8 1= 1 0 . 2 1 0 = 2 m / m i n=运 行 速 度 ，属 于 一 般 冲 击 ， 选 取 F W 2 . 0 F H F T F 000N，我们选用两个导向光杆加上丝杆螺母，这样滑动轴承的所受负载就平均分配，上下六个滑动轴承分别连接底板和连接上固定圆盘，两边买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 轴承座为固定式的，中间六个为可以随着丝杆螺母上下滑动。六个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑动轴承处的所受负载为 166N。本次设计中所选择的滑动轴承为带法兰形状的。 步带轮传动的选择计算 1)传动名义功率 (2)主动轮转速 500r 动轮 =350r 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 (3)中心距 a=55 (4)工作 情况， 8小时运转 求设计功率 P=m=2= 中 载荷修正系数 由设计功率 n =1500r 查得带的型号为 应节距 P = 1）选择小带轮齿数 由小带轮转速 n=1500r/表得小带轮最小许用齿数 2，则大带轮齿数 i 中 i= 500 350=4 286; 286 12=51取标准带轮齿敦 =50; （ 2）确定带轮节圆直径 1/ =2/ =（ 3）确定同步带的节线长度 L L= 2+ (d2+ 2+ ( 180; 式中： =2a =0 218； 12 6 (以 a=100 则 L =择最接近计算值的标准 ; 节线长 (见表 4)L=（ 4）计算同步带齿数 z p/1; （ 5）传动中心距 a= 2 式中： 3 14l6 用逐步逼近法计算， =1 351 8(弧度 )代入上式得出 a= 最后测量装置同步带选用 = 1， L,= 55 20b = 同步带轮： 1， 0， 1/ =2/ =同步轮结构图如下图所示： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 第四章倒立摆机电控制系统中 控制算法的实现 制算法简介 例积分微分）控制是一个被 称为比例积分的微分控制，具有生产流程的自动控制， 二十世纪的前 40年中，除了最简单的用例可以用开关控制，它是唯一用方法来控制。自那时以来，在发展科学技术尤其是电子计算机的诞生与发展，许多先进的控制方法不断出现。然而，直到现在，因为是真实的一个 差率的不同组合，积分，微分控制三方面，数量。“广义控制对象包括控制阀，控制对象和测量探头。在基本 优点包括：适应性强、鲁棒性强和不依赖的类型的早餐。目前，已经有很多的 广泛用于工程中，许多大公司有一个由 A 数自整定的智能调节器（ 一个 适应算法。包括使用力，流量，液位和 制器实现 制，实现 可编程逻辑控制器（ 制模块的实现是一个 制各部分的特点 在实际工程应用中，比例，调节器积分，微分广泛使用都非常广泛，也被称为0年历史，它以其结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便而成为工业控制的主要技术。在充分掌握被控对象的结构和参数不能，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场试验确定，然后 不完全了解一个系统和被控对象，或不能获得系统参数通过测量的有效手段，最适合的 实践中也有 用比例，积分，微分控制的计算量的控制。 1，所占的比例（ P）控制比例控制是一种控制的最简单方式。控制器的输出与输入误差信号成比例。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（稳态误差）。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 2，（我）的积分在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。一个自动控制系统，如果在稳定状态的稳态误差，称为控制系统与系统的稳态误差（稳态误差系统）。为了消除稳态误差，在控制器必须引入“积分”。积分项对误差取决于时间，随着时间的增加，积分项会增大。所以，即使误差很小 ，积分项也会随着时间的增加而增加，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 +积分（ 制器，可以使系统在稳定状态下的稳态误差。 3，微分（ D）在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比。自动控制系统中可能会出现振荡甚至失稳克服误差的调节过程。原因是因为那里是一个大惯性组件（环节）或向后（延迟）成分，抑制误差的作用，其变化总是落后的误差。解决的办法是抑制误差的作用，改变“提前”，这是在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。也就是说，控制器只有“比例” 的引入往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加“差”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，可以提前抑制误差的控制作用等于零，甚至为负，从而避免了被控严重超调量。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分（ 改善系统的过程的动态特性的调节控制器。 制器各部分参数的选定 高兴。比例系数、积分时间制器参数整定有很多方法，一是理论计算方法。它主要是基于数学模型，通过理论计算 来确定的参数控制器。本方法计算数据直接使用，也必须调整和修改工程。项目方法，它主要取决于我们的工程经验，测试与控制系统，方法简单、容易实践。 制器参数整定方法的作品，比值法，反应曲线法和衰减。三方法的共同点是，通过测试，然后根据经验公式 of 论什么样的目的是获得控制器参数，最后的调整和改进。现在一般使用比值法。 （ 1）前选择采样周期短，让系统工作； （ 2）比例控制链接，直到系统步进响应输入临界振荡，振荡放大系数； （ 3）参数在一定度 制算法的实现 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制方法是 制， 制系统原理框图如图所示，系统由 制器和被控对象组成。 制器是一种线性控制器，它根据给定值 t)与实际输出值 t) 构成控制偏差： t)=t)t); U(t)=Kp(t)+1/Tp*t)d/ 简单来说，在教学中的 （ 1）：错误比例误差信号来反映控制系统比例（ T）， 一旦产生偏差， 该控制器具有立竿见影的效果，以减少偏差。 （ 2）组成：主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。函数的积分强度 取决于积分时间常数，它是高的，积分作用较弱，而更强大。 （ 3）微分环节：在偏差信号的变化（变化率），和差信号 太多之前，在系统中引入一个有效的修正信号，从而加快系统的运行速度，降低调整时间。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 结论 在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给 予及时的指导，确保设计进度本文所设计的是倒立摆机电控制系统的设计，通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最后，感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。 买文档就送您 纸全套， Q