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倒立 机电 控制系统 结构设计 全部 结清

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倒立摆机电控制系统结构设计(全部结清（,倒立,机电,控制系统,结构设计,全部,结清

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. . . 7 . 相似度：4 % 标题：生产过程控制自动化毕业论文-PLC组态技术在电池包生产中的应用 - . . . /p-418401429.html 8 . 相似度：3 % 标题：基于云模型理论一阶直线倒立摆控制技术研究 8 . 相似度：3 % 标题：基于云模型理论一阶直线倒立摆控制技术研究 /p-1095854084.html 9. 相似度：2 % 标题：过程控制中反馈控制的基本原理和 PI D 控制方法 - 东莞市安达自动. . . 9. 相似度：2 % 标题：过程控制中反馈控制的基本原理和 PI D 控制方法 - 东莞市安达自动. . . /news/lunwen/dianjiaoji/2196.html 10 . 相似度：1 % 标题：测试系统原理与设计( 孙传友编著) 习题答案( 个人整理) - 豆. . . 10 . 相似度：1 % 标题：测试系统原理与设计( 孙传友编著) 习题答案( 个人整理) - 豆. . . /p-504389675.html 全文简明报告：全文简明报告： 本科生毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计） 51 %： 题 目 倒立摆机电控制系统结构设计说明书 51 %： 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 系 别 机械工程系 91 %： 专 业 机械设计制造及其自动化技术 91 %： 专 业 机械设计制造及其自动化技术 学生姓名 学生姓名 学 号 10 0 92 0 50 8 年级 2 0 10 级 学 号 10 0 92 0 50 8 年级 2 0 10 级 指导教师 指导教师 6 3 %： 二0 一四 年 四 月 三十 日 6 3 %： 二0 一四 年 四 月 三十 日 57 %： 倒立摆机电控制系统结构设计说明书 57 %： 倒立摆机电控制系统结构设计说明书 专业； 专业； 10 0 %： 机械设计制造及其自动化 10 0 %： 机械设计制造及其自动化 学生： 指导老师： 学生： 指导老师： 摘 要 摘 要 10 0 %： 随着现代科学技术的快速发展，控制工程所面临的问题越来越复杂。 10 0 %： 许多系统具有严重 10 0 %： 随着现代科学技术的快速发展，控制工程所面临的问题越来越复杂。 10 0 %： 许多系统具有严重非线性、模型不确定、大滞后等特点。 10 0 %： 倒立摆就是这样的复杂系统，对它的研究具有一般性。 非线性、模型不确定、大滞后等特点。 10 0 %： 倒立摆就是这样的复杂系统，对它的研究具有一般性。 10 0 %： 倒立摆源于火箭发射器，最初的研究开始于二十世纪50 年代，由美国麻省理工学院的 10 0 %： 控制理10 0 %： 倒立摆源于火箭发射器，最初的研究开始于二十世纪50 年代，由美国麻省理工学院的 10 0 %： 控制理ID: VIP94943ACD28E607C4F 3 / 20论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。 10 0 %： 倒立摆的控制技巧同杂技运动员倒立平论专家根据火箭发射助推器原理设计出一级倒立摆实验设备。 10 0 %： 倒立摆的控制技巧同杂技运动员倒立平衡表演有异曲同工之处，这表明一个不稳定的被控对象，通过人的直觉、采取定性的手段，可以使之具有良好的稳衡表演有异曲同工之处，这表明一个不稳定的被控对象，通过人的直觉、采取定性的手段，可以使之具有良好的稳定性。 10 0 %： 在控制理论的发展过程中，某一理论的正确性及其在实际应用中的可行性需要一个按其理论设定性。 10 0 %： 在控制理论的发展过程中，某一理论的正确性及其在实际应用中的可行性需要一个按其理论设计的控制器去控制一个典型对象来验证。 10 0 %： 倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，成本计的控制器去控制一个典型对象来验证。 10 0 %： 倒立摆系统作为一个实验装置，形象直观，结构简单，成本低廉； 94 %： 作为一个控制对象，他又相当复杂，同时就其本身而言，是一个高阶次、不稳定、多变量、非低廉； 94 %： 作为一个控制对象，他又相当复杂，同时就其本身而言，是一个高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统， 96 %： 只有采取行之有效的控制方法才能使之稳定，因此倒立摆装置被公认为是自动控线性、强耦合系统， 96 %： 只有采取行之有效的控制方法才能使之稳定，因此倒立摆装置被公认为是自动控制理论中的典型实验设备。 制理论中的典型实验设备。 10 0 %： 通过对倒立摆系统的研究，不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科 10 0 %： 通过对倒立摆系统的研究，不仅可以解决控制中的理论问题，还能将控制理论所涉及的三个基础学科： 10 0 %： 力学、数学和电学有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。 10 0 %： 对倒立摆系统进： 10 0 %： 力学、数学和电学有机的结合起来，在倒立摆系统中进行综合应用。 10 0 %： 对倒立摆系统进行控制，其稳定效果非常明了，可以通过角度、位移和稳定时间直接度量，控制好坏一目了然。 10 0 %： 理论行控制，其稳定效果非常明了，可以通过角度、位移和稳定时间直接度量，控制好坏一目了然。 10 0 %： 理论是工程的先导，对倒立摆的研究不仅有其深远的理论意义，还有重要的工程背景。 10 0 %： 从日常生活中所见是工程的先导，对倒立摆的研究不仅有其深远的理论意义，还有重要的工程背景。 10 0 %： 从日常生活中所见到的任何重心在上，支点在下的控制问题，到空间飞行器和各类伺服云台的稳定， 10 0 %： 都和倒立摆的控制到的任何重心在上，支点在下的控制问题，到空间飞行器和各类伺服云台的稳定， 10 0 %： 都和倒立摆的控制有很大的相似性，故对其的稳定控制在实际中有很多用场，如海上钻井平台的 95 %： 稳定控制、卫星发射架有很大的相似性，故对其的稳定控制在实际中有很多用场，如海上钻井平台的 95 %： 稳定控制、卫星发射架的稳定控制、火箭姿态控制、飞机安全着陆化工过程控制等都属于这类问题。 96 %： 针对上面的实际问题的稳定控制、火箭姿态控制、飞机安全着陆化工过程控制等都属于这类问题。 96 %： 针对上面的实际问题，启发了人们采用智能控制方法对倒立摆进行控制因此对倒立摆机理的研究具有重要的理论和实际意义， 10 0，启发了人们采用智能控制方法对倒立摆进行控制因此对倒立摆机理的研究具有重要的理论和实际意义， 10 0%： 成为控制理论中经久不衰的研究课题。 %： 成为控制理论中经久不衰的研究课题。 关键词： 关键词： 6 3 %： 倒立摆系统 控制对象 强耦合系统 变量 6 3 %： 倒立摆系统 控制对象 强耦合系统 变量 I n v e r t e d p e n d u l u m e l e c t r o m e c h a n i c a l c o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e d e s i g n s p e c i f i c a t i o n I n v e r t e d p e n d u l u m e l e c t r o m e c h a n i c a l c o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e d e s i g n s p e c i f i c a t i o n M a j o r : M a j o r : St u d u e n t : Su p e r v i s o r St u d u e n t : Su p e r v i s o r a b s r a o t e a b s r a o t e Pn e u m a t i c m a n i p u l a t o r i s a a u t o m a t e d d e v i c e s t h a t c a n m i m i c t h e h u m a n h a n d a n d a r m m o v e m e n t s t o d o s o m e t h i n g ， Pn e u m a t i c m a n i p u l a t o r i s a a u t o m a t e d d e v i c e s t h a t c a n m i m i c t h e h u m a n h a n d a n d a r m m o v e m e n t s t o d o s o m e t h i n g ，a s l o c a n a c c o r d i n g t o a f i x e d p r o c e d u r e t o m o v i n g o b j e c t s o r c o n t r o l t o o l s . I t c a n r e p l a c e t h e h e a v y l a b o r i n o r d e r t o a c h i e v e t h ea s l o c a n a c c o r d i n g t o a f i x e d p r o c e d u r e t o m o v i n g o b j e c t s o r c o n t r o l t o o l s . I t c a n r e p l a c e t h e h e a v y l a b o r i n o r d e r t o a c h i e v e t h ep r o d u c t i o n m e c h a n i z a t i o n a n d a u t o m a t i o n ， a n d c a n w o r k i n d a n g e r o u s w o r k i n g e n v i r o n m e n t s t o p r o t e c t t h e p e r s o n a l s a f e t y ，p r o d u c t i o n m e c h a n i z a t i o n a n d a u t o m a t i o n ， a n d c a n w o r k i n d a n g e r o u s w o r k i n g e n v i r o n m e n t s t o p r o t e c t t h e p e r s o n a l s a f e t y ， T h e r e f o r e w i d e l y u s e d i n m a c h i n e b u i l d i n g ， m e t a l l u r g y ， e l e c t r o n i c s ， l i g h t i n d u s t r y a n d a t o m i c e n e r g y s e c t o r s . T h e r e f o r e w i d e l y u s e d i n m a c h i n e b u i l d i n g ， m e t a l l u r g y ， e l e c t r o n i c s ， l i g h t i n d u s t r y a n d a t o m i c e n e r g y s e c t o r s . T h i s a r t i c l e i s m a i n l y o f t h e p n e u m a t i c m a n i p u l a t o r t h e o v e r a l l d e s i g n ， a n d p n e u m a t i c d e s i g n . T h i s m e c h a n i s m o fT h i s a r t i c l e i s m a i n l y o f t h e p n e u m a t i c m a n i p u l a t o r t h e o v e r a l l d e s i g n ， a n d p n e u m a t i c d e s i g n . T h i s m e c h a n i s m o fm a n i p u l a t o r i n c l u d e s c y l i n d e r s a n d c l a w s a n d c o n n e c t o r s p a r t s ， i t c a n m o v e a c c o r d i n g t o t h e d u e t r a c k o n t h e m o v e m e n t o fm a n i p u l a t o r i n c l u d e s c y l i n d e r s a n d c l a w s a n d c o n n e c t o r s p a r t s ， i t c a n m o v e a c c o r d i n g t o t h e d u e t r a c k o n t h e m o v e m e n t o fg r a b b i n g ， c a r r y i n g a n d u n l o a d i n g . T h e p n e u m a t i c p a r t o f t h e d e s i g n i s p r i m a r i l y t o c h o o s e t h e r i g h t v a l v e s a n d d e s i g n ag r a b b i n g ， c a r r y i n g a n d u n l o a d i n g . T h e p n e u m a t i c p a r t o f t h e d e s i g n i s p r i m a r i l y t o c h o o s e t h e r i g h t v a l v e s a n d d e s i g n ar e a s o n a b l e p n e u m a t i c c o n t r o l l o o p ， b y c o n t r o l l i n g a n d r e g u l a t i n g p r e s s u r e ， f l o w a n d d i r e c t i o n o f t h e c o m p r e s s e d a i r t or e a s o n a b l e p n e u m a t i c c o n t r o l l o o p ， b y c o n t r o l l i n g a n d r e g u l a t i n g p r e s s u r e ， f l o w a n d d i r e c t i o n o f t h e c o m p r e s s e d a i r t om a k e i t g e t t h e n e c e s s a r y s t r e n g t h ， s p e e d a n d c h a n g e d t h e d i r e c t i o n o f m o v e m e n t i n t h e p r e s c r i b e d p r o c e d u r e w o r k . m a k e i t g e t t h e n e c e s s a r y s t r e n g t h ， s p e e d a n d c h a n g e d t h e d i r e c t i o n o f m o v e m e n t i n t h e p r e s c r i b e d p r o c e d u r e w o r k . T h e i n v e r t e d p e n d u l u m i s a t y p i c a l h i g h o r d e r s y s t e m ， w i t h m u l t i - v a r i a b l e ， n o n -l i n e a r ， T h e i n v e r t e d p e n d u l u m i s a t y p i c a l h i g h o r d e r s y s t e m ， w i t h m u l t i - v a r i a b l e ， n o n -l i n e a r ， s t r o n g -c o u p l i n g ， f l e e t a n d a b s o l u t e l y i n s t a b l e . I t i s r e p r e s e n t a t i v e a s a n i d e a l m o d e l t o p r o v e n e w c o n t r o l t h e o r y a n ds t r o n g -c o u p l i n g ， f l e e t a n d a b s o l u t e l y i n s t a b l e . I t i s r e p r e s e n t a t i v e a s a n i d e a l m o d e l t o p r o v e n e w c o n t r o l t h e o r y a n dt e c h n i q u e s . D u r i n g t h e c o n t r o l p r o c e s s ， p e n d u l u m c a n e f f e c t i v e l y r e f l e c t m a n y k e y p r o b l e m s s u c h a s e q u a n i m i t y ， r o b u s t ，t e c h n i q u e s . D u r i n g t h e c o n t r o l p r o c e s s ， p e n d u l u m c a n e f f e c t i v e l y r e f l e c t m a n y k e y p r o b l e m s s u c h a s e q u a n i m i t y ， r o b u s t ，f o l l o w - u p a n d t r a c k ， t h e r e f o r e . T h i s p a p e r s t u d i e s a c o n t r o l m e t h o d o f d o u b l e i n v e r t e d p e n d u l u m LQ R. Fi r s t o f a l l ， t h ef o l l o w - u p a n d t r a c k ， t h e r e f o r e . T h i s p a p e r s t u d i e s a c o n t r o l m e t h o d o f d o u b l e i n v e r t e d p e n d u l u m LQ R. Fi r s t o f a l l ， t h eID: VIP94943ACD28E607C4F 4 / 20m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e d o u b l e i n v e r t e d p e n d u l u m i s e s t a b l i s h e d ， t h e n m a k e a c o n t r o l d e s i g n t o d o u b l e i n v e r t e d p e n d u l u mm a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e d o u b l e i n v e r t e d p e n d u l u m i s e s t a b l i s h e d ， t h e n m a k e a c o n t r o l d e s i g n t o d o u b l e i n v e r t e d p e n d u l u mo n t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l ， a n d d e t e r m i n e t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e i n d e x w e i g h t m a t r i x Q ， R b y u s i n g g e n e t i c a l g o r i t h m i no n t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l ， a n d d e t e r m i n e t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e i n d e x w e i g h t m a t r i x Q ， R b y u s i n g g e n e t i c a l g o r i t h m i no r d e r t o a t t a i n t h e s y s t e m o r d e r t o a t t a i n t h e s y s t e m s t a t e f e e d b a c k c o n t r o l m a t r i x . Fi n a l l y ， t h e s i m u l a t i o n o f t h e s y s t e m i s m a d e b y M A T LA B. A f t e r s e v e r a l t e s t m a t r i x Qs t a t e f e e d b a c k c o n t r o l m a t r i x . Fi n a l l y ， t h e s i m u l a t i o n o f t h e s y s t e m i s m a d e b y M A T LA B. A f t e r s e v e r a l t e s t m a t r i x Qv a l u e t h e r e s u l t s a r e n o t s a t i s f a c t o r y r e s p o n s e ， t h e n w e o p t i m i z e Q m a t r i x b y u s i n g G e n e t i c A l g o r i t h m . Si m u l a t i o n r e s u l t sv a l u e t h e r e s u l t s a r e n o t s a t i s f a c t o r y r e s p o n s e ， t h e n w e o p t i m i z e Q m a t r i x b y u s i n g G e n e t i c A l g o r i t h m . Si m u l a t i o n r e s u l t ss h o w : T h e s y s t e m r e s p o n s e c a n m e e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s e f f e c t i v e l y a f t e r G e n e t i c A l g o r i t h m o p t i m i z a t i o n . s h o w : T h e s y s t e m r e s p o n s e c a n m e e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s e f f e c t i v e l y a f t e r G e n e t i c A l g o r i t h m o p t i m i z a t i o n . Sm a l l t w i s t e d p a p e r b r o k e n m a c h i n e f o r o r d i n a r y h o m e ， n o t o n l y c a n b e u s e d f o r m i n c e d m e a t ， c a n a l s o b e u s e d w i t h Sm a l l t w i s t e d p a p e r b r o k e n m a c h i n e f o r o r d i n a r y h o m e ， n o t o n l y c a n b e u s e d f o r m i n c e d m e a t ， c a n a l s o b e u s e d w i t hc r u s h e d p e a n u t s ， c r u s h e d i c e ， s p i c e s a n d o t h e r f o o d ， s m a l l p o w e r r e q u i r e m e n t s ， p o w e r e d b y t h e m o t o r d r i v e ，c r u s h e d p e a n u t s ， c r u s h e d i c e ， s p i c e s a n d o t h e r f o o d ， s m a l l p o w e r r e q u i r e m e n t s ， p o w e r e d b y t h e m o t o r d r i v e ，r e a s o n a b l e s t r u c t u r e d e s i g n ， c a n m e e t t h e f a m i l y k i t c h e n g e n e r a l l y m e a t f o o d c o n s i s t i n g m a i n l y o f m i n c e d r e q u i r e d . r e a s o n a b l e s t r u c t u r e d e s i g n ， c a n m e e t t h e f a m i l y k i t c h e n g e n e r a l l y m e a t f o o d c o n s i s t i n g m a i n l y o f m i n c e d r e q u i r e d . K e y w o r d : p n e u m a t i c m a n i p u l a t o r ； c y l i n d e r ； p n e u m a t i c l o o p ； Fo u r d e g r e e s o f f r e e d o m . K e y w o r d : p n e u m a t i c m a n i p u l a t o r ； c y l i n d e r ； p n e u m a t i c l o o p ； Fo u r d e g r e e s o f f r e e d o m . 目录 目录 摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 A b s t r a c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 A b s t r a c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 第一章 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 第一章 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1. 1 课题的研究背景和意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 1 课题的研究背景和意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 2 倒立摆机电控制系统的国内外研究概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 2 倒立摆机电控制系统的国内外研究概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 3倒立摆系统简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 3倒立摆系统简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 3. 1倒立摆系统的分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 3. 1倒立摆系统的分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 3. 2 倒立摆系统的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 3. 2 倒立摆系统的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 3. 3倒立摆系统框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1. 3. 3倒立摆系统框图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1. 4倒立摆系统的工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1. 4倒立摆系统的工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 第二章倒立摆机电控制系统结构的总体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 第二章倒立摆机电控制系统结构的总体设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 1 倒立摆机电控制系统结构的功能需求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 1 倒立摆机电控制系统结构的功能需求. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 2 系统实现结构图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 2 系统实现结构图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 第三章倒立摆机电控制系统结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 第三章倒立摆机电控制系统结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 ID: VIP94943ACD28E607C4F 5 / 20 3. 1控制系统的构成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. 1控制系统的构成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. 2 控制系统硬件电路核心元件的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. 2 控制系统硬件电路核心元件的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. 2 . 1伺服电机的工作原理及选型计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. 2 . 1伺服电机的工作原理及选型计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. 2 . 2 伺服电机的工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. 2 . 2 伺服电机的工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. 2 . 3伺服电机的选型计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. 2 . 3伺服电机的选型计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. 3光电码盘的工作原理及作用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. 3光电码盘的工作原理及作用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. 3. 1光电码盘的工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. 3. 1光电码盘的工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. 3. 2 光电码盘的作用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3. 3. 2 光电码盘的作用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3. 4直线导杆的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3. 4直线导杆的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3. 5同步带轮传动的选择计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3. 5同步带轮传动的选择计算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 第四章倒立摆机电控制系统中PID 的控制算法的实现. . . . . . . . . . . . . . 2 2 第四章倒立摆机电控制系统中PID 的控制算法的实现. . . . . . . . . . . . . . 2 2 4. 1PI D 控制算法简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4. 1PI D 控制算法简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4. 1. 2 PI D 控制各部分的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4. 1. 2 PI D 控制各部分的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4. 1. 3PI D 控制器各部分参数的选定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4. 1. 3PI D 控制器各部分参数的选定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4. 2 PI D 控制算法的实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4. 2 PI D 控制算法的实现. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 第一章 引言 第一章 引言 1. 1课题的研究背景和意义 1. 1课题的研究背景和意义 98 %： 控制理论发展至今己有10 0 多年的历史，随着现代科学技术的发展，它的应用也越来越广泛。 10 0 98 %： 控制理论发展至今己有10 0 多年的历史，随着现代科学技术的发展，它的应用也越来越广泛。 10 0%： 特别是近几十年，航天航空航海和其它工业过程等领域的研究发展， %： 特别是近几十年，航天航空航海和其它工业过程等领域的研究发展， 98 %： 不断地向控制理论提出一系列挑战性问题，对这些问题的研究和探索，有力地推动控制理论和控制方 98 %： 不断地向控制理论提出一系列挑战性问题，对这些问题的研究和探索，有力地推动控制理论和控制方ID: VIP94943ACD28E607C4F 6 / 20法取得长足发展。 95 %： 而倒立摆装置被公认为自动控制理论中的典型实验设备，也是控制理论教学和科研法取得长足发展。 95 %： 而倒立摆装置被公认为自动控制理论中的典型实验设备，也是控制理论教学和科研中典型物理模型。 95 %： 倒立摆，顾名思义，是处于倒置不稳定状态，人为控制使其处于动态平衡的一种摆中典型物理模型。 95 %： 倒立摆，顾名思义，是处于倒置不稳定状态，人为控制使其处于动态平衡的一种摆。 。 6 0 %： 其本身是一个自然不稳定体，在控制过程中能够有效的计算机运动控制系统对倒立摆装置进行控制 6 0 %： 其本身是一个自然不稳定体，在控制过程中能够有效的计算机运动控制系统对倒立摆装置进行控制， ， 7 9 %： 跟踪，能够反映控制中的许多关键问题，如稳定性问题，非线性问题，随动问题以及跟踪问题等都 7 9 %： 跟踪，能够反映控制中的许多关键问题，如稳定性问题，非线性问题，随动问题以及跟踪问题等都可以用倒立摆为例加以研究。 10 0 %： 倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。 可以用倒立摆为例加以研究。 10 0 %： 倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。 10 0 %： 在多种控制理论与方法的研究与应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的实验问题， 9710 0 %： 在多种控制理论与方法的研究与应用中，特别是在工程实践中，也存在一种可行性的实验问题， 97%： 使其理论与方法得到有效检验，倒立摆就能为此提供一个从理论通往实践的桥梁。 %： 使其理论与方法得到有效检验，倒立摆就能为此提供一个从理论通往实践的桥梁。 90 %： a . 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统。 90 %： a . 机器人的站立与行走类似双倒立摆系统。 尽管第一台机器人在美国问世至 尽管第一台机器人在美国问世至 8 7 %： 今已有三十年的历史，机器人的关键技术，机器人的行走控制至今仍未能很好解 8 7 %： 今已有三十年的历史，机器人的关键技术，机器人的行走控制至今仍未能很好解 决。 决。 8 9 %： b . 在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态要不断进行实时控 8 9 %： b . 在火箭等飞行器的飞行过程中，为了保持其正确的姿态要不断进行实时控 制。 制。 94 %： c . 通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时要保持其稳定 94 %： c . 通信卫星在预先计算好的轨道和确定的位置上运行的同时要保持其稳定 10 0 %： 的姿态，使卫星天线一直指向地球使它的太阳能电池板一直指向太阳。 10 0 %： 的姿态，使卫星天线一直指向地球使它的太阳能电池板一直指向太阳。 91 %： d . 侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响。 91 %： d . 侦察卫星中摄像机的轻微抖动会对摄像的图像质量产生很大的影响。 93 %： 为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定消除震动。 93 %： 为了提高摄像的质量，必须能自动地保持伺服云台的稳定消除震动。 94 %： e . 为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭( 多级火箭) 其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系 94 %： e . 为防止单级火箭在拐弯时断裂而诞生的柔性火箭( 多级火箭) 其飞行姿态的控制也可以用多级倒立摆系统进行研究。 统进行研究。 97 %： 由于倒立摆系统与双足机器人、火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性因此对倒立摆控制机 97 %： 由于倒立摆系统与双足机器人、火箭飞行控制和各类伺服云台稳定有很大相似性因此对倒立摆控制机理的研究具有重要的理论和实践意义。 理的研究具有重要的理论和实践意义。 56 %： 1. 2 倒立摆机电控制系统的国内外研究概况 56 %： 1. 2 倒立摆机电控制系统的国内外研究概况 93 %： 早在6 0 年代人们就开始了对倒立摆系统的研究，196 6 年Sc h a e f e r 和Ca n n o n 应用Ba n g -Ba n g 控制理论，将 93 %： 早在6 0 年代人们就开始了对倒立摆系统的研究，196 6 年Sc h a e f e r 和Ca n n o n 应用Ba n g -Ba n g 控制理论，将一个曲轴稳定于倒立位置。 10 0 %： 在6 0 年代后期，作为一个典型的不稳定、严重非线性证例提出了倒立摆的一个曲轴稳定于倒立位置。 10 0 %： 在6 0 年代后期，作为一个典型的不稳定、严重非线性证例提出了倒立摆的概念， 10 0 %： 并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力，受到世界各国许多科学家的概念， 10 0 %： 并用其检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力，受到世界各国许多科学家的重视， 10 0 %： 从而用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆，成为具有挑战性的课题之一。 重视， 10 0 %： 从而用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆，成为具有挑战性的课题之一。 6 5 %： 6 5 %：197 5年采用最优控制和状态重构完成对一级倒立摆的稳定控制，197 8 年采用微机处理实现了二级倒立摆的控制， 197 5年采用最优控制和状态重构完成对一级倒立摆的稳定控制，197 8 年采用微机处理实现了二级倒立摆的控制， 6 9 %： 198 3年实现了双电机三级倒立摆的稳定控制，国内虽然从8 0 年代才开始对倒立摆进行研究，但成效颇丰， 6 9 %： 198 3年实现了双电机三级倒立摆的稳定控制，国内虽然从8 0 年代才开始对倒立摆进行研究，但成效颇丰， 90 %： 198 2 年西安交通大学采用最优控制和降维观测器完成二级倒立摆系统的研究和控制， 8 8 %： 198 3年国 90 %： 198 2 年西安交通大学采用最优控制和降维观测器完成二级倒立摆系统的研究和控制， 8 8 %： 198 3年国防科技大学完成一级倒立摆系统的研究控制， 防科技大学完成一级倒立摆系统的研究控制， 6 3 %： 198 8 年徐红兵等采用模糊神经网络控制算法实现二级倒立 6 3 %： 198 8 年徐红兵等采用模糊神经网络控制算法实现二级倒立摆系统的稳定性控制，1995张明廉等应用智能控制理论完成三级倒立摆的研究控制， 摆系统的稳定性控制，1995张明廉等应用智能控制理论完成三级倒立摆的研究控制， 8 5 %： 2 0 0 1年9月北京师 8 5 %： 2 0 0 1年9月北京师范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自 10 0 %： 适应模糊控制成功地实现了三级范大学李洪兴教授领导的复杂系统实时智能控制实验室采用变论域自 10 0 %： 适应模糊控制成功地实现了三级ID: VIP94943ACD28E607C4F 7 / 20倒立摆实物系统控制， 8 0 %： 又于2 0 0 2 年8 月在国际上首次成功实现了四级倒立摆控制系统。 倒立摆实物系统控制， 8 0 %： 又于2 0 0 2 年8 月在国际上首次成功实现了四级倒立摆控制系统。 1. 3 倒立摆系统简介 1. 3 倒立摆系统简介 1. 3. 1倒立摆系统的分类 1. 3. 1倒立摆系统的分类 8 9 %： 到目前为止，倒立摆已经由原来的直线一级倒立摆扩展出很多种类，典型的有直线倒立摆， 10 0 8 9 %： 到目前为止，倒立摆已经由原来的直线一级倒立摆扩展出很多种类，典型的有直线倒立摆， 10 0%： 环形倒立摆，平面倒立摆和复合倒立摆等，倒立摆系统是在运动模块上装有倒立摆装置， 10 0 %： 由于在%： 环形倒立摆，平面倒立摆和复合倒立摆等，倒立摆系统是在运动模块上装有倒立摆装置， 10 0 %： 由于在相同的运动模块上可以装载不同的倒立摆装置，倒立摆的种类由此而丰富很多， 10 0 %： 按倒立摆的结构来分相同的运动模块上可以装载不同的倒立摆装置，倒立摆的种类由此而丰富很多， 10 0 %： 按倒立摆的结构来分，有以下类型的倒立摆： ，有以下类型的倒立摆： ( 1) 直线倒立摆系列 ( 1) 直线倒立摆系列 10 0 %： 直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由 10 0 %： 直线倒立摆是在直线运动模块上装有摆体组件，直线运动模块有一个自由 10 0 %： 度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件，可以组成很多类别的倒立摆。 10 0 %： 度，小车可以沿导轨水平运动，在小车上装载不同的摆体组件，可以组成很多类别的倒立摆。 10 0 %： 直线柔性倒立摆和一般直线倒立摆的不同之处在于，柔性倒立摆有两个可以沿导轨滑动的小车，并且在主10 0 %： 直线柔性倒立摆和一般直线倒立摆的不同之处在于，柔性倒立摆有两个可以沿导轨滑动的小车，并且在主动小车和从动小车之间增加了一个弹簧，作为柔性关节。 动小车和从动小车之间增加了一个弹簧，作为柔性关节。 ( 2 ) 环形倒立摆系列 ( 2 ) 环形倒立摆系列 10 0 %： 环形倒立摆是在圆周运动模块上装有摆体组件，圆周运动模块有一个自由度， 97 %： 可以围绕 10 0 %： 环形倒立摆是在圆周运动模块上装有摆体组件，圆周运动模块有一个自由度， 97 %： 可以围绕齿轮中心做圆周运动，在运动手臂末端装有摆体组件，根据摆体组 齿轮中心做圆周运动，在运动手臂末端装有摆体组件，根据摆体组 96 %： 件的级数和串连或并联的方式，可以组成很多形式的倒立摆。 96 %： 件的级数和串连或并联的方式，可以组成很多形式的倒立摆。 ( 3) 平面倒立摆系列 ( 3) 平面倒立摆系列 10 0 %： 平面倒立摆是在可以做平面运动的运动模块上装有摆杆组件，平面运动模块 10 0 %： 平面倒立摆是在可以做平面运动的运动模块上装有摆杆组件，平面运动模块 主要有两类： 主要有两类： 91 %： 一类是XY平台，另一类是两自由度SCA RA 机械臂； 10 0 %： 摆体组件也有一级、 91 %： 一类是XY平台，另一类是两自由度SCA RA 机械臂； 10 0 %： 摆体组件也有一级、二级、三级和四级很多种。 二级、三级和四级很多种。 ( 4) 复合倒立摆系列 ( 4) 复合倒立摆系列 94 %： 复合倒立摆是一类新型倒立摆，由运动本体和摆杆组件组成，其运动本体可 94 %： 复合倒立摆是一类新型倒立摆，由运动本体和摆杆组件组成，其运动本体可 8 8 %： 以很方便的调整成三种模式，一是环形倒立摆，还可以把本体翻转90 度， 8 8 %： 以很方便的调整成三种模式，一是环形倒立摆，还可以把本体翻转90 度， 10 0 %： 连杆竖直向下和竖直向上组成托摆和顶摆两种形式的倒立摆。 10 0 %： 连杆竖直向下和竖直向上组成托摆和顶摆两种形式的倒立摆。 按倒立摆的级数来分： 按倒立摆的级数来分： 10 0 %： 10 0 %：有一级倒立摆、两级倒立摆、三级倒立摆和四级倒立摆，一级倒立摆常用于控制理论的基础实验， 10 0 %： 多有一级倒立摆、两级倒立摆、三级倒立摆和四级倒立摆，一级倒立摆常用于控制理论的基础实验， 10 0 %： 多级倒立摆常用于控制算法的研究，倒立摆的级数越高，其控制难度更大， 10 0 %： 目前，可以实现的倒立摆控级倒立摆常用于控制算法的研究，倒立摆的级数越高，其控制难度更大， 10 0 %： 目前，可以实现的倒立摆控制最高为四级倒立摆。 制最高为四级倒立摆。 6 9 %： 各类倒立摆系统的结构形式如下图所示： 6 9 %： 各类倒立摆系统的结构形式如下图所示： ID: VIP94943ACD28E607C4F 8 / 20 1. 3. 2 倒立摆的系统的特点 1. 3. 2 倒立摆的系统的特点 10 0 %： 虽然倒立摆的形式和结构各异，但所有的倒立摆都具有以下的特性： 10 0 %： 虽然倒立摆的形式和结构各异，但所有的倒立摆都具有以下的特性： ( 1) 非线性 ( 1) 非线性 10 0 %： 倒立摆是一个典型的非线性复杂系统， 10 0 %： 倒立摆是一个典型的非线性复杂系统， 10 0 %： 实际中可以通过线性化得到系统的近 10 0 %： 实际中可以通过线性化得到系统的近 10 0 %： 似模型，线性化处理后再进行控制。 10 0 %： 也可以利用非线性控制理论对其进行控制。 10 0 %： 似模型，线性化处理后再进行控制。 10 0 %： 也可以利用非线性控制理论对其进行控制。 ( 2 ) 不确定性 ( 2 ) 不确定性 10 0 %： 主要是模型误差以及机械传动间隙，各种阻力等，实际控制中一般通过减少各种误差来降低不确定性 10 0 %： 主要是模型误差以及机械传动间隙，各种阻力等，实际控制中一般通过减少各种误差来降低不确定性，如通过施加预紧力减少皮带或齿轮的传动误差，利用 ，如通过施加预紧力减少皮带或齿轮的传动误差，利用 10 0 %： 滚珠轴承减少摩擦阻力等不确定因素。 10 0 %： 滚珠轴承减少摩擦阻力等不确定因素。 ( 3) 耦合性 ( 3) 耦合性 10 0 %： 倒立摆的各级摆杆之间，以及和运动模块之间都有很强的耦合关系， 10 0 %： 倒立摆的各级摆杆之间，以及和运动模块之间都有很强的耦合关系， 10 0 %： 在倒立摆的控制中一般都在平衡点附近进行解耦计算，忽略一些次要的耦合量。 10 0 %： 在倒立摆的控制中一般都在平衡点附近进行解耦计算，忽略一些次要的耦合量。 ( 4) 开环不稳定性 ( 4) 开环不稳定性 10 0 %： 倒立摆的平衡状态只有两个，即在垂直向上的状态和垂直向下的状态，其中垂直向上为绝对不稳定的 10 0 %： 倒立摆的平衡状态只有两个，即在垂直向上的状态和垂直向下的状态，其中垂直向上为绝对不稳定的平衡点，垂直向下为稳定的平衡点。 平衡点，垂直向下为稳定的平衡点。 ( 5) 约束限制 ( 5) 约束限制 10 0 %： 由于机构的限制，如运动模块行程限制，电机力矩限制等。 10 0 %： 由于机构的限制，如运动模块行程限制，电机力矩限制等。 为了制造方便和 为了制造方便和 10 0 %： 降低成本，倒立摆的结构尺寸和电机功率都尽量要求最小，行程限制对倒立摆的摆起影响尤为突出 10 0 %： 降低成本，倒立摆的结构尺寸和电机功率都尽量要求最小，行程限制对倒立摆的摆起影响尤为突出，容易出现小车的撞边现象。 ，容易出现小车的撞边现象。 1. 3. 3倒立摆系统框图 1. 3. 3倒立摆系统框图 92 %： 倒立摆系统通常采用的结构是PC+ 运动控制硬件+ 运动控制软件+ 电控单元+ 92 %： 倒立摆系统通常采用的结构是PC+ 运动控制硬件+ 运动控制软件+ 电控单元+ 运动实验平台。 运动实验平台。 94 %： 其硬件包括倒立摆本体、电控箱及由运动控制卡和普通PC机组成的控制平台等三大 94 %： 其硬件包括倒立摆本体、电控箱及由运动控制卡和普通PC机组成的控制平台等三大部分，其硬件框图如图2 . 1所示。 部分，其硬件框图如图2 . 1所示。 ID: VIP94943ACD28E607C4F 9 / 20 1. 4 倒立摆系统的工作原理 1. 4 倒立摆系统的工作原理 98 %： 倒立摆系统通过计算机、I / O 卡、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件组成一个闭环系统。 98 %： 倒立摆系统通过计算机、I / O 卡、伺服系统、倒立摆本体和光电码盘反馈测量元件组成一个闭环系统。 8 3 %： 以直线一级倒立摆为例，其工作原理框图如下图所示。 10 0 %： 图中光电码盘1由伺服电机自带 8 3 %： 以直线一级倒立摆为例，其工作原理框图如下图所示。 10 0 %： 图中光电码盘1由伺服电机自带，小车的位移可以根据该码盘的反馈通过换算获得，速度信号可以通过对位移的差分得到。 96 %： 各个摆杆，小车的位移可以根据该码盘的反馈通过换算获得，速度信号可以通过对位移的差分得到。 96 %： 各个摆杆的角度由光电码盘2 测量并直接反馈到I / O 卡，而角速度信号可以通过对角度的差分得到。 10 0 %： 计算机从的角度由光电码盘2 测量并直接反馈到I / O 卡，而角速度信号可以通过对角度的差分得到。 10 0 %： 计算机从I / O 卡实时读取数据，确定控制决策（电机的输出力矩），并发给I / O 卡。 96 %： I / O 卡经过电控箱内部电路产I / O 卡实时读取数据，确定控制决策（电机的输出力矩），并发给I / O 卡。 96 %： I / O 卡经过电控箱内部电路产生相应的控制量，驱动电机转动，使小车按控制要求进行运动，以达到控制目的。 生相应的控制量，驱动电机转动，使小车按控制要求进行运动，以达到控制目的。 10 0 %： 对于二级或更多级数的倒立摆，需要相应增加光电码盘以检测各摆杆的角 度。 10 0 %： 实际系统 10 0 %： 对于二级或更多级数的倒立摆，需要相应增加光电码盘以检测各摆杆的角 度。 10 0 %： 实际系统配置中，可以根据需要自行配置I / O 卡、伺服电机和伺服驱动器 配置中，可以根据需要自行配置I / O 卡、伺服电机和伺服驱动器 6 4 %： 具体倒立摆的工作原理图如下: 6 4 %： 具体倒立摆的工作原理图如下: 56 %： 第二章倒立摆机电控制系统结构的总体设计 56 %： 第二章倒立摆机电控制系统结构的总体设计 57 %： 2 . 1 倒立摆机电控制系统结构的功能需求 57 %： 2 . 1 倒立摆机电控制系统结构的功能需求 43 %： （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。 43 %： （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。 40 %： （2 ）通过PLC控制程序能够灵活地控制倒立摆机电控制系统的运行。 40 %： （2 ）通过PLC控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： 2 2 0 V交流电或者48 V直流电压。 （3）电压参数： 2 2 0 V交流电或者48 V直流电压。 2 . 2 系统实现结构图 2 . 2 系统实现结构图 40 %： 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 40 %： 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， PLC控制系统就会对 I/ O 卡里的数据进行读取，从而控制伺服电机的动作，其结构图如下图所示反馈给 I / O 卡， PLC控制系统就会对 I/ O 卡里的数据进行读取，从而控制伺服电机的动作，其结构图如下图所示。 。 根据图2 . 2 . 1，显然需要直线导杆，光电码盘，伺服电机， PLC控制箱等等功能部件， 根据图2 . 2 . 1，显然需要直线导杆，光电码盘，伺服电机， PLC控制箱等等功能部件， 10 0 %： 其中的每一个 10 0 %： 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， 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， 总体方案便确定总体方案便确定下来了。 下来了。 6 5 %： 第三章倒立摆机电控制系统结构设计 6 5 %： 第三章倒立摆机电控制系统结构设计 6 3 %： 3. 1倒立摆机电控制系统的组成 6 3 %： 3. 1倒立摆机电控制系统的组成 6 5 %： 倒立摆机电控制系统硬件的组成主要包括： 50 %： 交流伺服电机、光电码盘、直线导杆、移动小 6 5 %： 倒立摆机电控制系统硬件的组成主要包括： 50 %： 交流伺服电机、光电码盘、直线导杆、移动小车、传动带轮等等。 车、传动带轮等等。 其具体结构图如下： 其具体结构图如下： 48 %： 3. 2 控制系统硬件核心元件的选择 48 %： 3. 2 控制系统硬件核心元件的选择 ID: VIP94943ACD28E607C4F 10 / 20 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， 装置等等，为了便于对倒立摆系统的研究有一个准确的数据，必要对控制系统中各元件进行准确的选型计算， 40 %： 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。 40 %： 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。 3. 2 . 1伺服电机的选择及作用 3. 2 . 1伺服电机的选择及作用 2 . 3. 2 . 1伺服电机的工作原理 2 . 3. 2 . 1伺服电机的工作原理 在此次的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，并且交流伺服电机也是一种最常用在此次的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，并且交流伺服电机也是一种最常用的伺服电机，在各行各业中得到广泛的使用。 的伺服电机，在各行各业中得到广泛的使用。 95 %： 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步 95 %： 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，其定子上装有两 电动机相似，其定子上装有两 97 %： 个位置互差90 的绕组，一个是励磁绕组Rf ，它始终接在交流电压U f 上； 10 0 %： 另一个是控制 97 %： 个位置互差90 的绕组，一个是励磁绕组Rf ，它始终接在交流电压U f 上； 10 0 %： 另一个是控制绕组L，联接控制信号电压U c 。 10 0 %： 所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 10 0 %： 交流伺服电动绕组L，联接控制信号电压U c 。 10 0 %： 所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。 10 0 %： 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性， 91 %： 无“自转机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性， 91 %： 无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小个特点。 10 0 %： 目前应用”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小个特点。 10 0 %： 目前应用较多的转子结构有两种形式： 10 0 %： 一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了较多的转子结构有两种形式： 10 0 %： 一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长； 10 0 %： 另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0 . 2 -减小转子的转动惯量，转子做得细长； 10 0 %： 另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0 . 2 -0 . 3 m m ， 98 %： 为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，空心杯形转子的转动惯量很小0 . 3 m m ， 98 %： 为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，空心杯形转子的转动惯量很小， 10 0 %： 反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 10 0 %： 交流伺服电动机在没有控制电压时，定， 10 0 %： 反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 10 0 %： 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。 95 %： 当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。 95 %： 当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向转，在负载恒定的情况下， 10 0 %： 电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制，转子沿旋转磁场的方向转，在负载恒定的情况下， 10 0 %： 电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 3. 2 . 2 伺服电机的选型计算 3. 2 . 2 伺服电机的选型计算 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 K g ， 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 K g ， 41 %： 移动小车可以往复移 41 %： 移动小车可以往复移动的范围为50 0 m m 7 0 0 m m ，移动速度为1 2 r / m i n 。 动的范围为50 0 m m 7 0 0 m m ，移动速度为1 2 r / m i n 。 即： 即： 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 BL-A 类型的。 具体的电机设计计算如下： 92 BL-A 类型的。 具体的电机设计计算如下： 1）交流伺服电机设计计算 1）交流伺服电机设计计算 1、确定运行时间 1、确定运行时间 本次设计加速时间 本次设计加速时间 负载速度（m / m i n ） 负载速度（m / m i n ） 有速度可知每秒移动50 m m ， 有速度可知每秒移动50 m m ， ID: VIP94943ACD28E607C4F 11 / 20 2 . 电机转速 2 . 电机转速 3. 负载转矩 3. 负载转矩 式中： 式中： T L为伺服电机的额定转矩； T L为伺服电机的额定转矩； 为摩擦系数; 为摩擦系数; PB为伺服电机的机械效率; PB为伺服电机的机械效率; 4. 负载惯量 4. 负载惯量 左右水平运动 左右水平运动 伺服电机的负载惯量为： 伺服电机的负载惯量为： 总惯量为： 总惯量为： 5. 电机转矩 5. 电机转矩 启动转矩 启动转矩 必须转矩 ； 必须转矩 ； S为安全系数，这里取1. 0 S为安全系数，这里取1. 0 根据以上得出数据，我们选用交流伺服电机型号为92 BL-A ，采用交流电源驱动，根据电机的特性曲线以及参数根据以上得出数据，我们选用交流伺服电机型号为92 BL-A ，采用交流电源驱动，根据电机的特性曲线以及参数表如下： 表如下： 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 BL-40 30 H 1- LK - B， 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 BL-40 30 H 1- LK - B， 50 50%： 电机额定功率为0 . 4 K W ，额定转矩为1. 3 N. m ，最大转矩为2 . 6 N. m ， %： 电机额定功率为0 . 4 K W ，额定转矩为1. 3 N. m ，最大转矩为2 . 6 N. m ， 额定转速为30 0 0 r / m i n 。 电机大致图额定转速为30 0 0 r / m i n 。 电机大致图如下： 如下： 51 %： 外形尺寸92 x 92 x 8 6 ，电机输出轴径为14m m 。 51 %： 外形尺寸92 x 92 x 8 6 ，电机输出轴径为14m m 。 51 %： 3. 3光电码盘的工作原理及作用 51 %： 3. 3光电码盘的工作原理及作用 3. 3. 1光电码盘的工作原理 3. 3. 1光电码盘的工作原理 95 %： 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。 94 95 %： 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。 94%： 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。 10 0 %： 光栅盘是在一定直径的%： 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。 10 0 %： 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。 10 0 %： 由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同圆板上等分地开通若干个长方形孔。 10 0 %： 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ID: VIP94943ACD28E607C4F 12 / 20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， 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； 其原理示意图如图1所示； 10 0 10 0%： 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。 97 %： 此外，为判断旋转方向%： 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。 97 %： 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。 ，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。 10 0 %： 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。 10 0 %： 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。 1. 1增量式编码器 1. 1增量式编码器 10 0 %： 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 、B和Z相； 7 0 %： A 、B两组脉冲相 10 0 %： 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 、B和Z相； 7 0 %： A 、B两组脉冲相位差为每转一个脉冲，用于基准点定位。 10 0 %： 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位差为每转一个脉冲，用于基准点定位。 10 0 %： 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。 10 0 %： 其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 ，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 10 0 %： 其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。 1. 2 绝对式编码器 1. 2 绝对式编码器 10 0 %： 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 10 0 %： 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， 10 0 %： 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和不透光的扇形区相间组成， 10 0 %： 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， 10 0 %： 另一侧对应每一码道有一光敏元件； 10 0 %： 当码盘处于不同位的位数，在码盘的一侧是光源， 10 0 %： 另一侧对应每一码道有一光敏元件； 10 0 %： 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。 10 0 %： 这种编码器的特点是不要置时，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。 10 0 %： 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。 10 0 %： 显然，码道越多，分辨率就计数器，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。 10 0 %： 显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。 10 0 %： 目前国内已有16 位的绝对越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。 10 0 %： 目前国内已有16 位的绝对编码器产品。 10 0 %： 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。 编码器产品。 10 0 %： 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。 10 0 %： 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10 0 %： 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。 10 0 %： 编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。 ，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。 10 0 %： 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： 它的特点是： 10 0 %： 1. 2 . 1可以直接读出角度坐标的绝对值； 10 0 %： 1. 2 . 1可以直接读出角度坐标的绝对值； 1. 2 . 2 没有累积误差； 1. 2 . 2 没有累积误差； 10 0 %： 1. 2 . 3电源切除后位置信息不会丢失。 98 %： 但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是精 10 0 %： 1. 2 . 3电源切除后位置信息不会丢失。 98 %： 但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。 度取决于位数，目前有10 位、14位等多种。 3. 3. 2 光电码盘的作用 3. 3. 2 光电码盘的作用 10 0 %： 测量角位移的数字编码器。 10 0 %： 它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量 10 0 %： 测量角位移的数字编码器。 10 0 %： 它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。 10 0 %： 码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出轴转角位置的一种最常用的位移传感器。 10 0 %： 码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应的数字码； 10 0 %： 后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以与角位置相对应的数字码； 10 0 %： 后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移。 10 0 %： 光电编码器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求得角位移。 10 0 %： 光电编码器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。 10 0 %： 这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由码盘（光栅盘）和光电检测装置组成。 10 0感器。 10 0 %： 这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由码盘（光栅盘）和光电检测装置组成。 10 0%： 码盘（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。 10 0 %： 由于光电码盘与电动机同轴%： 码盘（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。 10 0 %： 由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，码盘（光栅盘）与电动机同速旋转， 10 0 %： 经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测，电动机旋转时，码盘（光栅盘）与电动机同速旋转， 10 0 %： 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； 10 0 %： 通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示； 10 0 %： 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。 97 %： 此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90 o 的两路脉冲信号。 电动机的转速。 97 %： 此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90 o 的两路脉冲信号。 3. 4直线导杆的选择 3. 4直线导杆的选择 ID: VIP94943ACD28E607C4F 13 / 20 10 0 %： 导轨主要根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为： 10 0 %： 导轨主要根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为： （1）滑动导轨 （1）滑动导轨 两导轨之间为滑动摩擦。 两导轨之间为滑动摩擦。 10 0 %： 结构简单，制造方便，刚度好，抗振性高，是机床上最广泛采用的。 10 0 %： 结构简单，制造方便，刚度好，抗振性高，是机床上最广泛采用的。 特点： 特点： 10 0 %： 导向精度高，不会出现间隙，能自动补偿磨损。 10 0 %： 一般选取三角形顶角 10 0 %： 导向精度高，不会出现间隙，能自动补偿磨损。 10 0 %： 一般选取三角形顶角= 90 ，重型机械采用大顶角= 110 12 0 。 10 0 %： 当水平力大于垂直力，V形导轨两侧受力不均匀时= 90 ，重型机械采用大顶角= 110 12 0 。 10 0 %： 当水平力大于垂直力，V形导轨两侧受力不均匀时，采用不对称V形导轨。 10 0 %： 直线导轨和圆导轨均可采用 承载能力大，制造方便。 ，采用不对称V形导轨。 10 0 %： 直线导轨和圆导轨均可采用 承载能力大，制造方便。 必须留有侧向间隙必须留有侧向间隙。 不能补偿磨损。 。 不能补偿磨损。 10 0 %： 用镶条调整时，会降低导向精度。 10 0 %： 用镶条调整时，会降低导向精度。 需注意导轨的保护。 需注意导轨的保护。 90 %： 直线导轨和 90 %： 直线导轨和圆导轨均可采用 尺寸紧凑，适用于要求高度小导轨层数多的场合。 圆导轨均可采用 尺寸紧凑，适用于要求高度小导轨层数多的场合。 可构成闭式导轨。 可构成闭式导轨。 10 0 %： 用一根镶条 10 0 %： 用一根镶条可以调整各面的间隙。 可以调整各面的间隙。 刚度比平面导轨小。 刚度比平面导轨小。 10 0 %： 制造简单，弯曲刚度小，主要用于受轴向载荷的导轨。 10 0 %： 制造简单，弯曲刚度小，主要用于受轴向载荷的导轨。 10 0 %： 适用于同时作直线和旋转运动的场合。 10 0 %： 适用于同时作直线和旋转运动的场合。 （2 ）滚动导轨 （2 ）滚动导轨 10 0 %： 滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。 10 0 %： 当 10 0 %： 滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。 10 0 %： 当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动， 94 %： 在滑导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动， 94 %： 在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道， 10 0 %： 钢球就这样周而复始地进行滚动运块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道， 10 0 %： 钢球就这样周而复始地进行滚动运动。 10 0 %： 返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。 动。 10 0 %： 返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。 特点： 特点： 10 0 %： 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为 10 0 %： 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得： 10 0 %： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得： 10 0 %： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 10 0 %： 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 10 0 %： 与V型十字交叉滚子导轨相比 10 0 %： 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 10 0 %： 与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40 倍。 10 0 %： 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10 倍。 10 0 %： 能，摩擦阻力可下降约40 倍。 10 0 %： 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10 倍。 10 0 %： 能实现高定位精度和重复定位精度。 10 0 %： 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 实现高定位精度和重复定位精度。 10 0 %： 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 10 0 %： 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低 10 0 %： 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。 10 0 %： 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及基础件的机械制造成本与难度。 10 0 %： 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 10 0 %： 导轨采用表面硬化处理刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 10 0 %： 导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性； ，使导轨具有良好的可校性； 心部保持良好的机械性能。 简化了机械结构的设计和制造。 心部保持良好的机械性能。 简化了机械结构的设计和制造。 10 0 %： 查机械设计手册3第二版选取直线滚动导轨副系列，又根据机床设计要求的特点，本设计初步选 10 0 %： 查机械设计手册3第二版选取直线滚动导轨副系列，又根据机床设计要求的特点，本设计初步选择: 择: 10 0 %： ( 1) 直线滚动导轨副选取四方向等载荷型（G G B型），其特点是： 10 0 %： 垂直向上向下和左右水 10 0 %： ( 1) 直线滚动导轨副选取四方向等载荷型（G G B型），其特点是： 10 0 %： 垂直向上向下和左右水平额定载荷是等同的，额定载荷比较大，刚度高。 平额定载荷是等同的，额定载荷比较大，刚度高。 10 0 %： ( 2 ) 尺寸规格初选45，其结构形式选择A A 型。 10 0 %： ( 2 ) 尺寸规格初选45，其结构形式选择A A 型。 ( 3) 每根导轨上的滑块数为2 。 ( 3) 每根导轨上的滑块数为2 。 ID: VIP94943ACD28E607C4F 14 / 20 10 0 %： ( 6 ) 查出全自动轴承磨床推荐的精度等级为3。 10 0 %： ( 6 ) 查出全自动轴承磨床推荐的精度等级为3。 ( 7 ) 导轨的材料为H T 2 0 0 . ( 7 ) 导轨的材料为H T 2 0 0 . 96 %： 初步确定直线滚动导轨的型号为G G B45A A 1C12 3选择用南京工艺设备制造厂的滚动直线导轨如图: 96 %： 初步确定直线滚动导轨的型号为G G B45A A 1C12 3选择用南京工艺设备制造厂的滚动直线导轨如图: 6 3 %： 3. 5同步带轮传动的选择计算 6 3 %： 3. 5同步带轮传动的选择计算 1) 传动名义功率P_= 0 . 18 k W ; 1) 传动名义功率P_= 0 . 18 k W ; ( 2 ) 主动轮转速n 1= 150 0 r m i n ，从动轮 = 350 r m i n ; ( 2 ) 主动轮转速n 1= 150 0 r m i n ，从动轮 = 350 r m i n ; ( 3) 中心距a = 55m m 左右; ( 3) 中心距a = 55m m 左右; ( 4) 工作情况， 8 小时运转 ( 4) 工作情况， 8 小时运转 求设计功率P= K 0 Pm = 0 . 32 = 0 . 6 K w ，式中K o 为载荷修正系数 求设计功率P= K 0 Pm = 0 . 32 = 0 . 6 K w ，式中K o 为载荷修正系数 50 %： 由设计功率0 . 6 K w 和n = 150 0 r m i n ，由查得带的型号为XL型，对应节距P = 5. 0 8 m m 50 %： 由设计功率0 . 6 K w 和n = 150 0 r m i n ，由查得带的型号为XL型，对应节距P = 5. 0 8 m m （1）选择小带轮齿数 （1）选择小带轮齿数 58 %： 由小带轮转速 n = 150 0 r / m i n ， L型带，查表得小带轮最小许用齿数 Z1= 12 ， 58 %： 由小带轮转速 n = 150 0 r / m i n ， L型带，查表得小带轮最小许用齿数 Z1= 12 ， 则大带轮齿数 Z2 = i则大带轮齿数 Z2 = iZ1，其中 i = n 1 n 2 = 150 0 350 = 42 8 6 ; Z1，其中 i = n 1 n 2 = 150 0 350 = 42 8 6 ; Z2 = 42 8 6 12 = 51取标准带轮齿敦= 50 ; Z2 = 42 8 6 12 = 51取标准带轮齿敦= 50 ; （2 ）确定带轮节圆直径 （2 ）确定带轮节圆直径 d I = = Pb Z1/ = 19. 414m m ; d I = = Pb Z1/ = 19. 414m m ; d 2 = Pb Z2 / = 8 0 . 9m m ; d 2 = Pb Z2 / = 8 0 . 9m m ; （3）确定同步带的节线长度L （3）确定同步带的节线长度L L= 2 a c o s + ( d 2 + d 1 ) 2 + ( d 2 -d 1) 18 0 ; L= 2 a c o s + ( d 2 + d 1 ) 2 + ( d 2 -d 1) 18 0 ; 式中： = s i n -1 ( d 2 -d 1) / 2 a = 0 2 18 ； 12 6 ( 以a = 10 0 m m 代入) 则L = 54. 54 选择最接近计算值的标准; 式中： = s i n -1 ( d 2 -d 1) / 2 a = 0 2 18 ； 12 6 ( 以a = 10 0 m m 代入) 则L = 54. 54 选择最接近计算值的标准; 节线长( 见表4) L= 55. 2 0 m m ; 节线长( 见表4) L= 55. 2 0 m m ; （4）计算同步带齿数z （4）计算同步带齿数z ID: VIP94943ACD28E607C4F 15 / 20 Zb = Lp / Pb = 55. 2 0 / 5. 0 8 = 11; Zb = Lp / Pb = 55. 2 0 / 5. 0 8 = 11; （5）传动中心距n 的计算 （5）传动中心距n 的计算 a = Pb ( Z2 -Z1) 2 z c o s ; a = Pb ( Z2 -Z1) 2 z c o s ; 式中： i n V= 314 l 6 i n V= t g -用逐步逼近法计算，= 13518 ( 弧度) 代入上式得出 a = 10 2 . 45与精确计式中： i n V= 314 l 6 i n V= t g -用逐步逼近法计算，= 13518 ( 弧度) 代入上式得出 a = 10 2 . 45与精确计算结果相似。 算结果相似。 最后测量装置同步带选用XL型同步带P= 5. 0 8 m m ; 最后测量装置同步带选用XL型同步带P= 5. 0 8 m m ; ZB= 11， L，= 552 0 r a m b = 9. 5m m ; ZB= 11， L，= 552 0 r a m b = 9. 5m m ; 同步带轮： Z1= 11，Z2 = 50 ，d I = = Pb Z1/ = 19. 4146 m m ; 同步带轮： Z1= 11，Z2 = 50 ，d I = = Pb Z1/ = 19. 4146 m m ; d 2 = Pb Z2 / = 8 0 . 9m m ; d 2 = Pb Z2 / = 8 0 . 9m m ; 8 5 %： 同步轮结构图如下图所示： 8 5 %： 同步轮结构图如下图所示： 55 %： 第四章倒立摆机电控制系统中PI D 的控制算法的实现 55 %： 第四章倒立摆机电控制系统中PI D 的控制算法的实现 4. 1PI D 控制算法简介 4. 1PI D 控制算法简介 PI D （Pr o p o r t i o n a l In t e g r a l D i f f e r e n t i a l ）控制是比例积分微分控制的简称。 PI D （Pr o p o r t i o n a l In t e g r a l D i f f e r e n t i a l ）控制是比例积分微分控制的简称。 98 %： 在生产过程自动控制的发展 98 %： 在生产过程自动控制的发展历程中，PI D 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。 95 %： 在2 0 世纪40 年代以前，除在最简单的情况历程中，PI D 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。 95 %： 在2 0 世纪40 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。 95 %： 此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。 95 %： 此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多先进的控制方法。 8 8 %： 然而直到现在，PI D 控制由于它自身的优点仍然是应用最广泛的基发展，涌现出许多先进的控制方法。 8 8 %： 然而直到现在，PI D 控制由于它自身的优点仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。 本控制方式之一。 7 3 %： PI D 控制器是根据系统的误差，利用误差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出控制量。 7 3 %： PI D 控制器是根据系统的误差，利用误差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出控制量。 8 3 %： 其中广义被控对象包括调节阀、被控对象和测量变送元件。 8 3 %： 其中广义被控对象包括调节阀、被控对象和测量变送元件。 45 %： PI D 控制的基本组成都非常简单 45 %： PI D 控制的基本组成都非常简单，其优点包括： ，其优点包括： 适应性强、鲁棒性强以及对型依赖少。 适应性强、鲁棒性强以及对型依赖少。 8 6 %： 目前， PI D 控制及其控制器或智能 PI D 控制器 8 6 %： 目前， PI D 控制及其控制器或智能 PI D 控制器产品已经很多，并在工程中得到了广泛的应用， 96 %： 许多大公司均开发了具有 PI D 参数自整定功能的智能调产品已经很多，并在工程中得到了广泛的应用， 96 %： 许多大公司均开发了具有 PI D 参数自整定功能的智能调节器（ i n t e l l i g e n t r e g u l a t o r ），其中 PI D 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 节器（ i n t e l l i g e n t r e g u l a t o r ），其中 PI D 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 93 %： 包括利用PI D 控制实现压力、温度、流量、液位控制器以及能实现PI D 控制功能的可编程控制器 93 %： 包括利用PI D 控制实现压力、温度、流量、液位控制器以及能实现PI D 控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID 控制的PC系统等等。 90 %： 而可编程控制器（PLC）则是利用其闭环控制模块来实（PLC），还有可实现PID 控制的PC系统等等。 90 %： 而可编程控制器（PLC）则是利用其闭环控制模块来实现PI D 控制。 现PI D 控制。 4. 1. 2 PI D 控制各部分的特点 4. 1. 2 PI D 控制各部分的特点 10 0 %： 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 10 0 %： 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称PI D 控制，又称PI D 调节。 简称PI D 控制，又称PI D 调节。 10 0 %： PI D 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结构简单、稳定性好、 10 0 %： PI D 控制器问世至今已有近7 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之一。 10 0 %： 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 10 0 %： 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得ID: VIP94943ACD28E607C4F 16 / 20不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时， 10 0 %： 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时， 10 0 %： 系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PI D 控制技术最为方便。 10 0 %： 即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通现场调试来确定，这时应用 PI D 控制技术最为方便。 10 0 %： 即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PI D 控制技术。 过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PI D 控制技术。 PI D 控制，实际中也有PI 和PD 控制。 PI D 控制，实际中也有PI 和PD 控制。 10 0 %： 10 0 %：PI D 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 PI D 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 96 %： 1、比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。 10 0 %： 其控制器的输出与输入误差信号 96 %： 1、比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。 10 0 %： 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 98 %： 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（St e a d y -St a t e Er r o r ）。 成比例关系。 98 %： 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（St e a d y -St a t e Er r o r ）。 97 %： 2 、积分（I ）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 98 %： 对一 97 %： 2 、积分（I ）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 98 %： 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（Sy s t e m个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（Sy s t e mw i t h St e a d y -St a t e Er r o r ）。 10 0 %： 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 10 0 %： 积分项w i t h St e a d y -St a t e Er r o r ）。 10 0 %： 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 10 0 %： 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 10 0 %： 这样，即便误差很小，积分项也会随着对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 10 0 %： 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，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。 97 %： 因此，比例+ 积分时间的增加而加大，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。 97 %： 因此，比例+ 积分（PI ）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （PI ）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 98 %： 3、微分（D ）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关 98 %： 3、微分（D ）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 10 0 %： 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 10 0 %： 其原因是由于存系。 10 0 %： 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 10 0 %： 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（d e l a y ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 在有较大惯性组件（环节）或有滞后（d e l a y ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 10 0 %： 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 10 0 %： 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 10 0 %： 这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值， 10 0 %：10 0 %： 这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值， 10 0 %：而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器， 10 0 %： 就能而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器， 10 0 %： 就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 10 0 %： 所以对有较大惯够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 10 0 %： 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分( PD ) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 性或滞后的被控对象，比例+ 微分( PD ) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 56 %： 4. 1. 3PI D 控制器各部分参数的选定 56 %： 4. 1. 3PI D 控制器各部分参数的选定 10 0 %： PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。 10 0 %： PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。 它是根据被控过程的特 它是根据被控过程的特 93 %： 性确定PI D 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 93 %： 性确定PI D 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 10 0 %： PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： 10 0 %： PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： 一是理论计算整定法。 一是理论计算整定法。 10 0 %： 它主要 10 0 %： 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 10 0 %： 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 10 0 %： 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 ，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整 二是工程整 97 %： 定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易 97 %： 定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易 94 %： 于掌握，在工程实际中被广泛采用。 10 0 %： PI D 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法 94 %： 于掌握，在工程实际中被广泛采用。 10 0 %： PI D 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。 10 0 %： 三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控、反应曲线法和衰减法。 10 0 %： 三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 10 0 %： 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整制器参数进行整定。 10 0 %： 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 10 0 %： 现在一般采用的是临界比例法。 与完善。 10 0 %： 现在一般采用的是临界比例法。 92 %： 利用临界比例法进行PI D 控制器参数的整定步骤如下： 92