机电一体化系统设计实验指导书.doc

机 电 一 体 化 设 计实验指导书太原理工大学机械工程学院实验中心一 实验的基本要求 机电一体化实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。培养学生学会根据实验目的，实验内容及实验设备，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。在整个实验过程中，必须集中精力，及时认真做好实验。现按实验过程提出下列基本要求。 实验前的准备 认真作好实验前的准备工作，对于培养同学独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书,了解实验目的、 项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按照实验项目准备记录抄表等。 实验前应写好预习报告,经指导教师检查认为确实作好了实验前的准备，方可开始作实验。 实验的进行 1、建立小组，合理分工每次实验都以小组为单位进行,每组由若干人组成，实验进行中的计算机操作、记录数据等工作每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。 2、选择实验平台 实验前先熟悉该次实验所用的硬件平台、软件原理。3、试操作使用键盘鼠标操作程序。 在正式实验开始之前，先观察控制箱上各选择开关及指示灯是否正常，运动平台是否在中部位置。如果出现异常，应立即切断电源，并排除故障；如果一切正常，即可正式开始实验。 5、测取数据 预习时对所测数据的大小作到心中有数。正式实验时,根据实验步骤逐次测取数据。 6、认真负责，实验有始有终实验完毕，须将数据交指导教师审阅。经指导教师认可后，才撤离。 实验报告 实验报告是根据实测数据和在实验中观察和发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的心得体会。 实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。 实验报告包括以下内容： 1) 实验名称、专业班级、学号、姓名、实验日期。 2) 列出实验中所用仪器设备的名称及编号。3) 概述实验原理及内容4) 数据的整理和计算 5) 按记录及计算的数据用坐标纸画出曲线，曲线要用曲线尺或曲线板连成光滑曲线,不在曲线上的点仍按实际数据标出。 6) 根据数据和曲线进行计算和分析，说明实验结果与理论是否符合，可对某些问题提出一些自己的见解并最后写出结论。实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。 7) 每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。在实验接线过程中，应先接控制回路，线接好经代课或实验指导教师检查后，方可进行通电校验，经校验接线正确后再接主回路。只有当所有电路经代课或实验指导教师后检查无误后，方可进行代负载回路的通电及操作。二、实验内容在机电一体化系统中，为了获得良好的稳态特性和动态特性，需要对系统的控制环进行校正和调整。在整个机电一体化系统中，它对系统的影响是巨大的，所以当系统的基本特性（包括机械传动、电机选型等）确立以后，系统的特性（模型）就确定下来，为了获得良好的控制效果，就需要对系统的控制环进行调整了。在以PMAC为核心控制器的系统中，PMAC卡为用户提供了PID+速度/加速度前馈+NOTCH滤波的控制环算法，能够满足大部分应用场合的要求，用户可以根据自己系统的要求来调整其中的相关参数，本实验只涉及PID参数调整。实验一 半闭环系统PID调整一、实验目的1、 理解PID调整对系统的意义。2、 理解P、I、D参数的含义。3、 掌握控制环调整的方法和步骤。4、 掌握控制环特性的评估方法。 二、试验设备原理 AC-200交流伺服教学系统硬件原理如图1所示图1 AC-200交流伺服教学系统原理图1、控制器：美国Deltatau公司多轴运动控制卡Turbo PMAC Clipper（4轴）CPU：80MHz 摩托罗拉公司DSP56303 Turbo PMAC CPU通讯方式：RS-232串口通讯、以太网通讯 控制功能：支持工业标准G代码编程、支持用户自己编写伺服控制及换相算法、支持直线/圆弧/三次样条/PVT插补模式、电子凸轮/电子齿轮功能、内置螺距补偿/反向间隙补偿功能、PLC过程控制功能、数据采集功能、备有旋转缓冲区功能允许超大加工程序的运行2、驱动及执行机构：两台日本松下伺服驱动器及电机 电源：单相200V 功率：200W 编码器分辨率：20位增量式编码器 保护功能：过流过压欠压过载保护 速度频率响应特性：500Hz（负载惯量=电机惯量）3、控制对象：两维高精度定位平台（带可控制升降笔架） 行程：200mm*200mm 平台精度：重复定位精度15微米 采用滚珠丝杠、直线滚动导轨4、控制机箱：带有直流电源、接线板、各种开关/指示灯、连接电缆等5、反馈元件：英国雷尼绍RH100系列光栅尺，分辨率1微米。三、实验步骤1 开机在开始做实验之前首先需要了解实验设备的基本操作和注意事项，操作面板图见图2。操作面板上有按钮及指示灯。操作如下：扳动“开机”按钮，教学系统上电，“电源指示”灯亮；手动点动可通过“JOG+”、“JOG-”和“X轴/Y轴”开关组合实现，通过手动点动将平台运行至中间位置。图2 操作面板2双击桌面“pmac tuning pro”启动程序界面如图3图3 操作界面3如没出现”PID Interactive Tuning motor #1”窗口则点击菜单里的。 该窗口分四部分，其中最左边为PID参数调整，本实验只涉及比例系数，微分系数及积分系数，如图4所示。图4 PID 参数设定中间部分为目标轨迹类型选择，本实验涉及“位置阶跃“、”位置斜坡“和”速度斜坡“三种轨迹类型如图5所示 图5 目标轨迹选择 最右边为目标轨迹参数设定，其中“位置阶跃“参数如图6，”位置斜坡“参数如图7，”速度斜坡“参数如图8 图6 位置阶跃参数设定图7 位置斜坡参数设定图8 速度斜坡参数设定4 输出曲线参数 如图9所示图9 设定输出曲线只设定纵轴，横轴为记录点数，在“left axis plot”(左纵轴)中选择”position”（位置）在“Right Axis Plot”（右纵轴）中选择”None”（无）。4 PID 参数设定在文本框中输入比例系数，微分系数及积分系数 设定三组系数，观察和记录数据4 选择目标轨迹类型点击目标轨迹即可5 设定目标轨迹参数 在文本框中输入参数 6点击 相应按钮 目标轨迹为“位置阶跃“ 点击目标轨迹为“位置斜坡“ 点击目标轨迹为“速度阶跃“ 点击 7 平台开始移动 弹出对话窗口如图10所示，等待运动完成图10 等待窗口如中途退出点击Abort即可8 运动完成后弹出结果窗口，如图11所示，图11 结果窗口9 点击菜单项和增加栅格线，如图12所示图12 增加栅格线的图10 鼠标放置于曲线上读取数据如图13 图13 鼠标读取数据在真个实验时间长度上等分十份，记录十一个点数据，记录于实验报告中。四、实验结果分析位置阶跃 1实验结果记录序号目标值第一组PID参数比例系数：微分系数：积分系数：第二组PID参数比例系数：微分系数：积分系数：第三组PID参数比例系数：微分系数：积分系数：12345678910112 绘制对比曲线将以上数据绘制在同一图中，进行分析对比。3 “位置斜坡“与”速度斜坡“重复以上数据记录与曲线绘制四、讨论题1、电机振荡，高频振动，达不到要求的位置是由于什么原因引起的？怎么才能消除，如何实现？2、比例增益，微分增