关 键 词：

含13张CAD图纸 车载 倒立 控制系统 优化 设计 13 CAD 图纸

资源描述：

车载倒立摆控制系统优化设计【含13张CAD图纸】,含13张CAD图纸,车载,倒立,控制系统,优化,设计,13,CAD,图纸

内容简介：

倒立摆控制系统优化设计专业； 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，对倒立摆控制系统优化进行改良和优化是当务之急。有大型倒立摆控制系统优化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。国内倒立摆控制系统优化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。倒立摆控制系统优化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控制系统优化的使用情况进行了调查，发现在机械行业中倒立摆控制系统优化的应用场合比比皆是。本次的毕业设计课题的是倒立摆控制系统优化设计。本文介绍了倒立摆控制系统优化的结构组成、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，该倒立摆控制系统优化的优点是高效，经济，并且安全系数高，运行平稳。本次倒立摆控制系统优化的设计，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控制系统优化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 Abstract Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work. Theinvertedpendulumisatypicalhighordersystem,withmulti-variable,non-linear, strong-coupling,fleetandabsolutelyinstable.Itisrepresentativeasanidealmodeltoprovenewcontroltheoryandtechniques.Duringthecontrolprocess,pendulumcaneffectivelyreflectmanykeyproblemssuchasequanimity,robust,follow-upandtrack,therefore.ThispaperstudiesacontrolmethodofdoubleinvertedpendulumFirstofall,themathematicalmodelofthedoubleinvertedpendulumisestablished,thenmakeacontroldesigntodoubleinvertedpendulumonthemathematicalmodel,anddeterminethesystemperformanceindexweightmatrixbyusinggeneticalgorithminordertoattainthesystemstatefeedbackcontrolmatrix.Finally,thesimulationofthesystemismadeAfterseveraltestmatrixvaluetheresultsarenotsatisfactoryresponse,thenweoptimizematrixbyusingGeneticAlgorithm.Simulationresultsshow:ThesystemresponsecanmeetthedesignrequirementseffectivelyafterGeneticAlgorithmoptimization.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom.目录摘要.2Abstract.2第一章 引言.3 1.1 课题的研究背景和意义.4 1.2倒立摆系统的工作原理.6第二章倒立摆控制系统优化结构的总体设计.7 2.1 倒立摆控制系统优化结构的功能需求.8 2.2 系统实现结构图.9第三章倒立摆控制系统优化结构设计.10 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 3.2.1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 3.2.3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 3.3.1光电码盘的工作原理.14 3.4直线导杆的选择.17 3.5同步带轮传动的选择计算.20第四章倒立摆控制系统优化中PID的控制算法的实现.22 4.1PID控制算法简介.23 4.1.2PID控制各部分的特点.23 4.1.3PID控制器各部分参数的选定.23 4.2PID控制算法的实现.23结论.24致谢.25参考文献.26第一章 引言1.1课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。1.2 倒立摆系统的工作原理机械产品的应用,其内容主要包括选择，订货，验收，安装，调试，运行，维护，对机械和成套机械设备工业使用维修以及改造，确保长期使用机械产品的可靠性和经济性。机械产品在制造过程中，特别是在环境污染过度、消耗自然资源等等方面需要处理存在的问题及提供合理的处理措施。这是一个特别重要的任务，对于现代机械工程，其重要性日益增加。有许多种类的机械，可分为不同的类别，不同的方面，如：按功能可分为动力机械，装卸机械，粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械，矿山机械，纺织机械等；按工作原理可分为机械和热流体机械，仿生机械等。此外，工作的机械性，必须在研究的过程中，经历了几个不同阶段的开发，设计，制造，使用等。根据机械工程的不同阶段，可以分为几个分支相互连接，相互配合的系统，如机械的研究，机械设计，机械制造，使用和维修等。 根据这些不同的方面为系统的各个分支相互交叉，相得益彰，使机械工程可分化为数百家。例如，根据动力机械的功能，并根据热力学，流体机械的工作原理，透平机械，往复机械，动力机械，核电厂，内燃机，燃气轮机，并通过电力设备的工业中心，工业发电厂，铁路机车，船舶工程，汽车工程有复杂的重叠关系。船用汽轮机是动力机械，机械，热，流体机械，它属于船舶动力装置，蒸汽动力装置，也可能属于核电站等。在第十九世纪，对机械工程的知识总量仍然是非常有限的，在欧洲它是土木工程专业的大学，是一个综合性的学科，称为土木工程，在第十九世纪下半叶成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和机械工程知识的发展，开始打破，逐渐出现了专业化的分支。在第二十世纪中期趋势的分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到了顶峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远离的人能全部掌握，专业是必要的。但是过度的专业知识被过度分割，视野狭窄造成的，并不是所有的视图和统筹大局和整体工程，和缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术的进步，以适应不断变化的环境条件的能力很差。关专家的专业知识过于狭窄，考虑协调，特殊困难问题的协同工作，不利于学习提高。因此，自上世纪第二十年代末，和集成的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽专业领域，对并购的专业分化。机械工程以增加生产，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，减少资源消耗，清洁的可再生能源，开发治理，减少甚至消除环境污染作为超经济的目标和任务。机器能用他们的手和脚，人的眼睛和耳朵直接完成，并不能直接完成的工作做的更快，更好，和。现代机械工程机械、机械设备制造越来越复杂，越来越复杂，很多过去的幻想成为现实。人类现在可以在天空上宇宙，潜入深海，远远看到数十亿光年的密切观察，细胞和分子。计算机硬件和软件的新兴科学，人类已经开始加强，并部分代替人脑的科学和技术，是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，在未来几年还将继续创造出无法想象的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手，相反，越来越多的灵巧的双手，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，在每个人的成长过程中，脑和手是相互促进、平行进化。大脑和手之间的人工智能与机械工程之间的近似关系，唯一不同的是，人工智能的硬件还需要用机械制造。在过去，都离不开机械操作和控制，反应速度和运算精度，是人类大脑和神经系统非常缓慢的进化，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，在平行前进，将使机械工程在更高层次上开始新一轮的发展。在第十九世纪，对机械工程的知识总量仍然是非常有限的，在欧洲它是土木工程专业的大学，是一个综合性的学科，称为土木工程，在第十九世纪下半叶成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和机械工程知识的发展，开始打破，逐渐出现分支专业 倒立摆控制系统优化由计算机，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: 传统的倒立摆结构图分别如下图1-2-1、1-2-2、1-2-3所示： 图1-2-1 图1-2-2 图1-2-3第二章倒立摆控制系统优化结构的总体设计2.1 倒立摆控制系统优化结构的功能需求（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PLC控制程序能够灵活地控制倒立摆控制系统优化的运行。（3）电压参数：220V交流电或者48V直流电压。2.2系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控制系统优化，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，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，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 倒立摆控制系统优化结构设计3.1倒立摆控制系统优化的组成 倒立摆控制系统优化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： 3.2控制系统硬件核心元件的选择 为实现倒立摆控制系统优化各方面性能的测试，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，这样才能对倒立摆控制系统优化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 2.3.2.1伺服电机的工作原理 在这次倒立摆控制系统优化的结构设计中，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RF，它总是连接到AC电压UF；另一个是绕组连接控制，电压控制信号的UC。因此，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。3.2.2伺服电机的选型计算 已知整个倒立摆控制系统优化的结构中，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10Kg，往复的范围为500mm700mm，速度为12r/min。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，交流伺服电机的型号是92BL-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、确定运行时间 本次设计加速时间 负载速度（m/min） 有速度可知每秒移动50mm，2.电机转速 3.负载转矩式中：TL为伺服电机的额定转矩；为摩擦系数;PB为伺服电机的机械效率;4.负载惯量左右水平运动伺服电机的负载惯量为：总惯量为：5.电机转矩启动转矩必须转矩；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92BL-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： 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92BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.4KW，额定转矩为1.3N.m，最大转矩为2.6N.m，额定转速为 3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸92x92x86，电机输出轴径为14mm。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 是一种光电编码器，转换成数字脉冲或通过机械位移的几何的光电传感器的输出轴。这是最广泛使用的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置。光栅盘是一个长方形的洞，分多个圆板的直径一定的。河粉。光电编码器与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机在光二极管检波输出设备和其他电子元件的脉冲信号发射相同的转速检测，如图1所示的示意图；数字反映了当前电机转速脉冲输出的第二光电编码器计算。此外，确定旋转方向，编码器也可以提供一个90亩的荷花在孝感陈螺丝铰链的相位差的模仿，根据编码器的检测原理可分为光学，磁，电感和电容。根据标定方法及信号输出形式，可分为增量式，绝对式和混合式三。1.1增量式编码器增量式光电编码器输出的转换原理三方波脉冲直接使用，B和Z；为B组，每转脉冲相位差的两个脉冲，定位参考点。本实用新型具有结构简单，机械原理的优点，在几小时或更多的寿命数以万计，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。缺点是不能输出轴旋转的绝对位置。1.2绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字信号的传感器，在它的一些同心圆盘沿径向方向的代码，包括一批在透明和不透明的部门和相邻扇区的代码，是双重的，信道编码器的数字系统的数是两位数，在编码器侧光源，一个光敏元件在每个通道的另一侧对应；当编码器位置的不同，感光元件根据光并转换为二进制数字信号对应的形式。该编码器的特点是不计数，数字代码可以读取任意位置对应的轴的固定位置。显然，码数，分辨率越高，对于一个n位二进制分辨率的编码器，编码器必须N条码道。目前，16位绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然循环（格莱玛）二进制或二进制模式转换。绝对编码器和增量编码器差分磁盘透明，不透明的线图，绝对编码器可有若干代码，读代码根据编码器，绝对位置检测。使用二进制码，循环码，二进制编码的设计等。它的特点是：1.绝对值可以直接读出角度坐标；2.无累积误差；3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制数决定，其精度取决于直线导轨的精度误差。3.4直线导杆的选择 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。 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 两导轨之间为滑动摩擦。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：导向精度高，不会出现间隙，能自动补偿磨损。一般选取三角形顶角=90,重型机械采用大顶角=110120。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。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。不能补偿磨损。用镶条调整时，会降低导向精度。 需注意导轨的保护。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。可构成闭式导轨。用一根镶条可以调整各面的间隙。刚度比平面导轨小。制造简单，弯曲刚度小，主要用于受轴向载荷的导轨。适用于同时作直线和旋转运动的场合。（2）滚动导轨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。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，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，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。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： 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： 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。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。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。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。导轨采用表面硬化处理，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。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:(1)直线滚动导轨副选取四方向等载荷型（GGB型），其特点是：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。(2)尺寸规格初选45，其结构形式选择AA 型。(3)每根导轨上的滑块数为2。(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HT200.初步确定直线滚动导轨的型号为GGB45AA1C123选择用南京工艺设备制造厂的滚动直线导轨如图:3.5同步带轮传动的选择计算1)传动名义功率P_=0.18kW;(2)主动轮转速n1=1500rmin，从动轮 =350rmin;(3)中心距a=55mm左右;(4)工作情况， 8小时运转求设计功率P=K0 Pm=0.32= 0.6Kw，式中Ko为载荷修正系数由设计功率0.6Kw 和n =1500rmin，由查得带的型号为XL型，对应节距P =5.08mm（1）选择小带轮齿数由小带轮转速n=1500r/min，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 Z1，其中i= n1n2=1500350=4286;Z2=428612=51取标准带轮齿敦=50;（2）确定带轮节圆直径dI=Pb Z1/=19.414mm;d2= Pb Z2/=80.9mm;（3）确定同步带的节线长度LL= 2acos +(d2+d1 )2+( d2-d1)180;式中： =sin-1 (d2-d1)/2a =0218；126 (以a=100mm代入) 则L =54.54 选择最接近计算值的标准;节线长(见表4)L=55.20mm;（4）计算同步带齿数zZb=Lp/Pb=55.20/5.08=11;（5）传动中心距n的计算a=Pb( Z2-Z1)2zcos;式中： inV =314l6 inV=tg-用逐步逼近法计算，=1351 8(弧度)代入上式得出a=102.45与精确计算结果相似。最后测量装置同步带选用XL型同步带P= 5.08mm;ZB=11， L,= 5520ram b= 9.5mm;同步带轮： Z1=11，Z2=50，dI=Pb Z1/=19.4146mm;d2= Pb Z2/=80.9mm;同步轮结构图如下图所示：第四章倒立摆控制系统优化中PID的控制算法的实现4.1PID控制算法简介PID（ProportionalIntegralDifferential）控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在20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。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。然而直到现在，PID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。 PID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。其中广义被控对象包括调节阀、被控对象和测量变送元件。PID控制的基本组成都非常简单，其优点包括：适应性强、鲁棒性强以及对型依赖少。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器产品已经很多，并在工程中得到了广泛的应用，许多大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID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。包括利用PID控制实现压力、温度、流量、液位控制器以及能实现PID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。而可编程控制器（PLC）则是利用其闭环控制模块来实现PID控制。4.1.2PID控制各部分的特点 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PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70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。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，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调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。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PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID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。1、比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-StateError）。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。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（SystemwithSteady-StateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。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。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。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。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。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。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。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。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，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，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。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。4.1.3PID控制器各部分参数的选定 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性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 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。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。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。二是工程整定方法，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、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID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。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。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。现在一般采用的是临界比例法。 利用临界比例法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。4.2PID控制算法的实现在模拟控制系统中，控制器最常用的控制方法是PID控制，PID控制系统原理框图如图所示，系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值vou(t)构成控制偏差：error(t)=rin(t)-vou(t);PID的控制规律为：U(t)=Kp(error(t)+1/Tp*error(t)dt+Td/Dp; 简单说来，PID控制器各教正环节的作用如下：(1)比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2)积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数IT，IT越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变的太大之前，在系统中引入一个有效的修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。结论文中设计的车载倒立摆控制系统具有实现 简单、集成化程度高、用户操作界面友好等优点，将对倒立摆控制系统优化个的研究和发展起到极大的推动作用。该系统通过充实的理论依据和实际的工况，图文并茂地阐述了该系统的组成以及其中核心部件的作用和选型要领。通过不同的方式，来对倒立摆控制系统优化的各部分要领进行阐述和计算分析，从而得出一整套合理的系统布局，以