球杆系统实验报告

球杆系统试验报告篇一：华科机械综合测试试验球杆试验报告球杆操纵定位系统试验报告试验小组成员：周开城 uXX10555机械0902班张伟uXX10571机械0902班—试验目的?〔1〕把握对实际物理模型的建模方式。〔2〕把握在Matlab中利用Simulink等工具对系统进展模型分析的方式。〔3〕把握PID操纵算法的原理和实际应用。〔4〕学习PID参数的调剂方式。二试验系统及试验原理〔一〕球杆系统的特点球杆系统是一个典型的非线性系统，理论上而言，它是一个真正意义上的非线性系统，其执行机构还具有很多非线性特性，包括： ?死区?直流马达和带轮的传动非线性。 ?位置测量的不持续性。?导轨外表不是严格的滑腻外表，产生非线性阻力。这些非线性因素关于传统意义上的测量和建模造成特地大的阻碍，并对系统的操纵性能造成超级大的阻碍，如何去设计一个鲁棒的操纵系统，是现代操纵理论的一个重要问题。固高科技供给的球杆系统既能够用于争论操纵系统运行的非线性动力学，也能够用于争论操纵系统的非线性观测器等，是一个较为通用的试验设备。固性，关于传统的试验方式，存在一些试验的难处，不稳固的系统简洁对试验人员产生危急或是不行预料的损害，球杆系统相对而言，机械比较简单，构造比较紧凑，平安性也比较高，是一个能够幸免这些危急和损害的Windows系统试验的一个抱负的试验设备。〔二〕球杆系统IPM100电码盘、线性传感器、伺服电机和球杆装置等部份，组成一个闭环系统。光电码盘将杠杆臂与水平方向的夹角、角速度通过RS232接口与运算机通信。在操纵系统中，输入钢球的操纵位置和操纵参数，通过操纵决策计算输出电机转动方向、转动速度、加速度等，并由智能伺服驱动器产生相应的操纵量，发出模拟信号使电机转动，带动杠杆臂运动从而操纵球的位置。本系统为一个单输入〔电机转角θ、单输出〔钢球位置〕系统。其中，θ由伺服电机的角度编码器测定，输出量x由轨道上电位器输出的电12球杆系统要紧由以下几部份组成，如以下图。〔三〕机械部份：机械部份包括底座、小球、横杆、减速皮带轮、支撑部份、马达等。小球能够在横杆上自由的转动，横杆的一端通过转轴固定，另一端能够上下转动，通过操纵直流伺服电机的位置，带动皮带轮转动，通过传动机构就可以够够操纵横杆的倾斜角。直流伺服电机带有增量式编码器〔R，能够检测电机的实际位置，在横杆上的凹槽内，有一线性的传感器用于检测小球的实际位置，两个实际位置的信号都被传送给操纵系统，组成一个闭环反响系统。当带轮转动角度θ，横杆的转动角度为α，当横杆偏离水平的平稳位置后，在重力作用下，小球开头沿横杆转动。〔四〕电气部份球转动时位移的测量：直线位移传感器。线性轨道传感器接＋5V电压。轨道两边测得IPM100操纵卡A/D输入口的信号。当小球在轨道上转动时，通过不锈钢杆上输出的电压信号的测量可取得小球在轨道上的位置。IPM100过电机实际位置转换取得角度θ。〔五〕智能伺服驱动100WPWM于电机轴，使电机开头运动，扭矩的大小打算于用户程序中的操纵算法。IPM100放大器和PWM调制电路，还有一个全数字的DSP处置芯片，内存和其PLC的功完成板载IO信号的处置，全部这些都依照贮存器的程序指令或是主机的在线命令执行，这种嵌入式的智能操纵能够供给一个实时性超级好的操纵PC由于操纵器能够独立运行，也能够承受从动模式，本手册介绍的球杆IPM100RS232算机进展通信，直流电源也置于操纵箱内部。〔六〕球杆系统的数学模型成立事实上使小球在导轨上加速转动的力是小球的重力在同导轨平行方向上的分力同小球受到的摩擦力的合力。考虑小球转动的动力学方程，小V型杆上转动的加速度：??J?R2?m??r??mgsinα?mrα?2?0????〔1－1〕其中m——小球质量；J——小球的转动惯量；R——小球半径；r——小球位置偏移；g——重力加速度；α——轨道杆与水平面之间的夹角；θ——电动机转角；又有：α?dLθ。由于实际摩擦力较小，无视摩擦力，并由于α较小，因此能够无视此项的阻碍，其大体的数学模型转换成如下方式：mgsinαJ?2?m??r??R?〔1－2〕当α性化，取得传递函数如下r(s)α(s)?m?J2?m??R?2〔1－3〕α是由电动机的转角输出来实θ和杆仰角α之间关系的要紧因素确实是齿轮的减速比和非线性。因此，咱们把该模型进一步简化：θ(s)=L/d?α(s)(1－4)把〔1－4〕式代入〔1－3〕式，咱们能够取得另一个模型：?J??2?m?R(s)s?R?2??mgdLθ(s)取得球杆系统从齿轮角度θ〔s〕和小球位置(R(s))的传递函数：R(s)θ(s)L(mgdJR21s2?m)因此，球杆系统事实上能够简化为一个二阶系统。〔七〕比例环节操纵原理u(t)与误e(t)之间的关系为：u(t)?Kpe(t)或表示成拉普拉斯变换量的形式如下：U(s)E(s)?Kp称为比例增益。无论是哪一种实际机构，也无论是哪一种形式的操作功率，比例操纵器实质上是一种增益可调的放大器。操纵系统如以以下图所示:篇二：球杆系统试验指导名目球 杆 系 统 说 明 31系统简述--32机械结构--53电器部份-- 5 4 软 件 实 现-- 6 实 验 一 球 杆 系 统 的 数 学 模 型 71.1实验目的71.2实验原理71.传递函数 92.状态空间方程 9实 验 内 容91 〕 、 2 〕 略--93〕在 MATLAB 中求取传递函数及其开环阶跃响应 10传 递 函 数----------------------10状 态 空 间 方 程 11球 杆 系 统 在 Simulink 下 的 模 型 成 立 11实 验 设 备14 实 验 二 球 杆 系 统 的 数 字 15

P 操 纵 器 设 计2.1实验目的152.2实验原理152.3实验设备162.4实验内容16 实验三 球杆系统的数字 18

PD 操纵器设计3.1实验目的183.2实验原理183.3实验设备203.4实验内容20 实验四球杆系统的数字PID操纵器设计 214.1实验目的214.2实验原理214.3实验设备224.4 实 验 内 容22 实验五 根轨迹算法设计球杆系统操纵器 24实 验 目 的24实 验 原 理 及 内 容 24实 验 设 备 28实验六 频率响应法设计球杆系统操纵器 29实 验 目 的 29实 验 原 理 及 内 容 29实 验 设 备 33试验七 球杆系统在MatlabSimulink环境下的实时操纵 347.1 实 验 目 的347.2实验原理347.3实验设备417.4实验内容41附：IPMMOTION实验程序利用说明 42球杆系统说明系统简述〔Ball&Beam是为自动操纵原理等根底操纵课程的教学试验而设计的试验设备。该系统涵盖了很多经典的和现代的设计方式。那问题成了大多数操纵系统需要抑制的难点，有必要在试验室中争论。可是由于绝大多数的不稳固操纵系统都是超级危急的，因此成了试验室争论的要紧障碍。而球杆系统确实是解决这种冲突的最好的试验工具，它简洁、平安而且具有了一个非稳固系统所具有的重要的动态特性。整个装置由球杆执行系统、操纵器和直流电源等部份组成。该系统对操纵系统设计来讲是一种抱负的试验模型。正是由于系统的构造相对简洁，因此比较简洁明白得该模型的操纵进程。〔1所示V型轨道和一个不锈钢球组成。VV型槽轨道的一端固定，而另一端那么由直流电机〔DCmotor〕的通过两级齿轮V型槽轨道与水平线的夹角可通过测量大齿轮转动角度和简洁的几何计算取得。如此，通过设计一个反响操纵系统调剂直流电机的转动，就可以够够操纵小球在轨道上的位置。GBB1004型球杆系统由三大部份组成：IPM100智能驱动器、球杆IPM100IPM100SK用Windows的运算机或是其他兼容机。1球杆系统执行机构原理图在一长约0.4米的轨道上放置一不锈钢球，轨道的一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移传感器，当球在轨道上转动时，通过测量不锈钢杆上输xLeverArm转动，轨道Beam随杠杆臂的转动与水平方向也有一偏角α,球的重力重量会使它沿着轨道转动，设计一个操纵系统通过调剂伺服角度θBeam上的位置能被操纵。此系统为一个单输入〔电机转角θ、单输出〔小球位置〕系统，输入量θx由轨道上电位器的电压信号来取得。系统组成框图如下：2球杆系统组成原理图系统包括运算机、IPM100智能伺服驱动器、球杆本体和光电码盘、线性传感器几大部份，组成了一个闭环系统。光电码盘将杠杆臂与水平方IPM100度信号由直线位移传感器反响。智能伺服操纵器能够通过RS232接口和运算机通信，利用鼠标或键盘能够输入小球的操纵位置和操纵参数，通过〔IPM100智带动杠杆臂运动，使球的位置取得操纵。机械构造选用直流伺服电机，承受齿轮箱减速机构进展减速，在输出齿轮上距d〔d小于齿轮半径〕LeaverArm，此连接处螺钉不能固定太紧，杠杆臂的另一端与轨道Beam铰链，机构的另一端是一固定座，此固定座上端与轨道的左侧铰链，见以以下图：3球杆系统机械图图4转角α和β示用意电机箱内部机构：电机，齿轮减速机构。整个机构运行如下：电机转动带动与连杆相连的齿轮转动，此刻连接点与齿轮中心连线和水平线的夹角为角度θ应被限定在必定角度范围内，即便导轨倾角α最大和最小水平方向的角度为α。此处角度编码器用于测量角度θ，此为系统的输入信号。电器部份a)球转动时位移的测量：直线位移传感器线性轨道传感器接＋5VIPM100操纵卡A/D输入口的信号。当小球在轨道上转动时，通过不锈钢杆上输出的电压信号的测量可取得小球在轨道上的位置。篇三：合肥工业大学自动操纵理论综合试验球杆试验报告合肥工业大学电气与自动化工程学院XX2178试验一球杆系统的数学模型试验目的l把握对实际物理模型的建模方式l把握在Matlab中利用Simulink等工具对系统进展模型分析的方式。试验内容：分析并推导系统的数学模型；求解系统的状态空间方程和传递函数方程；1matlabmm=0.028;R=0.0145;g=-9.8;J=0.4*m*R^2;a=-m*g/(J/R^2+m);A=[0100;00a0;0001;0000]B=[0;0;0;1]C=[1000]D=0[n,d]=ss2tf(A,B,C,D);G=tf(n,d);返回：A=01.000000007.000000001.00000000B= 0001C= 1 0 0 0D= 0Transferfunction:-4.441e-016s^3+1.998e-015s^2+3.997e-015s+7 s^4上式即为传递函数方程。Matlab下成立系统的模型并进展阶跃响应仿真。为取得阶跃响应，输入命令： step(G) StepResponseeduitlpmATime(sec)试验二球杆系统的数字P操纵器设计试验目的P操纵器原理及其对球杆系统的操纵作用试验原理：试验内容：matlabStepResponse在matlab中成立m文件并运行：m=0.028;R=0.0145;g=-9.8;edutL=0.40;ilpAmd=0.045;J=0.4*m*R^2;K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));%simplifiesinputnum=[-K];den=[100];Time(sec)ball=tf(num,den)kp=1;sys_cl=feedback(kp*ball,1)%成立闭环系统step(0.25*sys_cl)%阶跃响应BallBeamControl应用操纵程序进展实时操纵；试验步骤如下：200；为0；)0松开鼠标即刷参数,系统开头运动5)转变Kp的值,观看响应转变2自动操纵理论试验matlab于参数不一样，系统无视了很屡次要因素，而在实际系统中，这些因素又在起作用，因此有时候振幅会收敛(阻力)，有时候发散9并有拖延环节作用)kp试验三球杆系统的数字PD操纵器设计试验目的PD操纵器的操纵原理和对球杆系统的操纵成效试验原理：试验内容：一、在matlabPD思路是选取同一个〔那个地址取1，转变微分时刻，以观Tdm=0.028;R=0.0145;g=-9.8;L=0.40;d=0.045;J=0.4*m*R^2;K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));num1=[-K];den1=[100];ball=tf(num1,den1)kp=1;Td=10;num2=[kp*Tdkp];den2=[1];PD=tf(num2,den2);sys_cl=feedback(PD*ball,1)%成立闭环系统step(0.25*sys_cl)%阶跃响应holdonTd=20;num3=[kp*Tdkp];den3=[1];PD=tf(num3,den3);sys_cl=feedback(PD*ball,1)%成立闭环系统step(0.25*sys_cl,”:”)%阶跃响应holdonTd=30;num4=[kp*Tdkp];den4=[1];PD=tf(num4,den4);sys_cl=feedback(PD*ball,1)%成立闭环系统step(0.25*sys_cl,”-.”)%阶跃响应legend(”Td=10”,”Td=20”,”Td=30”Transferfunction:StepResponse0.7875------ s^2Transferfunction:7.875s+0.7875 s^2+7.875s+0.7875Transferfunction:15.75s+0.7875----------------------s^2+15.75s+0.7875Transferfunction:23.63s+0.7875----------------------00.10.20.30.40.50.60.70.8Time(sec)s^2+23.63s+0.7875试验结果分析：PD〔也可能显现衰减振p能够调整系统的响应速度、稳固时刻和超调等。由自控理论咱们明白，增加Td能够削减调剂时刻，但也增大了超调量。实际系统中，存在一些阻力和摩擦，但在建模进程中为简洁起见，忽略了这些阻力的阻碍，可是在实际系统中，由于这些因素的存在，系统在到达平稳状态时会存在必定的稳态误差。而且，关于操纵问题通常有多个解决方案。二、利用固高科技球杆系统进展试验:步骤如下1)让小球稳固在50；2)设置Kp=const(常数)，Kd=const，Ki=0〔拖动相应滑块到最低位0〕3300；4)松开鼠标即刷参数,系统开头运动；5) 转变KpKd的值观看响应转变。Amplitude3K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));%simplifiesinputnum=[-K];den=[100];ball=tf(num,den)kp1=40;Ti=4;Td=0.74;n=[kp1*Ti*Tdkp1*Tikp1];d=[Ti0];PID=tf(n,d);sys_c1=feedback(PID*ball,1)%成立闭环系统step(sys_c1响应axis([0301.2])StepResponse能够看出，在PD操纵作用下，系统能够特地快的稳固，可是明显13.53mm，分析误差产生的原因，能够在平稳位置认真观看小球位置转变和输入角的关系。Amplitude试验四球杆系统的数字PID操纵器设计试验目的PID操纵算法的原理和实际应用试验原理：Time(sec)返回：Transferfunction0.7875s^2 此为球杆系统传递函数。 返回：Transferfunction: 93.24s^2+126s+31.5 4s^393.24s^2126s31.5 PID统传递函数。2〕利用仿真取得的PID参数在IPMMOTION软件中进展实时操纵试验，并比较仿真结果与实际运行结果的不同，分析原因。取PID参数别离为：2，10，2运行IPMMOTION软件，取得以下结果：试验内容1〕利用齐格勒-尼赫尔斯法那么设计PID操纵器，并在matlab下仿真系统性能。分析：通过“试验二”的验证，此球杆系统无法在纯比例操纵下到达Kp=40，Ti=Kp/Ki=4，Td=Kd/Kp=0.74时，操纵成效比较好。Matlab