球杆定位控制标准系统实验书

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1、球杆定位控制系统实验指导书实验指导书深圳市鸥鹏科技有限有限公司二○○五年十月22/22目录目录2一、球杆定位控制系统认知实验5实验目的5实验内容5实验步骤5实验报告7二、系统建模分析81、机械建模分析82电机建模分析8三、球杆定位控制系统控制实验11实验目的11实验内容111、P控制器设计112、PD控制器设计122、PID控制器设计12实验步骤12实验报告21四、球杆定位控制系统扩展控制实验214.1根轨迹算法设计214.2.频率响应法设计2122/2222/22前言球杆定位控制系统是为自动化，机械电子，电气工程等专业的基础控制课程教学实验而设计的实验设备。通过对球杆系统进行分

2、析和实验，学生可以学习对物理系统的建模和控制系统的设计，熟悉PID控制的设计和调节，以及利用别的控制理论和算法进行实验。22/22球杆定位控制系统认知实验实验目的认知球杆定位控制系统的结构和工作原理，熟悉系统的工作流程，并检验系统各通道的工作状况是否正常。实验内容球杆定位控制系统结构如下图，有连杆机构及相应的电气驱动，传感部分组成，其工作流程为通过电机驱动，带动连杆运动，改变钢球所在滑道的倾斜角度，使钢球在重力作用下沿滑道运动。本实验内容是要详细了解系统的结构，关键部件，并联机测试各部件工作是否正常。实验步骤1、认真观察球杆定位控制系统，指出系统的各个部分，打开后盖，认知相关的电

3、气控制部分及机械传动部分，并做好记录。2、安装好后盖，将电源线，通讯线与电源箱，电脑正常连接。3、接通电源，打开测试软件：1)在matlab下打开QGTEST.MDL进入测试界面：22/221)点击运行：2)设置运动位置POS，观察球杆运动情况，3)切换伺服开关，运动，停止开关，测试硬件响应4)改变运动速度，加速度及位置，观察运动情况5)打开各个示波器6)用手轻拨钢球，让钢球在滑道上缓慢滚动，观察采集到钢球的位置数据7)停止实时仿真，观察各示波器数据，并保存到相应的文件22/22实验报告1写出球杆定位控制器通的主要组成，并描述各模块的功能与实现。2简述系统的使用方法和注意事项。3

4、分析特性测试数据，验证系统参数。实验扩展：根据所学信号滤波方法，进行信号采集滤波，改变滤波器参数，观察滤波效果，设计出效果理想的低通滤波器。具体数字滤波器的设计方法参考有关ＭＡＴＬＡＢ资料。22/22一、系统建模分析1、机械建模分析球杆定位控制系统是一个经典的控制理论教学模型，它具有物理模型简单、概念清晰，便于用控制理论算法进行控制的特点，系统给出一个相对简单的模型。钢球在滑道加速滚动的力是小球的重力在同滑道平行方向上的分力与摩擦力的合力。钢球滚动的动力学方程，钢球在滑道上滚动的加速度：(1)其中μ为钢球与轨道之间的摩擦系数，而α为滑道与水平面之间的夹角。为了简化系统模型，考虑到

5、摩擦系数比较小，摩擦力可以忽略不计，因此，其基本的数学模型转换成如下方式：(2)当α<<1时，线性化处理后，得到传递函数如下(3)其中X(s)为钢球在滑道上的位置。在实际控制的过程中，滑道的仰角是由电动机的转角输出来实现的。影响电动机转角和滑道仰角之间关系的主要因素就是齿轮的减速比和非线性。因此，我们把该模型进一步简化：(4)把（4）式代入（3）式，我们可以得到另一个模型：(5)其中c是一个包含了b和g的影响的参数。因此，球杆系统实际上可以简化为一个二阶系统。2电机建模分析在这部分，我们对直流伺服电动机建模。电机产生的转矩是和电枢电流成正比例的：(6)为电机的力矩常数，为电枢电流

6、。22/22当电枢旋转时在电枢中将感应出一定的电压，它的大小与磁通和角速度的乘积成正比。当磁通不变时，感应电压将与角速度成正比：　　(7)为反电势，为电机的反电势常数，则为电机的角位移。电枢控制式直流伺服电机的速度由电枢电压控制（为放大器的输出）。电枢电流的微分方程为：(8)即：(9)电机力矩的平衡方成为：(10)为电机、负载和折合到电机轴上的齿轮传动装置组合的转动惯量，为电机、负载和折合到电机轴上的齿轮传动装置组合的粘性摩擦系数。所以，电机轴位移和误差信号之间的传递函数为：(11)伺服系统的原理框图如图2所示，图2伺服系统原理图如果定义齿轮的传动比为n，即：那么系统的前向通路的

7、传递函数可以表示为：(12)22/22因为通常比较小可以忽略不计，所以前向通道的传递函数为：(13)式中一项表明，电机的反电势有效地增大了系统的粘性摩擦。转动惯量和粘性摩擦系数都是折合到电机轴上的物理量。当和乘以时，转动惯量和粘性摩擦系数都被折合到输出轴上。如果引进一些新定义的参量：=折合到输出轴上的转动惯量。=折合到输出轴上的粘性摩擦系数。于是，由上述方程（13）确定的传递函数G(s)可以简化为：即：(14)式中，从上面（13）和（14）两个方程可以看出，传递函数中均包含1/s