球杆系统球杆系统对象机构设计毕业论文

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1、球杆系统球杆系统对象机构设计毕业论文第1章GBB系列球杆系统说明1.1系统简述GBB系列球杆系统是专为自动控制原理等基础控制课程的教学实验而开发、设计的实验设备，它是一个安全的开环不稳定物理系统，可以将许多抽象的控制概念通过物理学运动直观的表现出来，有趣而富有挑战性，因此特别适合于基础控制课程实验。球杆教学系统（Ball&Beam）如下图1-1所示，图1-1球杆系统执行机构图一个钢制小球可以在一个水平轨道（横杆）内自由转动，该轨道可以绕已固定端转动，通过调整与水平线的转动角度，可以控制小球在导轨上的左右运动。如果没有闭环控制，显然，这样的一个对象是一个不稳定系统，当导轨绝对水平时，小球可

2、以平衡在导轨的任何一个位置，但是一旦有干扰，小球是无法回到原来的平衡位置的，通过在导轨上安装可以检测小球位置的传感器，再设计一个闭环反馈控制器，就可以控制小球在导轨上的位置，从而构成一个闭环稳定系统，导轨和水平线的转动角度的调整则由电机通过齿轮传动带动一个四连杆机构来实现。1.2系统组成整个系统由球杆运动机构（包含齿轮和四连杆机构）、控制器、传感器和直流电源等部分组成。由于系统的结构相对简单，因此比较容易理解该系统的控制过程。球杆系统运动结构简图如图1-2所示：-65-图1-2球杆系统执行机构原理图导轨一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移传感器。当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上输出电压

3、可测得球在轨道上的位置。导轨的一端固定，而另一端则由直流伺服电机（DCservomotor）的经过齿轮减速，再通过固定在大齿轮上的连杆带动进行上下往复运动。导轨与水平线的夹角可通过电位计或电机编码器的转动角度和简单的几何计算获得。这样，通过设计一个反馈控制系统调节直流电机的转动，就可以控制小球在轨道上的位置。球杆系统控制器分为嵌入式数字控制器和模拟控制器两种，嵌入式数字控制器是基于DSP的智能伺服运动控制器，模拟控制器为利用运算扩大器和功率扩大器组建的模拟电路控制器，系统组成框图1-4如下：串口计算机嵌入式数字控制器伺服电机球杆装置电机编码器或电位计直线位移传感器图1-3球杆系统数字控制

4、原理图模拟控制器伺服电机球杆装置角度传感器直线位移传感器图1-4球杆系统模拟控制原理图-65-1.1实验及特点利用球杆系统可以完成以下包括机械、机电一体化、模拟电路、控制理论与应用、传感技术、电机控制、电工学等各类专业课程实验。采用嵌入式数字控制对球杆系统进行控制时，计算机通过RS232串口和嵌入式控制器连接，图形化的显示界面很直观地显示控制的效果，使学生对机电一体化以及控制和控制理论有更加深刻的理解和认识。实验内容如下：1．球杆系统对象机构设计与装配实践2．球杆系统的创新结构设计实验3．小球直线位移测量实验和AD转换4．角度位移测量实验-模拟方法（电位器）5．角度位移测量实验-数字方法

5、（编码器）6．数字滤波分析7．直流伺服电机参数辨识实验8．直流伺服电机的调速控制实验9．直流伺服电机的位置控制实验10．测速发电机实验11．智能伺服驱动器的使用与编程（计算机接口实验等）12．球杆系统的数学模型13．球杆系统的数字P控制器设计14．球杆系统的模拟P控制器设计15．球杆系统的PD控制器设计16．球杆系统的模拟PD控制器设计17．球杆系统的PID控制器设计18．球杆系统的模拟PID控制器设计-65-第2章球杆系统对象机构设计与装配实践第1章球杆系统对象机构设计与装配实践1.1实验目的Ø学会根据球杆系统的机械实物模型，绘制机构运动简图；理解构件、运动副的概念，分析和验证机构自由

6、度。Ø进一步理解机构自由度的概念，掌握机构自由度的计算方法，并进一步理解复合铰链、虚约束及局部自由度的概念。Ø加深对机构结构的了解。Ø熟悉简单的机械系统装配工艺。1.2实验原理1．运动副由于机构的运动仅与机构中所有构件的数目和构件所组成的运动副的数目、类型、相对位置有关，因此，在绘制机构运动简图时，可以撇开构件的形状和运动副的具体构造，而用一些简略的符号（见机械设计手册中有关“常用构件和运动副简图书馆符号”的规定）来代替构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置，以此表明机构的运动特征。表１-１为常用符号示例。 表2-1常见运动副种类名称符号  低   副转动副移动副螺旋副   

7、高 副 凸轮副-65-第2章球杆系统对象机构设计与装配实践高副齿轮副  构  件活动构件机 架2．主动件与从动件在平面运动链中，固定其中一个构件，其余构件的运动都是确定的，这样就形成了一个平面机构，给予运动规律的构件是主动件或是原动件，由原动件所驱动的构件叫从动件。3．机构自由度可以从两个方面计算机构的自由度，一方面是根据各个运动副所提供的约束条件数来计算，另一方面也可以根据运动副所具有的相对自由度来计算。设机构是由N个构件和g个运