球杆系统设计实验指导

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1、-目录球杆系统说明41系统简述42机械结构63电器部分64软件实现7实验一球杆系统的数学模型81.1实验目的81.2实验原理81.传递函数102.状态空间方程101.3实验内容101）、2）略103）在MATLAB中求取传递函数及其开环阶跃响应111.传递函数112.状态空间方程123.球杆系统在Simulink下的模型建立121.4实验设备15实验二球杆系统的数字P控制器设计162.1实验目的162.2实验原理162.3实验设备172.4实验内容17实验三球杆系统的数字PD控制器设计193.1实验目的193.2实验原理193

2、.3实验设备193.4实验内容19实验四球杆系统的数字PID控制器设计194.1实验目的194.2实验原理194.3实验设备194.4实验内容19实验五根轨迹算法设计球杆系统控制器195.1实验目的195.2实验原理及内容195.3实验设备19.---实验六频率响应法设计球杆系统控制器196.1实验目的196.2实验原理及内容196.3实验设备19实验七球杆系统在MatlabSimulink环境下的实时控制197.1实验目的197.2实验原理197.3实验设备197.4实验内容19附：IPMMOTION实验程序使用说明19.-

3、--球杆系统说明1系统简述球杆系统（Ball&Beam）是为自动控制原理等基础控制课程的教学实验而设计的实验设备。该系统涵盖了许多经典的和现代的设计方法。这个系统有一个非常重要的性质——它是开环不稳定的。不稳定系统的控制问题成了大多数控制系统需要克服的难点，有必要在实验室中研究。但是由于绝大多数的不稳定控制系统都是非常危险的，因此成了实验室研究的主要障碍。而球杆系统就是解决这种矛盾的最好的实验工具，它简单、安全并且具备了一个非稳定系统所具有的重要的动态特性。整个装置由球杆执行系统、控制器和直流电源等部分组成。该系统对控制系统设

4、计来说是一种理想的实验模型。正是由于系统的结构相对简单，因此比较容易理解该模型的控制过程。球杆执行系统（如图1所示）由一根V型轨道和一个不锈钢球组成。V型槽轨道一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移电阻器。当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上输出电压可测得球在轨道上的位置。V型槽轨道的一端固定，而另一端则由直流电机（DCmotor）的经过两级齿轮减速，再通过固定在大齿轮上的连杆带动进行上下往复运动。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

5、在轨道上的位置。GBB1004型球杆系统由三大部分组成：IPM100智能驱动器、球杆装置和控制计算机。IPM100智能驱动器使用方法请参照《IPM100SK用户手册》；计算机为装有Windows的计算机或是其他兼容机。.---图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，当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上输出的电压信号可获得球在轨道上的位置x。电机转动带动齿轮系驱动杠杆臂LeverArm转动，轨道Beam随杠杆臂的转动与水平方向也有一偏角α,球的重力分量会使

6、它沿着轨道滚动，设计一个控制系统通过调节伺服角度θ使得不锈钢球在Beam上的位置能被控制。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θ利用伺服电机自带角度编码器来测量，输出量x由轨道上电位器的电压信号来获得。系统组成框图如下：图2球杆系统组成原理图系统包括计算机、IPM100智能伺服驱动器、球杆本体和光电码盘、线性传感器几大部分，组成了一个闭环系统。光电码盘将杠杆臂与水平方向的夹角、角速度信号反馈给IPM100智能伺服驱动器，小球的位移、速度信号由直线位移传感器反馈。智能伺服控制器可以通过RS232接口和

7、计算机通讯，利用鼠标或键盘可以输入小球的控制位置和控制参数，通过控制决策计算输出（电机转动方向、转动速度、加速度等），并由IPM100.---智能伺服驱动器来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，带动杠杆臂运动，使球的位置得到控制。2机械结构选用直流伺服电机，采用齿轮箱减速机构进行减速，在输出齿轮上距齿轮圆心d（d小于齿轮半径）处连接一杠杆臂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，见下图：图3球杆系统机械图图4转角α和β示意图

8、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，此时连接点与齿轮中心连线和水平线的夹角为θ（角度θ应被限定在一定角度范围内，即使导轨倾角α最大和最小），轨道会绕左侧与固定座铰链处转动，轨道与水平方向的角度为α。此处角度编码器用于测量角度