控制系统实践教学资料：工业仿真器实验指导书（学生）2017

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1、Model-220工业系统仿真器实验指导书钱玉恒编写哈尔滨工业大学飞行器控制实验教学中心一实验目的1・熟悉Model220装置的结构和原理；2.通过实验项目掌握工业系仿真器的基本特性;3.设计控制算法利用实验装置验证效果。二实验原理2.1设备组成本实验控制系统由图2.1-1所示的三个子系统构成。子系统一是机电装置。包括仿真机构、执行器和传感器，设计特点是采用无刷直流伺服电机驱动和产生干扰，具有高分辨率编码器、惯性可调、齿轮齿数比可变。还可以引入库仑和黏性摩擦、传动柔性和齿隙。子系统二是实时控制单元。它包括基于实吋控制器的数字信号处理器(DSP)、伺服/执行器接口、伺服放大器

2、和辅助电源。DSP能够以实现在连续或离散时间建模的高采样率执行控制律。该控制器解释轨迹命令，并支持像数据采集、轨迹生成、系统状态及安全检测等功能。一个逻辑门阵列实现编码器脉冲解码。两个可选的辅助数模转换器(DAC)进行实时模拟信号测量，此控制器代表性强。控加图2.1-1.实验控制系统子系统三是一个在PC机Windows操作系统下运行的执行程序。此菜单驱动程序是系统用户界面，它支持控制器指定、轨迹定义、数据采集、绘图系统执行指令等。通过易于生产简单或非常复杂算法的直观〃类C〃语言来指定控制器。内置的自动编译器通过DSP进行执行程序代码的有效传送和执行。该接口支持多种功能，提供

3、一个友好强大的实验环境。2.2实验装置的数学模型2.2.1刚体对象模型基本变速效应(BasicSpeedRatioEffects)总的传动链齿数比g厂，也就是-grO2,表达式为rPrtgr=----rdrp2(2.2-1)(2.2-2)有d=Sr0p(见图2.2-1)Rotarydamping(modeledasviscous)图2.2-1.刚体对象模型参考空载滑轮装置和驱动盘之间的局部齿数比设负载转矩称为7；,折算至驱动端转矩为7；=grTDl(2.2-3)根据转矩原理7；=J向(2.2-4)得SrTDl=J®=J&p7严J他(2.2-5)其中Jlr=J,gr-2(

4、2.2-6)根据齿数比可进行惯量折算，如驱动惯量折算到负载位置的驱动惯量为Jdr=J諾广°得折算至驱动端转动总惯量J；=打+丿朋尸+必尸(1.2-7)得折算至负载端转动惯总量J；=打加+厶(gr/g/y+人(2.2-8)同样，对于摩擦系数，可表述为c；=c1+c2gr-2(2.2-9)和c：=qgr2+c2(2.2-10)其屮，c,和c：为折算到驱动和负载上的总摩擦系数。刚体动力学对很多应用，为便于分析问题，可将非理想因素忽略，如驱动柔性、齿隙、静摩擦和动摩擦及其他非线性因素。在刚体条件下木系统服从牛顿第二定律，将摩擦效果看成是黏性的，建模可由图2.2・1推岀：J；*c皆T

5、d(2.2-11)和j：4+Cj02=grTD(2.2-12)传递函数q(s)_1T»(s)+(2.2-13)忽略摩擦时，得EG)_grTd(S)+(2.2-14)J；0严td(2.2-15)j;®=g%(2.2-16)q($)_1TEJ：s2(2.2-17)&2($)_grW"J；s2(2.2-18)2.2.2柔性传动动力学传动系统中带有柔性的近似仿真对象示于图A-lao通过图5.2.1b中的自由体受力图和作用在厶上的总转矩，并应用牛顿第二定律（它的转动形式）：（丘项是在弹性带中的静态张力）。（耳一笃为一&2=J&2(2.2-19)或J02+C202+2紅50-乙20比=

6、0(2.2-20)定义一个扭转（或旋转）弹簧常数：k=2kLr[2(2.2-21)方程（2.2-20）变为：J02+5©2+&兔一加/呦)=°(2.2-22)在动态过程期间意味着带子的任何一个部分都不会松弛.a)Dynamicsystemb)LoadInertiac)IdlerPulleysd)DriveInertia(2.2-23)(2.2-24)(2.2-25)(2.2-26)(2.2-27)(2.2-28)(2.2-29)(2.2-30)图2.2-2.用于动力学建模的对象描述和自由刚体受力图对于从动轮(图2.2-2C们有：(坊一耳尤2+(禺一坊兀严丿何如(耳-FM严J

7、何厂(耳-片兀2=JpOp^kL(rp20p-rl02)rp2对于驱动惯性：TD+(F3-F4)rd-ci0l=Jd0i和(2.2-24)合后得TD-h(JpDp+2灯(、2兔-叩2片2)-C&=Jd0}由2.2-2和2.2-21得«/+刃勺朋+胡+—池)竺二©定义j；m,计算得出两个运动方程打&+C

8、&+R(g厂20}-gr]02)=TdJ&+c202+k(&2-gr°i)=0用矩阵可以表示如下:JO+c0+k0=T(2.2-31)0=o2_,J=j;_00,C=C]0*―--2-1H-Tk=gr,T=_Td1