球杆系统课程设计

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固高球杆系统课程设计

目录

一、整体方案设计 (3)

1.1需求 (3)

1.2 设定目标 (3)

二、系统设计 (4)

2.1功能分析 (4)

2.2设计规和约束 (5)

2.3 机械系统设计 (7)

2.4 传感器输出信号的数字滤波 (9)

三、理论分析 (10)

3.1 控制系统建模 (10)

3.2 原系统稳定性分析 (10)

3.2.1 原系统概述 (10)

3.2.2待校正系统单位阶跃响应分析: (10)

3.2.3伯德图分析 (11)

3.3频率响应法设计球杆系统控制器 (13)

3.3.1设计要求 (13)

3.3.2相位超前控制器 (13)

3.3.3相位超前-滞后控制器 (16)

3.4 P/PD/PID 控制器设计 (19)

3.4.1 球杆系统的P 控制器设计 (19)

3.4.2 球杆系统的PD 控制器设计 (20)

3.4.3 球杆系统的PID 控制器设计 (24)

3.5 各种控制方法比较总结 (28)

3.5.1频域校正方法的比较 (28)

3.5.2 PID校正方法的比较 (29)

四、元器件、设备选型 (30)

4.1激光位移传感器 (30)

4.2 IPM240-5E 智能伺服驱动器 (31)

4.3 70W伺服电机 (31)

五、加工安装调试 (33)

5.1超前校正实际检验： (33)

5.2 超前-滞后校正实际检验： (34)

5.3 PD校正实际检验： (35)

5.4 PID校正实际检验： (36)

六、经济性分析 (38)

6.1市场分析 (38)

6.2市场运作 (38)

6.3成本分析 (38)

七、结论 (40)

八、心得体会 (41)

一、整体方案设计

1.1需求

球杆系统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。

1.2 设定目标

球杆的控制问题就是使小球尽快地达到一个任意的设定位置，并且使之没有较大的超调量和过大的调节时间。当小球达到期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持在稳定的位置不变。球杆控制系统的目的是：小球和球杆组成的系统在受到干扰后，小球处于轨道的任意的设定位置，小球将保持在该位置不变。

二、系统设计

2.1功能分析

（1）被控对象：球杆的被控对象为球杆和小球。球杆通过传动杆连接在齿轮上，并可以根据齿轮的角度变化来控制球杆的倾角，进而控制小球平衡在设定的平衡位置。通过给小球施加适当的力可以将球杆倾斜起来并最终使小球保持在平衡位置。

（2）控制装置：电机的运动通过IPM100智能伺服驱动器进行控制，IPM100是一个智能的高精度、全数字的控制器，嵌100W的驱动电路，适合于有刷和无刷电机。基于反馈控制原理，在得到传感器信号后，对信号进行处理，然后给电机绕组施加适当的PWM电压信号，这样，一个相应的扭矩作用于电机轴，使电机开始运动，扭矩的大小决定于用户程序中的控制算法。

IPM100是一款智能的控制器，它除了板载的用于放大控制信号的驱动放大器和PWM 调制电路，还有一个全数字的DSP处理芯片，存以及其它逻辑元件，有了这些，就可以实现先进的运动控制技术和PLC的功能，它产生实时的轨迹路径，实现闭环伺服控制，执行上位机的操作命令，完成板载IO信号的处理，所有这些都依照储存器的程序指令或是主机的在线命令执行，这种嵌入式的智能控制可以提供一个实时性非常好的控制效果，即使因为PC的非实时操作系统而产生延时的情况下。因为控制器可以独立运行，也可以采用从动模式，本手册介绍的球杆系统将采用两种模式。IPM100安装于控制箱部，通过RS232和上位计算机进行通讯，直流电源也置于控制箱部。

2.2设计规和约束

用现代控制理论中的状态反馈方法来实现球杆系统的控制，就是设法调整闭环系统的极点分布，以构成闭环稳定的球杆系统，它的局限性是显而易见的。只要偏离平衡位置较远，系统就成了非线性系统，状态反馈就难以控制。实际上，用线性化模型进行极点配置求得的状态反馈阵，不一定能使球杆系统稳定起来，能使球杆系统稳定起来的状态反馈阵是实际调试出来的，这个调试出来的状态反馈阵肯定满足极点配置。这就是说，满足稳定极点配置的状态反馈阵很多，而能使球杆系统稳定起来的状态反馈阵只有很少的一个围，这个围要花大

量的时间去寻找。

2.3 机械系统设计

机械部分包括底座、小球、横杆、减速皮带轮、支撑部分、马达等。如图2.2

图2.4 球杆系统机械设计图

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（小于齿轮半径）处连接一杠杆臂Leaver Arm，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。

如上图2.3，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转动，轨道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使得不锈钢球在杆上的位置能被控制。系统执行机构原理图如上图2.3。