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--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------22实验五根轨迹算法设计球杆系统控制器---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------28实验六频率响应法设计球杆系统控制器-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------33:..----倾情为你奉上实验七球杆系统在MatlabSimulink环境下的实时控制--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------41附:IPMMOTION实验程序使用说明---------------------------------------------42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:..----倾情为你奉上结构相对简单,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。,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。:..----倾情为你奉上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:..----倾情为你奉上一定角度范围内,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θ,此为系统的输入信号。3电器部分a)球滚动时位移的测量:直线位移传感器线性轨道传感器接+5V电压。轨道两边测得的电压作为IPM100控制卡A/D输入口的信号。当小球在轨道上滚动时,通过不锈钢杆上输出的电压信号的测量可得到小球在轨道上的位置。篇三:合肥工业大学自动控制理论综合实验球杆实验报告合肥工业大学电气与自动化工程学院专业中心实验室李扬20xx2178实验一球杆系统的数学模型实验目的l掌握对实际物理模型的建模方法l掌握在Matlab中利用Simulink等工具对系统进行模型分析的方法。实验内容:1)分析并推导系统的数学模型;2)求解系统的状态空间方程和传递函数方程;自动控制理论实验1在matlab中建立一下m文件并运行::..----倾情为你奉上m=;R=;g=-;J=*m*R^2;a=-m*g/(J/R^2+m);A=[0100;00a0;0001;0000]B=[0;0;0;1]C=[1000]D=0[n,d]=ss2tf(A,B,C,D);G=tf(n,d);返回:A==0001C=1000D=0Transferfunction:--016s^3+-015s^2+-015s+7---------------------------------------------------s^4上式即为传递函数方程。3)在Matlab下建立系统的模型并进行阶跃响应仿真。为得到阶跃响应,输入命令:step(G)得到阶跃响应曲线如下:StepResponseeduitlpmATime(sec)实验二球杆系统的数字P控制器设计实验目的了解P控制器原理及其对球杆系统的控制作用实验原理:实验内容:。Step:..精选优质文档----倾情为你奉上Response在matlab中建立m文件并运行:m=;R=;g=-;edutL=;ilpAmd=;J=*m*R^2;K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));%simplifiesinputnum=[-K];den=[100];Time(sec)ball=tf(num,den)kp=1;sys_cl=feedback(kp*ball,1)%建立闭环系统step(*sys_cl)%;实验步骤如下:1)让小球稳定在一个位置,设为200;2)设置Kp=const(常数),Kd=0,Ki=0(拖动相应滑块到最低位置即为0);3)拖动小球目标位置滑块往右移动到需要位置,设置此处为300;4)松开鼠标即刷新参数,系统开始运动5)改变Kp的值,观察响应变化2自动控制理论实验从结构可以看出,系统实际输出和matlab仿真结果很相似,但是由于参数不一样,系统忽略了很多次要因素,而在实际系统中,这些因素又在起作用,所以有时候振幅会收敛(阻力),有时候发散9比例系数过大,并有迟延环节作用):..精选优质文档----倾情为你奉上(此处可能需要另外加图,以表示不同的kp对系统的影响)实验三球杆系统的数字PD控制器设计实验目的掌握PD控制器的控制原理和对球杆系统的控制效果实验原理:实验内容:1、在matlab中仿真PD控制器下球杆系统的响应情况。思路是选取同一个Kp(这里取kp=1),改变微分时间Td,以观察Td对系统的影响。m=;R=;g=-;L=;d=;J=*m*R^2;K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));num1=[-K];den1=[100];ball=tf(num1,den1)kp=1;Td=10;num2=[kp*Tdkp];den2=[1];PD=tf(num2,den2);sys_cl=feedback(PD*ball,1)%建立闭环系统step(*sys_cl)%阶跃响应holdonTd=20;num3=[kp*Tdkp];den3=[1];PD=tf(num3,den3);sys_cl=feedback(PD*ball,1)%建立闭环系统step(*sys_cl,':')%阶跃响应holdonTd=30;num4=[kp*Tdkp];den4=[1];PD=tf(num4,den4);sys_cl=feedback(PD*ball,1)%建立闭环系统step(*sys_cl,'-.')%阶跃响应legend('Td=10','Td=20','Td=30')Transferfunction::..精选优质文档----------s^2Transferfunction:+----------------------s^2++:+----------------------s^2++:+----------------------(sec)s^2++:可以看出,系统在PD控制下是一个无振荡输出(也可能出现衰减振荡的情况,这种情况取决于kp),系统可以稳定。通过改变控制器的参数,可以调整系统的响应速度、稳定时间和超调等。具体改变情况是,增加Td(即增加Kd)可以减少调节时间。另外,由自控理论我们知道,增加Td可以减少调节时间,但也增大了超调量。实际系统中,存在一些阻力和摩擦,但在建模过程中为简单起见,忽略了这些阻力的影响,但是在实际系统中,因为这些因素的存在,系统在达到平衡状态时会存在一定的稳态误差。而且,对于控制问题通常有多个解决方案。2、利用固高科技球杆系统进行实验:步骤如下1)让小球稳定:..精选优质文档----倾情为你奉上在一个位置,此处选50;2)设置Kp=const(常数),Kd=const,Ki=0(拖动相应滑块到最低位置即为0)3)拖动小球目标位置滑块往右移动到需要位置,此处选300;4)松开鼠标即刷新参数,系统开始运动;5)改变Kp、Kd的值,观察响应变化。自动控制理论实验Amplitude3K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));%simplifiesinputnum=[-K];den=[100];ball=tf(num,den)kp1=40;Ti=4;Td=;n=[kp1*Ti*Tdkp1*Tikp1];d=[Ti0];PID=tf(n,d);sys_c1=feedback(PID*ball,1)%建立闭环系统step(sys_c1)%阶跃响应axis([])StepResponse可以看出,在PD控制作用下,系统可以很快的稳定,但是明显的存在稳态误差,如上图,,分析误差产生的原因,可以在平衡位置仔细观察小球位置改变和输入角的关系。Amplitude实验四球杆系统的数字PID控制器设计实验目的掌握PID控制算法的原理和实际应用实验原理:Time(sec):..精选优质文档----倾情为你奉上返回:Transferfunction:------s^2此为球杆系统传递函数。返回:Transferfunction:^2+126s+--------------------------------4s^3+^2+126s+。2)利用仿真得到的PID参数在IPMMOTION软件中进行实时控制实验,并比较仿真结果与实际运行结果的差异,分析原因。取PID参数分别为:2,10,2运行IPMMOTION软件,得到以下结果:实验内容1)利用齐格勒-尼赫尔斯法则设计PID控制器,并在matlab下仿真系统性能。分析:经过“实验二”的验证,此球杆系统无法在纯比例控制下达到临界稳定,也就无法用稳定边界法设计控制,我这里面使用“凑试法”;经过多次调试,发现当Kp=40,Ti=Kp/Ki=4,Td=Kd/Kp=,控制效果比较好。Matlab程序如下:m=;R=;g=-;L=;d=;J=*m*R^2;从实验结果可以看出来,