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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目 兩級倒立擺設(shè)計說明書 系 別 機械工程系 　 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化技術(shù) 學(xué)生姓名 　 學(xué) 號 100920508 　 年級 2010級 指導(dǎo)教師 　 二0一五 年 四 月 二十 日 30 兩級倒立擺設(shè)計說明書 專業(yè)； 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生： 指導(dǎo)老師： 摘 要 機械工業(yè)是一個國家的重要產(chǎn)業(yè)，機械工業(yè)的發(fā)展無時不刻都在影響著國家經(jīng)濟的發(fā)展，人類的進步離不開機械工業(yè)的發(fā)展。在全球經(jīng)濟發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個行業(yè)被其他國家的先進技術(shù)影響的同時，越來越多的外國企業(yè)和品牌傳播到中國已經(jīng)成為現(xiàn)實。在新的市場需求的推動下，對倒立擺機電控制系統(tǒng)進行改良和優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急。有大型倒立擺機電控制系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)對設(shè)備的安全指標(biāo)的有著一定生產(chǎn)的嚴(yán)格要求。在生產(chǎn)設(shè)備的企業(yè)，充分考慮到在設(shè)備運行中可能出現(xiàn)的問題，從而減少噪聲污染引起的振動或不當(dāng)操作設(shè)備的現(xiàn)象等。國內(nèi)倒立擺機電控制系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)及制造要與全球號召的高效經(jīng)濟、安全穩(wěn)定主題保持一致。倒立擺機電控制系統(tǒng)的發(fā)展與人類社會的進步和科學(xué)技術(shù)的水平密切相關(guān)。 近期對機械行業(yè)中倒立擺機電控制系統(tǒng)的使用情況進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在機械行業(yè)中倒立擺機電控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合比比皆是。 本次的畢業(yè)設(shè)計課題的是倒立擺機電控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文介紹了倒立擺機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及主要零部件的設(shè)計中所必須的理論計算和相關(guān)強度校驗，該倒立擺機電控制系統(tǒng)的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且安全系數(shù)高，運行平穩(wěn)。本次倒立擺機電控制系統(tǒng)的設(shè)計，大大地提高了人們對機電控制系統(tǒng)思想覺悟，并且對后續(xù)的倒立擺機電控制系統(tǒng)的開發(fā)和研制都有著一定的影響，在某種程度上大大提升了該設(shè)備在國內(nèi)外的競爭力，體現(xiàn)了機械工業(yè)重要性這一核心價值。 關(guān)鍵詞：倒立擺系統(tǒng) 控制對象 強耦合系統(tǒng) 變量 Inverted pendulum electromechanical control system structure design specification Major: Studuent: Supervisor absraote Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work. Theinvertedpendulumisatypicalhighordersystem,withmulti-variable,non-linear, strong-coupling,fleetandabsolutelyinstable.Itisrepresentativeasanidealmodeltoprovenewcontroltheoryandtechniques.Duringthecontrolprocess,pendulumcaneffectivelyreflectmanykeyproblemssuchasequanimity,robust,follow-upandtrack,therefore.ThispaperstudiesacontrolmethodofdoubleinvertedpendulumFirstofall,themathematicalmodelofthedoubleinvertedpendulumisestablished,thenmakeacontroldesigntodoubleinvertedpendulumonthemathematicalmodel,anddeterminethesystemperformanceindexweightmatrixbyusinggeneticalgorithminordertoattainthesystemstatefeedbackcontrolmatrix.Finally,thesimulationofthesystemismadeAfterseveraltestmatrixvaluetheresultsarenotsatisfactoryresponse,thenweoptimizematrixbyusingGeneticAlgorithm.Simulationresultsshow:ThesystemresponsecanmeetthedesignrequirementseffectivelyafterGeneticAlgorithmoptimization. Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom. 目錄 摘要..........................................................................................................2 Abstract................................................................................................2 第一章 引言...........................................................................................3 1.1 課題的研究背景和意義.......................................................................4 1.2倒立擺系統(tǒng)的工作原理......................................................................6 第二章倒立擺機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計.................................7 2.1 倒立擺機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能需求....................................................8 2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖.................................................................................9 第三章倒立擺機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計............................................10 3.1控制系統(tǒng)的構(gòu)成.................................................................................11 3.2控制系統(tǒng)硬件電路核心元件的選擇....................................................11 3.2.1伺服電機的工作原理及選型計算..................................................12 3.2.2伺服電機的工作原理..................................................................12 3.2.3伺服電機的選型計算..................................................................13 3.3光電碼盤的工作原理及作用................................................................13 3.3.1光電碼盤的工作原理..................................................................14 3.4直線導(dǎo)桿的選擇................................................................................17 3.5同步帶輪傳動的選擇計算...................................................................20 第四章倒立擺機電控制系統(tǒng)中PID的控制算法的實現(xiàn)..............22 4.1PID控制算法簡介..............................................................................23 4.1.2PID控制各部分的特點.................................................................23 4.1.3PID控制器各部分參數(shù)的選定........................................................23 4.2PID控制算法的實現(xiàn)...........................................................................23 結(jié)論........................................................................................................24 致謝........................................................................................................25 參考文獻................................................................................................26 第一章 引言 1.1課題的研究背景和意義 由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠遠超越個人掌握所有，一些專業(yè)知識是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術(shù)交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進步和整個塊的技術(shù)，提高外部條件變化的適應(yīng)能力。封閉的專業(yè)知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對專業(yè)合并的分化。機械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益為目標(biāo)，并研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個超級經(jīng)濟目標(biāo)和任務(wù)。機器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務(wù)。現(xiàn)代機械工程機械和機械設(shè)備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復(fù)雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實。人類現(xiàn)在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數(shù)十億光年的密切觀察，細胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學(xué)已經(jīng)開始加強，并部分代替人腦科學(xué)，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復(fù)雜的工作，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進和平行進化。 大腦和手之間的人工智能和機械工程的近似關(guān)系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機械制造。在過去，各種機械離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運算精度的進化是非常緩慢的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，人工智能將消除這種限制。相互促進，計算機科學(xué)和機械工程進展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機械工程。在第十九世紀(jì)，機械工程的知識總量仍然是有限的，大學(xué)在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學(xué)科，稱為土木工程，下半場的第十九個世紀(jì)成為一門獨立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機械工程和知識增長的發(fā)展開始分解，機械工程專業(yè)，有分支機構(gòu)。在第二十世紀(jì)中期趨勢分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時達到的峰值。由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠遠從個人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術(shù)交流，縮小范圍，新技術(shù)的進步和整個塊的技術(shù)，外部條件變化的適應(yīng)能力差。封閉的專業(yè)知識的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識的專家，也有綜合的知識了解不夠，看看其他學(xué)科和項目作為一個整體，從而形成一種相互強烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機械工程全面而專業(yè)的沖突；在綜合性工程技術(shù)也有綜合和專業(yè)問題。在人類所有的知識，包括社會科學(xué)，自然科學(xué)和工程技術(shù)，有一個更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。 1.2 倒立擺系統(tǒng)的工作原理 機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維護、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機械和成套機械裝備，以保證機械產(chǎn)品在長期使用中的可靠性和經(jīng)濟性。研究機械產(chǎn)品在制造過程中，尤其是在使用中所產(chǎn)生的環(huán)境污染，和自然資源過度耗費方面的問題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機械工程的一項特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。機械的種類繁多，可以按幾個不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動力機械、物料搬運機械、粉碎機械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械、礦山機械、紡織機械等；按工作原理可分為熱力機械、流體機械、仿生機械等。另外，機械在其研究、開發(fā)、設(shè)計、制造、運用等過程中都要經(jīng)過幾個工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個分支系統(tǒng)，如機械科研、機械設(shè)計、機械制造、機械運用和維修等。 這些按不同方面分成的多種分支學(xué)科系統(tǒng)互相交叉，互相重疊，從而使機械工程可能分化成上百個分支學(xué)科。例如，按功能分的動力機械，它與按工作原理分的熱力機械、流體機械、透平機械、往復(fù)機械、蒸汽動力機械、核動力裝置、內(nèi)燃機、燃氣輪機，以及與按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動力裝置、鐵路機車、船舶輪機工程、汽車工程等都有復(fù)雜的交叉和重疊關(guān)系。船用汽輪機是動力機械，也是熱力機械、流體機械和透平機械，它屬于船舶動力裝置、蒸汽動力裝置，可能也屬于核動力裝置等等。19世紀(jì)時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學(xué)院校中它一般還與土木工程綜合為一個學(xué)科，被稱為民用工程，19世紀(jì)下半葉才逐漸成為一個獨立學(xué)科。進入20世紀(jì)，隨著機械工程技術(shù)的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學(xué)科。這種分解的趨勢在20世紀(jì)中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前后期間達到了最高峰。由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術(shù)交流的范圍，阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)整體的進步，對外界條件變化的適應(yīng)能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學(xué)提高。因此自20世紀(jì)中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎(chǔ)理論，拓寬專業(yè)領(lǐng)域，合并分化過細的專業(yè)。械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性為目標(biāo)來研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來的時代，新產(chǎn)品的研制將以降低資源消耗，發(fā)展?jié)崈舻脑偕茉?，治理、減輕以至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標(biāo)任務(wù)。 機械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好?，F(xiàn)代機械工程創(chuàng)造出越來越精巧和越來越復(fù)雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠窺百億光年，近察細胞和分子。新興的電子計算機硬、軟件科學(xué)使人類開始有了加強，并部分代替人腦的科技手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復(fù)雜的工作，從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進和平行進化的。 人工智能與機械工程之間的關(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系，其區(qū)別僅在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去，各種機械離不開人的操作和控制，其反應(yīng)速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會消除了這個限制。計算機科學(xué)與機械工程之間的互相促進，平行前進，將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。19世紀(jì)時，機械工程的知識總量還很有限，在歐洲的大學(xué)院校中它一般還與土木工程綜合為一個學(xué)科，被稱為民用工程，19世紀(jì)下半葉才逐漸成為一個獨立學(xué)科。進入20世紀(jì)，隨著機械工程技術(shù)的發(fā)展和知識總量的增長，機械工程開始分解，陸續(xù)出現(xiàn)了專業(yè)化的分支學(xué)科。這種分解的趨勢在20世紀(jì)中期，即在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束的前后期間達到了最高峰。 由于機械工程的知識總量已擴大到遠非個人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過度的專業(yè)化造成知識過分分割，視野狹窄，不能統(tǒng)觀和統(tǒng)籌稍大規(guī)模的工程的全貌和全局，并且縮小技術(shù)交流的范圍，阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)整體的進步，對外界條件變化的適應(yīng)能力很差。封閉性專業(yè)的專家們掌握的知識過狹，考慮問題過專，在協(xié)同工作時配合協(xié)調(diào)困難，也不利于繼續(xù)自學(xué)提高。因此自20世紀(jì)中、后期開始，又出現(xiàn)了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎(chǔ)理論，拓寬專業(yè)領(lǐng)域，合并分化過細的專業(yè)。綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán)，是知識發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識，又具有足夠的綜合知識來認(rèn)識、理解其他學(xué)科的問題和工程整體的面貌，才能形成互相協(xié)同工作的有力集體。綜合與專業(yè)是多層次的。在機械工程內(nèi)部有綜合與專業(yè)的矛盾；在全面的工程技術(shù)中也同樣有綜合和專業(yè)問題。在人類的全部知識中，包括社會科學(xué)、自然科學(xué)和工程技術(shù)，也有處于更高一層、更宏觀的綜合與專業(yè)問題。 倒立擺機電控制系統(tǒng)由計算機，I/O卡，伺服系統(tǒng)，倒立擺的驅(qū)趕和一個光電編碼器反饋測量元件組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。其中以直線倒立擺為例，原理框圖如下圖所示。圖1用編碼器的伺服電機，汽車可以根據(jù)位移反饋編碼器通過轉(zhuǎn)換增益，速度信號可以通過位移差得到。通過光電編碼器2和直接反饋給I/O卡擺角和角速度信號的測量，可以得到角差。從I/O卡讀取實時數(shù)據(jù)的計算機，以確定控制決策（電機，輸出扭矩和I/O卡）。電氣控制箱控制相應(yīng)的I/O卡量的內(nèi)部電路后，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使汽車是根據(jù)控制要求的運動，達到控制的目的。為兩個或兩個以上的系列級倒立擺，需要增加光電編碼器檢測擺角。實際的系統(tǒng)配置，配置I/O卡，根據(jù)需要的伺服電機和驅(qū)動器。具體倒立擺的工作原理圖如下: 傳統(tǒng)的倒立擺結(jié)構(gòu)圖分別如下圖1-2-1、1-2-2、1-2-3所示： 圖1-2-1 圖1-2-2 圖1-2-3 第二章倒立擺機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 2.1 倒立擺機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能需求 （1）需要可以任意調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的交流伺服電機配伺服驅(qū)動器一套。 （2）通過PLC控制程序能夠靈活地控制倒立擺機電控制系統(tǒng)的運行。 （3）電壓參數(shù)：220V交流電或者48V直流電壓。 2.2系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)課題的要求和技術(shù)指標(biāo)，我們知道，該機電控制系統(tǒng)為二級倒立擺機電控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖，已經(jīng)在上述圖示中有所表達，伺服電機配帶光電碼盤，通過伺服電機驅(qū)動同步帶輪傳動，實現(xiàn)小車的往復(fù)運動，在慣性力的作用下，擺桿1和擺桿2會隨著小車的運行而左右擺動，適時的數(shù)據(jù)會由擺桿后面配帶的光電碼盤反饋給I/O卡，PLC控制系統(tǒng)就會對I/O卡里的數(shù)據(jù)進行讀取，從而控制伺服電機的動作，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。 根據(jù)圖2.2.1，顯然需要直線導(dǎo)桿，光電碼盤，伺服電機，PLC控制箱等等功能部件，其中的每一個功能部件又都有多種選擇的余地，當(dāng)我們對每一個功能部件進行分析、比較、選擇和確定后，總體方案便確定下來了。 第三章 倒立擺機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1倒立擺機電控制系統(tǒng)的組成 倒立擺機電控制系統(tǒng)硬件的組成主要包括：交流伺服電機、光電碼盤、直線導(dǎo)桿、移動小車、傳動帶輪等等。其具體結(jié)構(gòu)圖如下： 3.2控制系統(tǒng)硬件核心元件的選擇 為實現(xiàn)倒立擺機電控制系統(tǒng)各方面性能的測試，需要用到伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)，同步帶輪傳動系統(tǒng)，直線導(dǎo)桿裝置等等，為了便于對倒立擺系統(tǒng)的研究有一個準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必要對控制系統(tǒng)中各元件進行準(zhǔn)確的選型計算，這樣才能對倒立擺機電控制系統(tǒng)中的個測試指標(biāo)有一個準(zhǔn)確的判斷。 3.2.1伺服電機的選擇及作用 2.3.2.1伺服電機的工作原理 在這次倒立擺機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我們采用交流伺服電機驅(qū)動，伺服電機是一種最常用的電機，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。具有單相電容式單相異步電動機交流伺服電動機定子結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有兩個位置90繞組，勵磁繞組的RF，它總是連接到AC電壓UF；另一個是繞組連接控制，電壓控制信號的UC。因此，交流伺服電機和伺服電機的兩個。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常是由鼠籠，但對伺服電機的機械特性有較寬的線性范圍，速度，“旋轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，與普通電動機相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)動慣量小的特點。使用兩種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：一個由導(dǎo)電材料制成的鼠籠轉(zhuǎn)子高電阻率的電阻率高，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)子細長；另一種是由鋁合金制成的空心杯轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅為二要減少磁路的磁阻，空心杯形，在固定在轉(zhuǎn)子定子的地方，空心杯轉(zhuǎn)子慣性矩小，響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定，因此被廣泛應(yīng)用。在控制電壓的交流伺服電機，脈沖磁場產(chǎn)生只有勵磁繞組的定子，轉(zhuǎn)子和固定。當(dāng)控制電壓，將定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)動，在恒定負(fù)載的情況下，對控制電壓改變電機的速度的大小，相位控制電壓時相反，伺服電機反轉(zhuǎn)。 3.2.2伺服電機的選型計算 已知整個倒立擺機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，伺服電機所受到的負(fù)載來自移動小車的重力，擺桿的重力，光電碼盤的重力以及直線導(dǎo)桿的重力和各方面的摩擦力，在這里，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，往復(fù)的范圍為500mm~700mm，速度為1~2r/min。即： 根據(jù)本次設(shè)計，由于為了該機構(gòu)的方便使用，我們選擇交流伺服電機驅(qū)動，交流伺服電機的型號是92BL-A類型的。具體的電機設(shè)計計算如下： 1）交流伺服電機設(shè)計計算 1、確定運行時間 本次設(shè)計加速時間 負(fù)載速度（m/min） 有速度可知每秒移動50mm， 2.電機轉(zhuǎn)速 3.負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式中： TL為伺服電機的額定轉(zhuǎn)矩； 為摩擦系數(shù); PB為伺服電機的機械效率; 4.負(fù)載慣量 左右水平運動 伺服電機的負(fù)載慣量為： 總慣量為： 5.電機轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩 必須轉(zhuǎn)矩； S為安全系數(shù)，這里取1.0。 根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)，我們選用交流伺服電機型號為92BL-A，采用交流電源驅(qū)動，根據(jù)電機的特性曲線以及參數(shù)表如下： 根據(jù)計算和特性曲線以及電機基本參數(shù)表，我們選用交流伺服電機的具體型號為92BL-4030H1-LK-B，電機額定功率為0.4KW，額定轉(zhuǎn)矩為1.3N.m，最大轉(zhuǎn)矩為2.6N.m，額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min。電機大致圖如下： 外形尺寸92x92x86，電機輸出軸徑為14mm。 3.3光電碼盤的工作原理及作用 3.3.1光電碼盤的工作原理 光電碼盤，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電碼盤是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90旱牧鉸仿齔逍藕擰，根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。 1.1增量式編碼器 增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。 1.2絕對式編碼器 絕對編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號，形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國內(nèi)已有16位的絕對編碼器產(chǎn)品。絕對式編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制（葛萊碼）方式進行光電轉(zhuǎn)換的。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計可采用二進制碼、循環(huán)碼、二進制補碼等。它的特點是： 1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值； 1.2.2沒有累積誤差； 1.2.3電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，也就是精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。 3.4直線導(dǎo)桿的選擇　 通過絲桿螺母連接法蘭，帶動整個醫(yī)療床裝置做上下運行，為了要保證平穩(wěn)，需要有導(dǎo)向裝置，這里就需要設(shè)計導(dǎo)向光桿和直線軸承配合整個絲桿螺母裝置。 用于測試的POM工程塑料支架；鋼架適用于工作溫度；不銹鋼軸承適用于水，蒸汽，硝酸等腐蝕性介質(zhì)和真空的工作場所，按下列公式確定型軸承的計算。 硬度：硬度系數(shù)FH HRC58的硬度，hrc52-58，F(xiàn)H = 0.6-1.0 FH = 1。 FT的溫度系數(shù)：工作溫度小于100C，F(xiàn)T = 1，溫度100oc-125oc，F(xiàn)T = 1.0-0.95。 接觸系數(shù)FC： 每根軸裝一套軸承，F(xiàn)C=1.0 每根軸裝二套軸承，F(xiàn)C=0.81 每根軸裝三套軸承，F(xiàn)C=0.72 每根軸裝四套軸承，F(xiàn)C=0.66 載荷系數(shù)FW： 小于15米/分鐘的速度，無沖擊，無振動，F(xiàn)W = 1.0-1.5； 小于60米/分鐘的速度，超調(diào)量小或振蕩，F(xiàn)W = 1.5~2.0； 運行速度大于60米/分鐘，或有更大的沖擊，振動，F(xiàn)W = 2.0～5.0。 時間是生命的LH =（100001）/ 2 * L（S * N1 * 60）（單位：小時小時）L：長度壽命 (萬米)， LS：工作行程 (米)， N1：每分鐘往復(fù)次數(shù) 已知行程L=0.2米，工作溫度60oC，每分鐘往復(fù)次數(shù)n1=20，微小沖擊，軸承工作載荷PC=200Kg，硬度大于HRC60，期望壽命Lh=5000小時，試選擇軸承型號。 按以上工作條件： 根據(jù)本次載荷重量為2000N，我們選用兩個導(dǎo)向光桿加上絲桿螺母，這樣滑動軸承的所受負(fù)載就平均分配，上下六個滑動軸承分別連接底板和連接上固定圓盤，兩邊軸承座為固定式的，中間六個為可以隨著絲桿螺母上下滑動。六個導(dǎo)向光桿加上絲桿螺母，這樣每個導(dǎo)向光桿的滑動軸承處的所受負(fù)載為166N。本次設(shè)計中所選擇的滑動軸承為帶法蘭形狀的。 3.5同步帶輪傳動的選擇計算 1)傳動名義功率P_=0.18kW; (2)主動輪轉(zhuǎn)速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min; (3)中心距a=55mm左右; (4)工作情況， 8小時運轉(zhuǎn)． 求設(shè)計功率P=K0 Pm=0.32= 0.6Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設(shè)計功率0.6Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為XL型，對應(yīng)節(jié)距P =5.08mm （1）選擇小帶輪齒數(shù) 由小帶輪轉(zhuǎn)速n=1500r/min，L型帶，查表得小帶輪最小許用齒數(shù) Z1=12，則大帶輪齒數(shù) Z2= i Z1，其中i= n1／n2=1500／350=4．286; Z2=4．28612=51取標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒敦=50; （2）確定帶輪節(jié)圓直徑 dI==Pb Z1/π=19.414mm; d2= Pb Z2/π=80.9mm; （3）確定同步帶的節(jié)線長度L L= 2acosψ +π(d2+d1 )／2+πψ( d2-d1)／180; 式中：ψ =sin-1 (d2-d1)/2a =0．218；12．6 (以a=100mm代入) 則L =54.54 選擇最接近計算值的標(biāo)準(zhǔn); 節(jié)線長(見表4)L=55.20mm; （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=55.20/5.08=11; （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ; 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式得出a=102.45與精確計算結(jié)果相似。 最后測量裝置同步帶選用XL型同步帶P= 5.08mm; ZB=11， L,= 55．20ram b．= 9.5mm; 同步帶輪： Z1=11，Z2=50，dI==Pb Z1/π=19.4146mm; d2= Pb Z2/π=80.9mm; 同步輪結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 第四章 倒立擺機電控制系統(tǒng)中PID的控制算法的實現(xiàn) 4.1 PID控制算法簡介 PID（比例積分微分）控制是一個被稱為比例積分的微分控制，具有生產(chǎn)流程的自動控制，PID控制是歷史最長的且也是最重要的一個基本的控制方式，在二十世紀(jì)的前40年中，除了最簡單的用例可以用開關(guān)控制，它是唯一用方法來控制。自那時以來，在發(fā)展科學(xué)技術(shù)尤其是電子計算機的誕生與發(fā)展，許多先進的控制方法不斷出現(xiàn)。然而，直到現(xiàn)在，因為是真實的一個PID控制仍然是最廣泛使用的基本控制模式。 PID控制器是基于系統(tǒng)誤差，誤差率的不同組合，積分，微分控制三方面，數(shù)量?！皬V義控制對象包括控制閥，控制對象和測量探頭。在基本PID控制的組成都是非常簡單的，其優(yōu)點包括：適應(yīng)性強、魯棒性強和不依賴的類型的早餐。目前，已經(jīng)有很多的PID控制與智能PID控制器或控制器產(chǎn)品，已廣泛用于工程中，許多大公司有一個由A PID參數(shù)自整定的智能調(diào)節(jié)器（regulatorfunction智能調(diào)節(jié)器），一個PID控制器參數(shù)自調(diào)整是實現(xiàn)通過智能自校正或校正，自適應(yīng)算法。包括使用PID控制來實現(xiàn)溫度，壓力，流量，液位和CAN控制器實現(xiàn)PID控制功能的可編程邏輯控制器（PLC）控制，實現(xiàn)PC機和CAN控制系統(tǒng)等等。在可編程邏輯控制器（PLC）控制模塊的實現(xiàn)是一個PID閉環(huán)控制使用。 4.1.2 PID控制各部分的特點 在實際工程應(yīng)用中，比例，調(diào)節(jié)器積分，微分廣泛使用都非常廣泛，也被稱為PID控制調(diào)節(jié)。PID控制器已出現(xiàn)近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，工作可靠，調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)。在充分掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗確定，然后PID控制技術(shù)的應(yīng)用是最方便的。當(dāng)不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能獲得系統(tǒng)參數(shù)通過測量的有效手段，最適合的PID控制技術(shù)。PID控制，在實踐中也有PI和PD控制。PID控制器是系統(tǒng)的誤差，利用比例，積分，微分控制的計算量的控制。 1，所占的比例（P）控制比例控制是一種控制的最簡單方式。控制器的輸出與輸入誤差信號成比例。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（穩(wěn)態(tài)誤差）。 2，（我）的積分在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比。一個自動控制系統(tǒng)，如果在穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)誤差，稱為控制系統(tǒng)與系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器必須引入“積分”。積分項對誤差取決于時間，隨著時間的增加，積分項會增大。所以，即使誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而增加，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)誤差。 3，微分（D）在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比。自動控制系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)克服誤差的調(diào)節(jié)過程。原因是因為那里是一個大慣性組件（環(huán)節(jié)）或向后（延遲）成分，抑制誤差的作用，其變化總是落后的誤差。解決的辦法是抑制誤差的作用，改變“提前”，這是在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。也就是說，控制器只有“比例”的引入往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加“差”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，可以提前抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)，從而避免了被控嚴(yán)重超調(diào)量。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例微分（PD）在改善系統(tǒng)的過程的動態(tài)特性的調(diào)節(jié)控制器。 4.1.3 PID控制器各部分參數(shù)的選定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，很高興。比例系數(shù)、積分時間PID控制器微分。PID控制器參數(shù)整定有很多方法，一是理論計算方法。它主要是基于數(shù)學(xué)模型，通過理論計算來確定的參數(shù)控制器。本方法計算數(shù)據(jù)直接使用，也必須調(diào)整和修改工程。項目方法，它主要取決于我們的工程經(jīng)驗，測試與控制系統(tǒng)，方法簡單、容易實踐。PID控制器參數(shù)整定方法的作品，比值法，反應(yīng)曲線法和衰減。三方法的共同點是，通過測試，然后根據(jù)經(jīng)驗公式of the控制器參數(shù)整定。無論什么樣的目的是獲得控制器參數(shù)，最后的調(diào)整和改進?，F(xiàn)在一般使用比值法。 PID控制器參數(shù)的全過程中使用臨界比值法： （1）前選擇采樣周期短，讓系統(tǒng)工作； （2）比例控制鏈接，直到系統(tǒng)步進響應(yīng)輸入臨界振蕩，振蕩放大系數(shù)； （3）參數(shù)在一定度PID控制器控制。 4.2PID控制算法的實現(xiàn) 在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制方法是PID控制，PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實際輸出值vou(t) 構(gòu)成控制偏差：error(t)=rin(t)-vou(t); PID的控制規(guī)律為： U(t)=Kp(error(t)+1/Tp*error(t)dt+Td/Dp; 簡單來說，在教學(xué)中的PID控制器： （1）：錯誤比例誤差信號來反映控制系統(tǒng)比例（T），一旦產(chǎn)生偏差， 該控制器具有立竿見影的效果，以減少偏差。 （2）組成：主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。函數(shù)的積分強度 取決于積分時間常數(shù)，它是高的，積分作用較弱，而更強大。 （3）微分環(huán)節(jié)：在偏差信號的變化（變化率），和差信號 太多之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的修正信號，從而加快系統(tǒng)的運行速度，降低調(diào)整時間。 結(jié)論 在最近的一段時間的畢業(yè)設(shè)計，使我們充分把握的設(shè)計方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設(shè)計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時的指導(dǎo)，確保設(shè)計進度本文所設(shè)計的是倒立擺機電控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設(shè)計完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最后，感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致 謝 直到今天，論文總算完成了，我的心里感到特別高興和激動，在這里，我打心里向我的導(dǎo)師和同學(xué)們表示衷心的感謝！因為有了老師的諄諄教導(dǎo)，才讓我學(xué)到了很多知識和做人的道理，由衷地感謝我親愛的老師，您不僅在學(xué)術(shù)上對我精心指導(dǎo)，在生活上面也給予我無微不至的關(guān)懷支持和理解，在我的生命中給予的靈感，所以我才能順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)，也學(xué)到了很多有用的知識，同時我的生活中的也有了一個明確的目標(biāo)。知道想要什么，不再是過去的那個愛玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，創(chuàng)新的學(xué)術(shù)風(fēng)格，認(rèn)真負(fù)責(zé)，無私奉獻，寬容豁達的教學(xué)態(tài)度都是我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和提倡的。通過近半年的設(shè)計計算，查找各類倒立擺設(shè)計的相關(guān)資料，論文終于完成了，我感到非常興奮和高興。雖然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因為我是怎么想的，這是我付出的汗水獲得的成果，是我在大學(xué)四年的知識和反映。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是來自老師和同學(xué)的潛移默化讓我學(xué)到很多有用的知識，在這里，謝謝老師以及所有關(guān)心我和幫助我的人，謝謝大家。 參考文獻 [1]張福學(xué)編著.倒立擺系統(tǒng)的機構(gòu)及其應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2000。 [2]何發(fā)昌著，邵遠編著.倒立擺機電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，1996。 [3]張利平著. 倒立擺機電控制技術(shù)速查手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12。 [4]李寶仁著.倒立擺系統(tǒng)的研究和演變. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9。 [5]宋學(xué)義著. 倒立擺機電控制系統(tǒng)在現(xiàn)實中的應(yīng)用. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.3。 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