1、 固高固高球杆系统球杆系统课程设计课程设计 2 目录 一、整体方案设计. 4 1.1 需求 . 4 1.2 设定目标 . 4 二、系统设计 5 2.1 功能分析 5 2.2 设计规范和约束 5 2.3 机械系统设计 6 2.4 传感器输出信号的数字滤波 . 7 三、理论分析 9 3.1 控制系统建模 9 3.2 原系统稳定性分析 . 9 3.2.1 原系统概述 9 3.2.2 待校正系统单位阶跃响应分析: 9 3.2.3 伯德图分析 10 3.3 频率响应法设计球杆系统控制器 10 3.3.1 设计要求10 3.3.2 相位超前控制器 .11 3.3.3 相位超前-滞后控制器 .13 3.4
2、P/PD/PID 控制器设计 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 3.4.1 球杆系统的 P 控制器设计 错误错误!未定义书签。未定义书签。 3.4.2 球杆系统的 PD 控制器设计 错误错误!未定义书签。未定义书签。 3.4.3 球杆系统的 PID 控制器设计. 错误错误!未定义书签。未定义书签。 3.5 各种控制方法比较总结 错误错误!未定义书签。未定义书签。 3.5.1 频域校正方法的比较 16 3.5.2 PID 校正方法的比较 错误错误!未定义书签。未定义书签。 四、元器件、设备选型 错误错误!未定义书签。未定义书签。 3 4.1 激光位移传感器 错误错误!未定义书签。未定义书签
3、。 4.2 IPM240-5E 智能伺服驱动器 错误错误!未定义书签。未定义书签。 4.3 70W 伺服电机. 错误错误!未定义书签。未定义书签。 五、加工安装调试. 错误错误!未定义书签。未定义书签。 5.1 超前校正实际检验： . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 5.2 超前-滞后校正实际检验： 错误错误!未定义书签。未定义书签。 5.3 PD 校正实际检验： 错误错误!未定义书签。未定义书签。 5.4 PID 校正实际检验：. 错误错误!未定义书签。未定义书签。 六、 经济性分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。 6.1 市场分析 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 6.2 市
4、场运作 错误错误!未定义书签。未定义书签。 6.3 成本分析 错误错误!未定义书签。未定义书签。 七、结论. 错误错误!未定义书签。未定义书签。 八、心得体会.16 4 一、整体方案设计一、整体方案设计 1.1 需求需求 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、
5、 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。 5 二、系统设计二、系统设计 2.1 功能分析功能分析 （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
6、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，内嵌 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，内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
