直線一級倒立擺實驗報告

-.z倒立擺實驗報告班級：機械103班實踐小組名稱：第三小組實踐小組組員：序號****1鄧敏09150201272潘光興09150200913羅耀新10072000824岑志聰10072000935羅卓儀10072000946陳上富10072000957*辰熙1007200090實驗工程：1、編碼器原理及使用實驗2、MatlabSimulink環(huán)境下電機控制實現(xiàn)指導(dǎo)教師：向建化2012/11/271.MatlabSimulink環(huán)境下電機控制實現(xiàn)1.1、實驗?zāi)康模?、了解機理法建模的根本步驟；2、了解實現(xiàn)倒立擺的根本操作；3、學(xué)習(xí)與認(rèn)識如何調(diào)節(jié)倒立擺系統(tǒng)上的交流伺服電機；4、學(xué)會對倒立擺進展根本調(diào)試；5、掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的根本方法；1.2實驗要求：1、采用機理法建立直線一級倒立擺的數(shù)學(xué)模型；2、分析倒立擺的穩(wěn)定性，并在MATLAB中仿真驗證；1.3實驗設(shè)備：1、倒立擺各系列；1.4實驗原理：將運動控制器當(dāng)前軸設(shè)定成速度控制模式，用戶需要設(shè)定最大速度和加速度兩個參數(shù)。在該模式下，開場運動時將以設(shè)定的加速度連續(xù)加速到設(shè)定的最大速度，運動方向由速度的符號確定，即正速度產(chǎn)生正向運動，而負(fù)速度產(chǎn)生負(fù)向運動。通過這種模式實現(xiàn)對交流伺服電機的調(diào)節(jié)。1.5實驗步驟：1、翻開MATLAB/Simulink仿真環(huán)境；2、在窗口的左上角點擊按鈕新建一個“Model〞窗口；3、在“SimulinkLibraryBrowse〞窗口中，翻開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary〞；4、拉“SetCurrentA*is’sAccandVel〞模塊到剛剛新建的“untitled〞窗口中；5、雙擊“SetAccVel〞模塊，翻開如下窗口，參數(shù)設(shè)置如下：“A*isnumber〞：選擇軸號為“1〞，即小車電機所使用的軸?！癇ackvelocity〞：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運動的速度，單位為米/秒。“Backposition〞：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運動，單位為脈沖數(shù)。6、從“Simulink\Souces〞中拉兩個“Constant〞到“untitled〞窗口中；7、按以下圖連接三個模塊：8、設(shè)置兩個“Constant〞模塊參數(shù)如下：設(shè)置小車的運動速度參數(shù)為0.2米/秒，加速度為0.1米/秒。9、在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary〞中拉一個“GT400-SVInitialization〞模塊到窗口中；10、選擇仿真模式為“E*ternal〞；11、將文件保存為“MoterTest〞，點擊菜單“Simulation\SimulationParameters〞設(shè)置參數(shù)。修改“Simulationtime〞和“Solveroptions〞，其中仿真時間“inf〞表示無窮長，步長設(shè)置為0.005s。點擊“Real-TimeWorkshop〞翻開如下所示窗口：12、點擊“Browse〞修改設(shè)置為〞Real-TimeWindowsTarget〞；13、點擊“OK〞；14、點擊“〞編譯程序；15、翻開電控箱電源；16、連接程序；17、運行程序；18、觀察滑塊的運動軌跡，記錄實驗結(jié)果；19、修改最大速度和加速度分別為2和1，觀察滑塊的運動軌跡，記錄實驗結(jié)果；六、實驗結(jié)果：第一次：小車運動速度較慢；第二次：小車運動速度明顯加快；2．編碼器原理及使用實驗2.1.1編碼器原理旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角位移傳感器，它分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種，其中光電式脈沖編碼器是閉環(huán)控制系統(tǒng)中最常用的位置傳感器。旋轉(zhuǎn)編碼器有增量編碼器和絕對編碼器兩種，圖2-1為光電式增量編碼器示意圖，它由發(fā)光元件、光電碼盤、光敏元件和信號處理電路組成。當(dāng)碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，光源透過光電碼盤上的光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過信號處理電路的整形、放大、分頻、記數(shù)、譯碼后輸出。為了測量出轉(zhuǎn)向，使光欄板的兩個狹縫比碼盤兩個狹縫距離小1/4節(jié)距，這樣兩個光敏元件的輸出信號就相差π/2相位，將輸出信號送入鑒向電路，即可判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。光電式增量編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度α(分辨角、分辨率)，而這與碼盤圓周內(nèi)所分狹縫的線數(shù)有關(guān)。α=其中n——編碼器線數(shù)。由于光電式脈沖編碼盤每轉(zhuǎn)過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號，因此，根據(jù)脈沖數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，由傳動比換算出直線位移距離；根據(jù)脈沖頻率可得工作軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)光欄板上兩條狹縫**號的相位先后，可判斷光電碼盤的正、反轉(zhuǎn)。絕對編碼器通過與位數(shù)相對應(yīng)的發(fā)光二極管和光敏二極管對輸出的二進制碼來檢測旋轉(zhuǎn)角度。與增量編碼器原理一樣，用于測量直線位移的傳感器是光柵尺。由于光電編碼器輸出的檢測信號是數(shù)字信號，因此可以直接進入計算機進展處理，不需放大和轉(zhuǎn)換等過程，使用非常方便，因此應(yīng)用越來越廣泛。2.1.2角度換算對于線數(shù)為的編碼器，設(shè)信號采集卡倍頻數(shù)為，則有角度換算關(guān)系為：式中?——為編碼器軸轉(zhuǎn)角；N——編碼器讀數(shù)對于電機編碼器，在倒立擺使用中需要把編碼器讀數(shù)轉(zhuǎn)化為小車的水平位置，以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：式中——小車位移；——同步帶輪直徑2.1.3編碼器使用實驗本實驗對象為倒立擺系統(tǒng)上的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，在充分理解以上實驗原理的根底上進展以下實驗。實驗一擺桿角度檢測實驗按以下實驗步驟完成在MATLAB下的擺桿角度檢測實驗，注意，在使用之前請仔細(xì)閱讀倒立擺的相關(guān)使用手冊和熟悉MATLAB局部知識，確定MATLAB已經(jīng)安裝好實時控制工具箱和VC編譯環(huán)境〔參見?固高MATLAB實時控制軟件用戶手冊?〕。翻開MATLAB以及Simulink環(huán)境：2)在窗口的左上角點擊“〞建立一個新窗口：3)在Simulink窗口中，翻開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary〞如以下圖所示：4)在“GetCurrentA*is’sPosition〞上點擊鼠標(biāo)左鍵并將模塊拉到〔以下簡稱為“拉〞〕剛剛新建的窗口“untitled〞中：5)雙擊“GetPos〞模塊，翻開如下窗口，并選擇軸號為“2〞，即第一級擺桿連接的編碼器，此編碼器固定于小車上。6)從“Simulink\Sinks〞中拉一個“Scope〞到“untitled〞窗口中：7)連接兩個模塊〔移動鼠標(biāo)到“<“上，鼠標(biāo)箭頭變成“＋〞，按下鼠標(biāo)左鍵并移動到“>〞上，松開鼠標(biāo)〕：8)在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary〞中拉一個“GT400-SVInitialization〞模塊到窗口中：9)選擇上圖中上方的“Normal〞為“E*ternal〞：10)將文件保存為“EncoderTest〞，點擊菜單“Simulation\SimulationParameters〞設(shè)置參數(shù)：11)點擊“Browse〞修改設(shè)置為〞Real-TimeWindowsTarget〞12)點擊“OK〞13)點擊“〞編譯程序，在mand窗口中會有編譯信息顯示：14)翻開電控箱電源；15)點擊“〞連接程序；16)點擊“〞運行程序；17)雙擊“Scope〞模塊觀察數(shù)據(jù)：18)手動逆時針轉(zhuǎn)動擺桿一圈，觀察顯示結(jié)果，在數(shù)據(jù)超出顯示*圍時，點擊“〞進展縮放。從圖中可以看出，編碼器讀數(shù)為2400，等于編碼器的線數(shù)(600)的四倍〔板卡4倍頻〕，順時針或逆時針轉(zhuǎn)動擺桿，觀察讀數(shù)和擺桿實際角度。19)記錄實驗結(jié)果，分析實驗數(shù)據(jù)并完成實驗報告。備注：具體模型請參見EncoderTest.mdl，其路徑如下：“matlabroot\toolbo*\GoogolTech\InvertedPendulum\〞，也可以在Simulink環(huán)境中翻開模型：進入MATLABSimulink實時控制工具箱“GoogolEducationProducts〞翻開“InvertedPendulum\BasicE*periments〞中的“EncoderTestE*periment〞如以下圖所示：系統(tǒng)模型如下：2.2MatlabSimulink環(huán)境下電機控制實現(xiàn)本實驗對象為倒立擺系統(tǒng)上的交流伺服電機。將運動控制器當(dāng)前軸設(shè)定成速度控制模式，用戶需要設(shè)定最大速度和加速度兩個參數(shù)。在該模式下，開場運動時將以設(shè)定的加速度連續(xù)加速到設(shè)定的最大速度，運動方向由速度的符號確定，即正速度產(chǎn)生正向運動，而負(fù)速度產(chǎn)生負(fù)向運動。在運動過程中，這兩個運動參數(shù)可以隨時修改。實驗步驟如下：1)翻開MATLAB/Simulink仿真環(huán)境；2)在窗口的左上角點擊“〞新建一個“Model〞窗口：3)在“SimulinkLibraryBrowse〞窗口中，翻開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary〞，如以下圖所示：4)拉“SetCurrentA*is’sAccandVel〞模塊到剛剛新建的“untitled〞窗口中：5)雙擊“SetAccVel〞模塊，翻開如下窗口，參數(shù)設(shè)置如以下圖：“A*isnumber〞：選擇軸號為“1〞，即小車電機所使用的軸?！癇ackvelocity〞：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運動的速度，單位為米/秒。“Backposition〞：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運動，單位為脈沖數(shù)。6)從“Simulink\Souces〞中拉兩個“Constant〞到“untitled〞窗口中：7)按以下圖連接三個模塊：8)設(shè)置兩個“Constant〞模塊參數(shù)如下：9)在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary〞中拉一個“GT400-SVInitialization〞模塊到窗口中：10)按上圖選擇仿真模式為“E*ternal〞。11)將文件保存為“MoterTest〞，點擊菜單“Simulation\SimulationParameters〞設(shè)置參數(shù)。12)點擊“Browse〞修改設(shè)置為〞Real-TimeWindowsTarget〞13)點擊“OK〞如以下圖所示：14)點擊“〞編譯程序，在mand窗口中會有編譯信息顯示：15)翻開電控箱電源；16)點擊“〞連接程序；17)點擊“〞運行程序；18)觀察小車的運動軌跡，記錄實驗結(jié)果。修改最大速度和加速度兩個參數(shù)，觀察小車的運動軌跡，記錄實驗結(jié)果并完成實驗報告。參考模型：進入MATLABSimulink實時控制工具箱“GoogolEducationProducts〞，翻開“InvertedPendulum\BasicE*periments〞中的“ServoMotorControlE*periment〞如以下圖所示：實驗總結(jié)：我們共做了MatlabSimulink環(huán)境下電機控制實現(xiàn)、編碼器原理及使用實驗，由于事先已經(jīng)將參數(shù)設(shè)計好并經(jīng)過精心的仿真修改，所以實驗耗時并不長，我們在聽完教師的詳細(xì)講解后便開場了此次實驗。首先我們將每個倒立擺起始位