《机电控制技术》实验指导书.docx
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《机电控制技术》实验指导书
《机电控制技术》实验指导书
适用专业:
机械电子工程
机械设计制造及其自动化
目录
实验一机电控制系统PID控制1
实验二机电控制系统频率响应6
实验三二维运动梯形控制模式9
实验四二维运动S-曲线控制模式11
实验一机电控制系统PID控制
一、实验目的
1、了解球杆传动机构及控制系统。
2、了解球杆位置控制的原理。
3、熟悉在MATLABSimulink环境下进行PID校正环节实时控制的原理和方法。
二、实验要求
实验前预习相关知识和实验内容。
三、实验原理
球杆闭环伺服系统组成如图1-1所示。
图1-1球杆闭环伺服组成
计算机将位置设定值转换成控制信号输出至伺服驱动装置,在伺服驱动装置中与小球实际位置进行比较,通过MATLAB软件设置的校正环节对位置偏差进行调节,再经功率模块输出驱动电压至伺服电机,通过传动机构使球杆摆动,使小球向较小偏差的方向运动,最终小球停在位置设定值的地方。
在小球定位过程中,不同的校正环节可以使小球在快速性、稳定性和控制精度方面有不同的表现。
小球的实际位置是由电阻式直线位移传感器测量获得的,伺服电机的转速通过同轴连接的编码器进行数字测速获得,并反馈给伺服驱动装置,在伺服驱动装置中完成速度比较和调节,以保证球杆运动速度的稳定性。
总之,球杆伺服系统内环是速度环,外环为位置闭环的控制系统。
球杆控制流程如图1-2所示。
1)通过RS232下载控制程序到伺服驱动器的板载内部寄存器中;
2)电机编码器的信号和小球的位置信号每隔一定时间反馈给系统,(伺服时间可设置,默认为5ms);
3)板载的DSP对下载的程序进行解码,然后计算根据反馈信息和控制算法计算控制量;
4)计算得到的控制量被放大并通过IPM(智能功率模块)作用给电机。
图1-2控制流程图
四、实验设备
GBB1004球杆系统组成如图1-3所示。
图1-3球杆系统组成
1、机械部分
机械传动部分包括底座、小球、横杆、减速皮带轮、支撑部分、马达等,如图1-4所示。
图1-4球杆机械传动
小球可以在横杆上自由滚动,横杆的一端通过转轴固定,另一端可以上下转动,通过控制直流伺服电机带动皮带轮转动,传动机构就可以控制横杆的倾斜角。
直流伺服电机带有增量式编码器(1000P/r),以检测电机的转速,并反馈给伺服驱动器,构成速度闭环控制;在横杆上的凹槽内有电阻式直线位移传感器用于检测小球的实际位置,如图1-5所示,位置实际值,通过控制电机转动,使小球稳定在横杆设定的位置上。
图1-5小球位置检测
2、伺服驱动
直流伺服电机通过伺服驱动器进行控制。
伺服驱动器是一个智能的高精度、全数字的控制器,内嵌100W的驱动电路。
在得到位置指令信号和速度及位置反馈信号后,进行信号处理和功率放大,输出PMW电压给直流伺服电机,使电机转动。
3、控制软件
控制软件主要采用MATLABSimulink平台,MATLAB是一个非常适合于自动控制的软件,集成了很多控制算法。
五、实验步骤
1、在桌面进入MATLAB6.5界面,选择CurrentDirectory为C:
/BallBeam;
2、下拉Simulink菜单,选中“GoogolEducationProducts”并双击进入;
3、选中“Ball&Beam”并双击进入;
4、选中“FrequencyResponseControl”双击并进入,显示图1-6所示页面;
图1-6Simulink环境下球杆系统控制图
5、双击“COMPort”框,进入“BlockParameters:
COMPort”对话框,在constantvalue栏中输入“1”并“OK”确定,通道选择完成;
6、双击“StartRealControl”框,进入图1-7界面;
图1-7球杆实时控制界面
7、设置小球目标位置200mm,通过校正环节选择开关分别确定3个校正环节;
8、移动小球位置使其定位在150mm的地方;
9、松开小球,球杆运动,系统力图使小球稳定在指定位置处。
六、实验注意事项
1、球杆运动前将摆杆复位;
2、球杆在摆动时不要再拨动小球。
七、实验报告要求
1、根据实验原理和要求画出控制系统的方框图。
2、分析P、I、D控制参数对球杆定位传动的影响。
实验二机电控制系统频率响应
一、实验目的
掌握PID控制算法的原理和实际应用。
熟悉球杆在不同校正环节下的频率响应。
二、实验要求
实验前预习相关知识和实验内容
三、实验原理
比例控制作用、积分控制作用和微分控制作用的组合叫做比例-加-积分-加-微分控制作用,这种组合具有三种控制作用的优点,具有这种组合作用的控制器方程为:
即其传递函数为:
式中Kp为比例增益,Ki为积分时间,KD为微分时间。
控制系统如图2-1所示:
图2-1球杆系统PID控制器原理图
可以得到单位负反馈系统的闭环传递函数为:
在MATLAB下仿真(Kp=10,KD=10,Ki=10)MATLAB程序:
kp3=10;%PIDController
kD3=10;
Ki=1;
contrPID=tf([kD3kp3Ki],[10]);
sys_cl_PID=feedback(contrPID*ball,1);
t=0:
0.01:
10;SUBPLOT(3,1,3)
从仿真结果可以看出,增大KD可以减少超调量,设置KD=20,系统的阶跃信号响应如图2-2所示。
可以看出,超调已经满足要求,但是调整时间还需要减少,为减少调整时间,我们可以稍增大Kp。
图2-2PID控制器下的仿真结果
可以增大微分控制KD以减少因增大Kp引起的超调,在对参数进行多次调整,并观察仿真结果,可以得到如图2-3所示的阶跃响应,Kp=15,KD=40。
系统的参数可以基本认为是正确的。
图2-3调整参数后的PID控制器仿真结果
四、实验设备
GBB1004系列球杆系统。
五、实验步骤
1)按照前面实验一的实验步骤,参考前面的示例进行球杆系统的实验,选择控制器为:
KP=10,KI=1,KD=10,实际的控制效果如下图2-4所示。
图2-4PID控制实验结果1
2)改变控制器参数,设KP=15,KI=0.5,KD=10结果如图2-5所示。
图2-5PID控制实验结果2
可以看出,明显的减少了系统的稳态误差,基本上满足了设计要求,对于这个特定的控制问题,不需要积分控制就可以稳定系统,但是,对于一个控制系统,往往会有很多的控制器的设计方法,可以尝试不同的控制参数,直到得到满意的控制效果。
六、实验结果
频率响应法的主要思想是根据开环传递函数的Bode图,给系统添加一个控制器,改变开环系统的Bode图,从而改变闭环系统的响应,使其达到期望的性能。
1)观察在加入校正环节后,球杆定位传动的运动状态;
2)记录在不同校正参数下,系统地频率响应特性。
实验三二维运动梯形控制模式
一、实验目的
掌握闭环控制系统运动控制器的基本特点、使用方法,掌握运动控制器的梯形曲线控制模式。
二、实验要求
实验前预习相关知识和实验内容。
三、实验原理
直线运动单元具有运动速度和距离可柔性变化、重量轻、安装灵活、定位精度高、可形成闭环反馈控制及高速和大形成等特点,能够方便地拼成多为运动组合,适合用于高速、轻载、精密的运动场合。
一个直线运动单元的组成如图3-1所示。
图3-1直线运动单元组成
梯形曲线控制模式:
以线性方式改变速度,直到达到目标速度。
当减速的时候,再一次以线性方式改变速度,直到速度达到零。
图3-2所示为典型的梯形曲线模式的速度、加速度的规划曲线。
图3-2梯形模式速度规划曲线
在梯形控制模式下,用户可以随时修改目标位置,其他参数在运动过程中均不能修改,控制轴的运动方向由目标位置决定。
所有计算均在DSP芯片中完成。
四、实验设备
1)伺服工作台一套(包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台)
2)GT-400-SV控制卡一块
3)PC机一台
4)两维运动控制实验软件
五、实验步骤
1)打开运动控制实验平台开关;
2)运行两维运动控制实验软件;
3)点击“运动模式控制”菜单或在工具栏点击“运动模式控制”进入运动模式控制主界面。
按回零按钮完成回零操作;
4)选择梯形模式,设置目标位置、速度、加速度等基本参数,默认设置的目标值为100,最大速度为6,最大加速度为1,然后按执行按钮;
5)观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图,速度曲线图的变化;
6)按回零按钮完成回零操作;
7)改变目标位置、最大速度、加速度等参数,观察轴的实际效果和控制界面上的位置曲线图,速度曲线图的变化。
六、实验结果
1)观察二维运动的轨迹;
2)观察梯形曲线的生成过程。
实验四二维运动S-曲线控制模式
一、实验目的
掌握闭环控制系统运动控制器的基本特点、使用方法,掌握运动控制器的S-曲线控制模式。
二、实验要求
实验前预习相关知识和实验内容。
三、实验原理
S-曲线控制模式:
梯形速度曲线唯一的缺点是它在速度拐角处引起一些系统扰动,扰动将转换成小的震动,从而延长了调整时间。
对于对这种现象比交敏感的要求严格的应用,在加速和减速时期,速度曲线可以被修改为具有一个S形状。
即通过对控制轴加速度和加加速度的设定,使运动控制轴的启动和停止以及各阶段的速度变化通过光滑的曲线变换,在一个机械系统中,这将使由于一个比较大的质量移动而引起的震动最小化。
图4-1所示为典型的S-曲线模式的速度、加速度、加加速度的规划曲线,其各阶段的速度均为平稳过渡。
图4-1S-曲线模式速度、加速度、加加速度规划曲线
运动控制过程描述如下:
1)开始的1区段,加速度从零开始,以设定的最大加速度为目标,以加加速度Jerk(单位时间内加速度的增量)为增量递增,通过编码器的信号反馈,判断当前电机轴的加速度值,直到达到最大加速度为止。
2)在第2区段,加速度达到最大值,加加速度为零,按已达到的最大加速度加速到第3区段;
3)在第3区段,按负的加加速度使加速度递减,通过编码器的信号反馈,判断当加速度值为零时,电机轴速度达到最大值,到此完成运动的加速过程;
4)第4区段为匀速运行阶段,加速度和加加速度都为零;
5)在第5、6、7阶段与第1、2、3阶段类似,不同的是减速运行到速度为零。
在S-曲线模式下,用户可以随时修改目标位置,其他参数在运动过程中均不能修改,控制轴的运动方向由目标位置决定。
与梯形曲线相比,S-曲线模式的控制轴的加速度值是变化的,所有的1、2、3、4、5、6、7段加起来刚好完成所设定的位置值,所有计算均在DSP芯片中完成。
四、实验设备
1)伺服工作台一套(包括交流伺服电机及驱动器和XY控制平台)
2)GT-400-SV控制卡一块
3)PC机一台
4)两维运动控制实验软件
五、实验步骤
1)打开运动控制实验平台开关;
2)运行两维运动控制实验软件;
3)点击“运动模式控制”菜单或在工具栏点击“运动模式控制”进入运动模式控制主界面。
按回零按钮完成回零操作;
4)选择S形曲线模式,设置目标位置、速度、加速度、加加速度等基本参数,默认设置的目标值为100,最大速度为6,最大加速度为1,加加速度为0.1,然后按执行按钮;
5)观察轴的实际运动效果和控制界面上的位置曲线图,速度曲线图的变化;
6)按回零按钮完成回零操作;
7)改变目标位置、最大速度、加速度等参数,观察轴的实际效果和控制界面上的位置曲线图,速度曲线图的变化。
六、实验结果
1)观察二维运动的轨迹;
2)观察S形曲线的生成过程。
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