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一、論文撰寫要求： 1．撰寫一篇10000字左右的畢業(yè)論文。 2．突出重點(diǎn)，緊扣中心，論述有條理，觀點(diǎn)正確，與材料統(tǒng)一，說理清楚，資料翔實(shí)；文字通順，表達(dá)清晰。 3．開題報(bào)告的四大部分包括課題背景（或國內(nèi)外研究現(xiàn)狀），課題（研究）內(nèi)容 ，文獻(xiàn)綜述（或讀書報(bào)告），參考文獻(xiàn)。 5．論文題目為二級(jí)倒立擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中大致包括總體方案設(shè)計(jì)、主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、其余零件的選用、電機(jī)的選用等。圖紙：需1張A0的總裝圖，2或3張A3的部件圖。 以下是二級(jí)倒立擺大致的示意圖供參考： 倒立擺本體主要由以下幾個(gè)部分組成： l 基座 圖1-1 倒立擺本體 l 直流伺服電機(jī) l 同步帶 l 帶輪 l 滑竿 l 擺桿 l 角編碼器 l 限位開關(guān) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 課題名稱 二級(jí)倒立擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)形式 學(xué)習(xí)層次 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 2013年9月至2013年11月 指導(dǎo)教師簽字 學(xué)籍科室負(fù)責(zé)人 2013年9月12日 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容 包括總體方案設(shè)計(jì)、主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、其余零件的選用、電機(jī)的選用等。圖紙：需1張A0的總裝圖，2或3張A3的部件圖。 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)平面二級(jí)倒立擺機(jī)械圖。包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及擺桿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，繪制零件圖和裝配圖。 1、完成平面二級(jí)倒立擺的cad裝配圖和零件圖，對(duì)倒立擺的支撐底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺桿系統(tǒng)、連接和緊固機(jī)構(gòu)等的外形和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括材料的選擇，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲杠等的選擇和設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算和查閱資料確定設(shè)計(jì)的可行性和結(jié)構(gòu)的可靠性。 2、完成平面二級(jí)倒立擺的部分零件圖,包括零件具體的技術(shù)指標(biāo)，以及加工材質(zhì)等。 3、對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析，對(duì)局部尺寸進(jìn)行優(yōu)化修改。 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求與數(shù)據(jù) 1．撰寫一篇10000字左右的畢業(yè)論文。 2．突出重點(diǎn)，緊扣中心，論述有條理，觀點(diǎn)正確，與材料統(tǒng)一，說理清楚，資料翔實(shí)；文字通順，表達(dá)清晰。 3．論文題目為二級(jí)倒立擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中大致包括總體方案設(shè)計(jì)、主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、其余零件的選用、電機(jī)的選用等。圖紙：需1張A0的總裝圖，2或3張A3的部件圖。 以下是二級(jí)倒立擺大致的示意圖供參考： 圖1-1 倒立擺本體 倒立擺本體主要由以下幾個(gè)部分組成： l 基座 l 直流伺服電機(jī) l 同步帶 l 帶輪 l 滑竿 l 擺桿 l 角編碼器 l 限位開關(guān) 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的工作 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)平面二級(jí)倒立擺機(jī)械圖。包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及擺桿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，繪制零件圖和裝配圖。 1、完成平面二級(jí)倒立擺的cad裝配圖和零件圖，對(duì)倒立擺的支撐底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺桿系統(tǒng)、連接和緊固機(jī)構(gòu)等的外形和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括材料的選擇，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲杠等的選擇和設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算和查閱資料確定設(shè)計(jì)的可行性和結(jié)構(gòu)的可靠性。 2、完成平面二級(jí)倒立擺的部分零件圖,包括零件具體的技術(shù)指標(biāo)，以及加工材質(zhì)等。 3、對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析，對(duì)局部尺寸進(jìn)行優(yōu)化修改。 四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)程安排 序 號(hào) 設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱 日期（教學(xué)周） 同組學(xué)生姓名： 五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1] 王霞，二級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生論文，2002年 [2] 丁景濤，倒立擺系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生論文，1997年 [3] 李宜達(dá)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真，北京清華大學(xué)出版社，2004年 [4] 張明廉，何衛(wèi)東，沈程智，規(guī)約規(guī)則法防人智能控制，第一屆全球華人智能控制與智能自動(dòng)化大會(huì)論文集[c]北京科學(xué)出版社1993年 [5] 王昆，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，高等教育出版社，1995年 [6] 盧頌澤、羅圣國主編，機(jī)械零件課程設(shè)計(jì)，北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1992年 [7] 王昆、羅圣國主編，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：高等教育出版社，1992年 [8] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械制圖，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社。 [9] 彭文生，李志明，黃華梁，機(jī)械設(shè)計(jì)，北京：高等教育出版社，2002年 [10] 黃華梁，彭文生，機(jī)械設(shè)計(jì)2，北京：高等教育出版社，2001年 [11] 吳宗澤，劉瑩，機(jī)械設(shè)計(jì)教程，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2003年 [12] 朱文堅(jiān)，機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)，廣州：華南理工大學(xué)出版社，1997年. 附件1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 課題名稱 二級(jí)倒立擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)形式 學(xué)習(xí)層次 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 開題時(shí)間 一、 課題背景（或國內(nèi)外研究現(xiàn)狀） 倒立擺系統(tǒng)是理想的自動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使用它能全方位的滿足自動(dòng)控制教學(xué)的要求。許多抽象的控制概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度、和系統(tǒng)抗干擾能力等，都可以通過倒立擺直觀的表現(xiàn)出來。 倒立擺系統(tǒng)具有模塊性好和品種多樣化的優(yōu)點(diǎn)，其基本模塊既可是一維直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，也可以是兩維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。通過增加角度傳感器和一節(jié)倒立擺桿，可構(gòu)成直線單節(jié)倒立擺、旋轉(zhuǎn)單節(jié)倒立擺或兩維單節(jié)倒立擺；通過增加兩節(jié)倒立擺桿和相應(yīng)的傳感器，則可構(gòu)成兩節(jié)直線倒立擺和兩節(jié)旋轉(zhuǎn)倒立擺。 倒立擺的控制技巧和雜技運(yùn)動(dòng)員倒立平衡表演技巧有異曲同工之處，極富趣味性。學(xué)習(xí)自動(dòng)控制課程的學(xué)生通過使用它來驗(yàn)證所學(xué)的控制理論和算法，加深對(duì)所學(xué)課程的理解。由于倒立擺系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和制造，成本低廉，因此在歐美發(fā)達(dá)國家的高等院校，它已成為必備的控制教學(xué)設(shè)備。 同時(shí)由于倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合特性，許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為研究對(duì)象，并不斷從中發(fā)掘出新的控制理論和控制方法，相關(guān)的成果在航天科技和機(jī)器人學(xué)方面獲得了廣闊的應(yīng)用。因此，倒立擺系統(tǒng)也是進(jìn)行控制理論研究的理想平臺(tái)。 目前，國內(nèi)自動(dòng)控制方面的課程幾乎是各工科專業(yè)的必修課。然而，自動(dòng)控制理論比較抽象，很多概念學(xué)生不易理解，而倒立擺裝置可以作為掌握這門課程的最佳實(shí)驗(yàn)工具，同時(shí)它也是進(jìn)行自動(dòng)控制理論研究的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前提供的實(shí)驗(yàn)有： 1．串級(jí)PID控制實(shí)驗(yàn)； 2．極點(diǎn)配置控制實(shí)驗(yàn)； 3．最優(yōu)控制LQR實(shí)驗(yàn)； 4．階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。 倒立擺廣泛應(yīng)用于工科學(xué)科和理論研究，比如：工業(yè)自動(dòng)化，自動(dòng)控制理論，機(jī)電一體化，計(jì)算機(jī)控制理論，工業(yè)控制，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)等。 二、課題（研究）內(nèi)容 主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)平面二級(jí)倒立擺機(jī)械圖。包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及擺桿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，繪制零件圖和裝配圖。 1、完成平面二級(jí)倒立擺的cad裝配圖和零件圖，對(duì)倒立擺的支撐底座、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺桿系統(tǒng)、連接和緊固機(jī)構(gòu)等的外形和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括材料的選擇，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、絲杠等的選擇和設(shè)計(jì)，結(jié)合計(jì)算和查閱資料確定設(shè)計(jì)的可行性和結(jié)構(gòu)的可靠性。 2、完成平面二級(jí)倒立擺的部分零件圖,包括零件具體的技術(shù)指標(biāo)，以及加工材質(zhì)等。 3、對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行分析，對(duì)局部尺寸進(jìn)行優(yōu)化修改。 三、文獻(xiàn)綜述（或讀書報(bào)告） 四、參考文獻(xiàn) [1] 王霞，二級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生論文，2002年 [2] 丁景濤，倒立擺系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生論文，1997年 [3] 李宜達(dá)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真，北京清華大學(xué)出版社，2004年 [4] 張明廉，何衛(wèi)東，沈程智，規(guī)約規(guī)則法防人智能控制，第一屆全球華人智能控制與智能自動(dòng)化大會(huì)論文集[c]北京科學(xué)出版社1993年 [5] 王昆，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，高等教育出版社，1995年 [6] 盧頌澤、羅圣國主編，機(jī)械零件課程設(shè)計(jì)，北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1992年 [7] 王昆、羅圣國主編，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：高等教育出版社，1992年 [8] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械制圖，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社。 [9] 彭文生，李志明，黃華梁，機(jī)械設(shè)計(jì)，北京：高等教育出版社，2002年 [10] 黃華梁，彭文生，機(jī)械設(shè)計(jì)2，北京：高等教育出版社，2001年 [11] 吳宗澤，劉瑩，機(jī)械設(shè)計(jì)教程，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2003年 [12] 朱文堅(jiān)，機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)，廣州：華南理工大學(xué)出版社，1997年. 五、審核意見 指導(dǎo)教師審題意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 專業(yè)審核意見： 負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日 共 34 頁 第 1 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 課題名稱 二級(jí)倒立擺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 日 期 共 34 頁 第 2 頁 目錄 目錄 2 前 言 3 第一章 緒論 4 1 1 二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的概述 4 1 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4 1 3 課題研究的意義 5 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 7 2 1 二級(jí)倒立擺工作原理 7 2 1 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 2 1 2 控制器設(shè)計(jì) 9 2 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2 2 1 二級(jí)倒立擺裝配圖設(shè)計(jì) 9 第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算與零部件選用 13 3 1 設(shè)計(jì)計(jì)算 13 3 2 零件的選型 18 3 2 1 伺服電機(jī)選型 18 3 2 2 LM 滾動(dòng)導(dǎo)軌副選擇 19 3 2 3 聯(lián)軸器的選擇 20 3 2 4 編碼器的選擇 21 3 2 5 滾動(dòng)軸承的選擇 22 3 2 6 滾珠絲杠的選擇 23 3 3 校核計(jì)算 24 3 3 1 二級(jí)倒立擺整體重量的計(jì)算 26 3 3 2 交流伺服電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和校核 26 第四章 二級(jí)倒立擺的使用 29 4 1 注意事項(xiàng) 29 4 1 1 準(zhǔn)備階段注意事項(xiàng) 29 4 1 2 電腦的配置要求 29 4 1 3 使用注意事項(xiàng) 29 4 2 系統(tǒng)使用 29 4 2 1 倒立擺的開機(jī)操作及電位器零位調(diào)整方法 29 4 2 2 系統(tǒng)操作與維護(hù) 30 共 34 頁 第 3 頁 前 言 倒立擺系統(tǒng)是理想的自動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 使用它能全方位的滿足自動(dòng)控制教學(xué)的 要求 許多抽象的控制概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性 可控性 系統(tǒng)收斂速度 和系統(tǒng)抗干擾能力等 都可以通過倒立擺直觀的表現(xiàn)出來 倒立擺系統(tǒng)具有模塊性好和品種多樣化的優(yōu)點(diǎn) 其基本模塊既可是一維直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 也可以是兩維運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 通過增加角度傳感器和一節(jié)倒立擺桿 可構(gòu)成 直線單節(jié)倒立擺 旋轉(zhuǎn)單節(jié)倒立擺或兩維單節(jié)倒立擺 通過增加兩節(jié)倒立擺桿和相應(yīng)的傳 感器 則可構(gòu)成兩節(jié)直線倒立擺和兩節(jié)旋轉(zhuǎn)倒立擺 倒立擺的控制技巧和雜技運(yùn)動(dòng)員倒立平衡表演技巧有異曲同工之處 極富趣味性 學(xué) 習(xí)自動(dòng)控制課程的學(xué)生通過使用它來驗(yàn)證所學(xué)的控制理論和算法 加深對(duì)所學(xué)課程的理解 由于倒立擺系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 易于設(shè)計(jì)和制造 成本低廉 因此在歐美發(fā)達(dá)國家的高等 院校 它已成為必備的控制教學(xué)設(shè)備 同時(shí)由于倒立擺系統(tǒng)的高階次 不穩(wěn)定 多變量 非線性和強(qiáng)耦合特性 許多現(xiàn)代控 制理論的研究人員一直將它視為研究對(duì)象 并不斷從中發(fā)掘出新的控制理論和控制方法 相關(guān)的成果在航天科技和機(jī)器人學(xué)方面獲得了廣闊的應(yīng)用 因此 倒立擺系統(tǒng)也是進(jìn)行控 制理論研究的理想平臺(tái) 本設(shè)計(jì)對(duì)經(jīng)典的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 控制設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真 二級(jí)倒立擺系 統(tǒng)數(shù)學(xué)建模中 利用拉格朗日方程來建立倒立擺運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 在進(jìn)行線性化之后得到系統(tǒng) 理想狀態(tài)的數(shù)學(xué)方程 控制設(shè)計(jì)是采用的線性最優(yōu)控制 設(shè)計(jì)時(shí)使在無限時(shí)間上的系統(tǒng)的 性能泛函取最小值 而得到最優(yōu)反饋系數(shù)向量 K 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制 在系統(tǒng)仿真中 使用 Matlab 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具箱中的專用函數(shù)計(jì)算系統(tǒng)特征值和最優(yōu)反饋系數(shù) K 并進(jìn)行系統(tǒng) 仿真 得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 共 34 頁 第 4 頁 第一章 緒論 1 1二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的概述 倒立擺本體主要由以下幾個(gè)部分組成 基座 直流伺服電機(jī) 同步帶 帶輪 滑竿 擺桿 角編碼器 限位開關(guān) 在控制理論發(fā)展的過程中 某一理論的正確性及實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按其理 論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對(duì)象來驗(yàn)證 倒立擺就是這樣一個(gè)被控制對(duì)象 倒立擺系 統(tǒng)是一個(gè)多變量 快速 非線性和自然不穩(wěn)定系統(tǒng) 1 在控制過程中能有效地反映控制 中的許多關(guān)鍵問題 如非線性問題 系統(tǒng)的魯棒性問題 隨動(dòng)問題 鎮(zhèn)定問題及跟蹤問 題等 2 倒立擺系統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置 形象直觀 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 構(gòu)件組成參數(shù)和形狀易于 改變 成本低廉 倒立擺系統(tǒng)的控制效果可以通過其穩(wěn)定性直觀地體現(xiàn) 也可以通過擺桿 角度 小車位移和穩(wěn)定時(shí)間直接度量 其實(shí)驗(yàn)效果直觀 顯著 當(dāng)新的控制理論與方法出現(xiàn) 后 可以用倒立擺對(duì)其正確性和實(shí)用性加以物理驗(yàn)證 并對(duì)各種方法進(jìn)行快捷 有效 生 動(dòng)的比較 3 倒立擺本身是一個(gè)自然不穩(wěn)定體 在控制過程中能有效地反映控制中的許多關(guān)鍵問題 如非線性問題 系統(tǒng)的魯棒性問題 隨動(dòng)問題 鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等 倒立擺系統(tǒng)作為 一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置 形象直觀 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 構(gòu)件組成參數(shù)和形狀易于改變 成本低廉 作為一 個(gè)被控對(duì)象 它又相當(dāng)復(fù)雜 就其本身而言 是一個(gè)高階次 不穩(wěn)定 多變量 非線性 強(qiáng)耦合系統(tǒng) 同時(shí) 其控制方法在軍工 航天 機(jī)器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛 的用途 如機(jī)器人行走過程中的平衡控制 火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài) 控制等 4 1 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 倒立擺實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)是控制領(lǐng)域中用來檢驗(yàn)?zāi)撤N控制理論或方法的典型方案 最初研 圖 1 1 倒立擺本體 一編 碼 器擺 桿編 碼 器 一 小 車基 坐 同 步 帶 滑 桿電 動(dòng) 機(jī)帶 輪限 位 開 關(guān) 編 碼 器 三一 共 34 頁 第 5 頁 究開始于二十世紀(jì) 50 年代 麻省理工學(xué)院 MIT 的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理 設(shè)計(jì)出一級(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備 而后世界各國都將一級(jí)倒立擺控制作為驗(yàn)證某種控制理論或 方法的典型方案 后來又人們參照雙足機(jī)器人控制問題研制二級(jí)倒立擺控制設(shè)備 從而提 高了檢驗(yàn)控制理論或方法的能力 也拓寬了控制理論或方法的檢驗(yàn)范圍 三級(jí)倒立擺是由 一 二級(jí)倒立擺演繹而來 背景相當(dāng)復(fù)雜 一級(jí)倒立擺控制實(shí)物系統(tǒng)已廣泛用于教學(xué) 二 級(jí)倒立擺控制實(shí)物系統(tǒng)已見于某些實(shí)驗(yàn)室中 三級(jí)倒立擺控制的實(shí)物系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是世界公認(rèn)的 困難問題 四級(jí)倒立擺控制的實(shí)物系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加困難 國內(nèi)的倒立擺研究有著豐碩的成果 2001 年 9 月 北京師范大學(xué)李洪興教授帶領(lǐng)的智 能控制實(shí)驗(yàn)室采用變論域自適應(yīng)控制成功地實(shí)現(xiàn)了三級(jí)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)控制 具有很好的 穩(wěn)定性 魯棒性和定位功能 這說明變論域自適應(yīng)控制是一種高性能的自動(dòng)控制 將會(huì)形 成一個(gè)新的控制理論分支 5 而后 從 2001 年 10 月他們著手研究四級(jí)倒立擺實(shí)物控制題 這是一個(gè)國際空白的極 其困難的問題 經(jīng)過 10 個(gè)多月的刻苦攻關(guān) 在 2002 年 8 月世界上第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)了四級(jí) 倒立擺實(shí)物控制 經(jīng)教育部組織專家鑒定 認(rèn)為該項(xiàng)成果既具有豐富的理論又包含實(shí)用價(jià) 值很高的方法與技術(shù) 特別在世界上第一個(gè)成功地實(shí)現(xiàn)了四級(jí)倒立擺實(shí)物控制 在自適應(yīng) Fuzzy 控制理論和實(shí)驗(yàn)研究方面 均取得了突破性的成果 這是一項(xiàng)原創(chuàng)性的具有國際領(lǐng) 先水平的重大科技成果 1 3 課題研究的意義 國內(nèi)自動(dòng)控制方面的課程幾乎是各工科專業(yè)的必修課 然而 自動(dòng)控制理論比較抽象 很多概念學(xué)生不易理解 而倒立擺裝置可以作為掌握這門課程的最佳實(shí)驗(yàn)工具 同時(shí)它也 是進(jìn)行自動(dòng)控制理論研究的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 目前提供的實(shí)驗(yàn)有 A 串級(jí) PID 控制實(shí)驗(yàn) B 極點(diǎn)配置控制實(shí)驗(yàn) C 最優(yōu)控制 LQR 實(shí)驗(yàn) D 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn) 倒立擺廣泛應(yīng)用于工科學(xué)科和理論研究 比如 工業(yè)自動(dòng)化 自動(dòng)控制理論 機(jī)電一 體化 計(jì)算機(jī)控制理論 工業(yè)控制 機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)等 在控制理論發(fā)展的過程中 某一理論的正確性及實(shí)際應(yīng)用中的可行性需要一個(gè)按其理 論設(shè)計(jì)的控制器去控制一個(gè)典型對(duì)象來驗(yàn)證 倒立擺就是這樣一個(gè)被控制對(duì)象 在控制過 程中能有效地反映控制中的許多關(guān)鍵問題 如非線性問題 系統(tǒng)的魯棒性問題 隨動(dòng)問 題 鎮(zhèn)定問題及跟蹤問題等 倒立擺系統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置 形象直觀 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 構(gòu)件 組成參數(shù)和形狀易于改變 成本低廉 倒立擺系統(tǒng)的控制效果可以通過其穩(wěn)定性直觀地體 現(xiàn) 也可以通過擺桿角度 小車位移和穩(wěn)定時(shí)間直接度量 其實(shí)驗(yàn)效果直觀 顯著 當(dāng)新的 控制理論與方法出現(xiàn)后 可以用倒立擺對(duì)其正確性和實(shí)用性加以物理驗(yàn)證 并對(duì)各種方法 共 34 頁 第 6 頁 進(jìn)行快捷 有效 生動(dòng)的比較 倒立擺的研究具有重要的工程背景 1 機(jī)器人的站立與 行走類似雙倒立擺系統(tǒng)盡管第一臺(tái)機(jī)器人在美國問世至今已有三十年的歷史 機(jī)器人的關(guān) 鍵技術(shù) 機(jī)器人的行走控制至今仍未能很好解決 2 在火箭等飛行器的飛行過程中 為了保持其正確的姿態(tài) 要不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)控制 3 通信衛(wèi)星在預(yù)先計(jì)算好的軌道和確定 的位置上運(yùn)行的同時(shí) 要保持其穩(wěn)定的姿態(tài) 使衛(wèi)星天線一直指向地球 使它的太陽能電 池板一直指向太陽 4 偵察衛(wèi)星中攝像機(jī)的輕微抖動(dòng)會(huì)對(duì)攝像的圖像質(zhì)量產(chǎn)生很大的影 響 為了提高攝像的質(zhì)量 必須能自動(dòng)地保持伺服云臺(tái)的穩(wěn)定 消除震動(dòng) 5 為防止單級(jí) 火箭在拐彎時(shí)斷裂而誕生的柔性火箭 多級(jí)火箭 其飛行姿態(tài)的控制也可以用多級(jí)倒立擺系 統(tǒng)進(jìn)行研究 11 倒立擺的研究有著重要的實(shí)際意義 機(jī)器人行走就類似倒立擺系統(tǒng) 從日常生活中所 見到的任何重心在上 也是支點(diǎn)在下的控制問題 到空間飛行器和各類伺服云臺(tái)的穩(wěn)定 都和倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制有很大相似性 故對(duì)其穩(wěn)定控制在實(shí)際中有很多用場(chǎng) 如海上 鉆井平臺(tái)的穩(wěn)定控制 衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)定控制 火箭姿態(tài)控制 飛機(jī)安全著陸 化工過程 控制等 倒立擺還是理想的自動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 它能全方位地滿足自動(dòng)控制教學(xué)的要求 許多抽象的控制概念如系統(tǒng)穩(wěn)定性 可控性 系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等 都可以 通過倒立擺直觀地表現(xiàn)出來 由于倒立擺系統(tǒng)的高階次 嚴(yán)重不穩(wěn)定 多變量 非線性和 強(qiáng)耦合等特性 吸引著許多學(xué)者和研究人員不斷地從倒立擺控制中發(fā)掘新的控制策略和算 法 并應(yīng)用于航天科技和機(jī)器人等領(lǐng)域 倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求 不僅是 必備的控制教學(xué)設(shè)備 也是進(jìn)行控制理論研究和一些新型控制算法的設(shè)計(jì)與開發(fā)的理想平 臺(tái) 12 共 34 頁 第 7 頁 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2 1二級(jí)倒立擺工作原理 二級(jí)倒立擺試驗(yàn)系統(tǒng)其電路部分主要有 測(cè)速電機(jī) 位置測(cè)量電位器 角度傳感器 數(shù)據(jù)采集卡 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 驅(qū)動(dòng)電路 電源 電機(jī) 計(jì)算機(jī) 各類電線等等 電機(jī)采用 70LYX04 型直流永磁式力矩電機(jī) 這種電機(jī)額定電壓和額定轉(zhuǎn)速底 輸出力矩大 易于實(shí) 現(xiàn)實(shí)時(shí)控制 測(cè)速電機(jī)與電機(jī)軸之間有齒輪連接 電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí) 輸出不同電壓信號(hào) 位置測(cè)量電位計(jì)是一個(gè)滑動(dòng)變阻器 兩端加 15V 和 15V 電壓 可以得到位移的電壓信號(hào) 角度傳感器精密導(dǎo)電塑料電位計(jì) 兩端加 15V 和 15V 電壓 用于獲得擺桿偏移豎直方向的 角度 圖 2 1 二級(jí)倒立擺系統(tǒng)工作原理圖 二級(jí)倒立擺試驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)流程為 傳感器角度信息 位置信息 速度信息通過采集 卡反饋給計(jì)算機(jī) 由計(jì)算機(jī)對(duì)該三種信號(hào)作處理 通過預(yù)定的算法程序得出控制信號(hào) 再 通過采集卡的輸出口將信號(hào)變成模擬信號(hào)輸出給信號(hào)級(jí) 由信號(hào)級(jí) PWM 脈沖調(diào)制 處理 變成脈沖信號(hào)傳遞給功率級(jí) 有功率級(jí)輸出可以直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電壓 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn) 從而達(dá)到控制倒立擺的目的 共 34 頁 第 8 頁 圖 2 2 二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 2 1 1系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二級(jí)倒立擺系統(tǒng)如 圖 1 所示 一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)小車使平衡二級(jí)倒立擺二個(gè)級(jí)的 安培原動(dòng)機(jī)提出 即是 保持 Q1 和 Q2 為零 Q1 是一級(jí)擺相對(duì)于垂直的方向的夾角 而 Q2 是二級(jí)擺相對(duì)于垂直的方向的夾角 這二個(gè)角是由二個(gè)電壓計(jì)測(cè)量出來的 圖 1 二級(jí)倒立擺 控制系統(tǒng)原理圖如 圖 2 所示 在這個(gè)系統(tǒng)中有二個(gè)控制環(huán) 內(nèi)環(huán)控制一級(jí)擺 外 環(huán)控制二級(jí)擺 去掉外環(huán)系統(tǒng)就成為單級(jí)倒立擺 那樣 控制目標(biāo)是 Q1 0 然而二級(jí) 倒立擺 對(duì)于一級(jí)擺來說控制目標(biāo)不再是 Q1 0 而是控制一級(jí)擺到一個(gè)合適的角度 來適 應(yīng)控制二級(jí)擺的角度 見 圖 3 換句話說 在二級(jí)倒立擺系統(tǒng)中 外控制環(huán)目的是為一級(jí) 擺產(chǎn)生一個(gè)角度讓其去實(shí)現(xiàn) 2控 制 器模 糊 1控 制 器模 糊 電 動(dòng) 機(jī) 倒 立 擺 共 34 頁 第 9 頁 圖 2 二級(jí)倒立擺控制系統(tǒng) 我們可以為二級(jí)倒立擺總結(jié)出控制策略如下 根據(jù)二級(jí)擺的角度 Q2 決定一級(jí)擺的角 設(shè)置 Q Q2 控制一級(jí)擺達(dá)到 Q1 Q 因?yàn)橥猸h(huán)目標(biāo)是 Q2 0 系統(tǒng)的最終目標(biāo)是 Q1 Q2 0 圖 3 控制策略 2 1 2控制器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器 就以分析倒立擺系統(tǒng)的控制性開始 簡(jiǎn)單一點(diǎn) 用單級(jí)倒立擺 來說明 如 圖 4 所示 基本上 一個(gè)控制器應(yīng)該在二個(gè)變量 Q 和 f 之間反映相互關(guān)系 也就是 如果知道 Q 和 f 之間的關(guān)系 我們能使用它制定控制規(guī)則 如果 Q 是大的 我們知道 f 應(yīng)該是 大的 而且如果 Q 是小的 f 應(yīng)該也是小的 二 級(jí) 環(huán) 一 級(jí) 環(huán) 1電 位 器 2電 位 器 電 位 計(jì) 電 動(dòng) 機(jī)小 車 共 34 頁 第 10 頁 圖 4 單級(jí)倒立擺 2 2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 2 1 二級(jí)倒立擺裝配圖設(shè)計(jì) 二級(jí)倒立擺裝配圖設(shè)計(jì)的內(nèi)容和繪圖步驟 在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)的參考了有關(guān)資料和各種倒 立擺的裝配圖設(shè)計(jì)的內(nèi)容 下面闡述的是本次設(shè)計(jì)的二級(jí)倒立擺裝配圖的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì) 步驟 1 確定滑臺(tái)底座的位置和相應(yīng)的尺寸 1 在相應(yīng)的視圖位置上畫出滑臺(tái)底座的中心線 并根據(jù)計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)件 絲桿長度 絲 桿端坐的寬度 畫出滑臺(tái)底座的輪廓 圖 2 4 所示 圖 2 4 滑臺(tái)底座的輪廓 2 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件 絲桿長度 絲桿端坐寬度 畫出定位絲桿的四只螺釘孔 圖 2 4 所示 所示 螺釘?shù)拇笮∪Q與標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸 3 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件 LM 滾動(dòng)導(dǎo)軌副 畫出滑臺(tái)底座側(cè)面的螺釘孔 并且確定滑臺(tái)的厚度 圖 2 5 所示 圖 2 5 滑臺(tái)底座的厚度及孔位置 4 確定了底座的長度 寬度 厚度并且按照標(biāo)準(zhǔn)間把相應(yīng)的孔的位置確定后 下一步 就是把標(biāo)準(zhǔn)間按裝到底座上 圖 2 6 所示 圖 2 6 滑臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)件連接 5 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件 絲桿 伺服電機(jī) 聯(lián)軸器等等 在滑臺(tái)底座上安裝伺服電機(jī) 確定伺 服電機(jī)的位置 圖 2 7 所示 共 34 頁 第 11 頁 圖 2 7 滑臺(tái)與伺服電機(jī)連接 上述步驟結(jié)束滑臺(tái)底座的設(shè)計(jì)完成 2 確定滑塊上軸承做大小和平面的安裝尺寸 1 根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算要求確定一級(jí)倒立擺軸的大小 從而確定軸承的型號(hào) 根據(jù)軸承的型 號(hào)設(shè)計(jì)出軸承座的輪廓尺寸 圖 2 8 所示 圖 2 8 軸承座的輪廓 2 根據(jù)軸承座的輪廓尺寸和標(biāo)準(zhǔn)件 伺服電機(jī) 聯(lián)軸器 的尺寸確定滑塊的平面大小 并且在要求安裝標(biāo)準(zhǔn)件和軸承座位置畫出相應(yīng)的孔位置 圖 2 9 所示 圖 2 9 滑塊平面的安裝 3 確定二級(jí)擺桿關(guān)節(jié)處的輪廓和相應(yīng)的尺寸 1 根據(jù)計(jì)算得出二級(jí)擺桿關(guān)節(jié)出軸的直徑 根據(jù)直接選擇相應(yīng)的軸承 2 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件 軸承 旋轉(zhuǎn)編碼器 的輪廓的尺寸 畫出二極倒立擺桿關(guān)節(jié)處的相應(yīng) 的圖紙 圖 3 0 所示 共 34 頁 第 12 頁 圖 3 0 二級(jí)倒立擺關(guān)節(jié)處圖紙 3 根據(jù)滑臺(tái)底座的大小確定整體底座的寬度和長度 根據(jù)二級(jí)倒立擺的兩個(gè)桿子的長 度確定整體底座的高度 保證倒立擺兩個(gè)桿子不能夠接觸到地面 4 組裝圖紙 1 畫出二級(jí)倒立擺的兩根桿 并用相應(yīng)的方式連接起來 整套圖紙就完成了基本的輪 廓設(shè)計(jì) 圖 3 1 所示 共 34 頁 第 13 頁 圖 3 1 二級(jí)倒立擺的整套圖紙 第三章 設(shè)計(jì)計(jì)算與零部件選用 3 1設(shè)計(jì)計(jì)算 在忽略了空氣流動(dòng) 各種摩擦之后 可將倒立擺系統(tǒng)抽象成小車 勻質(zhì)桿和質(zhì)量塊組 成的系統(tǒng) 如圖 4 1 所示 共 34 頁 第 14 頁 M 小車質(zhì)量 擺桿 1 質(zhì)量1m 擺桿 2 質(zhì)量2 質(zhì)量塊的質(zhì)量3 擺桿 1 與垂直向上方向的夾角1 擺桿 2 與垂直向上方向的夾角2 擺桿 1 轉(zhuǎn)動(dòng)中心到桿質(zhì)心的距離1l 擺桿 2 轉(zhuǎn)動(dòng)中心到桿質(zhì)心的距離2 作用在系統(tǒng)上的外力F X 小車位移 利用拉格朗日方程推導(dǎo)倒立擺運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 拉格朗日方程為 qVTqL 其中 為拉格朗日算子 為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo) 為系統(tǒng)的動(dòng)能 為系統(tǒng)的勢(shì)能 L V 拉格朗日方程由廣義坐標(biāo) 和 表示為 iiiifqdt 其中 為系統(tǒng)沿該廣義坐標(biāo)方向上的外力 在本系統(tǒng)中 設(shè)系統(tǒng)的n 3 21if 圖 4 1 二級(jí)倒立擺系統(tǒng) 共 34 頁 第 15 頁 三個(gè)廣義坐標(biāo)分別是 21 x 首先計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)能 321mmMTT 小車動(dòng)能 擺桿 1 動(dòng)能 擺桿 2 動(dòng)能 質(zhì)量塊動(dòng)能 MTm 而 其中 11 繞 質(zhì) 心 轉(zhuǎn) 動(dòng) 動(dòng) 能擺 桿 質(zhì) 心 平 動(dòng) 動(dòng) 能擺 桿 1 1 mT 其中 22mmT 繞 質(zhì) 心 轉(zhuǎn) 動(dòng) 動(dòng) 能擺 桿 質(zhì) 心 平 動(dòng) 動(dòng) 能擺 桿 2 2 1xM 21112121211 cos cos sin 2 lmxlmdtldtlm 21211 1 63 llmJTp 則 211121 1 3cos lmxlTm 同樣可以求出 2212212 2121 sinsicoss1 co ini llmllxmdtlldtllT 222 2 63 llJT 1212212212 cos434coss1 lllmllxm 1311323123 in lmxldtldtlT 因此 可以得到系統(tǒng)動(dòng)能 共 34 頁 第 16 頁 213113231212212 221321 coscos434 lmxlmlllm lxlxxMTTm 系統(tǒng)的勢(shì)能為 2121311321 coscos2cos llglglVm 至此得到拉格朗日算子 L 2121311 213113322 2221111 coscoscos cos443s llgmlglm lmxllxlxlxMTL 由于因?yàn)樵趶V義坐標(biāo) 上均無外力作用 有以下等式成立 2 01 Ldt 4 1 4 2 02 dt 展開 4 1 4 2 式 分別得到 4 3 4 4 式 4 0 cossin 2 cos 2 3 34sin61131 123221 xgmlmll 3 0cos3 cs 64 si 6sin3 2121221 21 xlllg 4 4 將 4 3 4 4 式對(duì) 求解代數(shù)方程 得到以下兩式21 4 5 cos9124 2 cos3cos cos2in4 in 6 in 3si 321213 112121 23 mml xxx xmll gg 共 34 頁 第 17 頁 4 6 cos4 3916 cossin 23 in 6cos2 3sin 6s 4 12121322 111 21122132 lmlm xgml lgl 表示成以下形式 4 7 21211 xxf 4 8 2 取平衡位置時(shí)各變量的初值為零 0 0 2121 xx 將 4 7 式在平衡位置進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開 并線性化 令 0 0 01212 xxxfK 13210 0 012 4 43212 lmggfxxx 13210 0 0213 92121 lfKxxx 0 0 014 2121xxxf 0 0 015 212 xxxf 0 0 0216 2121 xxxfK 13210 0 017 4 432121 lmfxxx 帶入 4 5 式 得到線性化之后的公式 4 9 K 172312 將 4 8 式在平衡位置進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開 并線性化 令 0 0 0212121 xxxfK 共 34 頁 第 18 頁 232120 0 012 964 2121 lmlmgfKxxx 3232120 0 023 2121 llf xxx 0 0 0242121 xxxfK 0 0 0125212 xxxf 0 0 026 2121 xxxf 23212310 0 027 9644 2121 lmlmxfKxx 帶入 4 6 式 得到 4 10 xK 27312 現(xiàn)在得到了兩個(gè)線性微分方程 由于我們采用加速度作為輸入 因此還需加上一個(gè)方 程 4 11 xu 取狀態(tài)變量如下 26154231 xx 由 4 9 4 10 4 11 式得到狀態(tài)空間方程如下 共 34 頁 第 19 頁 uKxxKxx 271654321231654321 000 將以下參數(shù)代入 21321lgmM 求出各個(gè) K 值如下 0 728316 5 97064271732 K 得到狀態(tài)方程各個(gè)參數(shù)矩陣 0816 3752 094010A 0728 150B 3 2 零件的選型 3 2 1伺服電機(jī)選型 伺服電動(dòng)的發(fā)展經(jīng)歷了有液壓到電氣的過程 電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類型分 為直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型又可分為永 磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流伺服類型 由直流伺服電動(dòng)機(jī)存在機(jī) 械結(jié)構(gòu)復(fù)雜 維修工作量大 包括電刷 換向器等稱為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸 隨 著微處理技術(shù) 大功率電力電子技術(shù)的成熟和電機(jī)永磁材料的發(fā)展和成本降低 交流伺服 系統(tǒng)得到長足發(fā)展并將逐步取代直流伺服系統(tǒng) 根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)本設(shè)計(jì)選定松下 MINAS A4 型 交流伺服電機(jī) 松下伺服電機(jī)的特點(diǎn)如下 A 智能化的自動(dòng)調(diào)整 B 高速高響應(yīng) 共 34 頁 第 20 頁 C 超低振動(dòng) D 自適應(yīng)濾波器 E 兩個(gè)陷波濾波器 F 振動(dòng)抑制控制 表 2 1 交流伺服電機(jī)的選擇 規(guī)格 MINAS A4 系列 MSMD 額定輸出功率 50W 200W 適配驅(qū)動(dòng)器型號(hào) MADDT1205 MADDT1207 外形分類 A 型 額定轉(zhuǎn)矩 N m 0 16 0 64 最大轉(zhuǎn)矩 N m 0 48 1 91 額定轉(zhuǎn)矩 rpm 3000 5000 無制動(dòng)器 0 025 0 14電機(jī)慣量 mkg2410 有制動(dòng)器 0 027 0 16 變壓器容量 KVA 0 3 0 5 編碼器 17 位 分辨率 131072 3 2 2 LM滾動(dòng)導(dǎo)軌副選擇 圖 2 1 HSR15R 型結(jié)構(gòu)圖 LM 滾動(dòng)導(dǎo)軌副 滾珠列沿著 LM 導(dǎo)軌和 LM 滑塊上經(jīng)過精密研磨加工的 4 列滾動(dòng)溝道滾 動(dòng) 通過組裝 LM 滑塊兩端上的端蓋板作循環(huán)運(yùn)動(dòng) LM 滑塊上那個(gè)安裝了保持擋板擋住鋼 球 因此即使抽出 LM 導(dǎo)軌 鋼球也不會(huì)脫落 HSR8 10 和 12 型除外 因?yàn)楦鳚L珠列是按 45 接觸角配置的 所以對(duì)于 LM 滑塊上的 4 個(gè)方向上的作用 徑 共 34 頁 第 21 頁 向 反徑向和橫方向 均具有相同的額定負(fù)荷能力 可在各種各樣的姿勢(shì)中使用 并且因 能施加均等的預(yù)負(fù)荷 從而既能維持較低的摩擦系數(shù) 有加強(qiáng)了 4 個(gè)方向上的剛性 同時(shí) 因橫截面高度低 并且對(duì) LM 滑塊進(jìn)行了高剛性設(shè)計(jì) 從而能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高精度直線運(yùn)動(dòng) LM 滾動(dòng)導(dǎo)軌副具有如下優(yōu)點(diǎn) A 4 方向等負(fù)荷型 B 高剛性型 C 自動(dòng)調(diào)整能力 D 出色的耐久性 在預(yù)壓或過量偏移負(fù)荷的作用之下 滾珠表面也不會(huì)發(fā)生差動(dòng)滑動(dòng) E 備有不銹鋼型可供選擇 LM 滑塊 LM 導(dǎo)軌 滾珠也可采用特制不銹剛型 3 2 3 聯(lián)軸器的選擇 1 聯(lián)軸器的定義 聯(lián)軸器是用來連接兩根軸與軸與其他回轉(zhuǎn)零件 使之回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn) 矩 用聯(lián)軸器連接的兩軸在工作時(shí)不能分離 必須停車拆卸才能分離 2 聯(lián)軸器的種類 根據(jù)被連接兩軸的相對(duì)位置關(guān)系 聯(lián)軸器可分為固定式和可移式兩 類 固定式聯(lián)軸器用在兩軸能嚴(yán)格對(duì)中 工作時(shí)不發(fā)生相對(duì)位移的場(chǎng)合 可移式聯(lián)軸器則 用在兩軸有偏斜或工作中有相對(duì)位置的場(chǎng)合 3 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器所連接的兩軸 由于制造和安裝誤差 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)零件的變形和 軸承磨損等原因可能發(fā)生相對(duì)位置變化 兩軸可能發(fā)生相對(duì)位移或偏斜的情況 如果這些 位移得不到補(bǔ)償 將會(huì)在軸 軸承 聯(lián)軸器上引起附加載荷 因此 在不能避免兩軸相對(duì) 位移的情況下 應(yīng)采用擾性聯(lián)軸器來補(bǔ)償被連接兩軸的位移和偏斜 按照補(bǔ)償方法的不同 擾性聯(lián)軸器又可分為兩類 無彈性元件擾性聯(lián)軸器和有彈性元件擾性聯(lián)軸器 圖 3 3 所示 的是加緊螺絲固定微型剛性聯(lián)軸器它的優(yōu)點(diǎn)有 A 重量輕 超低慣性和靈敏度 B 鋁合金和不銹鋼材料 C 定位螺絲固定 夾緊螺絲固定兩種 共 34 頁 第 22 頁 圖 3 3 夾緊螺絲固定微型剛性聯(lián)軸器 3 2 4 編碼器的選擇 編碼器的主要是把位移或轉(zhuǎn)角變成電信號(hào)輸送給控制系統(tǒng)的一個(gè)重要部分 圖 3 4 是歐姆龍這兩個(gè)型號(hào)的輸入和輸出的接線圖 圖 3 5 是編碼器的外形輪廓和相關(guān)尺寸 圖 3 4 編碼器輸入輸出接線圖 共 34 頁 第 23 頁 圖 3 5 編碼器外形樣式 40的通用型編碼器特點(diǎn)如下 A 對(duì)應(yīng)電源電壓DC5 24V 集電極開路輸出型 B 外徑 40備有2000P R的分辨率 C 具備使Z相對(duì)簡(jiǎn)單化的原點(diǎn)位置顯示功能 D 實(shí)現(xiàn)軸負(fù)重 徑向30N 推力向20N E 附有逆接 負(fù)荷短路保護(hù)回路 改善了可靠性 也備有線性驅(qū)動(dòng)輸出 3 2 5 滾動(dòng)軸承的選擇 圖 3 6 滾動(dòng)軸承的外形圖 滾動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)由外圈 內(nèi)圈 滾動(dòng)體和保持架組成 圖 3 6 深溝球軸承主要 是承受徑向載荷 也可以同時(shí)承受少量雙向軸向載荷 工作時(shí)內(nèi)外圈軸線允許偏斜 8 16 摩擦阻力小 極限轉(zhuǎn)速高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 應(yīng)用最廣泛 但承受沖擊載荷能 力較差 使用于高速的場(chǎng)合 在高速是可代替推力球軸承 選擇滾動(dòng)軸承的類型時(shí) 應(yīng)根據(jù)軸承所受工作載荷的大小 方向和性質(zhì) 轉(zhuǎn)速高低 空間位置 調(diào)心性能以及其他要求 選定合適的軸承類型 滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算也是選擇的一個(gè)重要依據(jù) 它的壽命計(jì)算的基本公式為 pCLnh 60160LhnP 共 34 頁 第 24 頁 圖 3 7 深溝軸承的剖面圖 3 2 6滾珠絲杠的選擇 滾珠絲桿主要是由螺母和螺桿組成 用來將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng) 同時(shí)傳遞動(dòng)力 如圖 3 7 所示 圖 3 7 滾珠絲桿外型圖 冷軋型滾珠螺桿 KGS KGS 1204 如圖 3 7 所示 在螺紋滾制過程中 螺紋外型經(jīng)由 冷軋過程制成 表面經(jīng)過強(qiáng)化及平滑處理 且材質(zhì)顆粒可自然滾動(dòng) 不受干擾 滾動(dòng)摩擦 力比起梯形螺桿傳動(dòng)組的斜面摩擦力有下述有點(diǎn) 高精密性 高剛性 低軸向背隙 高 穩(wěn)定性 操作平順 壽命長 表 2 2 螺桿規(guī)格 型式 MICRON Line KGS 螺紋 哥德式外型 點(diǎn)狀外型 哥德式外型 點(diǎn)狀外型 公稱直徑 12 40mm 12 8 mm 導(dǎo)程 螺紋數(shù) 4 50mm 單 多螺紋數(shù)型式 4 50mm 單 多螺紋數(shù)型式 共 34 頁 第 25 頁 螺紋旋轉(zhuǎn)方向 右旋螺紋 KGS2005 另有左旋螺 紋 右旋螺紋 KGS2005 另有左旋螺紋 長度 標(biāo)準(zhǔn)品 5600mm KGS 1204 及 1205 為 1300mm 標(biāo)準(zhǔn)品 5600mm KGS 1204 及 1205 為 1300mm 材質(zhì) 1 1213 C f53 滾珠導(dǎo)槽經(jīng)電感硬化及拋光處理 螺桿末端與軸心經(jīng)退火處理 1 12 3 Cf53 滾珠導(dǎo)槽經(jīng)電感硬化及拋光處理 螺桿末端與軸心經(jīng)退火處理 導(dǎo)程間距精度 23 m 300mm 50 200 m 300mm 真直度 L1000mm 時(shí) 0 1mm m L1000mm 時(shí) 0 1mm m 左 右旋螺紋螺桿 僅 KGS 2005 有 僅 KGS 2005 有 滾珠螺帽選擇 滾珠螺帽可說是滾珠螺桿傳動(dòng)組的心臟 螺帽品質(zhì)決定整個(gè)滾珠螺桿傳動(dòng)組的運(yùn)轉(zhuǎn)特 性 法蘭滾珠螺帽 KGF 圓筒滾珠螺帽 KGM 具有如下優(yōu)點(diǎn) a 法蘭滾珠螺帽 KGF 附有安裝孔 而圓筒滾珠螺帽 KGM 附有鍵槽 b 可結(jié)合兩個(gè)螺帽組成零背隙之預(yù)壓雙螺帽組 c 材質(zhì) 鋼 1 7131 ESP65 或 1 3505 100Cr6 硬化處理的螺帽滾珠導(dǎo)槽 溝槽 與面為一體研磨制成 因次可以確保其高度品質(zhì) d 不同滾珠循環(huán)系統(tǒng) 適用于各種直徑與導(dǎo)程螺桿 e 附除塵環(huán) 可減少潤滑油流失及去除灰塵 3 3校核計(jì)算 二級(jí)倒立擺材料重量 kg m 計(jì)算公式 a 無縫鋼管 壁 厚外 徑s 246 0Dsw b 圓鋼 外 徑 0615 2d c 鋁棒 外 徑 w2 d 鋁塊 高 度 寬 度hBh071 表 2 3 常用材料密度 t m 3 g cm3 共 34 頁 第 26 頁 材料名 稱 密度 材料名稱 密度 材料名 稱 密度 材料名稱 密度 灰鑄鐵 7 0 鋁鎳合金 2 7 工業(yè)用 毛氈 0 3 聚砜 1 24 白口鑄 鐵 7 55 軟木 0 1 0 4 纖維蛇 紋石石 棉 2 2 2 4 賽璐珞 1 35 1 4 可鍛鑄 鐵 7 3 木材 含 水 15 100 0 4 0 75 角閃石 石棉 3 2 3 3 有機(jī)玻璃 1 18 1 19 工業(yè)純 鐵 7 87 膠合板 0 56 工業(yè)橡 膠 1 3 1 8 泡沫塑料 0 2 鑄鋼 7 8 刨花板 0 6 平膠板 1 6 1 8 玻璃鋼 1 4 2 1 鋼材 7 85 竹材 0 9 皮革 0 4 1 2 尼龍 1 04 1 15 高速鋼 8 3 8 7 木炭 0 30 5 軟鋼紙 板 0 9 ABS 樹脂 1 02 1 08 不銹鋼 合金鋼 7 9 石墨 2 2 2 纖維紙 板 1 3 石棉板 1 1 3 硅鋼片 7 55 7 8 石膏 2 2 2 4 酚醛層 壓板 1 3 1 4 5 石棉線 0 45 0 55 紫銅 8 9 水泥 3 05 3 15 平板玻 璃 2 5 橡膠石棉板 1 5 2 0 鋁 2 7 混凝土 1 8 2 45 實(shí)驗(yàn)器 皿玻璃 2 456 石棉布制動(dòng)帶 2 錫 7 29 硅藻土 2 2 耐高溫 玻璃 2 23 橡膠夾布傳動(dòng) 帶 0 8 1 2 鈦 4 51 普通粘土 磚 1 7 石英玻 璃 2 2 磷酸 1 78 金 19 32 粘土耐火 磚 2 1 陶瓷 2 3 2 4 5 鹽酸 1 2 銀 10 5 大理石 2 6 2 7 碳化鈣 電石 2 22 硫酸 87 100 1 8 鎂 1 74 花鋼巖 2 6 3 膠木 1 3 1 4 硝酸 1 54 鋅板 7 3 金剛石 3 5 3 6 電玉 1 45 1 55 酒精 0 8 鉛板 11 37 金剛砂 4 聚氯乙 烯 1 35 1 4 汽油 0 66 0 75 工業(yè)鎳 8 9 普通剛玉 3 85 3 9 聚苯乙 烯 1 05 1 07 煤油 0 78 0 82 鎳銅合 金 8 8 白鋼玉 3 9 聚四氟 乙烯 0 92 0 95 石油 原油 0 82 共 34 頁 第 27 頁 錫基軸 承合金 7 34 7 75 碳化硅 3 1 聚丙烯 0 9 0 9 1 各類機(jī)油 0 9 0 95 鉛基軸 承合金 9 33 10 67 云母 2 7 3 1 聚甲醛 1 41 1 43 汞 13 55 鎂合金 1 74 1 81 瀝青 0 9 1 5 聚苯醚 1 06 1 07 水 4 1 鋅鋁合 金 6 3 6 9 石蠟 0 9 空氣 20 0 0012 3 3 1二級(jí)倒立擺整體重量的計(jì)算 a 計(jì)算滑臺(tái)底座質(zhì)量 0 00271 40mm 60mm 6 5kg m 6 5kg m 0 8m 5 2kg b 計(jì)算底座腳重量 0 00271 16mm 69mm 0 00271 16mm 24mm 4 03kg m 4 03kg m 0 12m 4 1 93kg c 計(jì)算軸承座 1 重量 0 00271 23mm 40mm 0 00271 6mm 40mm 3 15kg m 3 15kg m 0 35m 0 11kg d 計(jì)算軸承座 2 重量 0 00271 36mm 42mm 4 1kg m 4 1kg m 0 045m 0 18kg e 計(jì)算擺桿重量 0 0022 10 平方 0 22kg m 0 22kg m 0 15m 2 根 0 066kg f 計(jì)算軸 1 的重量 0 0022 12 平方 0 32kg m 0 32kg m 0 036m 0 01kg g 計(jì)算軸 2 的重量 0 0022 12 平方 0 32kg m 0 32kg m 0 067m 0 02kg 交流伺服電機(jī) 1 重量 MADDT1207 重量已知為 0 82kg 交流伺服電機(jī) 2 重量 MADDT1205 重量已知為 0 32kg 旋轉(zhuǎn)編碼器重量 0 1kg 滾珠絲杠重量 0 75kg m 0 4 0 3kg 滾動(dòng)導(dǎo)軌副重量 滑塊重量 0 18kg 導(dǎo)軌重量 1 5kg m 0 185m 0 277kg 總體重量約為 5 2kg 1 93kg 0 11kg 0 18kg 0 66kg 0 01kg 0 02kg 0 82kg 0 32kg 0 1kg 0 3kg 0 18k g 0 277kg 10 1kg 3 3 2交流伺服電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和校核 進(jìn)給速度 min 20vf 共 34 頁 第 28 頁 定位次數(shù) min 40次 直線運(yùn)動(dòng)體重量 kg5M 滾動(dòng)絲桿長度 LB 定位時(shí)間 sec21 tm 滾珠絲桿直徑 DB0 電氣定位精度 滾珠絲桿螺距 PB5 摩擦系數(shù) 20 聯(lián)軸器重量 kgMk 機(jī)械效率 9 聯(lián)軸器直徑 mDK03 速度圖 sssnttv cfsmad4 0235 102 35 02616 50 速度計(jì)算 要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度 共 34 頁 第 29 頁 min 405 2rpvNbfj 電機(jī)速度 采用直接聯(lián)接 所以減速比 1 R 1 1 故 min 40rm 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 mNRMPTBL 1037 89 014325 8 9 負(fù)載慣量 直線運(yùn)動(dòng)體 JkgBL 26221 35 滾珠絲杠 mDkBB 26434 087 23 1 聯(lián)軸器 MJkgKkC 2622 50 81 電機(jī)軸上的負(fù)載慣量 mJkgkCBL242661 5 0 3 負(fù)載運(yùn)行功率 wTNPLM64 36087 1 3620 tJaCa 9 1 52 選擇伺服系統(tǒng) 選用條件 電 機(jī) 額 定 轉(zhuǎn) 矩 L 電 機(jī) 額 定 輸 出 2 1 0 Pa 電 機(jī) 額 定 速 度NM 量伺 服 系 統(tǒng) 允 許 的 負(fù) 載 慣 JL 共 34 頁 第 30 頁 根據(jù)以上條件選擇電動(dòng)機(jī)為 4000r min 系列 200w MADDT1207 伺服電機(jī) 第四章 二級(jí)倒立擺的使用 4 1注意事項(xiàng) 4 1 1準(zhǔn)備階段注意事項(xiàng) a 手提支架將倒立擺放置在具有一定強(qiáng)度且平穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上 b 檢查倒立擺有無損壞 螺釘是否松動(dòng) 尤其軸向連接部位是否松動(dòng) c 檢查所配附件有無短缺 損壞 附 件 數(shù) 量 倒立擺主體 包括擺桿 旋臂 電機(jī) 電位器 機(jī)箱等 1 電源線 1 使用說明書 1 4 1 2電腦的配置要求 a 操作系統(tǒng)是 WIN98 b 內(nèi)存足夠大 最好是 256M c 機(jī)器內(nèi)裝有 VC 6 0 軟件 d PC 機(jī)中裝有 MATLAB6 1 軟件 4 1 3使用注意事項(xiàng) a 倒立擺裝置要擺放在有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)度的水平桌面上 b 置兩端要有足夠的空間 使得旋臂和擺桿能夠自由地晃動(dòng) 有關(guān)人員應(yīng)避免站在擺 的左右方 以免造成傷害 c 不要在高溫和潮濕的環(huán)境中使用該設(shè)備 d 進(jìn)行系統(tǒng)連線 拆卸與安裝前 必須關(guān)閉系統(tǒng)所有電源 4 2系統(tǒng)使用 4 2 1倒立擺的開機(jī)操作及電位器零位調(diào)整方法 a 倒立擺放在平整的桌面上 在桌子的附近要有一臺(tái)電腦 拿出電源線 首先插好電 源線 然后用內(nèi)六角扳手把固定擺桿和懸臂的夾箍松開 再檢查有無螺絲松動(dòng) 若有螺絲 松動(dòng)請(qǐng)上緊 b 打開倒立擺的電源 打開電源的同時(shí)最好用手扶助擺桿 當(dāng)擺桿和懸臂打到倒立擺 黑色固定限位墊圈時(shí)等待大概 30 秒的時(shí)間懸臂開始震動(dòng) 此時(shí)用手輕輕的扶助懸臂和擺桿 共 34 頁 第 31 頁 到倒立的位置 倒立擺就可以正常工作了 c 以上操作倒立擺不能正常工作 此時(shí)可以關(guān)掉電源然后重新打開電源 再重復(fù)以上 的操作 如果多次開關(guān)機(jī)后仍然不能正常工作 可以判斷電位器的零位不對(duì) 需要調(diào)整倒 立擺電位器的零位 4 2 2系統(tǒng)操作與維護(hù) a 脫機(jī)控制 不需要計(jì)算機(jī)直接用倒立擺內(nèi)部的 DSP 控制 倒立擺的脫機(jī)控制 無需與計(jì)算機(jī)連接 由 DSP 獨(dú)立完成控制功能 接通電源后 打開倒立擺開關(guān) 旋臂 將帶動(dòng)擺桿擺起到倒立位置附近 必要時(shí)用手扶到中間位置 倒立擺保持平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài) b 系統(tǒng)維護(hù) a a 電氣部分出現(xiàn)故障 將倒立擺放倒 可將底板裝置上的驅(qū)動(dòng)部分及 DSP 部分拆開 進(jìn)行維修調(diào)整 a b 擺桿擺動(dòng)時(shí)距離箱體距離不相等 可松開圖 4 中 C 處的螺釘 調(diào)整擺桿位置 使 它不與箱體發(fā)生碰撞 a c 由于意外使倒立擺發(fā)生撞擊或摔打 倒立擺無法實(shí)現(xiàn)倒立控制 或者旋臂偏移平 衡位置較大 則需要重新調(diào)節(jié)電位器的零點(diǎn) 共 34 頁 第 32 頁 結(jié) 論 倒立擺是一個(gè)典型的快速 多變量非線性 絕對(duì)不穩(wěn)定系統(tǒng) 倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定性研 究是當(dāng)今控制理論界的熱點(diǎn)課題 對(duì)倒立擺的研究可以歸結(jié)為對(duì)非線性多變量絕對(duì)絕對(duì)不 穩(wěn)定系統(tǒng)的研究 其控制方法和思路在處理一般工業(yè)控制過程中也具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值 模糊邏輯 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其相互融合而產(chǎn)生的交叉領(lǐng)域是近年來智能控制研究的熱點(diǎn) 大量的應(yīng)用成果也證明了這一方向具有廣闊的研究前景 在總結(jié)歸納模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制的基礎(chǔ)上給出了模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相融合的優(yōu)點(diǎn) 分析了網(wǎng)路神經(jīng)的結(jié)構(gòu) 給 出了一種應(yīng)用多維隸屬函數(shù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 對(duì)高斯型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力鐘型模糊 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力進(jìn)行了探討和論證 即分析了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逼近各種非線性函數(shù) 的能力 其逼近特性決定了其能力以任意精度近似任意實(shí)際非線性系統(tǒng) 分析了模糊聚類方法 給出聚類準(zhǔn)則 研究了 FCM 方法 在此基礎(chǔ)上 重點(diǎn)探討高 維多變量系統(tǒng)的模糊動(dòng)態(tài)模型辨識(shí)方法 該辨識(shí)方法提出了用模糊聚類算法解決了模型辨 識(shí)中的隸屬函數(shù)的確定問題和模糊規(guī)則數(shù)隨輸入維數(shù)成指數(shù)增長的問題 介紹了二級(jí)倒立擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并詳細(xì)推導(dǎo)了它的數(shù)學(xué)模型 在一定條件下將二級(jí)倒立擺 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)空間方程形式 分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 能控性和能觀性 設(shè) 計(jì)了線性最優(yōu)調(diào)節(jié)器 Matlab 中進(jìn)行仿真 用模糊聚類方法辨識(shí)二級(jí)倒立擺模型 設(shè)計(jì)出控 制器并進(jìn)行了仿真 綜合兩種仿真結(jié)果表明 線性最優(yōu)控制算法難以克服非線性的影響 只能夠在小范圍內(nèi)穩(wěn)定 而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法能夠在較大范圍內(nèi)是系統(tǒng)穩(wěn)定 共 34 頁 第 33 頁 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在我導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的 在我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)這段時(shí)間里 從畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題 制圖方案的確定到每一個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié) 無不耐心細(xì)致地給我以最有力的 指導(dǎo)和幫助 老師對(duì)工作的熱情 認(rèn)真的態(tài)度和對(duì)問題細(xì)致深入的探索精神 淵博的專業(yè) 知識(shí) 嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)作風(fēng)以及他對(duì)事業(yè)熱誠 鍥而不舍 對(duì)工作的一絲不茍 兢兢業(yè)業(yè) 的工作風(fēng)格 都給我留下了深刻的印象 并激勵(lì)我在今后工作中也向他一樣腳踏實(shí)地 他 對(duì)我的信任和支持 是我在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)很快的成長起來 我的能力和勇氣都得到了很大 的提高 在這里 我要向老師表示衷心的感謝和深沉的敬意 感謝他對(duì)我的諄諄教誨和悉 心培養(yǎng) 共 34 頁 第 34 頁 參考文獻(xiàn) 1 王霞 二級(jí)倒立擺的穩(wěn)定控制 西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生論文 2002 年 2 丁景濤 倒立擺系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制 西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生論文 1997 年 3 李宜達(dá) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 北京清華大學(xué)出版社 2004 年 4 張明廉 何衛(wèi)東 沈程智 規(guī)約規(guī)則法防人智能控制 第一屆全球華人智能控制與智 能自動(dòng)化大會(huì)論文集 c 北京科學(xué)出版社 1993 年 5 王昆 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 高等教育出版社 1995 年 6 盧頌澤 羅圣國主編 機(jī)械零件課程設(shè)計(jì) 北京 北京工業(yè)大學(xué)出版社 1992 年 7 王昆 羅圣國主編 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 北京 高等教育出版社 1992 年 8 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 機(jī)械制圖 北京 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 9 彭文生 李志明 黃華梁 機(jī)械設(shè)計(jì) 北京 高等教育出版社 2002 年 10 黃華梁 彭文生 機(jī)械設(shè)計(jì) 2 北京 高等教育出版社 2001 年 11 吳宗澤 劉瑩 機(jī)械設(shè)計(jì)教程 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 年 12 朱文堅(jiān) 機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué) 廣州 華南理工大學(xué)出版社 1997 年