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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 兩級(jí)倒立擺設(shè)計(jì)說(shuō)明書 系 別 機(jī)械工程系 　 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化技術(shù) 學(xué)生姓名 　 學(xué) 號(hào) 100920508 　 年級(jí) 2010級(jí) 指導(dǎo)教師 　 二0一五 年 四 月 二十 日 30 兩級(jí)倒立擺設(shè)計(jì)說(shuō)明書 專業(yè)； 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生： 指導(dǎo)老師： 摘 要 機(jī)械工業(yè)是一個(gè)國(guó)家的重要產(chǎn)業(yè)，機(jī)械工業(yè)的發(fā)展無(wú)時(shí)不刻都在影響著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的進(jìn)步離不開機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大環(huán)境下，中國(guó)各個(gè)行業(yè)被其他國(guó)家的先進(jìn)技術(shù)影響的同時(shí)，越來(lái)越多的外國(guó)企業(yè)和品牌傳播到中國(guó)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。在新的市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，對(duì)倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行改良和優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急。有大型倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)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(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，從而減少噪聲污染引起的振動(dòng)或不當(dāng)操作設(shè)備的現(xiàn)象等。國(guó)內(nèi)倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)及制造要與全球號(hào)召的高效經(jīng)濟(jì)、安全穩(wěn)定主題保持一致。倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的發(fā)展與人類社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的水平密切相關(guān)。 近期對(duì)機(jī)械行業(yè)中倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的使用情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在機(jī)械行業(yè)中倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合比比皆是。 本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的是倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文介紹了倒立擺機(jī)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(jì)中所必須的理論計(jì)算和相關(guān)強(qiáng)度校驗(yàn)，該倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是高效，經(jīng)濟(jì)，并且安全系數(shù)高，運(yùn)行平穩(wěn)。本次倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大大地提高了人們對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)思想覺(jué)悟，并且對(duì)后續(xù)的倒立擺機(jī)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(guó)內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)力，體現(xiàn)了機(jī)械工業(yè)重要性這一核心價(jià)值。 關(guān)鍵詞：倒立擺系統(tǒng) 控制對(duì)象 強(qiáng)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(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì).................................7 2.1 倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能需求....................................................8 2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖.................................................................................9 第三章倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................................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(jī)的工作原理及選型計(jì)算..................................................12 3.2.2伺服電機(jī)的工作原理..................................................................12 3.2.3伺服電機(jī)的選型計(jì)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(dòng)的選擇計(jì)算...................................................................20 第四章倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)中PID的控制算法的實(shí)現(xiàn)..............22 4.1PID控制算法簡(jiǎn)介..............................................................................23 4.1.2PID控制各部分的特點(diǎn).................................................................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(shí)現(xiàn)...........................................................................23 結(jié)論........................................................................................................24 致謝........................................................................................................25 參考文獻(xiàn)................................................................................................26 第一章 引言 1.1課題的研究背景和意義 由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)知識(shí)是必不可少的。但是過(guò)度的專業(yè)知識(shí)分割，使視野狹隘，可以多多參加技術(shù)交流，和參加科研項(xiàng)目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進(jìn)步和整個(gè)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(shí)的太狹隘，考慮的問(wèn)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(shì)。人們?cè)絹?lái)越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)合并的分化。機(jī)械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，并研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來(lái)，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(gè)超級(jí)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和任務(wù)。機(jī)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)?，F(xiàn)代機(jī)械工程機(jī)械和機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造出更多、更精美的越來(lái)越復(fù)雜，很多幻想成為過(guò)去的現(xiàn)實(shí)。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(xì)胞和分子。電子計(jì)算機(jī)硬件和軟件，人類的新興科學(xué)已經(jīng)開始加強(qiáng)，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(lái)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(zhǎng)并沒(méi)有減少手的效果，而是要求越來(lái)越精致，手工制作，更復(fù)雜的工作，從而促進(jìn)手功能。又一方面實(shí)踐促進(jìn)人腦智力。在人類的進(jìn)化過(guò)程中，以及在每個(gè)人的成長(zhǎng)過(guò)程中，大腦和手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化。 大腦和手之間的人工智能和機(jī)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(jī)械制造。在過(guò)去，各種機(jī)械離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運(yùn)算精度的進(jìn)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(jìn)，計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)械工程進(jìn)展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機(jī)械工程。在第十九世紀(jì)，機(jī)械工程的知識(shí)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(chǎng)的第十九個(gè)世紀(jì)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機(jī)械工程和知識(shí)增長(zhǎng)的發(fā)展開始分解，機(jī)械工程專業(yè)，有分支機(jī)構(gòu)。在第二十世紀(jì)中期趨勢(shì)分解，在時(shí)間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到的峰值。由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)從個(gè)人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過(guò)度的專業(yè)知識(shí)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(jìn)步和整個(gè)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(shí)的專家太狹，考慮的問(wèn)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(shì)。人們?cè)絹?lái)越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對(duì)專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識(shí)循環(huán)過(guò)程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識(shí)的專家，也有綜合的知識(shí)了解不夠，看看其他學(xué)科和項(xiàng)目作為一個(gè)整體，從而形成一種相互強(qiáng)烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機(jī)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(wèn)題。在人類所有的知識(shí)，包括社會(huì)科學(xué)，自然科學(xué)和工程技術(shù)，有一個(gè)更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問(wèn)題。 1.2 倒立擺系統(tǒng)的工作原理 機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購(gòu)、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用。這方面包括選擇、訂購(gòu)、驗(yàn)收、安裝、調(diào)整、操作、維護(hù)、修理和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械和成套機(jī)械裝備，以保證機(jī)械產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。研究機(jī)械產(chǎn)品在制造過(guò)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(guò)度耗費(fèi)方面的問(wèn)題，及其處理措施。這是現(xiàn)代機(jī)械工程的一項(xiàng)特別重要的任務(wù)，而且其重要性與日俱增。機(jī)械的種類繁多，可以按幾個(gè)不同方面分為各種類別，如：按功能可分為動(dòng)力機(jī)械、物料搬運(yùn)機(jī)械、粉碎機(jī)械等；按服務(wù)的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械、紡織機(jī)械等；按工作原理可分為熱力機(jī)械、流體機(jī)械、仿生機(jī)械等。另外，機(jī)械在其研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)用等過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)幾個(gè)工作性質(zhì)不同的階段。按這些不同階段，機(jī)械工程又可劃分為互相銜接、互相配合的幾個(gè)分支系統(tǒng)，如機(jī)械科研、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)械運(yùn)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(jī)械工程可能分化成上百個(gè)分支學(xué)科。例如，按功能分的動(dòng)力機(jī)械，它與按工作原理分的熱力機(jī)械、流體機(jī)械、透平機(jī)械、往復(fù)機(jī)械、蒸汽動(dòng)力機(jī)械、核動(dòng)力裝置、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，以及與按行業(yè)分的中心電站設(shè)備、工業(yè)動(dòng)力裝置、鐵路機(jī)車、船舶輪機(jī)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(jī)是動(dòng)力機(jī)械，也是熱力機(jī)械、流體機(jī)械和透平機(jī)械，它屬于船舶動(dòng)力裝置、蒸汽動(dòng)力裝置，可能也屬于核動(dòng)力裝置等等。19世紀(jì)時(shí)，機(jī)械工程的知識(shí)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(gè)學(xué)科，被稱為民用工程，19世紀(jì)下半葉才逐漸成為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科。進(jìn)入20世紀(jì)，隨著機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展和知識(shí)總量的增長(zhǎng)，機(jī)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(shì)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(dá)到了最高峰。由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已擴(kuò)大到遠(yuǎn)非個(gè)人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過(guò)度的專業(yè)化造成知識(shí)過(guò)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(jìn)步，對(duì)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(shí)過(guò)狹，考慮問(wèn)題過(guò)專，在協(xié)同工作時(shí)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(shì)。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(guò)細(xì)的專業(yè)。械工程以增加生產(chǎn)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)來(lái)研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來(lái)的時(shí)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(jì)的目標(biāo)任務(wù)。 機(jī)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(jī)械工程創(chuàng)造出越來(lái)越精巧和越來(lái)越復(fù)雜的機(jī)械和機(jī)械裝置，使過(guò)去的許多幻想成為現(xiàn)實(shí)。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠(yuǎn)窺百億光年，近察細(xì)胞和分子。新興的電子計(jì)算機(jī)硬、軟件科學(xué)使人類開始有了加強(qiáng)，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(lái)年代它還將不斷地創(chuàng)造出人們無(wú)法想象的奇跡。 人類智慧的增長(zhǎng)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(jìn)手的功能。手的實(shí)踐反過(guò)來(lái)又促進(jìn)人腦的智慧。在人類的整個(gè)進(jìn)化過(guò)程中，以及在每個(gè)人的成長(zhǎng)過(guò)程中，腦與手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化的。 人工智能與機(jī)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(jī)械制造出來(lái)。過(guò)去，各種機(jī)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(jìn)化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會(huì)消除了這個(gè)限制。計(jì)算機(jī)科學(xué)與機(jī)械工程之間的互相促進(jìn)，平行前進(jìn)，將使機(jī)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(shí)，機(jī)械工程的知識(shí)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(gè)學(xué)科，被稱為民用工程，19世紀(jì)下半葉才逐漸成為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科。進(jìn)入20世紀(jì)，隨著機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展和知識(shí)總量的增長(zhǎng)，機(jī)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(shì)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(dá)到了最高峰。 由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已擴(kuò)大到遠(yuǎn)非個(gè)人所能全部掌握，一定的專業(yè)化是必不可少的。但是過(guò)度的專業(yè)化造成知識(shí)過(guò)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(jìn)步，對(duì)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(shí)過(guò)狹，考慮問(wèn)題過(guò)專，在協(xié)同工作時(shí)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(shì)。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(guò)細(xì)的專業(yè)。綜合-專業(yè)分化-再綜合的反復(fù)循環(huán)，是知識(shí)發(fā)展的合理的和必經(jīng)的過(guò)程。不同專業(yè)的專家們各具有精湛的專業(yè)知識(shí)，又具有足夠的綜合知識(shí)來(lái)認(rèn)識(shí)、理解其他學(xué)科的問(wèn)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(jī)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(wèn)題。在人類的全部知識(shí)中，包括社會(huì)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(wèn)題。 倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)，I/O卡，伺服系統(tǒng)，倒立擺的驅(qū)趕和一個(gè)光電編碼器反饋測(cè)量元件組成一個(gè)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(jī)，汽車可以根據(jù)位移反饋編碼器通過(guò)轉(zhuǎn)換增益，速度信號(hào)可以通過(guò)位移差得到。通過(guò)光電編碼器2和直接反饋給I/O卡擺角和角速度信號(hào)的測(cè)量，可以得到角差。從I/O卡讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，以確定控制決策（電機(jī)，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(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使汽車是根據(jù)控制要求的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到控制的目的。為兩個(gè)或兩個(gè)以上的系列級(jí)倒立擺，需要增加光電編碼器檢測(cè)擺角。實(shí)際的系統(tǒng)配置，配置I/O卡，根據(jù)需要的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 2.1 倒立擺機(jī)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(jī)配伺服驅(qū)動(dòng)器一套。 （2）通過(guò)PLC控制程序能夠靈活地控制倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行。 （3）電壓參數(shù)：220V交流電或者48V直流電壓。 2.2系統(tǒng)實(shí)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(jī)電控制系統(tǒng)為二級(jí)倒立擺機(jī)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(dá)，伺服電機(jī)配帶光電碼盤，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在慣性力的作用下，擺桿1和擺桿2會(huì)隨著小車的運(yùn)行而左右擺動(dòng)，適時(shí)的數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)對(duì)I/O卡里的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，從而控制伺服電機(jī)的動(dòng)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(jī)，PLC控制箱等等功能部件，其中的每一個(gè)功能部件又都有多種選擇的余地，當(dāng)我們對(duì)每一個(gè)功能部件進(jìn)行分析、比較、選擇和確定后，總體方案便確定下來(lái)了。 第三章 倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的組成 倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)硬件的組成主要包括：交流伺服電機(jī)、光電碼盤、直線導(dǎo)桿、移動(dòng)小車、傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)各方面性能的測(cè)試，需要用到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同步帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)，直線導(dǎo)桿裝置等等，為了便于對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究有一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必要對(duì)控制系統(tǒng)中各元件進(jìn)行準(zhǔn)確的選型計(jì)算，這樣才能對(duì)倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)中的個(gè)測(cè)試指標(biāo)有一個(gè)準(zhǔn)確的判斷。 3.2.1伺服電機(jī)的選擇及作用 2.3.2.1伺服電機(jī)的工作原理 在這次倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)是一種最常用的電機(jī)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。具有單相電容式單相異步電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有兩個(gè)位置90繞組，勵(lì)磁繞組的RF，它總是連接到AC電壓UF；另一個(gè)是繞組連接控制，電壓控制信號(hào)的UC。因此，交流伺服電機(jī)和伺服電機(jī)的兩個(gè)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是由鼠籠，但對(duì)伺服電機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的特點(diǎn)。使用兩種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：一個(gè)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(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)；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(yùn)行穩(wěn)定，因此被廣泛應(yīng)用。在控制電壓的交流伺服電機(jī)，脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生只有勵(lì)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(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在恒定負(fù)載的情況下，對(duì)控制電壓改變電機(jī)的速度的大小，相位控制電壓時(shí)相反，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)。 3.2.2伺服電機(jī)的選型計(jì)算 已知整個(gè)倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，伺服電機(jī)所受到的負(fù)載來(lái)自移動(dòng)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(jì)，由于為了該機(jī)構(gòu)的方便使用，我們選擇交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，交流伺服電機(jī)的型號(hào)是92BL-A類型的。具體的電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算如下： 1）交流伺服電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算 1、確定運(yùn)行時(shí)間 本次設(shè)計(jì)加速時(shí)間 負(fù)載速度（m/min） 有速度可知每秒移動(dòng)50mm， 2.電機(jī)轉(zhuǎn)速 3.負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式中： TL為伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩； 為摩擦系數(shù); PB為伺服電機(jī)的機(jī)械效率; 4.負(fù)載慣量 左右水平運(yùn)動(dòng) 伺服電機(jī)的負(fù)載慣量為： 總慣量為： 5.電機(jī)轉(zhuǎn)矩 啟動(dòng)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(jī)型號(hào)為92BL-A，采用交流電源驅(qū)動(dòng)，根據(jù)電機(jī)的特性曲線以及參數(shù)表如下： 根據(jù)計(jì)算和特性曲線以及電機(jī)基本參數(shù)表，我們選用交流伺服電機(jī)的具體型號(hào)為92BL-4030H1-LK-B，電機(jī)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(jī)大致圖如下： 外形尺寸92x92x86，電機(jī)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(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)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(cè)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(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)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(cè)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(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)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(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。 1.2絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)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(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，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(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。絕對(duì)式編碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制（葛萊碼）方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。絕對(duì)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(duì)編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測(cè)絕對(duì)位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。它的特點(diǎn)是： 1.2.1可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值； 1.2.2沒(méi)有累積誤差； 1.2.3電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)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(guò)絲桿螺母連接法蘭，帶動(dòng)整個(gè)醫(yī)療床裝置做上下運(yùn)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(jì)導(dǎo)向光桿和直線軸承配合整個(gè)絲桿螺母裝置。 用于測(cè)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(chǎng)所，按下列公式確定型軸承的計(jì)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(wú)沖擊，無(wú)振動(dòng)，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(yùn)行速度大于60米/分鐘，或有更大的沖擊，振動(dòng)，F(xiàn)W = 2.0～5.0。 時(shí)間是生命的LH =（100001）/ 2 * L（S * N1 * 60）（單位：小時(shí)小時(shí)）L：長(zhǎng)度壽命 (萬(wàn)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(shí)，試選擇軸承型號(hào)。 按以上工作條件： 根據(jù)本次載荷重量為2000N，我們選用兩個(gè)導(dǎo)向光桿加上絲桿螺母，這樣滑動(dòng)軸承的所受負(fù)載就平均分配，上下六個(gè)滑動(dòng)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(gè)為可以隨著絲桿螺母上下滑動(dòng)。六個(gè)導(dǎo)向光桿加上絲桿螺母，這樣每個(gè)導(dǎo)向光桿的滑動(dòng)軸承處的所受負(fù)載為166N。本次設(shè)計(jì)中所選擇的滑動(dòng)軸承為帶法蘭形狀的。 3.5同步帶輪傳動(dòng)的選擇計(jì)算 1)傳動(dòng)名義功率P_=0.18kW; (2)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1=1500r／min，從動(dòng)輪 =350r／min; (3)中心距a=55mm左右; (4)工作情況， 8小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)． 求設(shè)計(jì)功率P=K0 Pm=0.32= 0.6Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設(shè)計(jì)功率0.6Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號(hào)為XL型，對(duì)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(zhǎng)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(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn); 節(jié)線長(zhǎng)(見表4)L=55.20mm; （4）計(jì)算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=55.20/5.08=11; （5）傳動(dòng)中心距n的計(jì)算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ; 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計(jì)算，θ=1．351 8(弧度)代入上式得出a=102.45與精確計(jì)算結(jié)果相似。 最后測(cè)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(jī)電控制系統(tǒng)中PID的控制算法的實(shí)現(xiàn) 4.1 PID控制算法簡(jiǎn)介 PID（比例積分微分）控制是一個(gè)被稱為比例積分的微分控制，具有生產(chǎn)流程的自動(dòng)控制，PID控制是歷史最長(zhǎng)的且也是最重要的一個(gè)基本的控制方式，在二十世紀(jì)的前40年中，除了最簡(jiǎn)單的用例可以用開關(guān)控制，它是唯一用方法來(lái)控制。自那時(shí)以來(lái)，在發(fā)展科學(xué)技術(shù)尤其是電子計(jì)算機(jī)的誕生與發(fā)展，許多先進(jìn)的控制方法不斷出現(xiàn)。然而，直到現(xiàn)在，因?yàn)槭钦鎸?shí)的一個(gè)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(duì)象包括控制閥，控制對(duì)象和測(cè)量探頭。在基本PID控制的組成都是非常簡(jiǎn)單的，其優(yōu)點(diǎn)包括：適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)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(gè)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(gè)PID控制器參數(shù)自調(diào)整是實(shí)現(xiàn)通過(guò)智能自校正或校正，自適應(yīng)算法。包括使用PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度，壓力，流量，液位和CAN控制器實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程邏輯控制器（PLC）控制，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)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(shí)現(xiàn)是一個(gè)PID閉環(huán)控制使用。 4.1.2 PID控制各部分的特點(diǎn) 在實(shí)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(jiǎn)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(duì)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(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能獲得系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)測(cè)量的有效手段，最適合的PID控制技術(shù)。PID控制，在實(shí)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(jì)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(jiǎn)單方式?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號(hào)成比例。當(dāng)僅有比例控制時(shí)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(hào)的積分成正比。一個(gè)自動(dòng)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(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。所以，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而增加，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比。自動(dòng)控制系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程。原因是因?yàn)槟抢锸且粋€(gè)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。也就是說(shuō)，控制器只有“比例”的引入往往是不夠的，比例項(xiàng)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(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分（PD）在改善系統(tǒng)的過(guò)程的動(dòng)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(jì)的核心，很高興。比例系數(shù)、積分時(shí)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(jì)算方法。它主要是基于數(shù)學(xué)模型，通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定的參數(shù)控制器。本方法計(jì)算數(shù)據(jù)直接使用，也必須調(diào)整和修改工程。項(xiàng)目方法，它主要取決于我們的工程經(jīng)驗(yàn)，測(cè)試與控制系統(tǒng)，方法簡(jiǎn)單、容易實(shí)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(diǎn)是，通過(guò)測(cè)試，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式of the控制器參數(shù)整定。無(wú)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(jìn)?，F(xiàn)在一般使用比值法。 PID控制器參數(shù)的全過(guò)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(jìn)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(shí)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(duì)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(shí)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在教學(xué)中的PID控制器： （1）：錯(cuò)誤比例誤差信號(hào)來(lái)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(wú)差度。函數(shù)的積分強(qiáng)度 取決于積分時(shí)間常數(shù)，它是高的，積分作用較弱，而更強(qiáng)大。 （3）微分環(huán)節(jié)：在偏差信號(hào)的變化（變化率），和差信號(hào) 太多之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度，降低調(diào)整時(shí)間。 結(jié)論 在最近的一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度本文所設(shè)計(jì)的是倒立擺機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)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(shí)的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問(wèn)不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)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(guò)我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過(guò)。 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(dòng)，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?yàn)橛辛死蠋煹恼佌伣虒?dǎo)，才讓我學(xué)到了很多知識(shí)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(duì)我精心指導(dǎo)，在生活上面也給予我無(wú)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(shí)，同時(shí)我的生活中的也有了一個(gè)明確的目標(biāo)。知道想要什么，不再是過(guò)去的那個(gè)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(wú)私奉獻(xiàn)，寬容豁達(dá)的教學(xué)態(tài)度都是我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和提倡的。通過(guò)近半年的設(shè)計(jì)計(jì)算，查找各類倒立擺設(shè)計(jì)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?yàn)槲沂窃趺聪氲?，這是我付出的汗水獲得的成果，是我在大學(xué)四年的知識(shí)和反映。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是來(lái)自老師和同學(xué)的潛移默化讓我學(xué)到很多有用的知識(shí)，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(xiàn) [1]張福學(xué)編著.倒立擺系統(tǒng)的機(jī)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(yuǎn)編著.倒立擺機(jī)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(jī)電控制技術(shù)速查手冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12。 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