車載倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設計【含13張CAD圖紙】,含13張CAD圖紙,車載,倒立,控制系統(tǒng),優(yōu)化,設計,13,CAD,圖紙 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設計 專業(yè)； 機械設計制造及其自動化 學生： 指導老師： 摘 要 機械工業(yè)是一個國家的重要產(chǎn)業(yè)，機械工業(yè)的發(fā)展無時不刻都在影響著國家經(jīng)濟的發(fā)展，人類的進步離不開機械工業(yè)的發(fā)展。在全球經(jīng)濟發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個行業(yè)被其他國家的先進技術影響的同時，越來越多的外國企業(yè)和品牌傳播到中國已經(jīng)成為現(xiàn)實。在新的市場需求的推動下，對倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化進行改良和優(yōu)化是當務之急。有大型倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化生產(chǎn)企業(yè)對設備的安全指標的有著一定生產(chǎn)的嚴格要求。在生產(chǎn)設備的企業(yè)，充分考慮到在設備運行中可能出現(xiàn)的問題，從而減少噪聲污染引起的振動或不當操作設備的現(xiàn)象等。國內(nèi)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設備的研發(fā)及制造要與全球號召的高效經(jīng)濟、安全穩(wěn)定主題保持一致。倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的發(fā)展與人類社會的進步和科學技術的水平密切相關。 近期對機械行業(yè)中倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的使用情況進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在機械行業(yè)中倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的應用場合比比皆是。 本次的畢業(yè)設計課題的是倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設計。本文介紹了倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)構組成、工作原理以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗，該倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且安全系數(shù)高，運行平穩(wěn)。本次倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的設計，大大地提高了人們對機電控制系統(tǒng)思想覺悟，并且對后續(xù)的倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的開發(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備在國內(nèi)外的競爭力，體現(xiàn)了機械工業(yè)重要性這一核心價值。 關鍵詞：倒立擺系統(tǒng) 控制對象 強耦合系統(tǒng) 變量 Abstract 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. The?inverted?pendulum?is?a?typical?high?order?system,?with?multi-?variable,?non-linear,? strong-coupling,?fleet?and?absolutely?instable.?It?is?representative?as?an?ideal?model?to?prove?new?control?theory?and?techniques.?During?the?control?process,?pendulum?can?effectively?reflect?many?key?problems?such?as?equanimity,?robust,?follow-up?and?track,?therefore.This?paper?studies?a?control?method?of?double?inverted?pendulum?First?of?all,?the?mathematical?model?of?the?double?inverted?pendulum?is?established,?then?make?a?control?design?to?double?inverted?pendulum?on?the?mathematical?model,?and?determine?the?system?performance?index?weight?matrix??by?using?genetic?algorithm?in?order?to?attain?the?system?state?feedback?control?matrix.?Finally,?the?simulation?of?the?system?is?made?After?several?test?matrix?value?the?results?are?not?satisfactory?response,?then?we?optimize??matrix?by?using?Genetic?Algorithm.?Simulation?results?show:?The?system?response?can?meet?the?design?requirements?effectively?after?Genetic?Algorithm?optimization.? 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 第二章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構的總體設計.................................7 2.1 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構的功能需求....................................................8 2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構圖.................................................................................9 第三章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構設計............................................10 3.1控制系統(tǒng)的構成.................................................................................11 3.2控制系統(tǒng)硬件電路核心元件的選擇....................................................11 3.2.1伺服電機的工作原理及選型計算..................................................12 3.2.2伺服電機的工作原理..................................................................12 3.2.3伺服電機的選型計算..................................................................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直線導桿的選擇................................................................................17 3.5同步帶輪傳動的選擇計算...................................................................20 第四章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化中PID的控制算法的實現(xiàn)..............22 4.1PID控制算法簡介..............................................................................23 4.1.2PID控制各部分的特點.................................................................23 4.1.3PID控制器各部分參數(shù)的選定........................................................23 4.2PID控制算法的實現(xiàn)...........................................................................23 結(jié)論........................................................................................................24 致謝........................................................................................................25 參考文獻................................................................................................26 第一章 引言 1.1課題的研究背景和意義 由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠遠超越個人掌握所有，一些專業(yè)知識是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術的進步和整個塊的技術，提高外部條件變化的適應能力。封閉的專業(yè)知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業(yè)合并的分化。機械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益為目標，并研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來，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)境污染作為一個超級經(jīng)濟目標和任務。機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?，F(xiàn)代機械工程機械和機械設備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實。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，細胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學已經(jīng)開始加強，并部分代替人腦科學，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。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復雜的工作，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進和平行進化。 大腦和手之間的人工智能和機械工程的近似關系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機械制造。在過去，各種機械離不開人類的操作和控制，反應速度和運算精度的進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，計算機科學和機械工程進展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機械工程。在第十九世紀，機械工程的知識總量仍然是有限的，大學在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學科，稱為土木工程，下半場的第十九個世紀成為一門獨立的學科。在第二十世紀，隨著機械工程和知識增長的發(fā)展開始分解，機械工程專業(yè)，有分支機構。在第二十世紀中期趨勢分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時達到的峰值。由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠遠從個人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術交流，縮小范圍，新技術的進步和整個塊的技術，外部條件變化的適應能力差。封閉的專業(yè)知識的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識的專家，也有綜合的知識了解不夠，看看其他學科和項目作為一個整體，從而形成一種相互強烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機械工程全面而專業(yè)的沖突；在綜合性工程技術也有綜合和專業(yè)問題。在人類所有的知識，包括社會科學，自然科學和工程技術，有一個更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。 1.2 倒立擺系統(tǒng)的工作原理 機械產(chǎn)品的應用,其內(nèi)容主要包括選擇，訂貨，驗收，安裝，調(diào)試，運行，維護，對機械和成套機械設備工業(yè)使用維修以及改造，確保長期使用機械產(chǎn)品的可靠性和經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品在制造過程中，特別是在環(huán)境污染過度、消耗自然資源等等方面需要處理存在的問題及提供合理的處理措施。這是一個特別重要的任務，對于現(xiàn)代機械工程，其重要性日益增加。有許多種類的機械，可分為不同的類別，不同的方面，如：按功能可分為動力機械，裝卸機械，粉碎機械等；按服務的產(chǎn)業(yè)可分為農(nóng)業(yè)機械，礦山機械，紡織機械等；按工作原理可分為機械和熱流體機械，仿生機械等。此外，工作的機械性，必須在研究的過程中，經(jīng)歷了幾個不同階段的開發(fā)，設計，制造，使用等。根據(jù)機械工程的不同階段，可以分為幾個分支相互連接，相互配合的系統(tǒng)，如機械的研究，機械設計，機械制造，使用和維修等。 根據(jù)這些不同的方面為系統(tǒng)的各個分支相互交叉，相得益彰，使機械工程可分化為數(shù)百家。例如，根據(jù)動力機械的功能，并根據(jù)熱力學，流體機械的工作原理，透平機械，往復機械，動力機械，核電廠，內(nèi)燃機，燃氣輪機，并通過電力設備的工業(yè)中心，工業(yè)發(fā)電廠，鐵路機車，船舶工程，汽車工程有復雜的重疊關系。船用汽輪機是動力機械，機械，熱，流體機械，它屬于船舶動力裝置，蒸汽動力裝置，也可能屬于核電站等。在第十九世紀，對機械工程的知識總量仍然是非常有限的，在歐洲它是土木工程專業(yè)的大學，是一個綜合性的學科，稱為土木工程，在第十九世紀下半葉成為一門獨立的學科。在第二十世紀，隨著機械工程和機械工程知識的發(fā)展，開始打破，逐漸出現(xiàn)了專業(yè)化的分支。在第二十世紀中期趨勢的分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時達到了頂峰。由于機械工程的知識總量已擴大到遠離的人能全部掌握，專業(yè)是必要的。但是過度的專業(yè)知識被過度分割，視野狹窄造成的，并不是所有的視圖和統(tǒng)籌大局和整體工程，和縮小技術交流的范圍，阻礙新技術的出現(xiàn)和技術的進步，以適應不斷變化的環(huán)境條件的能力很差。關專家的專業(yè)知識過于狹窄，考慮協(xié)調(diào)，特殊困難問題的協(xié)同工作，不利于學習提高。因此，自上世紀第二十年代末，和集成的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬專業(yè)領域，對并購的專業(yè)分化。機械工程以增加生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益為目標，研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，減少資源消耗，清潔的可再生能源，開發(fā)治理，減少甚至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟的目標和任務。 機器能用他們的手和腳，人的眼睛和耳朵直接完成，并不能直接完成的工作做的更快，更好，和。現(xiàn)代機械工程機械、機械設備制造越來越復雜，越來越復雜，很多過去的幻想成為現(xiàn)實。 人類現(xiàn)在可以在天空上宇宙，潛入深海，遠遠看到數(shù)十億光年的密切觀察，細胞和分子。計算機硬件和軟件的新興科學，人類已經(jīng)開始加強，并部分代替人腦的科學和技術，是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出無法想象的奇跡。 人類智慧的增長并沒有減少手，相反，越來越多的靈巧的雙手，更復雜的工作，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，在每個人的成長過程中，腦和手是相互促進、平行進化。 大腦和手之間的人工智能與機械工程之間的近似關系，唯一不同的是，人工智能的硬件還需要用機械制造。在過去，都離不開機械操作和控制，反應速度和運算精度，是人類大腦和神經(jīng)系統(tǒng)非常緩慢的進化，人工智能將消除這種限制。相互促進計算機科學和機械工程，在平行前進，將使機械工程在更高層次上開始新一輪的發(fā)展。在第十九世紀，對機械工程的知識總量仍然是非常有限的，在歐洲它是土木工程專業(yè)的大學，是一個綜合性的學科，稱為土木工程，在第十九世紀下半葉成為一門獨立的學科。在第二十世紀，隨著機械工程和機械工程知識的發(fā)展，開始打破，逐漸出現(xiàn)分支專業(yè) 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化由計算機，I/O卡，伺服系統(tǒng)，倒立擺的驅(qū)趕和一個光電編碼器反饋測量元件組成一個閉環(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，汽車可以根據(jù)位移反饋編碼器通過轉(zhuǎn)換增益，速度信號可以通過位移差得到。通過光電編碼器2和直接反饋給I/O卡擺角和角速度信號的測量，可以得到角差。從I/O卡讀取實時數(shù)據(jù)的計算機，以確定控制決策（電機，輸出扭矩和I/O卡）。電氣控制箱控制相應的I/O卡量的內(nèi)部電路后，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使汽車是根據(jù)控制要求的運動，達到控制的目的。為兩個或兩個以上的系列級倒立擺，需要增加光電編碼器檢測擺角。實際的系統(tǒng)配置，配置I/O卡，根據(jù)需要的伺服電機和驅(qū)動器。具體倒立擺的工作原理圖如下: 傳統(tǒng)的倒立擺結(jié)構圖分別如下圖1-2-1、1-2-2、1-2-3所示： 圖1-2-1 圖1-2-2 圖1-2-3 第二章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構的總體設計 2.1 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構的功能需求 （1）需要可以任意調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的交流伺服電機配伺服驅(qū)動器一套。 （2）通過PLC控制程序能夠靈活地控制倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的運行。 （3）電壓參數(shù)：220V交流電或者48V直流電壓。 2.2系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構圖 根據(jù)課題的要求和技術指標，我們知道，該機電控制系統(tǒng)為二級倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化，其結(jié)構原理圖，已經(jīng)在上述圖示中有所表達，伺服電機配帶光電碼盤，通過伺服電機驅(qū)動同步帶輪傳動，實現(xiàn)小車的往復運動，在慣性力的作用下，擺桿1和擺桿2會隨著小車的運行而左右擺動，適時的數(shù)據(jù)會由擺桿后面配帶的光電碼盤反饋給I/O卡，PLC控制系統(tǒng)就會對I/O卡里的數(shù)據(jù)進行讀取，從而控制伺服電機的動作，其結(jié)構圖如下圖所示。 根據(jù)圖2.2.1，顯然需要直線導桿，光電碼盤，伺服電機，PLC控制箱等等功能部件，其中的每一個功能部件又都有多種選擇的余地，當我們對每一個功能部件進行分析、比較、選擇和確定后，總體方案便確定下來了。 第三章 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構設計 3.1倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的組成 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化硬件的組成主要包括：交流伺服電機、光電碼盤、直線導桿、移動小車、傳動帶輪等等。其具體結(jié)構圖如下： 3.2控制系統(tǒng)硬件核心元件的選擇 為實現(xiàn)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化各方面性能的測試，需要用到伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)，同步帶輪傳動系統(tǒng)，直線導桿裝置等等，為了便于對倒立擺系統(tǒng)的研究有一個準確的數(shù)據(jù)，必要對控制系統(tǒng)中各元件進行準確的選型計算，這樣才能對倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化中的個測試指標有一個準確的判斷。 3.2.1伺服電機的選擇及作用 2.3.2.1伺服電機的工作原理 在這次倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)構設計中，我們采用交流伺服電機驅(qū)動，伺服電機是一種最常用的電機，廣泛應用于各行各業(yè)。具有單相電容式單相異步電動機交流伺服電動機定子結(jié)構，定子上設有兩個位置90°繞組，勵磁繞組的RF，它總是連接到AC電壓UF；另一個是繞組連接控制，電壓控制信號的UC。因此，交流伺服電機和伺服電機的兩個。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常是由鼠籠，但對伺服電機的機械特性有較寬的線性范圍，速度，“旋轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應的性能，與普通電動機相比，應具有轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)動慣量小的特點。使用兩種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構：一個由導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)動慣量，轉(zhuǎn)子細長；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，響應速度快，運行穩(wěn)定，因此被廣泛應用。在控制電壓的交流伺服電機，脈沖磁場產(chǎn)生只有勵磁繞組的定子，轉(zhuǎn)子和固定。當控制電壓，將定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向轉(zhuǎn)動，在恒定負載的情況下，對控制電壓改變電機的速度的大小，相位控制電壓時相反，伺服電機反轉(zhuǎn)。 3.2.2伺服電機的選型計算 已知整個倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)構中，伺服電機所受到的負載來自移動小車的重力，擺桿的重力，光電碼盤的重力以及直線導桿的重力和各方面的摩擦力，在這里，我們?nèi)】傊亓繛?0Kg，往復的范圍為500mm~700mm，速度為1~2r/min。即： 根據(jù)本次設計，由于為了該機構的方便使用，我們選擇交流伺服電機驅(qū)動，交流伺服電機的型號是92BL-A類型的。具體的電機設計計算如下： 1）交流伺服電機設計計算 1、確定運行時間 本次設計加速時間 負載速度（m/min） 有速度可知每秒移動50mm， 2.電機轉(zhuǎn)速 3.負載轉(zhuǎn)矩 式中： TL為伺服電機的額定轉(zhuǎn)矩； 為摩擦系數(shù); PB為伺服電機的機械效率; 4.負載慣量 左右水平運動 伺服電機的負載慣量為： 總慣量為： 5.電機轉(zhuǎn)矩 啟動轉(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型號為92BL-A，采用交流電源驅(qū)動，根據(jù)電機的特性曲線以及參數(shù)表如下： 根據(jù)計算和特性曲線以及電機基本參數(shù)表，我們選用交流伺服電機的具體型號為92BL-4030H1-LK-B，電機額定功率為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。電機大致圖如下： 外形尺寸92x92x86，電機輸出軸徑為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 是一種光電編碼器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖或通過機械位移的幾何的光電傳感器的輸出軸。這是最廣泛使用的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置。光柵盤是一個長方形的洞，分多個圓板的直徑一定的。河粉。光電編碼器與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機在光二極管檢波輸出設備和其他電子元件的脈沖信號發(fā)射相同的轉(zhuǎn)速檢測，如圖1所示的示意圖；數(shù)字反映了當前電機轉(zhuǎn)速脈沖輸出的第二光電編碼器計算。此外，確定旋轉(zhuǎn)方向，編碼器也可以提供一個90畝的荷花在孝感陳螺絲鉸鏈的相位差的模仿，根據(jù)編碼器的檢測原理可分為光學，磁，電感和電容。根據(jù)標定方法及信號輸出形式，可分為增量式，絕對式和混合式三。 1.1增量式編碼器 增量式光電編碼器輸出的轉(zhuǎn)換原理三方波脈沖直接使用，B和Z；為B組，每轉(zhuǎn)脈沖相位差的兩個脈沖，定位參考點。本實用新型具有結(jié)構簡單，機械原理的優(yōu)點，在幾小時或更多的壽命數(shù)以萬計，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。缺點是不能輸出軸旋轉(zhuǎn)的絕對位置。 1.2絕對式編碼器 絕對編碼器是直接輸出數(shù)字信號的傳感器，在它的一些同心圓盤沿徑向方向的代碼，包括一批在透明和不透明的部門和相鄰扇區(qū)的代碼，是雙重的，信道編碼器的數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)是兩位數(shù)，在編碼器側(cè)光源，一個光敏元件在每個通道的另一側(cè)對應；當編碼器位置的不同，感光元件根據(jù)光并轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號對應的形式。該編碼器的特點是不計數(shù)，數(shù)字代碼可以讀取任意位置對應的軸的固定位置。顯然，碼數(shù)，分辨率越高，對于一個n位二進制分辨率的編碼器，編碼器必須N條碼道。目前，16位絕對編碼器產(chǎn)品。絕對式編碼器是利用自然循環(huán)（格萊瑪）二進制或二進制模式轉(zhuǎn)換。絕對編碼器和增量編碼器差分磁盤透明，不透明的線圖，絕對編碼器可有若干代碼，讀代碼根據(jù)編碼器，絕對位置檢測。使用二進制碼，循環(huán)碼，二進制編碼的設計等。它的特點是： 1.絕對值可以直接讀出角度坐標； 2.無累積誤差； 3電源切除后位置信息不會丟失。但是分辨率是由二進制數(shù)決定，其精度取決于直線導軌的精度誤差。 3.4直線導桿的選擇　 通過絲桿螺母連接法蘭，帶動整個醫(yī)療床裝置做上下運行，為了要保證平穩(wěn)，需要有導向裝置，這里就需要設計導向光桿和直線軸承配合整個絲桿螺母裝置。 導軌主要根據(jù)導軌副之間的摩擦情況，導軌分為： （1）滑動導軌 兩導軌之間為滑動摩擦。結(jié)構簡單，制造方便，剛度好，抗振性高，是機床上最廣泛采用的。 特點：導向精度高，不會出現(xiàn)間隙，能自動補償磨損。一般選取三角形頂角γ=90°,重型機械采用大頂角γ=110°～120°。當水平力大于垂直力，V形導軌兩側(cè)受力不均勻時，采用不對稱V形導軌。直線導軌和圓導軌均可采用 　　承載能力大，制造方便。必須留有側(cè)向間隙。不能補償磨損。用鑲條調(diào)整時，會降低導向精度。 需注意導軌的保護。直線導軌和圓導軌均可采用 尺寸緊湊，適用于要求高度小﹑導軌層數(shù)多的場合。可構成閉式導軌。用一根鑲條可以調(diào)整各面的間隙。剛度比平面導軌小。制造簡單，彎曲剛度小，主要用于受軸向載荷的導軌。適用于同時作直線和旋轉(zhuǎn)運動的場合。 （2）滾動導軌 滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當導軌與滑塊作相對運動時，鋼球就沿著導軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進入返向孔后再 進入滾道，鋼球就這樣周而復始地進行滾動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi)部。 特點： 滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉?，使滑塊與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得： 動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。 驅(qū)動功率大幅度下降，只相當于普通機械的十分之一。與V型十字交叉滾子導軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。適應高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高約10倍。能實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度。 能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 成對使用導軌副時，具有“誤差均化效應”，從而降低基礎件（導軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎件的機械制造成本與難度。導軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能。簡化了機械結(jié)構的設計和制造。 查《機械設計手冊3》第二版選取直線滾動導軌副系列，又根據(jù)機床設計要求的特點，本設計初步選擇: (1)直線滾動導軌副選取四方向等載荷型（GGB型），其特點是：垂直向上向下和左右水平額定載荷是等同的，額定載荷比較大，剛度高。 (2)尺寸規(guī)格初選45，其結(jié)構形式選擇AA 型。 (3)每根導軌上的滑塊數(shù)為2。 (6)查出全自動軸承磨床推薦的精度等級為3。 (7)導軌的材料為HT200. 初步確定直線滾動導軌的型號為GGB45AA1C123選擇用南京工藝設備制造廠的滾動直線導軌如圖: 3.5同步帶輪傳動的選擇計算 1)傳動名義功率P_=0.18kW; (2)主動輪轉(zhuǎn)速n1=1500r／min，從動輪 =350r／min; (3)中心距a=55mm左右; (4)工作情況， 8小時運轉(zhuǎn)． 求設計功率P=K0 Pm=0.3×2= 0.6Kw，式中Ko為載荷修正系數(shù) 由設計功率0.6Kw 和n =1500r／min，由查得帶的型號為XL型，對應節(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=4．286×12=51取標準帶輪齒敦=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 選擇最接近計算值的標準; 節(jié)線長(見表4)L=55.20mm; （4）計算同步帶齒數(shù)z Zb=Lp/Pb=55.20/5.08=11; （5）傳動中心距n的計算 a=Pb( Z2-Z1)／2zcosθ; 式中： inV =3．14l6 inVθ=tgθ-θ用逐步逼近法計算，θ=1．351 8(弧度)代入上式得出a=102.45與精確計算結(jié)果相似。 最后測量裝置同步帶選用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)構圖如下圖所示： 第四章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化中PID的控制算法的實現(xiàn) 4.1PID控制算法簡介 PID（Proportional?Integral?Differential）控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在20世紀40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關控制外，它是唯一的控制方式。此后，隨著科學技術的發(fā)展特別是電子計算機的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進的控制方法。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點仍然是應用最廣泛的基本控制方式之一。 ? PID控制器是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用誤差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出控制量。其中廣義被控對象包括調(diào)節(jié)閥、被控對象和測量變送元件。PID控制的基本組成都非常簡單，其優(yōu)點包括：適應性強、魯棒性強以及對型依賴少。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器產(chǎn)品已經(jīng)很多，并在工程中得到了廣泛的應用，許多大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器（intelligent?regulator），其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。包括利用PID控制實現(xiàn)壓力、溫度、流量、液位控制器以及能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC），還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。而可編程控制器（PLC）則是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制。 4.1.2PID控制各部分的特點 在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制， 簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結(jié)構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 1、比例（P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-State?Error）。 2、積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System?with?Steady-State?Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3、微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 4.1.3PID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)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特 性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 ? PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整 定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易 于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。 ? 利用臨界比例法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。 4.2PID控制算法的實現(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)與實際輸出值vou(t) 構成控制偏差：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;÷ 簡單說來，PID控制器各教正環(huán)節(jié)的作用如下： (1)?比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號error(t)，偏差一旦產(chǎn)生， 控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 (2)?積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取 決于積分時間常數(shù)IT，IT越大，積分作用越弱，反之則越強。 (3)?微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變 的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。 結(jié)論 文中設計的車載倒立擺控制系統(tǒng)具有實現(xiàn) 簡單、集成化程度高、用戶操作界面友好等優(yōu)點，將對倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化個的研究和發(fā)展起到極大的推動作用。 該系統(tǒng)通過充實的理論依據(jù)和實際的工況，圖文并茂地闡述了該系統(tǒng)的組成以及其中核心部件的作用和選型要領。通過不同的方式，來對倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的各部分要領進行闡述和計算分析，從而得出一整套合理的系統(tǒng)布局，以及各部件之間的協(xié)調(diào)的通用性。通過此次設計，讓我們學習了很多知識，相信本設計的提出，能夠大大推動廣大學者們在倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的研究中的發(fā)展，具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。 致 謝 在論文完成之際，我首先向我的導師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導師在學業(yè)上嚴格要求，精心指導，在生活上給了我無微不至的關懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學業(yè)階段的學業(yè)的同時，也學到了很多做人的道理，明確了人生目標。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的學識，實事求是的作風，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。 經(jīng)過近半年努力的設計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現(xiàn)。 四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學們身上潛移默化的學到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。 參考文獻 [1]張福學編著.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的機構及其應用.北京：電子工業(yè)出版社，2000。 [2]何發(fā)昌著，邵遠編著.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)構及應用.北京：高等教育出版社，1996。 [3]張利平著. 倒立擺機電控制技術速查手冊. 北京：化學工業(yè)出版社，2006.12。 [4]李寶仁著.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的研究和演變. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9。 [5]宋學義著. 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化在現(xiàn)實中的應用. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.3。 [6]陳奎生著.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的種類和原理 武漢：武漢理工大學出版社，2008.5。 [7]SMC（中國）有限公司. 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化器的發(fā)展歷史. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.10 [8]徐文燦著. 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的設計. 北京：機械工業(yè)出版社，1995。 [9]曾孔庚.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的發(fā)展趨勢. 機器人技術與應用論壇。 [10]壽慶豐.一種新型多功能電動倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化控制器. 機械設計1999年第3期，第3卷。 [11]高微,楊中平,趙榮飛等.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化控制優(yōu)化設計. 機械設計與制造2006.1。 [12]孫兵,趙斌,施永輝.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化控制器的研制. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫。 [13]馬光,申桂英.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫2002年。 [14]李如松.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的應用現(xiàn)狀與展望. 中國期刊全文數(shù)據(jù)庫1994年第4期。 [15]李明.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的設計.制造技術與機床2005年第7期。 [16]李杜莉，武洪恩，劉志海.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的分析. 煤礦機械2007年2月 [17]成大先主編.機械設計手冊（第三版）.北京：化學工業(yè)出版社，1994。 [18]Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. Dynamic Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vo1.9.No.1.1993。 [19]Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematicsnd Dynamics of Underactuated Manipulators.IEEE Transactions on Robotics and Automation. Vo1.9.No.4.1993。 30