車(chē)載倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)【含13張CAD圖紙】

車(chē)載倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)【含13張CAD圖紙】,含13張CAD圖紙,車(chē)載,倒立,控制系統(tǒng),優(yōu)化,設(shè)計(jì),13,CAD,圖紙 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 專(zhuān)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(lèi)的進(jìn)步離不開(kāi)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)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行改良和優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急。有大型倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化生產(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)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設(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。倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的發(fā)展與人類(lèi)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)中倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的使用情況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在機(jī)械行業(yè)中倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的應(yīng)用場(chǎng)合比比皆是。 本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的是倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文介紹了倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(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)，該倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)是高效，經(jīng)濟(jì)，并且安全系數(shù)高，運(yùn)行平穩(wěn)。本次倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的設(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)的倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的開(kāi)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 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(gòu)的總體設(shè)計(jì).................................7 2.1 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的功能需求....................................................8 2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖.................................................................................9 第三章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(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(pán)的工作原理及作用................................................................13 3.3.1光電碼盤(pán)的工作原理..................................................................14 3.4直線(xiàn)導(dǎo)桿的選擇................................................................................17 3.5同步帶輪傳動(dòng)的選擇計(jì)算...................................................................20 第四章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化中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(zhuān)業(yè)知識(shí)是必不可少的。但是過(guò)度的專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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(kāi)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)。現(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(lèi)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(guān)察，細(xì)胞和分子。電子計(jì)算機(jī)硬件和軟件，人類(lèi)的新興科學(xué)已經(jīng)開(kāi)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(lèi)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(lèi)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(kāi)人類(lèi)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(kāi)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(mén)綜合性的學(xué)科，稱(chēng)為土木工程，下半場(chǎng)的第十九個(gè)世紀(jì)成為一門(mén)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(kāi)始分解，機(jī)械工程專(zhuān)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(zhuān)業(yè)是必不可少的。但是過(guò)度的專(zhuān)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(zhuān)業(yè)知識(shí)的專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)業(yè)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的專(zhuān)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(zhuān)業(yè)水平。有機(jī)械工程全面而專(zhuān)業(yè)的沖突；在綜合性工程技術(shù)也有綜合和專(zhuān)業(yè)問(wèn)題。在人類(lèi)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(zhuān)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,其內(nèi)容主要包括選擇，訂貨，驗(yàn)收，安裝，調(diào)試，運(yùn)行，維護(hù)，對(duì)機(jī)械和成套機(jī)械設(shè)備工業(yè)使用維修以及改造，確保長(zhǎng)期使用機(jī)械產(chǎn)品的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品在制造過(guò)程中，特別是在環(huán)境污染過(guò)度、消耗自然資源等等方面需要處理存在的問(wèn)題及提供合理的處理措施。這是一個(gè)特別重要的任務(wù)，對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械工程，其重要性日益增加。有許多種類(lèi)的機(jī)械，可分為不同的類(lèi)別，不同的方面，如：按功能可分為動(dòng)力機(jī)械，裝卸機(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；按工作原理可分為機(jī)械和熱流體機(jī)械，仿生機(jī)械等。此外，工作的機(jī)械性，必須在研究的過(guò)程中，經(jīng)歷了幾個(gè)不同階段的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)，制造，使用等。根據(jù)機(jī)械工程的不同階段，可以分為幾個(gè)分支相互連接，相互配合的系統(tǒng)，如機(jī)械的研究，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)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(gè)分支相互交叉，相得益彰，使機(jī)械工程可分化為數(shù)百家。例如，根據(jù)動(dòng)力機(jī)械的功能，并根據(jù)熱力學(xué)，流體機(jī)械的工作原理，透平機(jī)械，往復(fù)機(jī)械，動(dòng)力機(jī)械，核電廠(chǎng)，內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，并通過(guò)電力設(shè)備的工業(yè)中心，工業(yè)發(fā)電廠(chǎng)，鐵路機(jī)車(chē)，船舶工程，汽車(chē)工程有復(fù)雜的重疊關(guān)系。船用汽輪機(jī)是動(dòng)力機(jī)械，機(jī)械，熱，流體機(jī)械，它屬于船舶動(dòng)力裝置，蒸汽動(dòng)力裝置，也可能屬于核電站等。在第十九世紀(jì)，對(duì)機(jī)械工程的知識(shí)總量仍然是非常有限的，在歐洲它是土木工程專(zhuān)業(yè)的大學(xué)，是一個(gè)綜合性的學(xué)科，稱(chēng)為土木工程，在第十九世紀(jì)下半葉成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機(jī)械工程和機(jī)械工程知識(shí)的發(fā)展，開(kāi)始打破，逐漸出現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)化的分支。在第二十世紀(jì)中期趨勢(shì)的分解，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)到了頂峰。由于機(jī)械工程的知識(shí)總量已擴(kuò)大到遠(yuǎn)離的人能全部掌握，專(zhuān)業(yè)是必要的。但是過(guò)度的專(zhuān)業(yè)知識(shí)被過(guò)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(shù)交流的范圍，阻礙新技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)的進(jìn)步，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件的能力很差。關(guān)專(zhuān)家的專(zhuān)業(yè)知識(shí)過(guò)于狹窄，考慮協(xié)調(diào)，特殊困難問(wèn)題的協(xié)同工作，不利于學(xué)習(xí)提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，和集成的趨勢(shì)。人們?cè)絹?lái)越重視基礎(chǔ)理論，拓寬專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，對(duì)并購(gòu)的專(zhuān)業(yè)分化。機(jī)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)效益為目標(biāo)，研制和發(fā)展新的機(jī)械產(chǎn)品。在未來(lái)，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，減少資源消耗，清潔的可再生能源，開(kāi)發(fā)治理，減少甚至消除環(huán)境污染作為超經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)和任務(wù)。 機(jī)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?，F(xiàn)代機(jī)械工程機(jī)械、機(jī)械設(shè)備制造越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越復(fù)雜，很多過(guò)去的幻想成為現(xiàn)實(shí)。 人類(lèi)現(xiàn)在可以在天空上宇宙，潛入深海，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看到數(shù)十億光年的密切觀(guān)察，細(xì)胞和分子。計(jì)算機(jī)硬件和軟件的新興科學(xué)，人類(lèi)已經(jīng)開(kāi)始加強(qiáng)，并部分代替人腦的科學(xué)和技術(shù)，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(lái)幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出無(wú)法想象的奇跡。 人類(lèi)智慧的增長(zhǎng)并沒(méi)有減少手，相反，越來(lái)越多的靈巧的雙手，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(lèi)的進(jìn)化過(guò)程中，在每個(gè)人的成長(zhǎng)過(guò)程中，腦和手是相互促進(jìn)、平行進(jìn)化。 大腦和手之間的人工智能與機(jī)械工程之間的近似關(guān)系，唯一不同的是，人工智能的硬件還需要用機(jī)械制造。在過(guò)去，都離不開(kāi)機(jī)械操作和控制，反應(yīng)速度和運(yùn)算精度，是人類(lèi)大腦和神經(jīng)系統(tǒng)非常緩慢的進(jìn)化，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，在平行前進(jìn)，將使機(jī)械工程在更高層次上開(kāi)始新一輪的發(fā)展。在第十九世紀(jì)，對(duì)機(jī)械工程的知識(shí)總量仍然是非常有限的，在歐洲它是土木工程專(zhuān)業(yè)的大學(xué)，是一個(gè)綜合性的學(xué)科，稱(chēng)為土木工程，在第十九世紀(jì)下半葉成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機(jī)械工程和機(jī)械工程知識(shí)的發(fā)展，開(kāi)始打破，逐漸出現(xiàn)分支專(zhuān)業(yè) 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化由計(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(xiàn)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(chē)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(chē)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 第二章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 2.1 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(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控制系統(tǒng)優(yōu)化的運(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)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化，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(pán)，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(chē)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(chē)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(pán)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(xiàn)導(dǎo)桿，光電碼盤(pán)，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 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jī)、光電碼盤(pán)、直線(xiàn)導(dǎo)桿、移動(dòng)小車(chē)、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)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化各方面性能的測(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(xiàn)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)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化中的個(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 在這次倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(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(xiàn)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)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)中，伺服電機(jī)所受到的負(fù)載來(lái)自移動(dòng)小車(chē)的重力，擺桿的重力，光電碼盤(pán)的重力以及直線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)以及參數(shù)表如下： 根據(jù)計(jì)算和特性曲線(xiàn)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(pán)的工作原理及作用 3.3.1光電碼盤(pán)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(guò)機(jī)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(pán)和光電檢測(cè)裝置。光柵盤(pán)是一個(gè)長(zhǎng)方形的洞，分多個(gè)圓板的直徑一定的。河粉。光電編碼器與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)在光二極管檢波輸出設(shè)備和其他電子元件的脈沖信號(hào)發(fā)射相同的轉(zhuǎn)速檢測(cè)，如圖1所示的示意圖；數(shù)字反映了當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖輸出的第二光電編碼器計(jì)算。此外，確定旋轉(zhuǎn)方向，編碼器也可以提供一個(gè)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(cè)原理可分為光學(xué)，磁，電感和電容。根據(jù)標(biāo)定方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式，絕對(duì)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(gè)脈沖，定位參考點(diǎn)。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械原理的優(yōu)點(diǎn)，在幾小時(shí)或更多的壽命數(shù)以萬(wàn)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。缺點(diǎn)是不能輸出軸旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置。 1.2絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字信號(hào)的傳感器，在它的一些同心圓盤(pán)沿徑向方向的代碼，包括一批在透明和不透明的部門(mén)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(gè)光敏元件在每個(gè)通道的另一側(cè)對(duì)應(yīng)；當(dāng)編碼器位置的不同，感光元件根據(jù)光并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的形式。該編碼器的特點(diǎn)是不計(jì)數(shù)，數(shù)字代碼可以讀取任意位置對(duì)應(yīng)的軸的固定位置。顯然，碼數(shù)，分辨率越高，對(duì)于一個(gè)n位二進(jìn)制分辨率的編碼器，編碼器必須N條碼道。目前，16位絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。絕對(duì)式編碼器是利用自然循環(huán)（格萊瑪）二進(jìn)制或二進(jìn)制模式轉(zhuǎn)換。絕對(duì)編碼器和增量編碼器差分磁盤(pán)透明，不透明的線(xiàn)圖，絕對(duì)編碼器可有若干代碼，讀代碼根據(jù)編碼器，絕對(duì)位置檢測(cè)。使用二進(jìn)制碼，循環(huán)碼，二進(jìn)制編碼的設(shè)計(jì)等。它的特點(diǎn)是： 1.絕對(duì)值可以直接讀出角度坐標(biāo)； 2.無(wú)累積誤差； 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)制數(shù)決定，其精度取決于直線(xiàn)導(dǎo)軌的精度誤差。 3.4直線(xiàn)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(xiàn)軸承配合整個(gè)絲桿螺母裝置。 導(dǎo)軌主要根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為： （1）滑動(dòng)導(dǎo)軌 兩導(dǎo)軌之間為滑動(dòng)摩擦。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，剛度好，抗振性高，是機(jī)床上最廣泛采用的。 特點(diǎn)：導(dǎo)向精度高，不會(huì)出現(xiàn)間隙，能自動(dòng)補(bǔ)償磨損。一般選取三角形頂角γ=90°,重型機(jī)械采用大頂角γ=110°～120°。當(dāng)水平力大于垂直力，V形導(dǎo)軌兩側(cè)受力不均勻時(shí)，采用不對(duì)稱(chēng)V形導(dǎo)軌。直線(xiàn)導(dǎo)軌和圓導(dǎo)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(bǔ)償磨損。用鑲條調(diào)整時(shí)，會(huì)降低導(dǎo)向精度。 需注意導(dǎo)軌的保護(hù)。直線(xiàn)導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌均可采用 尺寸緊湊，適用于要求高度小﹑導(dǎo)軌層數(shù)多的場(chǎng)合。可構(gòu)成閉式導(dǎo)軌。用一根鑲條可以調(diào)整各面的間隙。剛度比平面導(dǎo)軌小。制造簡(jiǎn)單，彎曲剛度小，主要用于受軸向載荷的導(dǎo)軌。適用于同時(shí)作直線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。 （2）滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成。當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再 進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。 特點(diǎn)： 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉颍够瑝K與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而獲得： 動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。 驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一。與V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。適應(yīng)高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍。能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。 能實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度。 成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機(jī)械制造成本與難度。導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點(diǎn)接觸時(shí)大大提高，滾動(dòng)摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機(jī)械性能。簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3》第二版選取直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副系列，又根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)要求的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)初步選擇: (1)直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副選取四方向等載荷型（GGB型），其特點(diǎn)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(gòu)形式選擇AA 型。 (3)每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)為2。 (6)查出全自動(dòng)軸承磨床推薦的精度等級(jí)為3。 (7)導(dǎo)軌的材料為HT200. 初步確定直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)為GGB45AA1C123選擇用南京工藝設(shè)備制造廠(chǎng)的滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌如圖: 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=0.3×2= 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=4．286×12=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(xiàn)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(xiàn)長(zhǎng)(見(jiàn)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： 第四章倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化中PID的控制算法的實(shí)現(xiàn) 4.1PID控制算法簡(jiǎn)介 PID（Proportional?Integral?Differential）控制是比例積分微分控制的簡(jiǎn)稱(chēng)。在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。在20世紀(jì)40年代以前，除在最簡(jiǎn)單的情況下可采用開(kāi)關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進(jìn)的控制方法。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然是應(yīng)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(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出控制量。其中廣義被控對(duì)象包括調(diào)節(jié)閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送元件。PID控制的基本組成都非常簡(jiǎn)單，其優(yōu)點(diǎn)包括：適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)以及對(duì)型依賴(lài)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(yīng)用，許多大公司均開(kāi)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(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。包括利用PID控制實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、流量、液位控制器以及能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器（PLC），還有可實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制。 4.1.2PID控制各部分的特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)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(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近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)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，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)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 1、比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)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(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，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)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)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(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)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(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，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，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)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(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特 性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 ? PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整 定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易 于掌握，在工程實(shí)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(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。 ? 利用臨界比例法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)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(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 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(xiàn)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)單說(shuō)來(lái)，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(hào)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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取 決于積分時(shí)間常數(shù)IT，IT越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 (3)?微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變 的太大之前，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)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 結(jié)論 文中設(shè)計(jì)的車(chē)載倒立擺控制系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)單、集成化程度高、用戶(hù)操作界面友好等優(yōu)點(diǎn)，將對(duì)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化個(gè)的研究和發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用。 該系統(tǒng)通過(guò)充實(shí)的理論依據(jù)和實(shí)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(lǐng)。通過(guò)不同的方式，來(lái)對(duì)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的各部分要領(lǐng)進(jìn)行闡述和計(jì)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(guò)此次設(shè)計(jì)，讓我們學(xué)習(xí)了很多知識(shí)，相信本設(shè)計(jì)的提出，能夠大大推動(dòng)廣大學(xué)者們?cè)诘沽[控制系統(tǒng)優(yōu)化的研究中的發(fā)展，具有一定的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 致 謝 在論文完成之際，我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求，精心指導(dǎo)，在生活上給了我無(wú)微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學(xué)業(yè)階段的學(xué)業(yè)的同時(shí)，也學(xué)到了很多做人的道理，明確了人生目標(biāo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)，實(shí)事求是的作風(fēng)，平易近人、寬以待人和豁達(dá)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(guò)近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，論文終于可以完成了，我的心里無(wú)比的激動(dòng)。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?yàn)樗俏矣眯?、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來(lái)對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用和體現(xiàn)。 四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周?chē)睦蠋熀屯瑢W(xué)們身上潛移默化的學(xué)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(xiàn) [1]張福學(xué)編著.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的機(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.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的結(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。 [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(jī)械工業(yè)出版社，1999.9。 [5]宋學(xué)義著. 倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用. 北京：機(jī)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(lèi)和原理 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.5。 [7]SMC（中國(guó)）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(jī)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(shè)計(jì). 北京：機(jī)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(shì). 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用論壇。 [10]壽慶豐.一種新型多功能電動(dòng)倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化控制器. 機(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)計(jì). 機(jī)械設(shè)計(jì)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(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)。 [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(shì). 中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)2002年。 [14]李如松.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望. 中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)1994年第4期。 [15]李明.倒立擺控制系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計(jì).制造技術(shù)與機(jī)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(jī)械2007年2月 [17]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994。 [18]Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. 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