二級旋轉(zhuǎn)倒立擺說明書

1、精密機械課程設(shè)計學院： 專業(yè)： 班級： 姓名： 學號： 精密機械課程設(shè)計二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺說明書 目 錄序：倒立擺簡介前 言 ：設(shè)計任務(wù)說明一、 二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺概述：結(jié)構(gòu)設(shè)計說明1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)1.2 機械結(jié)構(gòu)1.3 硬件部分1.4 軟件部分1.5 相關(guān)計算二、 二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺的系統(tǒng)使用2.1 注意事項 準備階段注意事項 裝配電腦的要求 使用注意事項2.2 系統(tǒng)使用 開機操作與電位器零位的調(diào)整方法 系統(tǒng)操作與維護三、 設(shè)計小結(jié)四、 參考資料序倒立擺系統(tǒng)是理想的自動控制教學實驗設(shè)備，使用它能全方位的滿足自動控制教學的要求。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

2、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，其基本模塊既可是一維直線運動平臺或旋轉(zhuǎn)運動平臺，也可以是兩維運動平臺。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動員倒立平衡表演技巧有異曲同工之處，極富趣味性，學習自動控制課程的學生通過使用它來驗證所學的控制理論和算法，加深對所學課程的理解。由于倒立擺系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計和制造，成本廉價，因此在歐美發(fā)達國家的高等院校，它已成為常見的控制教學設(shè)備。同時由于倒立擺系統(tǒng)的高

3、階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合特性，許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為研究對象，并不斷從中發(fā)掘出新的控制理論和控制方法。因此，倒立擺系統(tǒng)也是進行控制理論研究的理想平臺。直線運動型倒立擺外形美觀、緊湊、可靠性好。除了為每個子系列提供模塊化的實現(xiàn)方案外，其控制系統(tǒng)的軟件平臺采用開放式結(jié)構(gòu)，使學生建立不同的模型，驗證不同的控制算法，供不同層次的學生進行實驗和研究。由于采用了運動控制器和伺服電機進行實時運動控制，以及齒型帶傳動，固高公司的倒立擺系統(tǒng)還是一個典型的機電一體化教學實驗平臺，可以用來進行各種電機拖動、定位和速度跟蹤控制實驗，讓學生理解和掌握機電一體化產(chǎn)品的部件特征和系統(tǒng)集成方法。前

4、 言設(shè)計任務(wù)說明：現(xiàn)代科技發(fā)展，推動傳統(tǒng)教學方式的改革，迫使教學著眼培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力和實際操作能力。本次課程設(shè)計是精密機械設(shè)計課的重要組成部分，是打好技術(shù)基礎(chǔ)和進行技能訓練的重要環(huán)節(jié)。我們小組研制的二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)，是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，采用內(nèi)置DSP運動控制器和力矩電機進行實時運動控制。二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺，及其功能擴展后的位置伺服系統(tǒng)，為自動控制理論，計算機控制系統(tǒng)等課程的教學和研究，提供了這類課程全方位的教學實驗平臺，同時它讓學生理解和掌握機電一體化產(chǎn)品的部件特征和系統(tǒng)集成方法。倒立擺及其功能擴展的位置伺服系統(tǒng)作為一種自動控制教學實驗設(shè)備，能夠全面地滿足自動控制教學的要求。許多抽

5、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，都可以通過實驗裝置直觀的表現(xiàn)出來。倒立擺的控制技巧，極富趣味性，很適合學習自動控制課程的學生使用它來驗證所學的控制理論和算法，加深對所學課程的理解?；贒SP的旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)的最大特點是機械結(jié)構(gòu)簡單、可靠，成本低廉、體積小，是高等院校理想的自動控制教學的實驗設(shè)備。除教學用途之外，由于倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強耦合等特性，許多控制理論的研究人員一直將它作為研究對象，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器人學方面獲得了廣泛的應用。因此，倒立擺設(shè)備也是進行控制理論研究的理想平臺。二級旋

6、轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)可以方便地構(gòu)成一個位置控制系統(tǒng)的被控對象，并配置由運算放大器組成的校正網(wǎng)絡(luò)實驗箱，構(gòu)成位置控制系統(tǒng)進行經(jīng)典控制理論（調(diào)節(jié)原理）的教學實驗。也可用VC+6.0實現(xiàn)模擬運算放大器校正網(wǎng)絡(luò)的功能。通過微機配置的調(diào)節(jié)原理實驗軟件，在計算機上實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、時域特性、頻域特性分析和品質(zhì)校正的實驗。此外，配置計算機控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計等課程的相關(guān)軟件，用于控制系統(tǒng)設(shè)計類課程的實驗。綜上所述，二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)的系列產(chǎn)品是一個多功能的教學實驗平臺，產(chǎn)品使用DSP芯片來控制倒立擺，有利于系統(tǒng)的小型化，控制更加快速，抗干擾性強，控制品質(zhì)有很大提高，可用于多門課程的教學實驗。為教學和

7、研究提供了現(xiàn)代實驗裝備和手段。一 、 二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺概述1.1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺系統(tǒng)采用DSP作控制器，由直流力矩電機直接驅(qū)動，能夠獨立執(zhí)行實時控制算法，脫離計算機直接運行；也可以通過RS-232C串行通訊接口用計算機控制，進行在線控制算法調(diào)試，是具有獨立控制能力和標準通訊接口的專用智能實驗設(shè)備。它的DSP部分、電源與電機驅(qū)動部分全部安裝在機箱內(nèi)，采用這樣封閉式的結(jié)構(gòu)，不易人為損壞。運動部分安裝在機箱上，整體結(jié)構(gòu)比較緊湊、合理。圖1是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的組成框圖及工作原理如圖2所示。圖2 系統(tǒng)框圖1.2、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中各部分為：

8、1旋臂，2擺桿，3電位器，4直流力矩電機，5支架，6機箱，7電源開關(guān)一些器件的參數(shù)如下：1. 機箱尺寸：360 mm×240 mm×90mm，旋臂尺寸：300mm×20mm×10mm：，擺桿尺寸：15mm×250mm，15mm×200mm，支架高度：400mm。2. 旋臂質(zhì)量（包括電位器2）：200g；擺桿質(zhì)量：50g。兩者都采用鋁合金材料。3. 測量電位器：WDD35D導電塑料電位器，阻值：1K，獨立線性度：0.1%，壽命達5000萬轉(zhuǎn)。4. 直流力矩電機：70LY53永磁直流力矩電動機，堵轉(zhuǎn)電壓：Uf=27V，滿額電流：If=2.

9、26A，堵轉(zhuǎn)力矩：Mf=0.627Nm，最大空載轉(zhuǎn)速：Nomax=900r/min。圖3、機械結(jié)構(gòu)圖1.3、硬件部分1. 以TMS320F240 DSP控制器為核心器件， 這是TI公司專門為電機控制系統(tǒng)設(shè)計的，具有強大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的片內(nèi)外設(shè)模塊。能夠獨立執(zhí)行實時控制算法，也可以通過RS-232C串行總線與計算機通訊。其主要的性能指標如下：1) 高速靜態(tài)CMOS工藝，16位定點數(shù)字信號處理器，50ns指令周期。2) 224K ×16位字的尋址能力（程序、局部數(shù)據(jù)、IO各64K，全局數(shù)據(jù)32K），544字×16位片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序雙口（Dual-Access）RAM，16K

10、字×16位片內(nèi)閃速存儲器（FLASH）。3) 雙10位ADC單元，各有8路輸入，能夠在10s內(nèi)同時實現(xiàn)兩路轉(zhuǎn)換。4) 12路比較/脈沖調(diào)寬（PWM）輸出，直接針對電機控制系統(tǒng)設(shè)計。5) 串行通訊接口：支持RS-232標準的串行通訊。6) 具有可編程中斷系統(tǒng)、事件管理模塊、看門狗電路、鎖相環(huán)時鐘及基于掃描的仿真接口（JTAG標準）。2. 20V直流穩(wěn)壓電源由集成電路LM317提供，輸出電流可達1.5A， 5V 直流穩(wěn)壓電源由集成電路7805提供。3. 電機驅(qū)動部分采用PWM工作方式的芯片A3952SW。將DSP單元送出的PWM和DIR信號進行合成放大，驅(qū)動電機工作。4. 變壓器型號R8

11、0，功率72W，空載電流7mA，頻率50Hz，初級輸入電壓220v。5. 與計算機通訊，采用RS-232串行通訊接口。1.4、軟件部分軟件系統(tǒng)包括DSP和PC兩個部分。1. PC軟件編程語言 Microsoft VC+ 6.0。2. 控制周期是10ms，界面上的顯示刷新周期是50ms。3. DSP軟件編程利用CC編譯器。4. 提供以下兩種基本的運行方式： 1) 聯(lián)機調(diào)試方式：由PC進行控制，DSP只是作為PC的采樣和控制輸出接口單元使用，自身不進行算法處理。2) 脫機運行方式：由DSP獨立進行控制，此時，DSP仍然可以利用串行通訊接口將實時控制數(shù)據(jù)發(fā)送到PC中，但是，PC只是用作觀測、分析運行

12、數(shù)據(jù)。5. 具有良好的人-機界面，可以很方便地進行算法調(diào)試。1.5、相關(guān)計算在忽略了空氣流動，各種摩擦之后，可將倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)，如下圖2所示圖2 單級倒立擺模型示意圖那我們在本實驗中定義如下變量：M 小車質(zhì)量 （本實驗系統(tǒng) 0.5 Kg）m 擺桿質(zhì)量 （本實驗系統(tǒng) 0.2 Kg）b 小車摩擦系數(shù) （本實驗系統(tǒng) 0.1 N/m/sec）l 擺桿轉(zhuǎn)動軸心到桿質(zhì)心的長度（0.3 m）I 擺桿慣量 （0.006 kg*m*m）F 加在小車上的力 x 小車位置 擺桿與垂直向上方向的夾角 擺桿與垂直向下方向的夾角（考慮到擺桿初始位置為豎直向下）下面我們對這個系統(tǒng)作一下受力分析。下圖

13、3是系統(tǒng)中小車和擺桿的受力分析圖。其中，和為小車與擺桿相互作用力的水平和垂直方向的分量。注意：在實際倒立擺系統(tǒng)中檢測和執(zhí)行裝置的正負方向已經(jīng)完全確定，因而矢量方向定義如圖，圖示方向為矢量正方向。圖3 倒立擺模型受力分析分析小車水平方向所受的合力，可以得到等式：應用Newton方法來建立系統(tǒng)的動力學方程過程如下：分析小車水平方向所受的合力，可以得到以下方程：由擺桿水平方向的受力進行分析可以得到下面等式：即 把這個等式代入上式中，就得到系統(tǒng)的第一個運動方程： （1）為了推出系統(tǒng)的第二個運動方程，我們對擺桿垂直方向上的合力進行分析，可以得到下面方程：力矩平衡方程如下：注意：此方程中力矩的方向，由于，

14、故等式前面有負號。合并這兩個方程，約去和，由得到第二個運動方程： （2）設(shè)（是擺桿與垂直向上方向之間的夾角），假設(shè)與1（單位是弧度）相比很小，即1，則可以進行近似處理：，。用來代表被控對象的輸入力，線性化后兩個運動方程如下： （3）參數(shù)可行性計算：轉(zhuǎn)軸承受應力：t=T/W=T/0.2d3=3.15N/mm<t45號剛 t=29.439.2懸臂承受應力: (屈服應力)=F/A=1.63Mpa< =140Mpa電機扭矩M=FL=0.588Nm<0.627NmMf=0.627Nm二、二級旋轉(zhuǎn)式倒立擺的系統(tǒng)使用2.1、注意事項、準備階段注意事項1. 手提支架將倒立擺放置在具有一定強度

15、且平穩(wěn)的實驗臺上。2. 檢查倒立擺有無損壞，螺釘是否松動，尤其軸向連接部位是否松動。3. 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、電位器、機箱等）1電源線1使用說明書1、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、 機器內(nèi)裝有VC+6.0軟件；D、 PC機中裝有MATLAB6.1軟件；、使用注意事項1、倒立擺裝置要擺放在有足夠強度和穩(wěn)度的水平桌面上。2、 置兩端要有足夠的空間，使得旋臂和擺桿能夠自由地晃動。有關(guān)人員應避免站在擺的左右方，以免造成傷害。3、不要在高溫和潮濕的環(huán)境中使用該設(shè)備。4、 進行系統(tǒng)連線、拆卸與安裝前，必

16、須關(guān)閉系統(tǒng)所有電源。2.2、系統(tǒng)使用、倒立擺的開機操作及電位器零位調(diào)整方法1. 倒立擺放在平整的桌面上，在桌子的附近要有一臺電腦。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，若有螺絲松動請上緊！2. 打開倒立擺的電源，打開電源的同時最好用手扶助擺桿，當擺桿和懸臂打到倒立擺黑色固定限位墊圈時等待大概30秒的時間懸臂開始震動，此時用手輕輕的扶助懸臂和擺桿到倒立的位置，倒立擺就可以正常工作了。3、以上操作倒立擺不能正常工作，此時可以關(guān)掉電源然后重新打開電源，再重復以上的操作。如果多次開關(guān)機后仍然不能正常工作，可以判斷電位器的零位不對，需要調(diào)整倒立擺電位

17、器的零位。以下重點介紹電位器的零位調(diào)整方法：1、 首先關(guān)掉電源，然后放倒倒立擺打開倒立擺的底蓋，拔掉電源板上電機線插頭（電源板上有散熱器很好確認，電機線插頭在集成塊A3952附近，兩芯的大插頭）。2、 松開倒立擺的電位器固定螺絲參照圖4：A、B、C、D、E五個螺絲然后用一字螺絲刀調(diào)整電位器調(diào)節(jié)處T1、T2就行了。 圖4 注： 倒立擺電位器零位調(diào)整參照圖（先松開A、B、C、D、E等5個電位器固定螺絲，再調(diào)T1、T2電位器調(diào)節(jié)處3、 打開倒立擺的電源觀察PC上顯示的和倒立擺實際的位置是否一致，如果不一致調(diào)節(jié)T1、T2使得倒立擺實際的位置和PC中顯示的位置一樣就行了。4、 調(diào)節(jié)完畢后固定螺絲，固定時

18、千萬要小心先固定B然后固定C、D、E最后固定A。5、 螺絲固定后，看此時倒立擺的擺桿和懸臂位置是否和PC顯示的一致，若此時還是一致說明電位器的零位調(diào)節(jié)成功！關(guān)掉倒立擺電源。6、 插上電源板上電機插頭（紅、黑兩色），上好底蓋。7、 打開倒立擺此時倒立擺應該能正常工作了。系統(tǒng)操作與維護1. 脫機控制（不需要計算機直接用倒立擺內(nèi)部的DSP控制）倒立擺的脫機控制：無需與計算機連接，由DSP獨立完成控制功能。接通電源后，打開倒立擺開關(guān)，旋臂將帶動擺桿擺起到倒立位置附近，（必要時用手扶到中間位置，）倒立擺保持平衡運動狀態(tài)。2系統(tǒng)維護1)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)動部分及DSP部分拆

19、開，進行維修調(diào)整。2)擺桿擺動時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。3)由于意外使倒立擺發(fā)生撞擊或摔打，倒立擺無法實現(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。三、設(shè)計小結(jié)1. 過程總結(jié)剛開始拿到任務(wù)的時候，我們很彷徨，完全不知道該如何去設(shè)計。從網(wǎng)上不斷查資料，只是知道了這個裝備的工作原理，但是毫無設(shè)計思路。期間，不曾一次想放棄，換一個更加簡單的題目。但是由于不想放棄這一次親自動手的機會，我們并未更換題目，而是堅持做這個題目。在迷茫中，我們一直躑躅，感覺以我們現(xiàn)在的能力不可能獨立完成這個任務(wù)。但是，在制作過程中，我們漸漸明白了這

20、個機構(gòu)的工作原理，以及有了設(shè)計思路。第一次設(shè)計過程中，我們摸索著只制作了一個一級的倒立擺。盡管老師批準了我們可以做這個，我們這時卻已經(jīng)明白了設(shè)計的理念，覺得這樣太簡單了，一是不符合開始的規(guī)定要求，其次也讓我們工作的成就感大打折扣。盡管已經(jīng)完成了裝配圖，我們毫不猶豫的把整張圖都擦掉了，并且從新畫了一份新的裝配圖。盡管過程中不管有細節(jié)需要修改，但是我們卻越來越有信心。每一次解決一個設(shè)計難題，我們的心里都會有莫大的成就感。隨著裝配圖的最終成型，我們的勝利的喜悅感油然而生。我們這個機構(gòu)的零件圖很簡單，不怎么麻煩的就完成了。在最后說明書的時候，也遇到不少困難。例如應力的那些計算。盡管都是曾經(jīng)學過的知識，

21、但是我們都只有模糊的印象，具體的公式參數(shù)都已忘記。只能從新翻書查閱，把曾經(jīng)的知識再次學習一遍。盡管設(shè)計過程看起來枯燥無聊，但是其中不乏一些令人情趣盎然的亮點。比如在開始查閱資料的時候，我們找到的大多數(shù)都是直線倒立擺的資料，旋轉(zhuǎn)倒立擺的資料相對較少。每每找到一份旋轉(zhuǎn)倒立擺的資料，都會讓我們興奮半天。然而，找到的資料也不是都能夠使用。在我們找到的資料中，大部分都是和算法有關(guān)的，根本沒有機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。我們只好摸著石頭過河，根據(jù)他們的輪廓圖以及自己的設(shè)想，逐步完成設(shè)計。再設(shè)計過程中，那個支架完全來自我們自身的創(chuàng)意。既節(jié)省了材料，又增加了美觀度。盡管并不是什么偉大的設(shè)計，但是讓我們頗為自豪。在一些配件的選擇過程及結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我們也會出現(xiàn)不同的意見，也會發(fā)生爭執(zhí)。這些爭執(zhí)，促使我們更深入的是了解相關(guān)知識，讓我們對與結(jié)構(gòu)等有了更深入的認識，收獲很大。2. 改進設(shè)想1.部分材料可能可以選取更輕便的材料2.部分結(jié)構(gòu)可以合并到一起，減少工藝結(jié)構(gòu)