機械手終端微控制器

1、 本科生課程設(shè)計(報告題目: 自動控制原理課程設(shè)計 機械手終端執(zhí)行器微機控制合作者:班級:指導(dǎo)教師2010年 12月 23 日自動控制實習(xí)報告一、課程設(shè)計目的:針對具體的設(shè)計對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,然后運用經(jīng)典控制理論知識設(shè)計控制器,并應(yīng)用Matlab進(jìn)行仿真分析。通過本次課程設(shè)計,建立理論知識與實體對象之間的聯(lián)系,加深和鞏固所學(xué)的控制理論知識,增加工程實踐能力。二、課程設(shè)計參數(shù)與要求:1、控制設(shè)計對象結(jié)構(gòu)示意圖 2、機構(gòu)特征(1電機的負(fù)載有兩部分,其一是克服摩擦力矩M f=2×10-2 Nm,其二是產(chǎn)生被控對象的慣性矩。(2電機驅(qū)動輪的半徑為0.025m,質(zhì)量為1kg。(3電壓變電流的放

2、大倍數(shù)為:K I=1 A/V(4電流變力矩的放大倍數(shù)為K T=0.5 Nm/A(5傳感器的變換系數(shù)為K0=0.83 V/mm(7彈性襯墊的壓縮量為(5mm8mm時可壓緊容器又不至于損壞容器,期望壓縮量為6mm。3、控制結(jié)構(gòu)框圖 4為滿足快速性要求,把控制階段分為三個階段:(1加速階段,初始位置為夾鉗最大開度0.2m,加速時間為0.5s。(2減速階段,起始階段為夾鉗接觸玻璃容器開始,減速最大行程為5mm,以上兩個階段采用開環(huán)控制,以提高響應(yīng)速度。(3位置閉環(huán)控制,這時傳感器開始有輸出,起始位置為減速結(jié)束時的位置。 (4要求抓取時的動作快且不損壞%=15%,ts 1.5s ,精度0.1mm.三、問

3、題的理論分析:1、控制系統(tǒng)模型首先根據(jù)電動機輸出轉(zhuǎn)矩與電動機轉(zhuǎn)子角速度之間的關(guān)系f M M dtd J=其中:J 為轉(zhuǎn)動慣量;J=rdrd r R m R 22002=3.125;410×為電動機轉(zhuǎn)子角速度; M 電動機輸出電磁轉(zhuǎn)矩;摩擦轉(zhuǎn)矩;R 電動機驅(qū)動輪半徑。f M 又因為dt d =,則f M M dtd J =22,其中為轉(zhuǎn)子角位移; 另外,R y =。對以上兩式去拉氏變換=Rs s Y s M s M s Js f (2可以得到R Js s M s M s Y f 2(=,2(JsRs M s M s Y s G f =,代入數(shù)據(jù)可得280(ss G =。 加速度 =a

4、22dty d =R 22dt d =J M M Rf =80(MM f K K K K 2、控制階段分析第一階段(加速階段:假設(shè)杯子的直徑為0.1m,則由公式=(f 2M M 80a at 21S ,將S=0.1,t=0.5代入公式得,a=0.8m/s 2,M=0.03N·m 由系統(tǒng)傳遞函數(shù)得開始輸入電壓U=0.06V。第二階段(減速階段:假設(shè)減速的行程為S=5mm,減速的初速度V t =0.4m/s,V 0=0,則根據(jù)公式aS 2V V 202t = 得 a=-16m/s 2第三階段(微調(diào)階段:此時傳感器開始有輸出,增加反饋環(huán)節(jié)H(S,由已知傳感器的變換系數(shù)K 0=0.83V/m

5、m ,可得:H(S=830V/m 。由期望壓縮量為6mm ,可計算得出輸入信號電壓為U=4.98V 。此時系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為233200(SS G k =要使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定,加入控制環(huán)節(jié),使得性能指標(biāo)為:%=15%,ts 1.5s ,精度0.1mm 。采用根軌跡校正法設(shè)計控制器:沒加控制器之前,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為233200(SS G k =由公式 ×=%100%2(421et n s ,經(jīng)計算得:17.50=,67.2n 取67.2n =,選擇期望主導(dǎo)極點為43.467.2,11j ±=確定相位超前網(wǎng)絡(luò)的零點位于主導(dǎo)極點的下方,于是有7.2=z s確定相位超前網(wǎng)絡(luò)的極

6、點,為了讓期望的主導(dǎo)極點位于校正后的根軌跡上,超前網(wǎng)絡(luò)的極點應(yīng)產(chǎn)生一個相角p p ,使得在期望的主導(dǎo)極點處滿足根軌跡的相角條件,即o o o o 28180121290=+×=p 因此,07.11=p 于是,超前網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為07.1167.2(+=S S S G c校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為07.11(67.2(21+=S S S k S G S G k c 由根軌跡幅值條件可以得到在主導(dǎo)極點處的根軌跡增益為48.561=k系統(tǒng)校正前后的根軌跡分別如圖1、圖2所示 1Root Locussj w圖1 校正前 Root Locussj w圖2 校正后四、系統(tǒng)的 Simulink 仿真結(jié)

7、構(gòu)圖： Step4 Scope Step1 1 Gain 0.5 Gain1 80 s2 Zero-Pole In1 Out1 Enabled Subsystem Step2 Step Step3 Step6 Zero-Pole1 (s+2.67 (s+11.07 Gain3 -K- Gain2 -K- Step5 圖 3 系統(tǒng) Simulink 結(jié)構(gòu)圖 圖 4 系統(tǒng)仿真圖 如上圖所示，誤差在 0.1mm 之間，符合要求。 五、系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)的 Bode 圖： 開環(huán)傳遞函數(shù)為 G ( S = 46878.4( S + 2.67 ，其 Bode 圖如圖 5 所示。 S 2 ( S + 11.07

8、 Bode Diagram 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -140 -145 -150 -155 -160 -165 -170 -175 -180 10 -1 Phase (deg Magnitude (dB 10 0 10 1 10 2 10 3 Frequency (rad/sec 圖 5 開環(huán)系統(tǒng)的 Bode 圖 閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ( S = 所示。 Bode Diagram -30 -40 -50 -60 Magnitude (dB -70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 0 56.48( S + 2.67 ，其 Bode 圖如圖 6 S + 11.07 S 2 + 46878.4 S + 125165.328 3 -45 Phase (deg -90 -135 -180 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Frequency (rad/sec 圖 6 閉環(huán)系統(tǒng)的 Bode 圖 Step Response 0.012 0.01 0.008 System: G Time (sec: 0.507 Amplitude: 0.00669 Amplitude 0.006