自制球桿系統(tǒng)課程設計

1、北京石油化工學院信息工程學院控制系統(tǒng)綜合設計 自制球桿控制系統(tǒng)綜合課程設計：自制球桿控制系統(tǒng)院（系、部）：信息工程學院姓 名：學 號：年 級：三年級專 業(yè)：測控技術與儀器任課教師：摘要： 球桿系統(tǒng)是控制理論研究中最為著名的實驗設備之一,許多學者在控制理論中的研究都通過球桿系統(tǒng)進行驗證。球桿系統(tǒng)受到如此廣泛的應用,是因為它有一些很重要的性質(zhì),例如其非線性特性、開環(huán)不穩(wěn)定特性等,許多經(jīng)典的或者現(xiàn)代的設計方法都可以應用到球桿系統(tǒng)中,它成為檢驗控制理論的理想的實驗裝置。對球桿系統(tǒng)進行控制的方法多種多樣,本文的目的就是設計一種PID控制器,對球桿系統(tǒng)進行控制。本次課程設計以實驗室現(xiàn)有的典型球桿控制裝置為

2、原型平臺，設計開發(fā)一套相應的典型球桿控制系統(tǒng)裝置。我們的單片機選用arduino328，傳感器選用自制紅外傳感器，電機選用SG5010。根據(jù)左右兩側紅外線傳感器（不同距離的障礙物反射回來的紅外線強弱不同得到的電壓值不同）測得小球?qū)嶋H位置后傳給單片機，單片機控制電機轉動從而帶動球桿上下運動，改變小球位置，減小誤差使小球逐漸穩(wěn)定于指定位置。在此次課程設計中我們以自制球桿系統(tǒng)為研究對象，建立它的系統(tǒng)模型，采用時域和頻域設計方法，設計PID或其他控制器，完成它的調(diào)試和控制。關鍵字：自制球桿系統(tǒng)、紅外線傳感器、線性化、系統(tǒng)建模、PID控制、Arduino328Abstract: The ball and

3、 beam system is one of the most famous theoretical research laboratory equipment, research in control theory, many scholars are verified by the club system. Cue systems are so widely used, because it has some very important properties, such as its non-linear characteristics, the open-loop unstable c

4、haracteristics, many classic or modern design methods can be applied to the club system, it an ideal experimental device inspection and control theory. Method for controlling a variety of club system, the purpose of this paper is to design a PID controller to control the system for the club.we choos

5、e arduino328 single-chip computer, sensor chooses homemade infrared sensor, motor selection of SG5010 steering gear. Infrared sensors (different distance barriers reflected infrared weak voltage value of different) measured ball after the actual position to the single-chip microcomputer, single chip

6、 microcomputer control motor rotation to drive the club moves up and down, change the ball position, gradually reduce the stable error ball in the specified location. In the course design with our homemade cue system as the research object, its system model is set up, using time domain and frequency

7、 domain design method, design PID or other controllers, to complete its commissioning and control.Keywords: Homemade system、Infrared sensor、linearization、System modeling、PIDcontrol、Arduino328目錄引言-2一、整體方案設計1.1需求分析-51.2目標設定-51.3概念設計-51.4整體開發(fā)方案設計及評估-5二、系統(tǒng)設計2.1功能分析-52.1.1產(chǎn)品圖紙-62.1.2原料清單-62.1.3設計原型-72.1.

8、4產(chǎn)品分析-72.2機械系統(tǒng)設計2.2.1機械系統(tǒng)數(shù)學模型建立-72.2.2傳感器檢測及其接口設計-82.2.3控制電動機-92.2.4控制器及其接口設計-10三、理論分析3.1控制系統(tǒng)建模-103.2時域和頻域分析-113.3設計PID控制器-133.3.1直接加入PID控制-153.3.2線性化后的PID控制-15四、元器件、設備選型4.1單片機-174.1.1單片機型號參數(shù)及性能分析-174.1.2單片機購買渠道-184.1.3優(yōu)劣性分析-184.2控制電機-184.2.1控制電機型號參數(shù)及性能分析-184.2.2控制電機購買渠道-194.2.3改進方案-194.3傳感器-194.3.1

9、紅外線傳感器購買渠道-194.3.2優(yōu)劣性分析-194.3.3改進方案-19五、加工制作5.1加工圖紙-195.2材料選擇-205.3加工方案-20六、安裝調(diào)試6.1實驗過程-206.2實驗數(shù)據(jù)分析-20七、經(jīng)濟性分析-207.1市場分析-207.2市場運作-217.2.1自制球桿系統(tǒng)優(yōu)點-217.2.2市場營銷方案-217.3成本分析-217.3.1成本分類及估算-217.3.2勞動力成本估算-217.3.3產(chǎn)品定價-21八、結論-21致謝-22參考文獻-22引言球桿系統(tǒng)（Ball & Beam ）是為自動控制原理等基礎控制課程的教學實驗而設計的實驗設備。該系統(tǒng)涵蓋了許多經(jīng)典的和現(xiàn)代

10、的設計方法。這個系統(tǒng)有一個非常重要的性質(zhì)它是開環(huán)不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制問題成了大多數(shù)控制系統(tǒng)需要克服的難點，有必要在實驗室中研究。但是由于絕大多數(shù)的不穩(wěn)定控制系統(tǒng)都是非常危險的，因此成了實驗室研究的主要障礙。而球桿系統(tǒng)就是解決這種矛盾的最好的實驗工具，它簡單、安全并且具備了一個非穩(wěn)定系統(tǒng)所具有的重要的動態(tài)特性。隨著教學條件的逐步提升，球桿系統(tǒng)有著在理工科大學實驗室普及應用的趨勢。而現(xiàn)在市場上的球桿系統(tǒng)都比較昂貴，基于此背景，我們開始研究設計自制球桿系統(tǒng)。我們所做的球桿系統(tǒng)將會有更好的性價比。不僅能滿足基本的教學要求，更要來降低成本，從而提高與同類產(chǎn)品競爭過程中的優(yōu)勢。球桿系統(tǒng)分為執(zhí)行系統(tǒng)和

11、控制系統(tǒng)兩大組成部分。執(zhí)行系統(tǒng)是一個典型的四連桿機構，橫桿是一根不銹鋼桿，可以繞其左邊的支點旋轉，通過控制橫桿的角度，就可以控制小球的在橫桿上的位置。執(zhí)行系統(tǒng)采用直流伺服電機驅(qū)動，通過控制電機軸的轉角，就可以實現(xiàn)對橫桿角度的控制?？刂葡到y(tǒng)采用智能伺服運動控制器，可以控制直流無刷、有刷或永磁同步交流電機。通過紅外線傳感器采集小球的位置，控制器根據(jù)位置誤差計算控制量，控制電機軸的轉角，從而控制橫桿的角度，使小球逐漸穩(wěn)定在目標位置。球桿系統(tǒng)是一個典型的非線性系統(tǒng)，理論上而言，它是一個真正意義上的非線性系統(tǒng)，其執(zhí)行機構還具有很多非線性特性，包括：死區(qū)，直流馬達和帶輪的傳動非線性，位置測量的不連續(xù)性。導

12、軌表面不是嚴格的光滑表面，產(chǎn)生非線性阻力?；趯η驐U系統(tǒng)的基本認識和本學期自動控制理論課程的學習以及課外相關知識的積累，我們在兩周的課程設計時間里面完成自制球桿系統(tǒng)的全部過程。一、整體方案設計1.1需求分析通過市場調(diào)查分析我們了解到：球桿系統(tǒng)是目前大學實驗室里常見的實驗設備，他是一類典型的非線性控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中，不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)的建模和控制器的設計有許多需要克服的難點問題，有必要首先在實驗室中做研究。但是絕大部分的不穩(wěn)定系統(tǒng)都是非常危險的。因此這成為實驗室研究的主要障礙。而球桿系統(tǒng)具有結構簡單、動態(tài)特性明顯，且控制方法的優(yōu)劣都能夠很好的在球桿系統(tǒng)中體現(xiàn)出來。因此，它常用來檢測控制策略的

13、效果。是控制理論研究中較為理想的實驗手段。因此球桿系統(tǒng)主要應用在實驗室中，雖然使用群體相對來說是比較狹窄的，但是理工科大學實驗室卻也有著可以發(fā)展的市場前景。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場上的球桿系統(tǒng)大多都比較昂貴，價格在幾萬塊錢左右。1.2目標設定根據(jù)我們的產(chǎn)品需求分析，我們發(fā)現(xiàn)球桿系統(tǒng)在理工科大學的實驗室有著很好的發(fā)展前景。但是同類產(chǎn)品的價錢都比較昂貴，對于我國大學實驗室購置多套市場上的球桿系統(tǒng)這是一筆不小的開銷。于是我們就將我們的產(chǎn)品投放目標設定于普通高校的實驗室。1.3概念設計基于目前投放市場的產(chǎn)品比較昂貴，而我們的使用群體為大多數(shù)教學條件一般的大學實驗室，所以我們自制球桿產(chǎn)品定位：實現(xiàn)基本教學要求

14、基礎上盡量降低成本，做出性價比更高的用于教學產(chǎn)品。本著這一原則，我們對系統(tǒng)設計、機械系統(tǒng)組裝、人員編程、后期加工等都進行合理安排調(diào)整，盡量節(jié)約成本。同時，對于系統(tǒng)的控制性能也有著更進一步的提高。1.4整體開發(fā)方案設計及評估我們的自制球桿系統(tǒng)整體開發(fā)方案包括前期市場分析、產(chǎn)品設計（包括產(chǎn)品機械設計、控制系統(tǒng)設計、傳感器部分設計、軟件設計、元器件選型設計等）、產(chǎn)品加工（包括產(chǎn)品加工圖紙、材料選擇、加工方案如廠家、時間和費用等）、樣品測試、經(jīng)濟性分析（包括市場分析、市場運作、成本分析等）、方案評估六大模塊。此開發(fā)方案能提高將球桿系統(tǒng)控制性能，進一步節(jié)約成本，并且符合市場需求，可行性很高。二、系統(tǒng)設計

15、2.1功能分析此裝置共分為四個模塊，單片機控制模塊、控制電動機模塊、傳感器檢測模塊和球桿支架模塊。單片機控制模塊實現(xiàn)程序控制電機轉動；控制電動機模塊主要通過電機正反轉帶動球桿運動從而來改變小球在球桿的位置；傳感器檢測模塊可以實時檢測小球?qū)嶋H位置并把其位置返回單片機，從而通過球桿支架的轉動調(diào)節(jié)小球位置。2.1.1產(chǎn)品圖紙紅外傳感器單片機圖2-1球桿控制系統(tǒng)整體連接示意圖 電腦球桿支架底座0.3cm1cm32cm10cm35cm20cm14.5cm球桿支架圓盤圖2-2各部分比例示意圖2.1.2原料清單鋁合金底座支架（一個）鋁合金球桿（兩條）塑料圓盤（一個）SG-5010舵機（一個）紅外線傳感器（接

16、收一個、發(fā)射四個）單片機（一個）玻璃底座（一個）玻璃連接模塊（兩個）小球（一個）螺絲、螺母、導線、若干。2.1.3設計原型 在平衡木上穩(wěn)定小球的裝置。 此球桿系統(tǒng)是由Armyo在2005年建立的，管它叫做“在平衡木上穩(wěn)定小球”的裝置。此系統(tǒng)采用了線性電阻傳感器來獲得小球的位置，線性電阻傳感器相當于滑動變阻器，和電位計的工作原理類似，小球?qū)诨€電阻觸頭。在DSP中處理從傳感器獲得的信號。此裝置采用了直流電動機和減速齒輪機構，通過PD控制器來控制。這種球桿的結構和本次研究的彈性球桿結構模型有不小差別，圖1-1的連桿連接在軌道的中心位置，通過改變球桿的傾角改變小球的位置，而彈性球桿彈性連桿連接在

17、導軌的一端，進而控制小球的位置，但是，最終這兩類系統(tǒng)的目的都是為了使小球控制在導軌的指定位置。 基于這種在平衡木上穩(wěn)定小球的裝置也就是最初的球桿系統(tǒng)，從而發(fā)展成為了現(xiàn)在的PID彈性球桿系統(tǒng)。2.1.4產(chǎn)品分析 自制球桿系統(tǒng)可用于各大高校的實驗室中，此系統(tǒng)是為自動控制、機械電子、電氣工程等基礎課所設定的。，因具有開環(huán)不穩(wěn)定的特性，需要設計控制器才能控制小球的位置，可滿足自動控制原理、現(xiàn)代控制工程等課程的實驗要求，也可以作為電機學、電機與拖動、模式識別等課程的實驗設備。2.2機械系統(tǒng)設計 整個球桿系統(tǒng)的機械運行如圖所示，軌道上放一個塑料小球，軌道的一側有紅外傳感器感器。當小球在軌道上滾動時，通過測

18、量鋼桿上輸出的電壓信號獲得鋼球在軌道上的位置x。電動機轉動帶動齒輪驅(qū)動杠桿臂轉動，軌道隨杠桿臂與水平方向有一偏角，小球的重力分量是小球沿著軌道滾動。通過調(diào)節(jié)伺服角度，使得小球保持在軌道上的預定位置。 2.2.1機械系統(tǒng)數(shù)學模型建立 對小球在導軌上滾動的動態(tài)過程的完整描述是非常復雜的，設計者的目的是對于該控制系統(tǒng)給出一個相對簡單的模型。實際上使小球在導軌上加速滾動的力是小球的重力在同導軌平行方向上的分力同小球受到的摩擦力的合力?？紤]小球滾動的動力學方程，小球在V型桿上滾動的加速度： (1)其中為小球與軌道之間的摩擦系數(shù)，而為軌道桿與水平面之間的夾角。但在進行數(shù)學建模的過程中，我們忽略了摩擦力，因

19、此，其基本的數(shù)學模型轉換成如下方式： (2)當<<1時，將上式線性化，得到傳遞函數(shù)如下 (3)其中X(s)為小球在軌道上的位置。但是，在實際控制的過程中，桿的仰角是由電動機的轉角輸出來實現(xiàn)的。影響電動機轉角和桿仰角之間關系的主要因素就是齒輪的減速比和非線性。因此，我們可以得到它們的關系如下： (4)把（4）式代入（3）式，我們可以得到另一個模型： (5)因此，球桿系統(tǒng)實際上可以簡化為一個二階系統(tǒng)。由建模分析我們得到球桿系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: （6）帶入g=9.8m/ L=0.265m d=0.315m得 （7）對于舵機的傳遞函數(shù)，可以將其近似看作1。也可根據(jù)舵機的反應速度0.2se

20、c/60degree，假定舵機轉動的角度為10degree，則可知舵機的延時時間大約為0.033sec。由舵機的延時時間擬合為一個一階系統(tǒng)。MATLAB程序為：>> NUM,DEN = pade(0.033,1)得:NUM =-1.0000 60.6061DEN =1.0000 60.6061舵機的近似傳遞函數(shù)為：所以，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)如下： 2.2.2傳感器檢測及其接口設計紅外發(fā)射電路：電阻的大小直接影響發(fā)射的強度，從而影響接收到的紅外強度。Vcc=5v R1=R2=30（在此，我們?nèi)1和R2的值略小，這樣就可以使D1、D2、D3、D4發(fā)射紅外強度增大）。圖2-3紅外發(fā)射電路紅

21、外接收電路：電阻的大小直接影響接收管的電壓，從而影響測量的距離。Out為信號輸出，也就是接收紅外信號產(chǎn)生的電壓值輸出3根線，Out、Vcc、Gnd。Vcc=5v R3=150K。（R2取較大值，使輸出信號加強）。圖2-4紅外接收電路電路板電路設計：此電路板為3連孔的電路板，連在一起的3個焊點都是導通的，如圖所示。按照圖示的位置焊接各個器件，結合電路圖檢查。其中：綠色：導線；棕紅色：電阻；粉紅色：二極管，長正短負；紅藍黑是最后需要引出來的3根線；圖2-5紅外傳感器電路圖2.2.3控制電動機標準的舵機有3條導線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖該舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，主要是由外殼、電板、無

22、核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。其工作原理是由接收機或者單片機發(fā)出信號給舵機，其內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。經(jīng)由電路板上的IC判斷轉動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳的控制系統(tǒng)。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。一般舵機旋轉的角度范圍是0°到180°度。至擺臂，同時由位置檢測器送回信號，判斷是否已經(jīng)到達定位。適用于那些需要角度不斷變化并可以保持。圖2-6標準舵機2.2.4控制器及其接口設計硬件連接圖如下：電機與控制板連接：電機PWM口連接9針腳左

23、右紅外傳感器與控制板連接：連接A0、A1口圖2-7控制器接口連接圖三、理論分析3.1控制系統(tǒng)建模實際位置單片機舵機球桿給定位置位置傳感器圖3-1系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)如下 圖3-2系統(tǒng)傳遞函數(shù)3.2時域和頻域分析根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性來進行時域和頻域分析，從而得到系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。并根據(jù)其特性進行穩(wěn)定性控制設計。已知系統(tǒng)閉環(huán)傳函為：用Matlab繪制其階躍響應曲線和根軌跡圖像如下圖：t=0:0.1:30;num=-1.143 69.3;den=1 60.6-1.143 69.3;step(num,den,t )axis('square');grid ontitle(&

24、#39;階躍響應')圖3-3系統(tǒng)階躍響應曲線num=-1.143 69.3;den=1 60.60 0rlocus(num,den)axis('square');grid ontitle('Root-locus plot of G(s)=(k*-1.143+69.3)/(s2(s+60.6)')xlabel('Re');ylabel ('Im')圖3-4系統(tǒng)根軌跡由系統(tǒng)的階躍響應和根軌跡曲線可以看出，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。利用Matlab軟件畫出系統(tǒng)的bode圖如下：num=-1.143 69.3;den=1 60.60 0sy

25、s=tf(num,den);bode(sys)axis('square');grid ontitle(' G(s)=(k*-1.143+69.3)/(s2(s+60.6)的bode圖')xlabel('Re');ylabel ('Im')圖3-5系統(tǒng)波特圖由圖知道P=0,N=,Z=P-2N=2，所以系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。利用Matlab軟件算出出系統(tǒng)的相角裕度如下：num=-1.143 69.3;den=1 60.60 0sys=tf(num,den);margin(sys)grid on圖3-6系統(tǒng)波特圖2由圖可知原系統(tǒng)相角裕度為-2

26、.02deg，所以該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。num=-1.143 69.3;den=1 60.60 0;sys=tf(num,den);nyquist(sys)grid ontitle('奈奎斯特圖')xlabel('實軸')ylabel('虛軸')圖3-6奈奎斯特圖由圖知道P=0,N=,Z=P-2N=2，所以系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。3.3設計PID控制器按待校正系統(tǒng)不同的開環(huán)特性(S),選擇P或PI或PID控制器為串聯(lián)校正裝置(S),使校正后的開環(huán)特性G（s）=(S)(S)成為式G（s）=的形式。其中 ,3.3.1直接加入PID控制其仿真結果如下：圖3-6 P

27、ID仿真結果程序如下所示：#include <Servo.h>Servo myservo;int feedback=0; int sensorValue=0;int m;int control,val;float back;float val_sensor;int Ess2;int Time2;float dif,inte,pro;float Kd=1;float Kp=1.5;float Ki=0.2;void setup()Serial.begin(9600);myservo.attach(9);void loop()for(m=1;m<=2;m+)back=analog

28、Read(feedback)/10*10;val_sensor=60;Essm=val_sensor-back;Timem=millis();dif=Kd*(Ess2-Ess1)/(Time2-Time1);/微分環(huán)節(jié) pro=Kp*(Ess2);/比例環(huán)節(jié) inte=Ki*(Ess2+Ess1)*(Time2-Time1)/2;/積分環(huán)節(jié) val=90+dif+pro+inte; val=map(val,-1023,1023,0,179);/從-1023-1023映射到0-179 control=val; val=myservo.read();/讀取當前舵機的旋轉角度 run(val,con

29、trol); / myservo.write(90);/從當前的角度旋轉到需要轉動的角度 sensorValue = analogRead(feedback); delay(100); Serial.println(sensorValue,DEC);/ 串口輸出數(shù)據(jù)并帶回車符。void run(int val,int control) if(val<control) for(;val<control;val+) myservo.write(val); delay(10); else if(val>control) for(;val>control;val-) myser

30、vo.write(val); delay(10); else myservo.write(90);3.3.2線性化后的PID控制。在測控系統(tǒng)中，尤其是對被測參量進行顯示時，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關系。使測量對象在刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，可便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。但是，很多檢測元件具有不同程度的非線性特性，這使較大范圍的動態(tài)檢測存在著很大的誤差。以往在使用模擬電路組成檢測回路時，為了進行非線性補償，通常用硬件電路組成各種補償回路，如常用的信息反饋式補償回路使用對數(shù)放大器、反對數(shù)放大器等，這不但增加了電路的復雜性，而且也很難達到理想的補償。這種非線性補償完全可以用計算機

31、的軟件來完成，其補償過程較簡單，精確度也很高，又減少了硬件電路的復雜性。在完成了非線性參數(shù)的線性化處理以后，要進行工程量轉換，即標度變換、才能顯示或打印帶物理單位的數(shù)值?？梢园言撉€按一定要求分成若干段，然后把相鄰兩分段點用直線連起來，用此直線代替相應的各段曲線、即可求出輸入值x所對應的輸出值y。由于非線性化，系統(tǒng)控制效果肯定沒有預想的要好，所以需要對結果進行線性化處理。數(shù)據(jù)如下：表3-1 不同距離紅外測量反饋AD值左傳感器右傳感器距離AD值距離AD值370836584558464853935480630263547218727281608214912891751010610154118911

32、1381278121281368131191463141141559151111656161091754171071852181041950191032049201022148211012248221002347239924462498254525982644269727432797右傳感器線性化圖表如下：圖3-7右傳感器采集數(shù)據(jù)折線圖圖3-8右傳感器近似取得線性化圖3-9左傳感器采集數(shù)據(jù)折線圖圖3-10左傳感器近似取得線性化圖3-10 程序流程圖線性化后的程序：#include <Servo.h>Servo myservo;float weizhi;int feedback=0;

33、 int sensorValue=0;int m;int control,val;float back,temp;float val_sensor;int Ess2;int Time2;float dif,inte,pro;float Kd=2;float Kp=2;float Ki=0.2;void setup()Serial.begin(9600);myservo.attach(9);void loop()for(m=1;m<=2;m+)back=analogRead(feedback);temp=analogRead(1);if(back<68)back=temp;if(ba

34、ck>272)weizhi=-0.0078*back+8.9165;else if(back>138&&back<=272)weizhi=-0.0384*back+16.04;else if(back>111&&back<=138)weizhi=-0.1687*back+33.404;elseweizhi=-0.886*back+111.47;weizhi=30-weizhi;elseif(back>268&&back<750)weizhi=-0.0086*back+10.076;else if(back

35、>105&&back<=268)weizhi=-0.0475*back+18.465;else if(back>68&&back<=105)weizhi=-0.1534*back+29.698;elseweizhi=-0.9123*back+80.632;if(weizhi>27&&weizhi<=30)weizhi=27;else if(weizhi>0&&weizhi<=3)weizhi=3;else if(weizhi>30|weizhi<0)weizhi=15;v

36、al_sensor=16;Essm=val_sensor-weizhi;Timem=millis();dif=Kd*(Ess2-Ess1)/(Time2-Time1);/微分環(huán)節(jié) pro=Kp*(Ess2);/比例環(huán)節(jié) inte=Ki*(Ess2+Ess1)*(Time2-Time1)/2;/積分環(huán)節(jié) val=81-dif-pro-inte; if(val>180) val=180;else if(val<0) val=0; myservo.write(val); delay(10); / myservo.write(90);/從當前的角度旋轉到需要轉動的角度 sensorValu

37、e = analogRead(feedback); delay(100); Serial.println(weizhi,DEC); / 串口輸出數(shù)據(jù)并帶回車符。我們要使用超前補償控制器來增加相位裕度。3.4 相位超前控制接下來我們嘗試超前控制，相位超前補償器具有如下形式： ， 通過頻率范圍1/aT和1/T（被稱為角頻率），相位超前補償器將使系統(tǒng)增加正的相位。超前補償器最大可補償?shù)南辔皇?0度。我們希望大于40度的相位裕度。計算步驟：（1）、求和由開環(huán)傳遞函數(shù)可知：K=1.143=1.07rad /s ，=-2.02°（2）、根據(jù)要求相角裕量，估算需補償?shù)某跋嘟?=+=-+=40&#

38、176;-2.02°+7°=45° （取7°）（3）、求： 令 ，確定a將數(shù)值代入得：（4）、求m為了充分利用超前網(wǎng)絡的相位超前特性，應使校正后系統(tǒng)的截止頻率c正好在m處，即?。篶=m。從原系統(tǒng)的伯德圖上，我們可求得m=1.07 rad /sm位于1/T與1/T的幾何中點，求得：所以： （5）、引入超前校正網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)：2.082s+10.387s+11Ts1Ts(s)Gc=+=（6）、 檢驗：作出仿真伯德圖。Matlab程序：K=1.143;Go=tf(K,1,0,0);Gc=tf(0.387*5.38,1,0.387,1);G=series(Go,

39、Gc);Margin(G);Grid on;校正后的仿真伯德圖為：圖3-11 加入超前控制器的系統(tǒng)伯德圖校正之后相角裕度為39.1degree,符合設計要求。四、元器件、設備選型4.1元器件、設備選型4.1.1 Arduino型號參數(shù)及性能分析 Aduino 是一塊基與開放原始代碼的Simple i/o 平臺，並且具有使用類似java,C 語言的開發(fā)環(huán)境。Arduino 可以使用開發(fā)完成的電子元件例如Switch或Sensors 或其他控制器、步進電機或其他輸出裝置。Arduino 也可以獨立運作成為一個可以跟軟件溝通的平臺，例如說：flash processing Max/MSP VVVV

40、或其他互動軟件。其性能參數(shù)如下：1 Digital I/O 數(shù)字輸入/輸出端共 013。2 Analog I/O 模擬輸入/輸出端共 05。3 支持USB 接口協(xié)議及供電(不需外接電源)。4 支持ISP 下載功能。5 支持單片機TX/RX 端子。6 支持USB TX/RX 端子。7 支持AREF 端子。8 支持六組PWM 端子(Pin11,Pin10,Pin9，Pin6,Pin5,Pin3)。9 輸入電壓：接上USB 時無須外部供電或外部5V9V DC 輸入。10輸出電壓：5V DC 輸出和3.3V DC 輸出 和外部電源輸入。11采用Atmel Atmega168V-10PI 單片機。12D

41、FRduino 大小尺寸：寬70mm X 高54mm。4.1.2 Arduino購買渠道1. 通過網(wǎng)絡渠道從淘寶商城購買2. 實體店，從中關村電子商場購買4.1.3優(yōu)劣性分析優(yōu)點：軟件與硬件開放，價格便宜，功能強大，易于開發(fā)，開發(fā)環(huán)境免費。劣勢：Arduino不是一個完整的系統(tǒng)，如果有部件不穩(wěn)定，很難查找問題出在哪里。Arduino沒有獨立的操作系統(tǒng)。4.2控制電機4.2.1控制電機型號參數(shù)及性能分析TowerPro SG-5010舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，主要是由外殼、電板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器所構成。該舵機有3條導線即：地線、電源線和控制線，其工作原理是由接收機或者單片機發(fā)出信號

42、給舵機，其內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。經(jīng)由電路板上的IC判斷轉動方向，再驅(qū)動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳的控制系統(tǒng)。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。一般舵機旋轉的角度范圍是0°到180°度。通過調(diào)節(jié)PWM 信號就能夠快速調(diào)節(jié)舵機的轉角， 從而實現(xiàn)對球桿的控制。圖4-1SG5010舵機參數(shù)4.2.2控制電機購買渠道1.通過網(wǎng)絡渠道從淘寶商城購買2.實體店，從中關村電子商場購買3.直接在廠家訂購4.2.3改進方案可選用數(shù)字舵機AX12+。這種舵機是機器人專用舵機，性能優(yōu)良。但是價格稍顯昂貴，并且控制板就得換數(shù)字舵機專用控制板。4.3傳感器4.3.1紅外線傳感器購買渠道1.通過網(wǎng)絡渠道從淘寶商城購買2.實體店，從中關村電子商場購買3.直接在廠家訂購4.3.2優(yōu)劣性分析優(yōu)點：價格低廉，易于購買。電路制作簡單。便于操作。缺點：對外界指標特別敏感，抗干擾能力較弱，誤差較大。4.3.3改進方案利用超聲波傳感器代替紅外傳感器。超聲波傳感器應用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點，比如，反射問題，噪音，交叉問題。雖然存在這些問題但是相對于紅外傳感器來說，超聲波傳感器的抗干擾能力還是相對