華科機(jī)械綜合測(cè)試試驗(yàn)球桿試驗(yàn)報(bào)告

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球桿控制定位系統(tǒng)試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)小組成員：周開(kāi)城u202310555機(jī)械0902班

張偉u202310571機(jī)械0902班

一試驗(yàn)?zāi)康?（1）把握對(duì)實(shí)際物理模型的建模方法。

（2）把握在Matlab中利用Simulink等工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型分析的方法。（3）把握PID控制算法的原理和實(shí)際應(yīng)用。（4）學(xué)習(xí)PID參數(shù)的調(diào)理方法。

二試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)原理

（一）球桿系統(tǒng)的特點(diǎn)

球桿系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，理論上而言，它是一個(gè)真正意義上的非線性系統(tǒng)，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)還具有好多非線性特性，包括：?死區(qū)

?直流馬達(dá)和帶輪的傳動(dòng)非線性。?位置測(cè)量的不連續(xù)性。

?導(dǎo)軌表面不是嚴(yán)格的光滑表面，產(chǎn)生非線性阻力。

這些非線性因素對(duì)于傳統(tǒng)意義上的測(cè)量和建模造成很大的影響，并對(duì)系統(tǒng)的控制性能造成十分大的影響，怎樣去設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代控制理論的一個(gè)重要問(wèn)題。固高科技提供的球桿系統(tǒng)既可以用于研究控制系統(tǒng)運(yùn)行的非線性動(dòng)力學(xué)，也可以用于研究控制系統(tǒng)的非線性觀測(cè)器等，是一個(gè)較為通用的試驗(yàn)設(shè)備。

由于系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，球桿系統(tǒng)具有一個(gè)最重要的特性——不穩(wěn)定性，對(duì)于傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，存在一些試驗(yàn)的難處，不穩(wěn)定的系統(tǒng)簡(jiǎn)單對(duì)試驗(yàn)人員產(chǎn)生危險(xiǎn)或是不可預(yù)料的傷害，球桿系統(tǒng)相對(duì)而言，機(jī)械比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)比較緊湊，安全性也比較高，是一個(gè)可以避免這些危險(xiǎn)和傷害的試驗(yàn)設(shè)備。采用智能伺服驅(qū)動(dòng)模塊和直觀的Windows程序界面，是控制系統(tǒng)試驗(yàn)的一個(gè)理想的試驗(yàn)設(shè)備。

（二）球桿系統(tǒng)

如圖1所示，包括控制計(jì)算機(jī)、IPM100伺服驅(qū)動(dòng)器、球桿本體和光電碼盤、線性傳感器、伺服電機(jī)和球桿裝置等部分，組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤將杠桿臂與水平方向的夾角、角速度通過(guò)RS232接口與計(jì)算機(jī)通信。在控制系統(tǒng)中，輸入鋼球的控制位置和控制參數(shù)，通過(guò)控制決策計(jì)算輸出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、加速度等，并由智能伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，發(fā)出模擬信號(hào)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)杠桿臂運(yùn)動(dòng)從而控制球的位置。

1

本系統(tǒng)為一個(gè)單輸入（電機(jī)轉(zhuǎn)角θ）、單輸出（鋼球位置x）系統(tǒng)。其中，θ由伺服電機(jī)的角度編碼器測(cè)定，輸出量x由軌道上電位器輸出的電壓信號(hào)獲得。系統(tǒng)的控制框，如圖1所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行如圖2所示：

球桿系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，如下圖。

（三）機(jī)械部分：機(jī)械部分包括底座、小球、橫桿、減速皮帶輪、支撐部分、馬達(dá)等。

小球可以在橫桿上自由的滾動(dòng)，橫桿的一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定，另一端可以上下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制直流伺服電機(jī)的位置，帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以控制橫桿的傾斜角。直流伺服電機(jī)帶有增量式編碼器（1000P/R），可以檢測(cè)電機(jī)的實(shí)際位置，在橫桿上的凹槽內(nèi)，有一線性的傳感器用于檢測(cè)小球的實(shí)際位置，兩個(gè)實(shí)際位置的信號(hào)都被傳送給控制系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。當(dāng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，橫桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α，當(dāng)橫桿偏離水平的平衡位置后，在重力作用下，小球開(kāi)始沿橫桿滾動(dòng)。

（四）電氣部分

球滾動(dòng)時(shí)位移的測(cè)量：直線位移傳感器。線性軌道傳感器接＋5V電壓。軌道兩邊測(cè)得

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的電壓作為IPM100控制卡A/D輸入口的信號(hào)。當(dāng)小球在軌道上滾動(dòng)時(shí)，通過(guò)不銹鋼桿上輸出的電壓信號(hào)的測(cè)量可得到小球在軌道上的位置。

伺服輸出角度的測(cè)量：采用IPM100控制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)電機(jī)實(shí)際位置轉(zhuǎn)

換得到角度θ。

（五）智能伺服驅(qū)動(dòng)

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)IPM100智能伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，IPM100是一個(gè)智能的高精度、全數(shù)字的控制器，內(nèi)嵌100W的驅(qū)動(dòng)電路，適合于有刷和無(wú)刷電機(jī)?；诜答伩刂圃恚诘玫絺鞲衅餍盘?hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后給電機(jī)繞組施加適當(dāng)?shù)腜WM電壓信號(hào)，這樣，一個(gè)相應(yīng)的扭矩作用于電機(jī)軸，使電機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，扭矩的大小決定于用戶程序中的控制算法。

IPM100是一款智能的控制器，它除了板載的用于放大控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)放大器和PWM調(diào)制電路，還有一個(gè)全數(shù)字的DSP處理芯片，內(nèi)存以及其它規(guī)律元件，有了這些，就可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和PLC的功能，它產(chǎn)生實(shí)時(shí)的軌跡路徑，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服控制，執(zhí)行上位機(jī)的操作命令，完成板載IO信號(hào)的處理，所有這些都依照儲(chǔ)存器的程序指令或是主機(jī)的在線命令執(zhí)行，這種嵌入式的智能控制可以提供一個(gè)實(shí)時(shí)性十分好的控制效果，即使由于PC的非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而產(chǎn)生延時(shí)的狀況下。

由于控制器可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以采用從動(dòng)模式，本手冊(cè)介紹的球桿系統(tǒng)將采用兩種模式。IPM100安裝于控制箱內(nèi)部，通過(guò)RS232和上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，直流電源也置于控制箱內(nèi)部。

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計(jì)算機(jī)IPM100智能伺服驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)球桿裝置電機(jī)編碼直線位移傳感

（六）球桿系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立

實(shí)際上使小球在導(dǎo)軌上加速滾動(dòng)的力是小球的重力在同導(dǎo)軌平行方向上的分力同小球受到的摩擦力的合力。考慮小球滾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，小球在V型桿上滾動(dòng)的加速度：

??J?R2?m??r??mgsinα?mrα?2?0????（1－1）

其中m——小球質(zhì)量；

J——小球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R——小球半徑；r——小球位置偏移；g——重力加速度；

α——軌道桿與水平面之間的夾角；

θ——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角；

又有：α?dLθ

。

由于實(shí)際摩擦力較小，忽略摩擦力，并由于α較小，因此可以忽略此項(xiàng)的影響，其基本的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成如下方式：

mgsinα????J?2?m??r??R?（1－2）4

當(dāng)α

球桿系統(tǒng)P控制器原理圖

可以得到單位負(fù)反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

x(s)?(s)?cs?c2

可以看出是一個(gè)二階系統(tǒng)(忽略了各種阻力)。

（八）比例積分控制器原理

PD控制器的控制作用可以由以下方程定義：

u(t)?Kpe(t)?KpTd其傳遞函數(shù)為：

U(s)E(s)?Kp(1?Tds)

de(t)dt

式中Kp為比例增益，而Td稱為微分時(shí)間常數(shù)，Kp，Td都可以調(diào)理，微分控制作用也稱為速率控制，它是控制器輸出中與作用誤差信號(hào)變化率成比例的一部分，微分時(shí)間Td是速率控制作用超前于比例控制作用效果的時(shí)間間隔，微分控制作用具有預(yù)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，但是它也具有缺點(diǎn)，由于它放大了噪聲信號(hào)，并且還可能在執(zhí)行器中造成飽和效應(yīng)。

微分控制作用不能單獨(dú)使用，由于它僅僅在瞬態(tài)過(guò)程中才是有效的?？刂葡到y(tǒng)如下圖所示:

xd+-ePD控制器?球桿系統(tǒng)x

圖3-1球桿系統(tǒng)PD控制器原理圖

可以得到單位負(fù)反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

x(s)?(s)?c(1?Tds)s2?Tds?c

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（九）PID控制原理

比例控制作用、積分控制作用和微分控制作用的組合叫做比例-加-積分-加-微分控制作用，這種組合具有三種控制作用的優(yōu)點(diǎn)，具有這種組合作用的控制器方程為：

u(t)?Kpe(t)?KTitp?0e(t)dt?KpTdde(t)dt

即其傳遞函數(shù)為：

U(s)E(s)?Kp(1?1Tis?Tds)

式中Kp為比例增益，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間。控制系統(tǒng)如下圖所示：

xd+-ePID控制器?球桿系統(tǒng)x

圖4-1球桿系統(tǒng)PID控制器原理圖

可以得到單位負(fù)反饋系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

x(s)?(s)?Tds?cs?1/Tis?Tds?cs?1/Ti32

依照齊格勒-尼赫爾斯法則設(shè)計(jì)PID控制器,由于含有積分器,所以依照其次法設(shè)計(jì),首先假設(shè)Ki=0,Kd=0,增加Kp直到浮現(xiàn)周期振蕩,取浮現(xiàn)周期振蕩的最小的Kp=Kcr,設(shè)周期振蕩

的周期為Pcr,按下表計(jì)算PID參數(shù):

控制器類型PPIPIDKp0.5Kcr0.45Kcr0.6KcrKi01.2/Pcr2/PcrKd000.125Pcr（十）PID參數(shù)調(diào)理方法

（1）經(jīng)驗(yàn)法：又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法，即先確定一個(gè)調(diào)理器的參數(shù)值PB和Ti，通過(guò)改變給定值對(duì)控制系統(tǒng)施加一個(gè)擾動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)判斷控制曲線形狀。若曲線不夠理想，可改變PB或Ti，再畫控制過(guò)程曲線，經(jīng)反復(fù)湊試直到控制系統(tǒng)符合動(dòng)態(tài)過(guò)程品質(zhì)要求為止，這時(shí)的PB和Ti就是最正確值。假使調(diào)理器是PID三作用式，那么要在整定好的PB和Ti的基礎(chǔ)上加進(jìn)微分作用。由于微分作用有抵制偏差變化的能力，所以確定一個(gè)Td值后，可把整定好的PB和Ti值減小

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一點(diǎn)再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)湊試，直到PB、Ti和Td取得最正確值為止。顯然用經(jīng)驗(yàn)法整定的參數(shù)是確鑿的。但花時(shí)間較多。

為縮短整定時(shí)間，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①根據(jù)控制對(duì)象特性確定好初始的參數(shù)值PB、Ti和Td。可參照在實(shí)際運(yùn)行中的同類控制系統(tǒng)的參數(shù)值，或參照表所給的參數(shù)值，使確定的初始參數(shù)盡量接近整定的理想值。這樣可大大減少現(xiàn)場(chǎng)湊試的次數(shù)。②在湊試過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)被控量變化緩慢，不能盡快達(dá)到穩(wěn)定值，這是由于PB過(guò)大或Ti過(guò)長(zhǎng)引起的，但兩者是有區(qū)別的：PB過(guò)大，曲線漂泊較大，變化不規(guī)則，Ti過(guò)長(zhǎng)，曲線帶有振蕩分量，接近給定值很緩慢。這樣可根據(jù)曲線形狀來(lái)改變PB或Ti。③PB過(guò)小，Ti過(guò)短，Td太長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致振蕩衰減得慢，甚至不衰減，其區(qū)別是PB過(guò)小，振蕩周期較短；Ti過(guò)短，振蕩周期較長(zhǎng)；Td太長(zhǎng)，振蕩周期最短。④假使在整定過(guò)程中出現(xiàn)等幅振蕩，并且通過(guò)改變調(diào)理器參數(shù)而不能消除這一現(xiàn)象時(shí)，可能是閥門定位器調(diào)校不準(zhǔn)，調(diào)理閥傳動(dòng)部分有間隙（或調(diào)理閥尺寸過(guò)大）或控制對(duì)象受到等幅波動(dòng)的干擾等，都會(huì)使被控量出現(xiàn)等幅振蕩。這時(shí)就不能只注意調(diào)理器參數(shù)的整定，而是要檢查與調(diào)校其它儀表和環(huán)節(jié)。

（2）衰減曲線法：是以4：1衰減作為整定要求的，先切除調(diào)理器的積分和微分作用，用湊試法整定純比例控制作用的比例帶PB（比同時(shí)湊試二個(gè)或三個(gè)參數(shù)要簡(jiǎn)單得多），使之符合4：1衰減比例的要求，記錄下來(lái)此時(shí)的比例帶PBs和振蕩周期Ts。假使加進(jìn)積分和微分作用，可按表給出經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。若按這種方式整定的參數(shù)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)有些控制對(duì)象，控制過(guò)程進(jìn)行較快，難以從記錄曲線上找出衰減比。這時(shí)，只要被控量波動(dòng)2次就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可近似認(rèn)為是4：1的衰減過(guò)程，其波動(dòng)一次時(shí)間為Ts。

（3）臨界比例帶法，用臨界比例帶法整定調(diào)理器參數(shù)時(shí)，先要切除積分和微分作用，讓控制系統(tǒng)以較大的比例帶，在純比例控制作用下運(yùn)行，然后逐漸減小PB，每減小一次都要認(rèn)真觀測(cè)過(guò)程曲線，直到達(dá)到等幅振蕩時(shí)，記錄下來(lái)此時(shí)的比例帶PBk(稱為臨界比例帶)和波動(dòng)周期Tk，然后按表3-4-3給出的經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)理器的參數(shù)值。按該表算出參數(shù)值后，要把比例帶放在比計(jì)算值稍大一點(diǎn)的值上，把Ti和Td放在計(jì)算值上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，假使比例帶可以減小，再將PB放在計(jì)算值上。這種方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛。但對(duì)PBk很小的控制系統(tǒng)不適用。

（4）反應(yīng)曲線法，前三種整定調(diào)理器參數(shù)的方法，都是在預(yù)先不知道控制對(duì)象特性的狀況下進(jìn)行的。假使知道控制對(duì)象的特性參數(shù)，即時(shí)間常數(shù)T、時(shí)間遲延ξ和放大系數(shù)K，則可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)理器的參數(shù)。利用這種方法整定的結(jié)果可達(dá)到衰減率φ=0.75的要求

三試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)過(guò)程

（一）試驗(yàn)步驟

（1）認(rèn)真觀測(cè)球桿控制定位系統(tǒng)，指出系統(tǒng)的各個(gè)部分，開(kāi)啟后蓋，認(rèn)知相關(guān)的電氣控制部分及機(jī)械傳動(dòng)部分，并做好記錄。

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（2）安裝好后蓋，將電源線，通訊線與電源箱，電腦正常連接。（3）接通電源，開(kāi)啟測(cè)試軟件。

（4）在matlab下開(kāi)啟QGTEST.MDL進(jìn)入測(cè)試界面。（5）點(diǎn)擊運(yùn)行

（6）設(shè)置運(yùn)動(dòng)位置POS，觀測(cè)球桿運(yùn)動(dòng)狀況。

（7）切換伺服開(kāi)關(guān)，運(yùn)動(dòng)，中止開(kāi)關(guān)，測(cè)試硬件響應(yīng)。（8）改變運(yùn)動(dòng)速度，加速度及位置，觀測(cè)運(yùn)動(dòng)狀況。（9）開(kāi)啟各個(gè)示波器

（10）用手輕撥鋼球，讓鋼球在滑道上緩慢滾動(dòng)，觀測(cè)采集到鋼球的位置數(shù)據(jù)。（11）中止實(shí)時(shí)仿真，觀測(cè)各示波器數(shù)據(jù)，并保存到相應(yīng)的文件。

（二）控制系統(tǒng)的搭建

（1）通過(guò)改變?nèi)齻€(gè)輸入常量的值，改變曲柄的運(yùn)動(dòng)速度，加速度和最終停留位置

Move_Abs的創(chuàng)立

A在桌面上新建一個(gè)文件夾，如：“班號(hào)組號(hào)〞。B開(kāi)啟matlab.點(diǎn)擊simulink圖標(biāo)。新建一個(gè)文件。

C將User-DefinedFunctions/S-Function拖入新建文件中，改名為Init。D將一個(gè)Source/Constant拖入新建文件中，并開(kāi)啟。E將Com輸出端連接Init輸入端。

F將Port&Subsystems/EnabledSubsystem拖入新建文件中，并開(kāi)啟。G將其中的“In1—Out1〞刪掉。

H將User-DefinedFunctions/S-Function拖入EnabledSubsystem中，改名為move_absolute。

I將三個(gè)Source/Const拖入新建文件中。

J將文件mcqg.out,IPM100.CFG,Move_Abs.h,InitIPM_RAM.h,

InitIPM_RAM.cpp,TMLcommn.dll,TML_lid.dll,TML_lib.h,TML_lib.lib,文件復(fù)制到班號(hào)組號(hào)中。

K在Init框圖上點(diǎn)擊右鍵/S-FunctionParameters.將S-FunctionName改為InitIPM_RAM并確定。

I在move_absolute?？驁D上點(diǎn)擊右鍵/S-FunctionParameters.將S-FunctionName改為move_Abs.并確定。

M將matlab的命令輸入窗口上的CurrentDirectory的路徑設(shè)為“班號(hào)組號(hào)〞的路徑。N在命令輸入窗口中依次輸入mexMove_Abs.cpp,mexInitIPM_RAM.cpp。這是可以看到move_absolute框圖輸入端口為3個(gè)。輸出為零。

O將三個(gè)Constant與move_absolute3個(gè)輸出端口相連。P保存新建文件取名為Move_Abs1.存入“班級(jí)組號(hào)〞中。運(yùn)行，觀測(cè)曲柄的運(yùn)行速度，加速度和最終停留位置。

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（2）小球在球桿上位置數(shù)據(jù)采集Get_AD的創(chuàng)立A在桌面上新建一個(gè)文件夾，如：“班號(hào)組號(hào)〞。B開(kāi)啟matlab.點(diǎn)擊simulink圖標(biāo)。新建一個(gè)文件。

C將User-DefinedFunctions/S-Function拖入新建文件中，改名為Init。D將一個(gè)Source/Constant拖入新建文件中，并開(kāi)啟。E將Com輸出端連接Init輸入端。

F將Port&Subsystems/EnabledSubsystem拖入新建文件中，并開(kāi)啟。G將其中的“In1—Out1〞刪掉。

H將User-DefinedFunctions/S-Function拖入EnabledSubsystem中，改名為Get_ADI另將一個(gè)Source/Constant拖入子系統(tǒng)中。J在子系統(tǒng)中拖入一個(gè)示波器scop。

K將Constant的值改為5.名稱改為AD_NO。

L將AD_NO的輸出端與Get_AD的輸出端相連，將Get_AD的輸出端與示波器scop的輸入端相連。

M在Get_AD框圖上點(diǎn)擊右鍵/S-FunctionParameters.將S-FunctionName改為Get_AD并確定。

N將Get_AD.cpp,Get_AD.h復(fù)制到文件夾“班號(hào)組號(hào)〞中。O在命令輸入窗口輸入mexGet_AD.cpp。

P將所搭建的模塊另存到12中。取名為GetAD.

用手使小球在球桿上移動(dòng)，用示波器上顯示出小球運(yùn)動(dòng)位置的變化軌跡。

（3）伺服控制stopandservo的創(chuàng)立

A在桌面上新建一個(gè)文件夾，如：“班號(hào)組號(hào)〞。B開(kāi)啟matlab.點(diǎn)擊simulink圖標(biāo)。新建一個(gè)文件。

C將User-DefinedFunctions/S-Function拖入新建文件中，改名為Init。D將一個(gè)Source/Constant拖入新建文件中，并開(kāi)啟。E將Com輸出端連接Init輸入端。

F將Port&Subsystems/EnabledSubsystem拖入新建文件中，并開(kāi)啟。G將其中的“In1—Out1〞刪掉。

H將兩個(gè)User-DefinedFunctions/S-Function拖入EnabledSubsystem中，分別改名為stop和servo。

I將兩個(gè)SignalRouting/ManualSwitch(分別取名為ManualSwitch1和ManualSwitch2)和4個(gè)Source/Constant拖入Sbsystem中。

J將ManualSwitch1和ManualSwitch2的兩個(gè)輸入端分別與兩個(gè)Constant相連。K將ManualSwitch1的輸出端與stop相連。將ManualSwitch2的輸出端與servo相連。L與ManualSwitch1相連的兩個(gè)Constant分別取值-1，改名continue和3，改名為stop.與ManualSwitch2相連的兩個(gè)Constant分別取值0，改名POWEROFF和1，改名為POWERON。M將Stop.cpp,Stop.h,Servo.cpp,Servo.h復(fù)制粘貼到“班號(hào)組號(hào)〞中。

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N在命令輸入窗口中一次輸入mexStop.cpp，mexServo.cpp。O將所搭建的模塊另存到“班號(hào)組號(hào)〞中。取名為stoppandservo.運(yùn)行：若將stop與-1連接，servo與1連接。則運(yùn)行時(shí)，曲柄將運(yùn)動(dòng)到特定位置后中止運(yùn)動(dòng)；若在中途改變stop與3連接，則曲柄馬上中止運(yùn)動(dòng)；若沒(méi)有上一步，將servo改為與0相連，則曲柄馬上自然下垂到初始位置，再將servo改為與1相連，則曲柄馬上又回到目標(biāo)位置。（4）根據(jù)球桿系統(tǒng)的模型，建立PID控制器，控制球在球桿某個(gè)位置的simulink控制模型。A在桌面上新建一個(gè)文件夾，如：“班號(hào)組號(hào)〞。B開(kāi)啟matlab.點(diǎn)擊simulink圖標(biāo)。新建一個(gè)文件。

C將User-DefinedFunctions/S-Function拖入新建文件中，改名為Init。D將一個(gè)Source/Constant拖入新建文件中，并開(kāi)啟。E將Com輸出端連接Init輸入端。

F將Port

//ParametermismatchwillbereportedbySimulink

if(ssGetNumSFcnParams(S)!=ssGetSFcnParamsCount(S)){return;}

//SpecifyI/O

//if(!ssSetNumInputPorts(S,0))return;if(!ssSetNumInputPorts(S,1))return;

ssSetInputPortWidth(S,0,DYNAMICALLY_SIZED);ssSetInputPortDirectFeedThrough(S,0,1);if(!ssSetNumOutputPorts(S,1))return;

ssSetOutputPortWidth(S,0,DYNAMICALLY_SIZED);

ssSetNumSampleTimes(S,1);

//ReserveplaceforC++objectssSetNumPWork(S,1);

ssSetOptions(S,SS_OPTION_WORKS_WITH_CODE_REUSE|SS_OPTION_EXCEPTION_FREE_CODE|SS_OPTION_USE_TLC_WITH_ACCELERATOR);}//Function:mdlInitializeSampleTimes=========================================//Abstract:

//Thisfunctionisusedtospecifythesampletime(s)foryour

//S-function.Youmustregisterthesamenumberofsampletimesas//specifiedinssSetNumSampleTimes.

staticvoidmdlInitializeSampleTimes(SimStruct*S){

ssSetSampleTime(S,0,CONTINUOUS_SAMPLE_TIME);//INHERITED_SAMPLE_TIMEssSetOffsetTime(S,0,0.0);

ssSetModelReferenceSampleTimeDefaultInheritance(S);

13

}

//Function:mdlStart=======================================================//Abstract:

//Thisfunctioniscalledonceatstartofmodelexecution.Ifyou//havestatesthatshouldbeinitializedonce,thisistheplace//todoit.

#defineMDL_START

staticvoidmdlStart(SimStruct*S){

//StorenewC++objectinthepointersvectorDoubleAdder*da=newDoubleAdder();

//InputRealPtrsTypeuPtrs=ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0);

ssGetPWork(S)[0]=da;}//Function:mdlOutputs=======================================================//Abstract:

//Inthisfunction,youcomputetheoutputsofyourS-function

//block.Generallyoutputsareplacedintheoutputvector,ssGetY(S).staticvoidmdlOutputs(SimStruct*S,int_Ttid){

//RetrieveC++objectfromthepointersvector

//DoubleAdder*da=static_cast(ssGetPWork(S)[0]);//GetdataaddressesofI/O

InputRealPtrsTypeu=ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0);real_T*y=ssGetOutputPortRealSignal(S,0);//

//CallAddTomethodandreturnpeakvalue//y[0]=da->AddTo(*u[0]);

//shortval_ad;shortAD_No;WORDadr_AD;AD_No=*u[0];adr_AD=0;

if(AD_No==2)adr_AD=0x23e;if(AD_No==5)adr_AD=0x241;if(adr_AD!=0){

TS_GetIntVariable(adr_AD,val_ad);

*y=400.00*((float)(unsignedshort)val_ad/65535.00);}

//}//Function:mdlTerminate=====================================================

14

//Abstract:

//Inthisfunction,youshouldperformanyactionsthatarenecessary//attheterminationofasimulation.Forexample,ifmemorywas//allocatedinmdlStart,thisistheplacetofreeit.staticvoidmdlTerminate(SimStruct*S){

//RetrieveanddestroyC++object

//DoubleAdder*da=static_cast(ssGetPWork(S)[0]);//deleteda;}

//RequiredS-functiontrailer

#ifdefMATLAB_MEX_FILE/*IsthisfilebeingcompiledasaMEX-file?*/#include\/*MEX-fileinterfacemechanism*/#else

#include\/*Codegenerationregistrationfunction*/#endif

InitIPM_RAM.cpp

/*Copyright2023-2023TheMathWorks,Inc.*/

//*******************************************************************//****Tobuildthismexfunctionuse:mexMytst.cpp****

//*******************************************************************

#include\

#defineWIN32

//#ifndefWIN32

//#error\//#endif

#include\

#defineS_FUNCTION_LEVEL2

#defineS_FUNCTION_NAMEInitIPM_RAM

//Needtoincludesimstruc.hforthedefinitionoftheSimStructand//itsassociatedmacrodefinitions.#include\

#include\

//#include\

#pragmacomment(lib,\)#pragmawarning(disable:4761)

15

#defineIS_PARAM_DOUBLE(pVal)(mxIsNumeric(pVal)

//ParametermismatchwillbereportedbySimulink

if(ssGetNumSFcnParams(S)!=ssGetSFcnParamsCount(S)){return;}

//SpecifyI/O

//if(!ssSetNumInputPorts(S,0))return;if(!ssSetNumInputPorts(S,1))return;

ssSetInputPortWidth(S,0,DYNAMICALLY_SIZED);ssSetInputPortDirectFeedThrough(S,0,1);if(!ssSetNumOutputPorts(S,1))return;

ssSetOutputPortWidth(S,0,DYNAMICALLY_SIZED);

ssSetNumSampleTimes(S,1);

//ReserveplaceforC++objectssSetNumPWork(S,1);

ssSetOptions(S,SS_OPTION_WORKS_WITH_CODE_REUSE|SS_OPTION_EXCEPTION_FREE_CODE|SS_OPTION_USE_TLC_WITH_ACCELERATOR);}//Function:mdlInitializeSampleTimes=========================================//Abstract:

//Thisfunctionisusedtospecifythesampletime(s)foryour

//S-function.Youmustregisterthesamenumberofsampletimesas//specifiedinssSetNumSampleTimes.

staticvoidmdlInitializeSampleTimes(SimStruct*S){

ssSetSampleTime(S,0,INHERITED_SAMPLE_TIME);ssSetOffsetTime(S,0,0.0);

ssSetModelReferenceSampleTimeDefaultInheritance(S);}

//Function:mdlStart=======================================================//Abstract:

//Thisfunctioniscalledonceatstartofmodelexecution.Ifyou

16

//havestatesthatshouldbeinitializedonce,thisistheplace//todoit.

#defineMDL_START

staticvoidmdlStart(SimStruct*S){

//StorenewC++objectinthepointersvector//DoubleAdder*da=newDoubleAdder();shortrtn;

InputRealPtrsTypeuPtrs=ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0);

//ssGetPWork(S)[0]=da;//FILE*pfile;

DWORDnBaud=115200;BYTEnHostID=255;

BYTEnRSType=SERIAL_RS232;BYTEnPort=1;

WORDstart_address;

//pfile=fopen(\nPort=*uPtrs[0];

rtn=TS_OpenSerialPort(nRSType,nPort,nHostID,nBaud);//fprintf(pfile,\rtn=TS_SetupAxis(255,\);

//fprintf(pfile,\rtn=TS_SelectAxis(255);

//fprintf(pfile,\rtn=TS_Reset();Sleep(100);

////1¤×÷·?ê?????_20230917

//Downloadthe\TS_DownloadProgram(\,start_address);

//Afterthefiledownload,executethedownloadedcode

TS_GOTO(start_address);//gotothestartaddressofthesetupprogram//Afterthis,youcanstartsendingon-linecommandstowardsthedrive//

rtn=TS_Power(POWER_ON);

//fprintf(pfile,\

//rtn=TS_MoveVelocity(2,0.64,MOVE_IMMEDIATE,FROM_REFERENCE);

rtn=TS_MoveAbsolute(4420,5,1,UPDATE_IMMEDIATE,FROM_REFERENCE);//fprintf(pfile,\//fclose(pfile);Sleep(100);}

17

//Function:mdlOutputs=======================================================//Abstract:

//Inthisfunction,youcomputetheoutputsofyourS-function

//block.Generallyoutputsareplacedintheoutputvector,ssGetY(S).staticvoidmdlOutputs(SimStruct*S,int_Ttid){

//RetrieveC++objectfromthepointersvector

//DoubleAdder*da=static_cast(ssGetPWork(S)[0]);

//GetdataaddressesofI/O

//InputRealPtrsTypeu=ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0);real_T*y=ssGetOutputPortRealSignal(S,0);

//CallAddTomethodandreturnpeakvalue//y[0]=da->AddTo(*u[0]);

///*WORDadr_APOS=0x228;//addressoftheAPOSTMLvariable-measuredpositionlongi_APOS=0;//variablestoringtheactualpositionreadfromthedriveTS_GetLongVariable(adr_APOS,i_APOS);//readtheactualpositionif(i_APOS(ssGetPWork(S)[0]);//deleteda;}

//RequiredS-functiontrailer

#ifdefMATLAB_MEX_FILE/*IsthisfilebeingcompiledasaMEX-file?*/#include\/*MEX-fileinterfacemechanism*/#else

#include\/*Codegenerationregistrationfunction*/#endif

18

Move_AbS.cpp

/*Copyright2023-2023TheMathWorks,Inc.*/

//*******************************************************************//****Tobuildthismexfunctionuse:mexMytst.cpp****

//*******************************************************************

#include\

#defineWIN32

//#ifndefWIN32

//#error\//#endif

#include\

#defineS_FUNCTION_LEVEL2

#defineS_FUNCTION_NAMEMove_Abs

//Needtoincludesimstruc.hforthedefinitionoftheSimStructand//itsassociatedmacrodefinitions.#include\

#include\

//#include\

#pragmacomment(lib,\)#pragmawarning(disable:4761)

#defineIS_PARAM_DOUBLE(pVal)(mxIsNumeric(pVal)

ssSetNumSFcnParams(S,0);

//ParametermismatchwillbereportedbySimulink

if(ssGetNumSFcnParams(S)!=ssGetSFcnParamsCount(S)){return;}

19

//SpecifyI/O

if(!ssSetNumInputPorts(S,3))return;for(i=0;i

在150位置上的穩(wěn)定狀況

在250位置上的穩(wěn)定狀況26

四試驗(yàn)總結(jié)及心得體會(huì)

（一）試驗(yàn)總結(jié)(主要說(shuō)說(shuō)PID調(diào)理的一些感受)（1）PID調(diào)理器各校正環(huán)節(jié)的作用

比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)理器馬上

產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

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)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，

在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)理時(shí)間。

（2）常用的控制方式：P控制，PI控制，PD控制，PID控制（3）PID算法的兩種類型：位置型控制，增量型控制（4）微分先行和輸入濾波

微分先行：微分先行是把對(duì)偏差的微分改為對(duì)被控量的微分，這樣，在給定值變化時(shí)，

不會(huì)產(chǎn)生輸出的大幅度變化。而且由于被控量一般不會(huì)突變，即使給定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不致引起微分項(xiàng)的突變。

輸入濾波:輸入濾波就是在計(jì)算微分項(xiàng)時(shí)，不是直接應(yīng)用當(dāng)前時(shí)刻的誤差e(n)