直線一級(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)報(bào)告

...倒立擺實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：機(jī)械103班實(shí)踐小組名稱：第三小組實(shí)踐小組組員：序號(hào)姓名學(xué)號(hào)1鄧敏09150201272潘光興09150200913羅耀新10072000824岑志聰10072000935羅卓?jī)x10072000946陳上富10072000957劉辰熙1007200090實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：1、編碼器原理及使用實(shí)驗(yàn)2、MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)老師：向建化2012/11/271.MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)1.1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解機(jī)理法建模的基本步驟；2、了解實(shí)現(xiàn)倒立擺的基本操作；3、學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí)如何調(diào)節(jié)倒立擺系統(tǒng)上的交流伺服電機(jī)；4、學(xué)會(huì)對(duì)倒立擺進(jìn)行基本調(diào)試；5、掌握控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的基本方法；1.2實(shí)驗(yàn)要求：1、采用機(jī)理法建立直線一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型；2、分析倒立擺的穩(wěn)定性，并在MATLAB中仿真驗(yàn)證；1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1、倒立擺各系列；1.4實(shí)驗(yàn)原理：將運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)前軸設(shè)定成速度控制模式，用戶需要設(shè)定最大速度和加速度兩個(gè)參數(shù)。在該模式下，開始運(yùn)動(dòng)時(shí)將以設(shè)定的加速度連續(xù)加速到設(shè)定的最大速度，運(yùn)動(dòng)方向由速度的符號(hào)確定，即正速度產(chǎn)生正向運(yùn)動(dòng)，而負(fù)速度產(chǎn)生負(fù)向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)這種模式實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)。1.5實(shí)驗(yàn)步驟：1、打開MATLAB/Simulink仿真環(huán)境；2、在窗口的左上角點(diǎn)擊按鈕新建一個(gè)“Model”窗口；3、在“SimulinkLibraryBrowse”窗口中，打開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”；4、拉“SetCurrentAxis’sAccandVel”模塊到剛才新建的“untitled”窗口中；5、雙擊“SetAccVel”模塊，打開如下窗口，參數(shù)設(shè)置如下：“Axisnumber”：選擇軸號(hào)為“1”，即小車電機(jī)所使用的軸。“Backvelocity”：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng)的速度，單位為米/秒?！癇ackposition”：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng)，單位為脈沖數(shù)。6、從“Simulink\Souces”中拉兩個(gè)“Constant”到“untitled”窗口中；7、按下圖連接三個(gè)模塊：8、設(shè)置兩個(gè)“Constant”模塊參數(shù)如下：設(shè)置小車的運(yùn)動(dòng)速度參數(shù)為0.2米/秒，加速度為0.1米/秒。9、在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”中拉一個(gè)“GT400-SVInitialization”模塊到窗口中；10、選擇仿真模式為“External”；11、將文件保存為“MoterTest”，點(diǎn)擊菜單“Simulation\SimulationParameters”設(shè)置參數(shù)。修改“Simulationtime”和“Solveroptions”，其中仿真時(shí)間“inf”表示無(wú)窮長(zhǎng)，步長(zhǎng)設(shè)置為0.005s。點(diǎn)擊“Real-TimeWorkshop”打開如下所示窗口：12、點(diǎn)擊“Browse”修改設(shè)置為”Real-TimeWindowsTarget”；13、點(diǎn)擊“OK”；14、點(diǎn)擊“”編譯程序；15、打開電控箱電源；16、連接程序；17、運(yùn)行程序；18、觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果；19、修改最大速度和加速度分別為2和1，觀察滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果；六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：第一次：小車運(yùn)動(dòng)速度較慢；第二次：小車運(yùn)動(dòng)速度明顯加快；2．編碼器原理及使用實(shí)驗(yàn)2.1.1編碼器原理旋轉(zhuǎn)編碼器是一種角位移傳感器，它分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種，其中光電式脈沖編碼器是閉環(huán)控制系統(tǒng)中最常用的位置傳感器。旋轉(zhuǎn)編碼器有增量編碼器和絕對(duì)編碼器兩種，圖2-1為光電式增量編碼器示意圖，它由發(fā)光元件、光電碼盤、光敏元件和信號(hào)處理電路組成。當(dāng)碼盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光源透過(guò)光電碼盤上的光欄板形成忽明忽暗的光信號(hào)，光敏元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)處理電路的整形、放大、分頻、記數(shù)、譯碼后輸出。為了測(cè)量出轉(zhuǎn)向，使光欄板的兩個(gè)狹縫比碼盤兩個(gè)狹縫距離小1/4節(jié)距，這樣兩個(gè)光敏元件的輸出信號(hào)就相差π/2相位，將輸出信號(hào)送入鑒向電路，即可判斷碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。光電式增量編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度α(分辨角、分辨率)，而這與碼盤圓周內(nèi)所分狹縫的線數(shù)有關(guān)。α=其中n——編碼器線數(shù)。由于光電式脈沖編碼盤每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)分辨角就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，因此，根據(jù)脈沖數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，由傳動(dòng)比換算出直線位移距離；根據(jù)脈沖頻率可得工作軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號(hào)的相位先后，可判斷光電碼盤的正、反轉(zhuǎn)。絕對(duì)編碼器通過(guò)與位數(shù)相對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管和光敏二極管對(duì)輸出的二進(jìn)制碼來(lái)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度。與增量編碼器原理相同，用于測(cè)量直線位移的傳感器是光柵尺。由于光電編碼器輸出的檢測(cè)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，因此可以直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，不需放大和轉(zhuǎn)換等過(guò)程，使用非常方便，因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛。2.1.2角度換算對(duì)于線數(shù)為的編碼器，設(shè)信號(hào)采集卡倍頻數(shù)為，則有角度換算關(guān)系為：式中?——為編碼器軸轉(zhuǎn)角；N——編碼器讀數(shù)對(duì)于電機(jī)編碼器，在倒立擺使用中需要把編碼器讀數(shù)轉(zhuǎn)化為小車的水平位置，以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：式中——小車位移；——同步帶輪直徑2.1.3編碼器使用實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為倒立擺系統(tǒng)上的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，在充分理解以上實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行下列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一擺桿角度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)按以下實(shí)驗(yàn)步驟完成在MATLAB下的擺桿角度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，注意，在使用之前請(qǐng)仔細(xì)閱讀倒立擺的相關(guān)使用手冊(cè)和熟悉MATLAB部分知識(shí)，確定MATLAB已經(jīng)安裝好實(shí)時(shí)控制工具箱和VC編譯環(huán)境（參見(jiàn)《固高M(jìn)ATLAB實(shí)時(shí)控制軟件用戶手冊(cè)》）。打開MATLAB以及Simulink環(huán)境：2)在窗口的左上角點(diǎn)擊“”建立一個(gè)新窗口：3)在Simulink窗口中，打開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”如下圖所示：4)在“GetCurrentAxis’sPosition”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵并將模塊拉到（以下簡(jiǎn)稱為“拉”）剛才新建的窗口“untitled”中：5)雙擊“GetPos”模塊，打開如下窗口，并選擇軸號(hào)為“2”，即第一級(jí)擺桿連接的編碼器，此編碼器固定于小車上。6)從“Simulink\Sinks”中拉一個(gè)“Scope”到“untitled”窗口中：7)連接兩個(gè)模塊（移動(dòng)鼠標(biāo)到“<“上，鼠標(biāo)箭頭變成“＋”，按下鼠標(biāo)左鍵并移動(dòng)到“>”上，松開鼠標(biāo)）：8)在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”中拉一個(gè)“GT400-SVInitialization”模塊到窗口中：9)選擇上圖中上方的“Normal”為“External”：10)將文件保存為“EncoderTest”，點(diǎn)擊菜單“Simulation\SimulationParameters”設(shè)置參數(shù)：11)點(diǎn)擊“Browse”修改設(shè)置為”Real-TimeWindowsTarget”12)點(diǎn)擊“OK”13)點(diǎn)擊“”編譯程序，在Command窗口中會(huì)有編譯信息顯示：14)打開電控箱電源；15)點(diǎn)擊“”連接程序；16)點(diǎn)擊“”運(yùn)行程序；17)雙擊“Scope”模塊觀察數(shù)據(jù)：18)手動(dòng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿一圈，觀察顯示結(jié)果，在數(shù)據(jù)超出顯示范圍時(shí)，點(diǎn)擊“”進(jìn)行縮放。從圖中可以看出，編碼器讀數(shù)為2400，等于編碼器的線數(shù)(600)的四倍（板卡4倍頻），順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)擺桿，觀察讀數(shù)和擺桿實(shí)際角度。19)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。備注：具體模型請(qǐng)參見(jiàn)EncoderTest.mdl，其路徑如下：“matlabroot\toolbox\GoogolTech\InvertedPendulum\”，也可以在Simulink環(huán)境中打開模型：進(jìn)入MATLABSimulink實(shí)時(shí)控制工具箱“GoogolEducationProducts”打開“InvertedPendulum\BasicExperiments”中的“EncoderTestExperiment”如下圖所示：系統(tǒng)模型如下：2.2MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為倒立擺系統(tǒng)上的交流伺服電機(jī)。將運(yùn)動(dòng)控制器當(dāng)前軸設(shè)定成速度控制模式，用戶需要設(shè)定最大速度和加速度兩個(gè)參數(shù)。在該模式下，開始運(yùn)動(dòng)時(shí)將以設(shè)定的加速度連續(xù)加速到設(shè)定的最大速度，運(yùn)動(dòng)方向由速度的符號(hào)確定，即正速度產(chǎn)生正向運(yùn)動(dòng)，而負(fù)速度產(chǎn)生負(fù)向運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以隨時(shí)修改。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1)打開MATLAB/Simulink仿真環(huán)境；2)在窗口的左上角點(diǎn)擊“”新建一個(gè)“Model”窗口：3)在“SimulinkLibraryBrowse”窗口中，打開“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”，如下圖所示：4)拉“SetCurrentAxis’sAccandVel”模塊到剛才新建的“untitled”窗口中：5)雙擊“SetAccVel”模塊，打開如下窗口，參數(shù)設(shè)置如下圖：“Axisnumber”：選擇軸號(hào)為“1”，即小車電機(jī)所使用的軸。“Backvelocity”：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng)的速度，單位為米/秒?！癇ackposition”：此參數(shù)設(shè)定小車限位后反方向運(yùn)動(dòng)，單位為脈沖數(shù)。6)從“Simulink\Souces”中拉兩個(gè)“Constant”到“untitled”窗口中：7)按下圖連接三個(gè)模塊：8)設(shè)置兩個(gè)“Constant”模塊參數(shù)如下：9)在“GoogolEducationProducts\GT-400-SVBlockLibrary”中拉一個(gè)“GT400-SVInitialization”模塊到窗口中：10)按上圖選擇仿真模式為“External”。11)將文件保存為“MoterTest”，點(diǎn)擊菜單“Simulation\SimulationParameters”設(shè)置參數(shù)。12)點(diǎn)擊“Browse”修改設(shè)置為”Real-TimeWindowsTarget”13)點(diǎn)擊“OK”如下圖所示：14)點(diǎn)擊“”編譯程序，在Command窗口中會(huì)有編譯信息顯示：15)打開電控箱電源；16)點(diǎn)擊“”連接程序；17)點(diǎn)擊“”運(yùn)行程序；18)觀察小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。修改最大速度和加速度兩個(gè)參數(shù)，觀察小車的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。參考模型：進(jìn)入MATLABSimulink實(shí)時(shí)控制工具箱“GoogolEducationProducts”，打開“InvertedPendulum\BasicExperiments”中的“ServoMotorControlExperiment”如下圖所示：實(shí)驗(yàn)總結(jié)：我們共做了MatlabSimulink環(huán)境下電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)、編碼器原理及使用實(shí)驗(yàn)，由于事先已經(jīng)將參數(shù)設(shè)計(jì)好并經(jīng)過(guò)精心的仿真修改，所以實(shí)驗(yàn)耗時(shí)并不長(zhǎng)，我們?cè)诼?tīng)完老師的詳細(xì)解說(shuō)后便開始了此次實(shí)驗(yàn)。首先我們將每個(gè)倒立擺