球桿系統(tǒng)球桿系統(tǒng)對(duì)象機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

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1、球桿系統(tǒng)球桿系統(tǒng)對(duì)象機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文第1章GBB系列球桿系統(tǒng)說(shuō)明1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)述GBB系列球桿系統(tǒng)是專為自動(dòng)控制原理等基礎(chǔ)控制課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)而開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它是一個(gè)安全的開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定物理系統(tǒng)，可以將許多抽象的控制概念通過(guò)物理學(xué)運(yùn)動(dòng)直觀的表現(xiàn)出來(lái)，有趣而富有挑戰(zhàn)性，因此特別適合于基礎(chǔ)控制課程實(shí)驗(yàn)。球桿教學(xué)系統(tǒng)（Ball&Beam）如下圖1-1所示，圖1-1球桿系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖一個(gè)鋼制小球可以在一個(gè)水平軌道（橫桿）內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，該軌道可以繞已固定端轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整與水平線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以控制小球在導(dǎo)軌上的左右運(yùn)動(dòng)。如果沒(méi)有閉環(huán)控制，顯然，這樣的一個(gè)對(duì)象是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)，當(dāng)導(dǎo)軌絕對(duì)水平時(shí)，小球可

2、以平衡在導(dǎo)軌的任何一個(gè)位置，但是一旦有干擾，小球是無(wú)法回到原來(lái)的平衡位置的，通過(guò)在導(dǎo)軌上安裝可以檢測(cè)小球位置的傳感器，再設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)反饋控制器，就可以控制小球在導(dǎo)軌上的位置，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，導(dǎo)軌和水平線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的調(diào)整則由電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.2系統(tǒng)組成整個(gè)系統(tǒng)由球桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（包含齒輪和四連桿機(jī)構(gòu)）、控制器、傳感器和直流電源等部分組成。由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此比較容易理解該系統(tǒng)的控制過(guò)程。球桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-2所示：-65-圖1-2球桿系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理圖導(dǎo)軌一側(cè)為不銹鋼桿，另一側(cè)為直線位移傳感器。當(dāng)球在軌道上滾動(dòng)時(shí)，通過(guò)測(cè)量不銹鋼桿上輸出電壓

3、可測(cè)得球在軌道上的位置。導(dǎo)軌的一端固定，而另一端則由直流伺服電機(jī)（DCservomotor）的經(jīng)過(guò)齒輪減速，再通過(guò)固定在大齒輪上的連桿帶動(dòng)進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌與水平線的夾角可通過(guò)電位計(jì)或電機(jī)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算獲得。這樣，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以控制小球在軌道上的位置。球桿系統(tǒng)控制器分為嵌入式數(shù)字控制器和模擬控制器兩種，嵌入式數(shù)字控制器是基于DSP的智能伺服運(yùn)動(dòng)控制器，模擬控制器為利用運(yùn)算擴(kuò)大器和功率擴(kuò)大器組建的模擬電路控制器，系統(tǒng)組成框圖1-4如下：串口計(jì)算機(jī)嵌入式數(shù)字控制器伺服電機(jī)球桿裝置電機(jī)編碼器或電位計(jì)直線位移傳感器圖1-3球桿系統(tǒng)數(shù)字控制

4、原理圖模擬控制器伺服電機(jī)球桿裝置角度傳感器直線位移傳感器圖1-4球桿系統(tǒng)模擬控制原理圖-65-1.1實(shí)驗(yàn)及特點(diǎn)利用球桿系統(tǒng)可以完成以下包括機(jī)械、機(jī)電一體化、模擬電路、控制理論與應(yīng)用、傳感技術(shù)、電機(jī)控制、電工學(xué)等各類專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)。采用嵌入式數(shù)字控制對(duì)球桿系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口和嵌入式控制器連接，圖形化的顯示界面很直觀地顯示控制的效果，使學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化以及控制和控制理論有更加深刻的理解和認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：1．球桿系統(tǒng)對(duì)象機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配實(shí)踐2．球桿系統(tǒng)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)3．小球直線位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)和AD轉(zhuǎn)換4．角度位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)-模擬方法（電位器）5．角度位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)-數(shù)字方法

5、（編碼器）6．?dāng)?shù)字濾波分析7．直流伺服電機(jī)參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)8．直流伺服電機(jī)的調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)9．直流伺服電機(jī)的位置控制實(shí)驗(yàn)10．測(cè)速發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)11．智能伺服驅(qū)動(dòng)器的使用與編程（計(jì)算機(jī)接口實(shí)驗(yàn)等）12．球桿系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型13．球桿系統(tǒng)的數(shù)字P控制器設(shè)計(jì)14．球桿系統(tǒng)的模擬P控制器設(shè)計(jì)15．球桿系統(tǒng)的PD控制器設(shè)計(jì)16．球桿系統(tǒng)的模擬PD控制器設(shè)計(jì)17．球桿系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)18．球桿系統(tǒng)的模擬PID控制器設(shè)計(jì)-65-第2章球桿系統(tǒng)對(duì)象機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配實(shí)踐第1章球桿系統(tǒng)對(duì)象機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配實(shí)踐1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)根據(jù)球桿系統(tǒng)的機(jī)械實(shí)物模型，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；理解構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副的概念，分析和驗(yàn)證機(jī)構(gòu)自由

6、度。?進(jìn)一步理解機(jī)構(gòu)自由度的概念，掌握機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算方法，并進(jìn)一步理解復(fù)合鉸鏈、虛約束及局部自由度的概念。?加深對(duì)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的了解。?熟悉簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)裝配工藝。1.2實(shí)驗(yàn)原理1．運(yùn)動(dòng)副由于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)僅與機(jī)構(gòu)中所有構(gòu)件的數(shù)目和構(gòu)件所組成的運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目、類型、相對(duì)位置有關(guān)，因此，在繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)，可以撇開(kāi)構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)副的具體構(gòu)造，而用一些簡(jiǎn)略的符號(hào)（見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)“常用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副簡(jiǎn)圖書(shū)館符號(hào)”的規(guī)定）來(lái)代替構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按一定的比例尺表示運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置，以此表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征。表１-１為常用符號(hào)示例。?表2-1常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)副種類名稱符號(hào)??低???副轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副螺旋副???

7、高?副?凸輪副-65-第2章球桿系統(tǒng)對(duì)象機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配實(shí)踐高副齒輪副??構(gòu)??件活動(dòng)構(gòu)件機(jī)?架2．主動(dòng)件與從動(dòng)件在平面運(yùn)動(dòng)鏈中，固定其中一個(gè)構(gòu)件，其余構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)都是確定的，這樣就形成了一個(gè)平面機(jī)構(gòu)，給予運(yùn)動(dòng)規(guī)律的構(gòu)件是主動(dòng)件或是原動(dòng)件，由原動(dòng)件所驅(qū)動(dòng)的構(gòu)件叫從動(dòng)件。3．機(jī)構(gòu)自由度可以從兩個(gè)方面計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，一方面是根據(jù)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副所提供的約束條件數(shù)來(lái)計(jì)算，另一方面也可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)副所具有的相對(duì)自由度來(lái)計(jì)算。設(shè)機(jī)構(gòu)是由N個(gè)構(gòu)件和g個(gè)運(yùn)