球杆实验指导.doc

球杆系统GBB1004实验指导书
1.
2011年
球杆系统简介
要点
球杆系统是为学****与研究自动控制和运动控制等专业课程而专门开发的,对于经典控制理论和现代控制理论等课程,是一个非常便于基础实验和研究的研究平台。
球杆系统的特点
球杆系统是一个典型的非线性系统,理论上而言,它是一个真正意义上的非线性系统,其执行机构还具有很多非线性特性,包括:
♦死区
♦直流马达和带轮的传动非线性。
♦位置测量的不连续性。
♦导轨表面不是严格的光滑表面,产生非线性阻力。
这些非线性因素对于传统意义上的测量和建模造成很大的影响,并对系统的控制性能造成非常大的影响,怎样去设计一个鲁棒的控制系统,是现代控制理论的一个重要问题。
固高科技提供的球杆系统既可以用于研究控制系统运行的非线性动力学,也可以用于研究控制系统的非线性观测器等,是一个较为通用的实验设备。
因为系统机械结构的特点,球杆系统具有一个最重要的特性——不稳定性,对于传统的实验方法,存在一些实验的难处,不稳定的系统容易对实验人员产生危险或是不可预料的伤害,球杆系统相对而言,机械比较简单,结构比较紧凑,安全性也比较高,是一个可以避免这些危险和伤害的实验设备。
采用智能伺服驱动模块和直观的Windows程序界面,是控制系统实验的一个理想的实验设备。
主要组成部分
球杆系统主要由以下几部分组成,如图所示。
♦球杆系统组成:
􀀹包含直流伺服马达和直流电源的机械部分
􀀹 IPM100智能伺服驱动
♦控制计算机
机械部分
机械部分包括底座、小球、横杆、减速皮带轮、支撑部分、马达等。
小球可以在横杆上自由的滚动,横杆的一端通过转轴固定,另一端可以上下转动,通过控制直流伺服电机的位置,带动皮带轮转动,通过传动机构就可以控制横杆的倾斜角。
直流伺服电机带有增量式编码器(1000P/R),可以检测电机的实际位置,在横杆上的凹槽内,有一线性的传感器用于检测小球的实际位置,两个实际位置的信号都被传送给控制系统,构成一个闭环反馈系统。
当带轮转动角度θ,横杆的转动角度为α,当横杆偏离水平的平衡位置后,在重力作用下,小球开始沿横杆滚动。
我们的目的是设计一个控制器,通过控制电机的转动,使小球稳定在横杆上的某一平衡位置。
球杆系统机械部分组成
电气部分
a) 球滚动时位移的测量:直线位移传感器
线性轨道传感器接+5V电压。轨道两边测得的电压作为IPM100 控制卡A/D 输入口的信号。当小球在轨道上滚动时,通过不锈钢杆上输出的电压信号的测量可得到小球在轨道上的位置。
b) 伺服输出角度的测量:采用IPM100 控制器,电机驱动齿轮转动时通过电机实际位置转换得到角度θ。
智能伺服驱动
电机的运动通过IPM100智能伺服驱动器进行控制,IPM100是一个智能的高精度、全数字的控制器,内嵌100W的驱动电路,适合于有刷和无刷电机。基于反馈控制原理,在得到传感器信号后,对信号进行处理,然后给电机绕组施加适当的PWM电压信号,这样,一个相应的扭矩作用于电机轴,使电机开始运动,扭矩的大小决定于用户程序中的控制算法。
IPM100是一款智能的控制器,它除了板载的用于放大控制信号的驱动放大器和PWM调制电路,还有一个全数字的DSP处理芯片,内存以及其它逻辑元件,有了这些,就可以实现先进的运动控制技术和PLC的功能,它产生实时的轨迹路径,实现闭环伺服控制,执行上位机的操作命令,完成板载IO信号的处理,所有这些都依照储存器的程序指令或是主机的在线命令执行,这种嵌入式的智能控制可以提供一个实时性非常好的控制效果,即使因为PC的非实时操作系统而产生延时的情况下。
因为控制器可以独立运行,也可以采用从动模式,本手册介绍的球杆系统将采用两种模式。
IPM100安装于控制箱内部,通过RS232和上位计算机进行通讯,直流电源也置于控制箱内部。
基于PC的控制软件
控制软件主要采用MATLAB Simulink平台,MATLAB是一个非常适合于自动控制的软件,集成了很多控制算法。
用户也可以在主机中运行IPM Motion Studio,在其环境下编写TML ( Technosoft Motion Studio)
高级语言程序,程序代码和在线命令通过主机的RS232串口下载到IPM100中。
IPM Motion Studio是一个先进的、直观的、完整的开发环境,基于Windows操作系统,可以用于设置和分析采用IPM控制器的运动控制应用软件。
在此平台下,可以容易的实现:
􀀹识别电机、传感器和负载的参数。
􀀹调整伺服驱动的各个控制环的参数。
􀀹应用TML高级语言开发灵活的运