机械手终端微控制器

1、 本科生课程设计(报告题目: 自动控制原理课程设计 机械手终端执行器微机控制合作者:班级:指导教师2010年 12月 23 日自动控制实习报告一、课程设计目的:针对具体的设计对象进行数学建模,然后运用经典控制理论知识设计控制器,并应用Matlab进行仿真分析。通过本次课程设计,建立理论知识与实体对象之间的联系,加深和巩固所学的控制理论知识,增加工程实践能力。二、课程设计参数与要求:1、控制设计对象结构示意图 2、机构特征(1电机的负载有两部分,其一是克服摩擦力矩M f=2×10-2 Nm,其二是产生被控对象的惯性矩。(2电机驱动轮的半径为0.025m,质量为1kg。(3电压变电流的放

2、大倍数为:K I=1 A/V(4电流变力矩的放大倍数为K T=0.5 Nm/A(5传感器的变换系数为K0=0.83 V/mm(7弹性衬垫的压缩量为(5mm8mm时可压紧容器又不至于损坏容器,期望压缩量为6mm。3、控制结构框图 4为满足快速性要求,把控制阶段分为三个阶段:(1加速阶段,初始位置为夹钳最大开度0.2m,加速时间为0.5s。(2减速阶段,起始阶段为夹钳接触玻璃容器开始,减速最大行程为5mm,以上两个阶段采用开环控制,以提高响应速度。(3位置闭环控制,这时传感器开始有输出,起始位置为减速结束时的位置。 (4要求抓取时的动作快且不损坏%=15%,ts 1.5s ,精度0.1mm.三、问

3、题的理论分析:1、控制系统模型首先根据电动机输出转矩与电动机转子角速度之间的关系f M M dtd J=其中:J 为转动惯量;J=rdrd r R m R 22002=3.125;410×为电动机转子角速度; M 电动机输出电磁转矩;摩擦转矩;R 电动机驱动轮半径。f M 又因为dt d =,则f M M dtd J =22,其中为转子角位移; 另外,R y =。对以上两式去拉氏变换=Rs s Y s M s M s Js f (2可以得到R Js s M s M s Y f 2(=,2(JsRs M s M s Y s G f =,代入数据可得280(ss G =。 加速度 =a

4、22dty d =R 22dt d =J M M Rf =80(MM f K K K K 2、控制阶段分析第一阶段(加速阶段:假设杯子的直径为0.1m,则由公式=(f 2M M 80a at 21S ,将S=0.1,t=0.5代入公式得,a=0.8m/s 2,M=0.03N·m 由系统传递函数得开始输入电压U=0.06V。第二阶段(减速阶段:假设减速的行程为S=5mm,减速的初速度V t =0.4m/s,V 0=0,则根据公式aS 2V V 202t = 得 a=-16m/s 2第三阶段(微调阶段:此时传感器开始有输出,增加反馈环节H(S,由已知传感器的变换系数K 0=0.83V/m

5、m ,可得:H(S=830V/m 。由期望压缩量为6mm ,可计算得出输入信号电压为U=4.98V 。此时系统的开环传递函数为233200(SS G k =要使得闭环系统稳定,加入控制环节,使得性能指标为:%=15%,ts 1.5s ,精度0.1mm 。采用根轨迹校正法设计控制器:没加控制器之前,系统的开环传递函数为233200(SS G k =由公式 ×=%100%2(421et n s ,经计算得:17.50=,67.2n 取67.2n =,选择期望主导极点为43.467.2,11j ±=确定相位超前网络的零点位于主导极点的下方,于是有7.2=z s确定相位超前网络的极

6、点,为了让期望的主导极点位于校正后的根轨迹上,超前网络的极点应产生一个相角p p ,使得在期望的主导极点处满足根轨迹的相角条件,即o o o o 28180121290=+×=p 因此,07.11=p 于是,超前网络的传递函数为07.1167.2(+=S S S G c校正后系统的传递函数为07.11(67.2(21+=S S S k S G S G k c 由根轨迹幅值条件可以得到在主导极点处的根轨迹增益为48.561=k系统校正前后的根轨迹分别如图1、图2所示 1Root Locussj w图1 校正前 Root Locussj w图2 校正后四、系统的 Simulink 仿真结

7、构图： Step4 Scope Step1 1 Gain 0.5 Gain1 80 s2 Zero-Pole In1 Out1 Enabled Subsystem Step2 Step Step3 Step6 Zero-Pole1 (s+2.67 (s+11.07 Gain3 -K- Gain2 -K- Step5 图 3 系统 Simulink 结构图 图 4 系统仿真图 如上图所示，误差在 0.1mm 之间，符合要求。 五、系统开环和闭环的 Bode 图： 开环传递函数为 G ( S = 46878.4( S + 2.67 ，其 Bode 图如图 5 所示。 S 2 ( S + 11.07

8、 Bode Diagram 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -140 -145 -150 -155 -160 -165 -170 -175 -180 10 -1 Phase (deg Magnitude (dB 10 0 10 1 10 2 10 3 Frequency (rad/sec 图 5 开环系统的 Bode 图 闭环传递函数为 ( S = 所示。 Bode Diagram -30 -40 -50 -60 Magnitude (dB -70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 0 56.48( S + 2.67 ，其 Bode 图如图 6 S + 11.07 S 2 + 46878.4 S + 125165.328 3 -45 Phase (deg -90 -135 -180 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Frequency (rad/sec 图 6 闭环系统的 Bode 图 Step Response 0.012 0.01 0.008 System: G Time (sec: 0.507 Amplitude: 0.00669 Amplitude 0.006