倒立摆结构设计

本科生毕业论文（设计） 题 目 两级倒立摆设计说明书 系 别 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化技术 学生姓名 学 号 100920508 年级 2010级 指导教师 二0一五 年 四 月 二十 日30两级倒立摆设计说明书专业； 机械设计制造及其自动化 学生： 指导老师： 摘 要 机械工业是一个国家的重要产业，机械工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对倒立摆机电控制系统进行改良和优化是当务之急。有大型倒立摆机电控制系统生产企业对设备的安全指标的有着一定生产的严格要求。在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。国内倒立摆机电控制系统设备的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。倒立摆机电控制系统的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。 近期对机械行业中倒立摆机电控制系统的使用情况进行了调查，发现在机械行业中倒立摆机电控制系统的应用场合比比皆是。本次的毕业设计课题的是倒立摆机电控制系统的设计。本文介绍了倒立摆机电控制系统的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，该倒立摆机电控制系统的优点是高效，经济，并且安全系数高，运行平稳。本次倒立摆机电控制系统的设计，大大地提高了人们对机电控制系统思想觉悟，并且对后续的倒立摆机电控制系统的开发和研制都有着一定的影响，在某种程度上大大提升了该设备在国内外的竞争力，体现了机械工业重要性这一核心价值。关键词：倒立摆系统 控制对象 强耦合系统 变量Inverted pendulum electromechanical control system structure design specification Major: Studuent: Supervisorabsraote Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work. Theinvertedpendulumisatypicalhighordersystem,withmulti-variable,non-linear, strong-coupling,fleetandabsolutelyinstable.Itisrepresentativeasanidealmodeltoprovenewcontroltheoryandtechniques.Duringthecontrolprocess,pendulumcaneffectivelyreflectmanykeyproblemssuchasequanimity,robust,follow-upandtrack,therefore.ThispaperstudiesacontrolmethodofdoubleinvertedpendulumFirstofall,themathematicalmodelofthedoubleinvertedpendulumisestablished,thenmakeacontroldesigntodoubleinvertedpendulumonthemathematicalmodel,anddeterminethesystemperformanceindexweightmatrixbyusinggeneticalgorithminordertoattainthesystemstatefeedbackcontrolmatrix.Finally,thesimulationofthesystemismadeAfterseveraltestmatrixvaluetheresultsarenotsatisfactoryresponse,thenweoptimizematrixbyusingGeneticAlgorithm.Simulationresultsshow:ThesystemresponsecanmeetthedesignrequirementseffectivelyafterGeneticAlgorithmoptimization.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom.目录摘要.2Abstract.2第一章 引言.3 1.1 课题的研究背景和意义.4 1.2倒立摆系统的工作原理.6第二章倒立摆机电控制系统结构的总体设计.7 2.1 倒立摆机电控制系统结构的功能需求.8 2.2 系统实现结构图.9第三章倒立摆机电控制系统结构设计.10 3.1控制系统的构成.11 3.2控制系统硬件电路核心元件的选择.11 3.2.1伺服电机的工作原理及选型计算.12 3.2.2伺服电机的工作原理.12 3.2.3伺服电机的选型计算.13 3.3光电码盘的工作原理及作用.13 3.3.1光电码盘的工作原理.14 3.4直线导杆的选择.17 3.5同步带轮传动的选择计算.20第四章倒立摆机电控制系统中PID的控制算法的实现.22 4.1PID控制算法简介.23 4.1.2PID控制各部分的特点.23 4.1.3PID控制器各部分参数的选定.23 4.2PID控制算法的实现.23结论.24致谢.25参考文献.26第一章 引言1.1课题的研究背景和意义 由于机械工程的知识总量已经远远超越个人掌握所有，一些专业知识是必不可少的。但是过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。 大脑和手之间的人工智能和机械工程的近似关系，唯一不同的是，智能硬件还需要使用机械制造。在过去，各种机械离不开人类的操作和控制，反应速度和运算精度的进化是非常缓慢的大脑和神经系统，人工智能将消除这种限制。相互促进，计算机科学和机械工程进展之间的平行，将在更高层次的新一轮发展的开始使机械工程。在第十九世纪，机械工程的知识总量仍然是有限的，大学在欧洲，它与一般的土木工程是一门综合性的学科，称为土木工程，下半场的第十九个世纪成为一门独立的学科。在第二十世纪，随着机械工程和知识增长的发展开始分解，机械工程专业，有分支机构。在第二十世纪中期趋势分解，在时间之前和之后的第二次世界大战结束时达到的峰值。由于机械工程的知识总量已经远远从个人掌握所有，一些专业是必不可少的。但是过度的专业知识使分割，视野狭隘，可以查看和统筹大局和全球工程和技术交流，缩小范围，新技术的进步和整个块的技术，外部条件变化的适应能力差。封闭的专业知识的专家太狭，考虑的问题太特殊，在工作协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。综合职业分化和发展知识循环过程的合成，是合理和必要的。从不同的专业和专业知识的专家，也有综合的知识了解不够，看看其他学科和项目作为一个整体，从而形成一种相互强烈的集体工作。综合和专业水平。有机械工程全面而专业的冲突；在综合性工程技术也有综合和专业问题。在人类所有的知识，包括社会科学，自然科学和工程技术，有一个更高的水平，更广泛的综合性和专业性的问题。1.2 倒立摆系统的工作原理 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。 这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。 人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。 人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。 由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。综合与专业是多层次的。在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。 倒立摆机电控制系统由计算机，I/O卡，伺服系统，倒立摆的驱赶和一个光电编码器反馈测量元件组成一个闭环系统。其中以直线倒立摆为例，原理框图如下图所示。图1用编码器的伺服电机，汽车可以根据位移反馈编码器通过转换增益，速度信号可以通过位移差得到。通过光电编码器2和直接反馈给I/O卡摆角和角速度信号的测量，可以得到角差。从I/O卡读取实时数据的计算机，以确定控制决策（电机，输出扭矩和I/O卡）。电气控制箱控制相应的I/O卡量的内部电路后，驱动电机转动，使汽车是根据控制要求的运动，达到控制的目的。为两个或两个以上的系列级倒立摆，需要增加光电编码器检测摆角。实际的系统配置，配置I/O卡，根据需要的伺服电机和驱动器。具体倒立摆的工作原理图如下: 传统的倒立摆结构图分别如下图1-2-1、1-2-2、1-2-3所示： 图1-2-1 图1-2-2 图1-2-3第二章倒立摆机电控制系统结构的总体设计2.1 倒立摆机电控制系统结构的功能需求（1）需要可以任意调节转速的交流伺服电机配伺服驱动器一套。（2）通过PLC控制程序能够灵活地控制倒立摆机电控制系统的运行。（3）电压参数：220V交流电或者48V直流电压。2.2系统实现结构图根据课题的要求和技术指标，我们知道，该机电控制系统为二级倒立摆机电控制系统，其结构原理图，已经在上述图示中有所表达，伺服电机配带光电码盘，通过伺服电机驱动同步带轮传动，实现小车的往复运动，在惯性力的作用下，摆杆1和摆杆2会随着小车的运行而左右摆动，适时的数据会由摆杆后面配带的光电码盘反馈给I/O卡，PLC控制系统就会对I/O卡里的数据进行读取，从而控制伺服电机的动作，其结构图如下图所示。 根据图2.2.1，显然需要直线导杆，光电码盘，伺服电机，PLC控制箱等等功能部件，其中的每一个功能部件又都有多种选择的余地，当我们对每一个功能部件进行分析、比较、选择和确定后，总体方案便确定下来了。第三章 倒立摆机电控制系统结构设计3.1倒立摆机电控制系统的组成 倒立摆机电控制系统硬件的组成主要包括：交流伺服电机、光电码盘、直线导杆、移动小车、传动带轮等等。其具体结构图如下： 3.2控制系统硬件核心元件的选择 为实现倒立摆机电控制系统各方面性能的测试，需要用到伺服电机驱动系统，同步带轮传动系统，直线导杆装置等等，为了便于对倒立摆系统的研究有一个准确的数据，必要对控制系统中各元件进行准确的选型计算，这样才能对倒立摆机电控制系统中的个测试指标有一个准确的判断。3.2.1伺服电机的选择及作用 2.3.2.1伺服电机的工作原理 在这次倒立摆机电控制系统的结构设计中，我们采用交流伺服电机驱动，伺服电机是一种最常用的电机，广泛应用于各行各业。具有单相电容式单相异步电动机交流伺服电动机定子结构，定子上设有两个位置90绕组，励磁绕组的RF，它总是连接到AC电压UF；另一个是绕组连接控制，电压控制信号的UC。因此，交流伺服电机和伺服电机的两个。交流伺服电动机的转子通常是由鼠笼，但对伺服电机的机械特性有较宽的线性范围，速度，“旋转”现象和快速响应的性能，与普通电动机相比，应具有转子电阻和转动惯量小的特点。使用两种形式的转子结构：一个由导电材料制成的鼠笼转子高电阻率的电阻率高，为了减小转子的转动惯量，转子细长；另一种是由铝合金制成的空心杯转子，杯壁很薄，仅为二要减少磁路的磁阻，空心杯形，在固定在转子定子的地方，空心杯转子惯性矩小，响应速度快，运行稳定，因此被广泛应用。在控制电压的交流伺服电机，脉冲磁场产生只有励磁绕组的定子，转子和固定。当控制电压，将定子产生旋转磁场，转子沿着旋转磁场方向转动，在恒定负载的情况下，对控制电压改变电机的速度的大小，相位控制电压时相反，伺服电机反转。3.2.2伺服电机的选型计算 已知整个倒立摆机电控制系统的结构中，伺服电机所受到的负载来自移动小车的重力，摆杆的重力，光电码盘的重力以及直线导杆的重力和各方面的摩擦力，在这里，我们取总重量为10Kg，往复的范围为500mm700mm，速度为12r/min。即： 根据本次设计，由于为了该机构的方便使用，我们选择交流伺服电机驱动，交流伺服电机的型号是92BL-A类型的。具体的电机设计计算如下： 1）交流伺服电机设计计算 1、确定运行时间 本次设计加速时间 负载速度（m/min） 有速度可知每秒移动50mm，2.电机转速 3.负载转矩式中：TL为伺服电机的额定转矩；为摩擦系数;PB为伺服电机的机械效率;4.负载惯量左右水平运动伺服电机的负载惯量为：总惯量为：5.电机转矩启动转矩必须转矩；S为安全系数，这里取1.0。 根据以上得出数据，我们选用交流伺服电机型号为92BL-A，采用交流电源驱动，根据电机的特性曲线以及参数表如下： 根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用交流伺服电机的具体型号为92BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.4KW，额定转矩为1.3N.m，最大转矩为2.6N.m，额定转速为 3000r/min。电机大致图如下：外形尺寸92x92x86，电机输出轴径为14mm。3.3光电码盘的工作原理及作用 3.3.1光电码盘的工作原理 光电码盘，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电码盘是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧，根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。1.1增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。1.2绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：1.2.1可以直接读出角度坐标的绝对值；1.2.2没有累积误差；1.2.3电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。3.4直线导杆的选择 通过丝杆螺母连接法兰，带动整个医疗床装置做上下运行，为了要保证平稳，需要有导向装置，这里就需要设计导向光杆和直线轴承配合整个丝杆螺母装置。 用于测试的POM工程塑料支架；钢架适用于工作温度；不锈钢轴承适用于水，蒸汽，硝酸等腐蚀性介质和真空的工作场所，按下列公式确定型轴承的计算。硬度：硬度系数FH HRC58的硬度，hrc52-58，FH = 0.6-1.0 FH = 1。FT的温度系数：工作温度小于100C，FT = 1，温度100oc-125oc，FT = 1.0-0.95。接触系数FC：每根轴装一套轴承，FC=1.0每根轴装二套轴承，FC=0.81每根轴装三套轴承，FC=0.72每根轴装四套轴承，FC=0.66载荷系数FW：小于15米/分钟的速度，无冲击，无振动，FW = 1.0-1.5；小于60米/分钟的速度，超调量小或振荡，FW = 1.52.0；运行速度大于60米/分钟，或有更大的冲击，振动，FW = 2.05.0。时间是生命的LH =（100001）/ 2 * L（S * N1 * 60）（单位：小时小时）L：长度寿命 (万米)，LS：工作行程 (米)，N1：每分钟往复次数 已知行程L=0.2米，工作温度60oC，每分钟往复次数n1=20，微小冲击，轴承工作载荷PC=200Kg，硬度大于HRC60，期望寿命Lh=5000小时，试选择轴承型号。按以上工作条件： 根据本次载荷重量为2000N，我们选用两个导向光杆加上丝杆螺母，这样滑动轴承的所受负载就平均分配，上下六个滑动轴承分别连接底板和连接上固定圆盘，两边轴承座为固定式的，中间六个为可以随着丝杆螺母上下滑动。六个导向光杆加上丝杆螺母，这样每个导向光杆的滑动轴承处的所受负载为166N。本次设计中所选择的滑动轴承为带法兰形状的。3.5同步带轮传动的选择计算1)传动名义功率P_=0.18kW;(2)主动轮转速n1=1500rmin，从动轮 =350rmin;(3)中心距a=55mm左右;(4)工作情况， 8小时运转求设计功率P=K0 Pm=0.32= 0.6Kw，式中Ko为载荷修正系数由设计功率0.6Kw 和n =1500rmin，由查得带的型号为XL型，对应节距P =5.08mm（1）选择小带轮齿数由小带轮转速n=1500r/min，L型带，查表得小带轮最小许用齿数 Z1=12，则大带轮齿数 Z2= i Z1，其中i= n1n2=1500350=4286;Z2=428612=51取标准带轮齿敦=50;（2）确定带轮节圆直径dI=Pb Z1/=19.414mm;d2= Pb Z2/=80.9mm;（3）确定同步带的节线长度LL= 2acos +(d2+d1 )2+( d2-d1)180;式中： =sin-1 (d2-d1)/2a =0218；126 (以a=100mm代入) 则L =54.54 选择最接近计算值的标准;节线长(见表4)L=55.20mm;（4）计算同步带齿数zZb=Lp/Pb=55.20/5.08=11;（5）传动中心距n的计算a=Pb( Z2-Z1)2zcos;式中： inV =314l6 inV=tg-用逐步逼近法计算，=1351 8(弧度)代入上式得出a=102.45与精确计算结果相似。最后测量装置同步带选用XL型同步带P= 5.08mm;ZB=11， L,= 5520ram b= 9.5mm;同步带轮： Z1=11，Z2=50，dI=Pb Z1/=19.4146mm;d2= Pb Z2/=80.9mm;同步轮结构图如下图所示： 第四章 倒立摆机电控制系统中PID的控制算法的实现4.1 PID控制算法简介 PID（比例积分微分）控制是一个被称为比例积分的微分控制，具有生产流程的自动控制，PID控制是历史最长的且也是最重要的一个基本的控制方式，在二十世纪的前40年中，除了最简单的用例可以用开关控制，它是唯一用方法来控制。自那时以来，在发展科学技术尤其是电子计算机的诞生与发展，许多先进的控制方法不断出现。然而，直到现在，因为是真实的一个PID控制仍然是最广泛使用的基本控制模式。 PID控制器是基于系统误差，误差率的不同组合，积分，微分控制三方面，数量。“广义控制对象包括控制阀，控制对象和测量探头。在基本PID控制的组成都是非常简单的，其优点包括：适应性强、鲁棒性强和不依赖的类型的早餐。目前，已经有很多的PID控制与智能PID控制器或控制器产品，已广泛用于工程中，许多大公司有一个由A PID参数自整定的智能调节器（regulatorfunction智能调节器），一个PID控制器参数自调整是实现通过智能自校正或校正，自适应算法。包括使用PID控制来实现温度，压力，流量，液位和CAN控制器实现PID控制功能的可编程逻辑控制器（PLC）控制，实现PC机和CAN控制系统等等。在可编程逻辑控制器（PLC）控制模块的实现是一个PID闭环控制使用。4.1.2 PID控制各部分的特点 在实际工程应用中，比例，调节器积分，微分广泛使用都非常广泛，也被称为PID控制调节。PID控制器已出现近70年历史，它以其结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便而成为工业控制的主要技术。在充分掌握被控对象的结构和参数不能，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场试验确定，然后PID控制技术的应用是最方便的。当不完全了解一个系统和被控对象，或不能获得系统参数通过测量的有效手段，最适合的PID控制技术。PID控制，在实践中也有PI和PD控制。PID控制器是系统的误差，利用比例，积分，微分控制的计算量的控制。1，所占的比例（P）控制比例控制是一种控制的最简单方式。控制器的输出与输入误差信号成比例。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（稳态误差）。2，（我）的积分在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比。一个自动控制系统，如果在稳定状态的稳态误差，称为控制系统与系统的稳态误差（稳态误差系统）。为了消除稳态误差，在控制器必须引入“积分”。积分项对误差取决于时间，随着时间的增加，积分项会增大。所以，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而增加，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在稳定状态下的稳态误差。3，微分（D）在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比。自动控制系统中可能会出现振荡甚至失稳克服误差的调节过程。原因是因为那里是一个大惯性组件（环节）或向后（延迟）成分，抑制误差的作用，其变化总是落后的误差。解决的办法是抑制误差的作用，改变“提前”，这是在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。也就是说，控制器只有“比例”的引入往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加“差”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，可以提前抑制误差的控制作用等于零，甚至为负，从而避免了被控严重超调量。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分（PD）在改善系统的过程的动态特性的调节控制器。4.1.3 PID控制器各部分参数的选定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心，很高兴。比例系数、积分时间PID控制器微分。PID控制器参数整定有很多方法，一是理论计算方法。它主要是基于数学模型，通过理论计算来确定的参数控制器。本方法计算数据直接使用，也必须调整和修改工程。项目方法，它主要取决于我们的工程经验，测试与控制系统，方法简单、容易实践。PID控制器参数整定方法的作品，比值法，反应曲线法和衰减。三方法的共同点是，通过测试，然后根据经验公式of the控制器参数整定。无论什么样的目的是获得控制器参数，最后的调整和改进。现在一般使用比值法。PID控制器参数的全过程中使用临界比值法：（1）前选择采样周期短，让系统工作；（2）比例控制链接，直到系统步进响应输入临界振荡，振荡放大系数；（3）参数在一定度PID控制器控制。4.2PID控制算法的实现 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制方法是PID控制，PID控制系统原理框图如图所示，系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值vou(t)构成控制偏差：error(t)=rin(t)-vou(t);PID的控制规律为：U(t)=Kp(error(t)+1/Tp*error(t)dt+Td/Dp;简单来说，在教学中的PID控制器：（1）：错误比例误差信号来反映控制系统比例（T），一旦产生偏差，该控制器具有立竿见影的效果，以减少偏差。（2）组成：主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。函数的积分强度取决于积分时间常数，它是高的，积分作用较弱，而更强大。（3）微分环节：在偏差信号的变化（变化率），和差信号太多之前，在系统中引入一个有效的修正信号，从而加快系统的运行速度，降低调整时间。结论在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度本文所设计的是倒立摆机电控制系统的设计，通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最后，感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。致 谢 直到今天，论文总算完成了，我的心里感到特别高兴和激动，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算，查找各类倒立摆设计的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。参考文献1张福学编著.倒立摆系统的机构及其应用.北京：电子工业出版社，2000。2何发昌著，邵远编著.倒立摆机电控制系统的结构及应用.北京：高等教育出版社，1996。3张利平著. 倒立摆机电控制技术速查手册. 北京：化学工业出版社，2006.12。4李宝仁著.倒立摆系统的研究和演变. 北京：机械工业出版社，1999.9。5宋学义著. 倒立摆机电控制系统在现实中的应用. 北京：机械工业出版社，1995.3。6陈奎生著.倒立摆机电控制系统的种类和原理 武汉：武汉理工大学出版社，2008.5。7SMC（中国）有限公司. 倒立摆机电控制系统器的发展历史. 北京：机械工业出版社，2003.108徐文灿著. 倒立摆机电控制系统的设计. 北京：机械工业出版社，1995。9曾孔庚.倒立摆机电控制系统的发展趋势. 机器人技术与应用论坛。10寿庆丰.一种新型多功能电动倒立摆机电控制系统控制器. 机械设计1999年第3期，第3卷。11高微,杨中平,赵荣飞等.倒立摆机电控制系统控制优化设计. 机械设计与制造2006.1。12孙兵,赵斌,施永辉.倒立摆机电控制系统控制器的研制. 中国期刊全文数据库。13马光,申桂英.倒立摆机电控制系统的现状及发展趋势. 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