二级旋转倒立摆说明书.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流二级旋转倒立摆说明书.精品文档.精密机械课程设计学院： 专业： 班级： 姓名： 学号： 精密机械课程设计二级旋转式倒立摆说明书目 录序：倒立摆简介前 言 ：设计任务说明一、 二级旋转式倒立摆概述：结构设计说明1.1 系统总体结构1.2 机械结构1.3 硬件部分1.4 软件部分1.5 相关计算二、 二级旋转式倒立摆的系统使用2.1 注意事项 2.1.1 准备阶段注意事项2.1.2 装配电脑的要求2.1.3 使用注意事项2.2 系统使用2.2.1 开机操作与电位器零位的调整方法2.2.2 系统操作与维护三、 设计小结四、 参考资料序倒立摆系统是理

2、想的自动控制教学实验设备，使用它能全方位的满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观的表现出来。倒立摆系统具有模块性好和品种多样化的优点，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。通过增加角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆；通过增加两节倒立摆杆和相应的传感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。倒立摆的控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，极富趣味性，学习自动控制课程的学生通过使用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。

3、由于倒立摆系统机械结构简单、易于设计和制造，成本廉价，因此在欧美发达国家的高等院校，它已成为常见的控制教学设备。同时由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多现代控制理论的研究人员一直将它视为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法。因此，倒立摆系统也是进行控制理论研究的理想平台。直线运动型倒立摆外形美观、紧凑、可靠性好。除了为每个子系列提供模块化的实现方案外，其控制系统的软件平台采用开放式结构，使学生建立不同的模型，验证不同的控制算法，供不同层次的学生进行实验和研究。由于采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制，以及齿型带传动，固高公司的倒立摆系统还是一个典型

4、的机电一体化教学实验平台，可以用来进行各种电机拖动、定位和速度跟踪控制实验，让学生理解和掌握机电一体化产品的部件特征和系统集成方法。前 言设计任务说明：现代科技发展，推动传统教学方式的改革，迫使教学着眼培养学生的创造能力和实际操作能力。本次课程设计是精密机械设计课的重要组成部分，是打好技术基础和进行技能训练的重要环节。我们小组研制的二级旋转式倒立摆系统，是一个典型的机电一体化系统，采用内置DSP运动控制器和力矩电机进行实时运动控制。二级旋转式倒立摆，及其功能扩展后的位置伺服系统，为自动控制理论，计算机控制系统等课程的教学和研究，提供了这类课程全方位的教学实验平台，同时它让学生理解和掌握机电一体

5、化产品的部件特征和系统集成方法。倒立摆及其功能扩展的位置伺服系统作为一种自动控制教学实验设备，能够全面地满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过实验装置直观的表现出来。倒立摆的控制技巧，极富趣味性，很适合学习自动控制课程的学生使用它来验证所学的控制理论和算法，加深对所学课程的理解。基于DSP的旋转式倒立摆系统的最大特点是机械结构简单、可靠，成本低廉、体积小，是高等院校理想的自动控制教学的实验设备。除教学用途之外，由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性，许多控制理论的研究人员一直将它作为研究对象，并不断从中发

6、掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航天科技和机器人学方面获得了广泛的应用。因此，倒立摆设备也是进行控制理论研究的理想平台。二级旋转式倒立摆系统可以方便地构成一个位置控制系统的被控对象，并配置由运算放大器组成的校正网络实验箱，构成位置控制系统进行经典控制理论（调节原理）的教学实验。也可用VC+6.0实现模拟运算放大器校正网络的功能。通过微机配置的调节原理实验软件，在计算机上实现系统的稳定性、时域特性、频域特性分析和品质校正的实验。此外，配置计算机控制系统和控制系统计算机辅助设计等课程的相关软件，用于控制系统设计类课程的实验。综上所述，二级旋转式倒立摆系统的系列产品是一个多功能的教学实验平台

7、，产品使用DSP芯片来控制倒立摆，有利于系统的小型化，控制更加快速，抗干扰性强，控制品质有很大提高，可用于多门课程的教学实验。为教学和研究提供了现代实验装备和手段。一 、 二级旋转式倒立摆概述1.1、系统总体结构二级旋转式倒立摆系统采用DSP作控制器，由直流力矩电机直接驱动，能够独立执行实时控制算法，脱离计算机直接运行；也可以通过RS-232C串行通讯接口用计算机控制，进行在线控制算法调试，是具有独立控制能力和标准通讯接口的专用智能实验设备。它的DSP部分、电源与电机驱动部分全部安装在机箱内，采用这样封闭式的结构，不易人为损坏。运动部分安装在机箱上，整体结构比较紧凑、合理。图1是系统的总体结构

8、示意图。图1、系统总体结构图系统的组成框图及工作原理如图2所示。图2 系统框图1.2、机械结构系统的机械结构如图3所示，其中各部分为：1旋臂，2摆杆，3电位器，4直流力矩电机，5支架，6机箱，7电源开关一些器件的参数如下：1. 机箱尺寸：360 mm240 mm90mm，旋臂尺寸：300mm20mm10mm：，摆杆尺寸：15mm250mm，15mm200mm，支架高度：400mm。2. 旋臂质量（包括电位器2）：200g；摆杆质量：50g。两者都采用铝合金材料。3. 测量电位器：WDD35D导电塑料电位器，阻值：1K，独立线性度：0.1%，寿命达5000万转。4. 直流力矩电机：70LY53永

9、磁直流力矩电动机，堵转电压：Uf=27V，满额电流：If=2.26A，堵转力矩：Mf=0.627Nm，最大空载转速：Nomax=900r/min。图3、机械结构图1.3、硬件部分1. 以TMS320F240 DSP控制器为核心器件， 这是TI公司专门为电机控制系统设计的，具有强大的数据处理功能和丰富的片内外设模块。能够独立执行实时控制算法，也可以通过RS-232C串行总线与计算机通讯。其主要的性能指标如下：1) 高速静态CMOS工艺，16位定点数字信号处理器，50ns指令周期。2) 224K 16位字的寻址能力（程序、局部数据、IO各64K，全局数据32K），544字16位片内数据/程序双口（

10、Dual-Access）RAM，16K字16位片内闪速存储器（FLASH）。3) 双10位ADC单元，各有8路输入，能够在10s内同时实现两路转换。4) 12路比较/脉冲调宽（PWM）输出，直接针对电机控制系统设计。5) 串行通讯接口：支持RS-232标准的串行通讯。6) 具有可编程中断系统、事件管理模块、看门狗电路、锁相环时钟及基于扫描的仿真接口（JTAG标准）。2. 20V直流稳压电源由集成电路LM317提供，输出电流可达1.5A， 5V 直流稳压电源由集成电路7805提供。3. 电机驱动部分采用PWM工作方式的芯片A3952SW。将DSP单元送出的PWM和DIR信号进行合成放大，驱动电机

11、工作。4. 变压器型号R80，功率72W，空载电流7mA，频率50Hz，初级输入电压220v。5. 与计算机通讯，采用RS-232串行通讯接口。1.4、软件部分软件系统包括DSP和PC两个部分。1. PC软件编程语言 Microsoft VC+ 6.0。2. 控制周期是10ms，界面上的显示刷新周期是50ms。3. DSP软件编程利用CC编译器。4. 提供以下两种基本的运行方式： 1) 联机调试方式：由PC进行控制，DSP只是作为PC的采样和控制输出接口单元使用，自身不进行算法处理。2) 脱机运行方式：由DSP独立进行控制，此时，DSP仍然可以利用串行通讯接口将实时控制数据发送到PC中，但是，

12、PC只是用作观测、分析运行数据。5. 具有良好的人-机界面，可以很方便地进行算法调试。1.5、相关计算在忽略了空气流动，各种摩擦之后，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆组成的系统，如下图2所示图2 单级倒立摆模型示意图那我们在本实验中定义如下变量：M 小车质量 （本实验系统 0.5 Kg）m 摆杆质量 （本实验系统 0.2 Kg）b 小车摩擦系数 （本实验系统 0.1 N/m/sec）l 摆杆转动轴心到杆质心的长度（0.3 m）I 摆杆惯量 （0.006 kg*m*m）F 加在小车上的力 x 小车位置 摆杆与垂直向上方向的夹角 摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）下面我们对这

13、个系统作一下受力分析。下图3是系统中小车和摆杆的受力分析图。其中，和为小车与摆杆相互作用力的水平和垂直方向的分量。注意：在实际倒立摆系统中检测和执行装置的正负方向已经完全确定，因而矢量方向定义如图，图示方向为矢量正方向。图3 倒立摆模型受力分析分析小车水平方向所受的合力，可以得到等式：应用Newton方法来建立系统的动力学方程过程如下：分析小车水平方向所受的合力，可以得到以下方程：由摆杆水平方向的受力进行分析可以得到下面等式：即 把这个等式代入上式中，就得到系统的第一个运动方程： （1）为了推出系统的第二个运动方程，我们对摆杆垂直方向上的合力进行分析，可以得到下面方程：力矩平衡方程如下：注意：

14、此方程中力矩的方向，由于，故等式前面有负号。合并这两个方程，约去和，由得到第二个运动方程： （2）设（是摆杆与垂直向上方向之间的夹角），假设与1（单位是弧度）相比很小，即1，则可以进行近似处理：，。用来代表被控对象的输入力，线性化后两个运动方程如下： （3）参数可行性计算：转轴承受应力：t=T/W=T/0.2d3=3.15N/mmt45号刚 t=29.439.2悬臂承受应力: (屈服应力)=F/A=1.63Mpa =140Mpa电机扭矩M=FL=0.588Nm0.627NmMf=0.627Nm二、二级旋转式倒立摆的系统使用2.1、注意事项2.1.1、准备阶段注意事项1. 手提支架将倒立摆放置在

15、具有一定强度且平稳的实验台上。2. 检查倒立摆有无损坏，螺钉是否松动，尤其轴向连接部位是否松动。3. 检查所配附件有无短缺、损坏。附 件数 量倒立摆主体（包括摆杆、旋臂、电机、电位器、机箱等）1电源线1使用说明书12.1.2、电脑的配置要求A、 操作系统是WIN98；B、 内存足够大，最好是256M；C、 机器内装有VC+6.0软件；D、 PC机中装有MATLAB6.1软件；2.1.3、使用注意事项1、倒立摆装置要摆放在有足够强度和稳度的水平桌面上。2、 置两端要有足够的空间，使得旋臂和摆杆能够自由地晃动。有关人员应避免站在摆的左右方，以免造成伤害。3、不要在高温和潮湿的环境中使用该设备。4、

16、 进行系统连线、拆卸与安装前，必须关闭系统所有电源。2.2、系统使用2.2.1、倒立摆的开机操作及电位器零位调整方法1. 倒立摆放在平整的桌面上，在桌子的附近要有一台电脑。拿出电源线，首先插好电源线，然后用内六角扳手把固定摆杆和悬臂的夹箍松开。再检查有无螺丝松动，若有螺丝松动请上紧！2. 打开倒立摆的电源，打开电源的同时最好用手扶助摆杆，当摆杆和悬臂打到倒立摆黑色固定限位垫圈时等待大概30秒的时间悬臂开始震动，此时用手轻轻的扶助悬臂和摆杆到倒立的位置，倒立摆就可以正常工作了。3、以上操作倒立摆不能正常工作，此时可以关掉电源然后重新打开电源，再重复以上的操作。如果多次开关机后仍然不能正常工作，可

17、以判断电位器的零位不对，需要调整倒立摆电位器的零位。以下重点介绍电位器的零位调整方法：1、 首先关掉电源，然后放倒倒立摆打开倒立摆的底盖，拔掉电源板上电机线插头（电源板上有散热器很好确认，电机线插头在集成块A3952附近，两芯的大插头）。2、 松开倒立摆的电位器固定螺丝参照图4：A、B、C、D、E五个螺丝然后用一字螺丝刀调整电位器调节处T1、T2就行了。 图4 注： 倒立摆电位器零位调整参照图（先松开A、B、C、D、E等5个电位器固定螺丝，再调T1、T2电位器调节处3、 打开倒立摆的电源观察PC上显示的和倒立摆实际的位置是否一致，如果不一致调节T1、T2使得倒立摆实际的位置和PC中显示的位置一

18、样就行了。4、 调节完毕后固定螺丝，固定时千万要小心先固定B然后固定C、D、E最后固定A。5、 螺丝固定后，看此时倒立摆的摆杆和悬臂位置是否和PC显示的一致，若此时还是一致说明电位器的零位调节成功！关掉倒立摆电源。6、 插上电源板上电机插头（红、黑两色），上好底盖。7、 打开倒立摆此时倒立摆应该能正常工作了。2.2.2系统操作与维护1. 脱机控制（不需要计算机直接用倒立摆内部的DSP控制）倒立摆的脱机控制：无需与计算机连接，由DSP独立完成控制功能。接通电源后，打开倒立摆开关，旋臂将带动摆杆摆起到倒立位置附近，（必要时用手扶到中间位置，）倒立摆保持平衡运动状态。2系统维护1)电气部分出现故障，

19、将倒立摆放倒，可将底板装置上的驱动部分及DSP部分拆开，进行维修调整。2)摆杆摆动时距离箱体距离不相等，可松开图4中C处的螺钉，调整摆杆位置，使它不与箱体发生碰撞。3)由于意外使倒立摆发生撞击或摔打，倒立摆无法实现倒立控制，或者旋臂偏移平衡位置较大，则需要重新调节电位器的零点。三、设计小结1. 过程总结刚开始拿到任务的时候，我们很彷徨，完全不知道该如何去设计。从网上不断查资料，只是知道了这个装备的工作原理，但是毫无设计思路。期间，不曾一次想放弃，换一个更加简单的题目。但是由于不想放弃这一次亲自动手的机会，我们并未更换题目，而是坚持做这个题目。在迷茫中，我们一直踯躅，感觉以我们现在的能力不可能独

20、立完成这个任务。但是，在制作过程中，我们渐渐明白了这个机构的工作原理，以及有了设计思路。第一次设计过程中，我们摸索着只制作了一个一级的倒立摆。尽管老师批准了我们可以做这个，我们这时却已经明白了设计的理念，觉得这样太简单了，一是不符合开始的规定要求，其次也让我们工作的成就感大打折扣。尽管已经完成了装配图，我们毫不犹豫的把整张图都擦掉了，并且从新画了一份新的装配图。尽管过程中不管有细节需要修改，但是我们却越来越有信心。每一次解决一个设计难题，我们的心里都会有莫大的成就感。随着装配图的最终成型，我们的胜利的喜悦感油然而生。我们这个机构的零件图很简单，不怎么麻烦的就完成了。在最后说明书的时候，也遇到不

21、少困难。例如应力的那些计算。尽管都是曾经学过的知识，但是我们都只有模糊的印象，具体的公式参数都已忘记。只能从新翻书查阅，把曾经的知识再次学习一遍。尽管设计过程看起来枯燥无聊，但是其中不乏一些令人情趣盎然的亮点。比如在开始查阅资料的时候，我们找到的大多数都是直线倒立摆的资料，旋转倒立摆的资料相对较少。每每找到一份旋转倒立摆的资料，都会让我们兴奋半天。然而，找到的资料也不是都能够使用。在我们找到的资料中，大部分都是和算法有关的，根本没有机械结构的设计。我们只好摸着石头过河，根据他们的轮廓图以及自己的设想，逐步完成设计。再设计过程中，那个支架完全来自我们自身的创意。既节省了材料，又增加了美观度。尽管

22、并不是什么伟大的设计，但是让我们颇为自豪。在一些配件的选择过程及结构设计中，我们也会出现不同的意见，也会发生争执。这些争执，促使我们更深入的是了解相关知识，让我们对与结构等有了更深入的认识，收获很大。2. 改进设想1.部分材料可能可以选取更轻便的材料2.部分结构可以合并到一起，减少工艺结构3.合理结构设计，便于传输数据线的连接3. 心得体会这次课程设计，是我们大学以来，第一次自主设计。通过对于我们设计内容的了解，让我们对倒立摆有了深刻的认识，了解了2级倒立摆的结构和工作原理。是一次把我们所学的原理运用到时间之中的实践学习。尽管其中经历过挫折，一度想放弃，但是我们坚持了下来，并最终完成了作品。看

23、着最后的成品，完全不相信这个是我们自己完成的。在这次设计过程中，更多的是体现出来我们的不足。首先是对于课本知识的应用。尽管我们都考过了精密机械设计，工程力学这些科目，并且还取得了不错的成绩，但是当这些知识真正运用到设计过程中时，却不知道如何运用。其次便是对于专业知识认识的匮乏，例如在选择材料的时候，我们根本不知道材料的特性，不知道在什么情况下该选用什么材料才是最合适的。再次，设计过程中的团队合作也没有很好的体现出来。尽管有分工，但是不太明确，导致本来1小时能完成的任务，用了2个小时，既浪费了时间精力，又不能保证成品质量。这些都是以后要注意的。在这次课程设计过后，我对于自己学习的方向有了全新的认识。知道了自己的不足。尽管中途坎坷，但是看着最终完成的作品，内心还是很喜悦的。尽管可能最后的成品还有很多不足，但是这是一个完全我们自己设计的作品，无论好坏，我们在这一刻都是成功者。四、参考资料.平行单级双倒立摆系统的建模与滑模变结构控制J.2008.1张 春，江 明，陈其工等机械学基础，科学出版社，蒋秀珍主编；精密机械零件，机械工业出版社，庞振基主编；精密机械零件手册，机械工业出版社，天津大学、北工大合编；仪表结构设计图册，机械工业出版社，陈文贤主编；机械设计手册 成大先相关各类国家标准和其它各类机械设计手册。