自动化基础实验教材机电讲述.doc

自动化基础实验 主编：尚雅层 姚 慧 侯志敏 自动化基础教研室 球杆控制系统硬件拆装及软件操作训练 一．实验目的： 掌握控制系统硬件及其机械结构的基本组成 掌握系统各部件的作用及整个系统的工作原理 掌握系统软件的操作过程 使用实验系统，了解滤波器的作用 二．实验内容： 理解系统的组成及各部分的原理，主要包括电机编码器，电位器，电机等 拆卸，安装硬件系统 安装软件，学习操作系统 对球杆系统进行数据采集实验 三．实验设备： 1、固高科技球杆机械传动系统 2、球杆系统运动控制箱 3、计算机 四．实验原理： 1、 系统简述 GBB 系列球杆系统是专为自动控制原理等基础控制课程的教学实验而开发、设计的实验设备，它是一个安全的开环不稳定物理系统，可以将许多抽象的控制概念通过物理学运动直观的表现出来，有趣而富有挑战性，因此特别适合于基础控制课程实验。 球杆教学系统（Ball Beam）如下图1-1 所示。 图1－1球杆系统执行机构 一个钢制小球可以在一个水平轨道（横杆）内自由转动，该轨道可以绕已固定端转动，通过调整与水平线的转动角度，可以控制小球在导轨上的左右运动。 如果没有闭环控制，显然，这样的一个对象是一个不稳定系统，当导轨绝对水平 时，小球可以平衡在导轨的任何一个位置，但是一旦有干扰，小球是无法回到原 来的平衡位置的，通过在导轨上安装可以检测小球位置的传感器，再设计一个闭 环反馈控制器，就可以控制小球在导轨上的位置，从而构成一个闭环稳定系统， 导轨和水平线的转动角度的调整则由电机通过齿轮传动带动一个四连杆机构来实现。 2、 系统组成 整个系统由球杆运动机构（包含齿轮和四连杆机构）、控制器、传感器和直流电源等部分组成。由于系统的结构相对简单，因此比较容易理解该系统的控制过程。 球杆系统运动结构简图如图1-2 所示。 图1－2球杆系统执行机构原理图 导轨一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移传感器。当球在轨道上滚动时，通 过测量不锈钢杆上输出电压可测得球在轨道上的位置。导轨的一端固定，而另一 端则由直流伺服电机（DC servo motor）的经过齿轮减速，再通过固定在大齿轮上的连杆带动进行上下往复运动。导轨与水平线的夹角可通过电位计或电机编码器的转动角度和简单的几何计算获得。这样，通过设计一个反馈控制系统调节直流电机的转动，就可以控制小球在轨道上的位置。 球杆系统控制器分为嵌入式数字控制器和模拟控制器两种，嵌入式数字控制器是基于DSP 的智能伺服运动控制器，如图1－3所示；模拟控制器为利用运算扩大器和功率扩大器组建的模拟电路控制器，系统组成框图1-4 如下： 3、系统的硬件组成： 系统的电路图： IPM的接口： 4、系统的软件组成： 在此我们主要用MATLAB来做实验。 5、电位器的工作原理 小球的位置通过电位计的输出电压来检测，电位器两端加载着5V的电压，小球就像一个可以移动的接触片，小球在不同的位置，就会返回不同的电压。它和IPM100的AD转换通道AD5相连，AD5（16位）的范围为0－65535，对应的电压为0－5V，相应的小球位置为0－400mm。 6、滤波器的作用： MATLAB的数据采集和处理工具箱提供了强大的数据采集功能，可以很方便的进行数据采集和处理的工作 五．实验步骤 ： 熟悉整个控制系统的机械结构，各部分的组成，各部分的工作原理，以及其电气接口； 根据电路图连接好系统（注意其中有四根线要连接：1根是电控箱的电源线，1根是电控箱与机械本体相连的电机的电源线，1根是信号线，1根是跟计算机串口相连的串口线，要记住串口的号数，因为下面要设置相关的参数，其中信号跟串口线是相同，只要把对应的接口连接起来就行了）其步骤如下： 给计算机和电控箱上电（注意上电的原则先上强电再上弱电，下电时则刚好相反）； 给计算机安装相应的软件包括MATLAB6.5，VC 6.0。 设置软件的运行环境（注：由于MATLAB跟IPM的接口程序是用VC 6.0编成，故其在运行中需要用到VC 6.0的编译器）以及控制软件的安装其步骤如下： 6、实验软件的操作使用请参考以下步骤： 在实验前，请设置MATLAB路径为球杆系统文件所在的路径，例如：“C:\MATLAB6p5 \toolbox \googoltech\ballbeam” 打开MATLAB点击Simulink如下图： 弹出工具箱如下图： 在Simulink中打开”Googol Educational Products”工具箱弹出如下图界面： 双击打开BallBeam模块弹出如下图界面： 双击Data Col