自控实习报告_实习报告总结自控

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本科生课程设计（报告）

题

目: 姓

名: 学

院: 专

业:

班

级: 学

号: 指导教师:

2010年 12月16日 南京农业大学教务处制

自动控制原理课程设计 机械手终端执行器微机控制

前言

现代化社会中自动控制理论应用于各行各业，在机械手这一装置上，这一理论显得尤为重要。机械手广泛应用于各种工业生产，对于提高生产效率和准确度

有着极为重要的意义，特别是劳动力成本越来越高而且越来越多的环境不适宜人的操作，机械手的发展是十分必要的。当下机械手控制非常热门，并且将在未来很长一段时间内在人们社会生活的各个角落都有可能用到，为此我们学校安排我们进行了为期一周的自动控制实习—机械手钳杯控制。其基本原理是利用一个微控制器控制执行电机的转动，从而带动机械臂的移动，使其能够快速夹紧杯子而又不至于夹碎。我们的实习工作就是针对机械臂的加速减速以及微调的控制系统进行数学建模，运用经典控制理论知识设计控制器，并运用Matlab进行仿真分析。首先，此次课程设计的目的是针对具休的设计对象，对象参数进行数学建模，运用经典控制理论知识设计控制器，并运用Matlab进行仿真分析。通过本课程设计，建立理论知识与褓对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。其次，我们在正式实习之前已将准备工作做好，安装好Matlab软件以及熟练掌握了常用的几种系统校正方法，如串联超前滞后，根轨迹校正，PD,PID等的校正。最后根据我们小组的讨论以及对实习中项目的要求，我们分别做了根轨迹校正和PID校正，以作对比，最后经simulink仿真之后发现PID对该系统的控制校正效果更好。

摘要

机械手的运行必须快速、准确、稳定，这样才能符合生产的要求。在原来基础的系统模型基础上，应用根轨迹校正或PID校正分别对系统的响应速度以及稳定性能进行调节，利用MATLAB和SIMIULINK进行仿真设计，达到预期的目标。

关键字： 系统校正

自动控制

模拟仿真

机构图形如下：

机构参数：

克服摩擦力矩Mf2 x 102Nm

电压变电流放大倍数KI1A/V

电流变力矩放大倍数KT0.5Nm/A

传感器变换系数K00.83V/mm

所夹容器的最大直径Dmax0.2m

弹性衬垫的压缩量为（5mm~8mm)时可压紧容器又不至于损坏容器，期

望压缩量为6mm

最终性能要求： %15%，ts1.5s，精度0.1mm 三 问题理论分析：

1、控制过程分析：

系统运动分为三个阶段：

（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，加速位移为0.1m。

（2）减速阶段，起始时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）夹紧阶段，减速阶段完成后，这时传感器开始有输出，起始位置为减速结束的位置。

2、控制系统模型分析：

前两个阶段用开环控制，先求系统传递函数，根据电动机输出转矩与电动机转子角速度之间的关系有：

dwMMf

Jdt2Rm24rdrd3.125X10

其中：J 为转动惯量；J

00R为电动机转子角速度

M电动机输出电磁转矩

Mf摩擦转矩

R电机驱动轮半径

d

又因为：；为转子角位移

dtd2J2MMf

则：dt 以及：y=R

2Js(s)M(s)Mf(s)

对以上两式去拉氏变换

Y(s)(s)R

可以得到Y(s)

G(s)M(s)Mf(s)Js2R

Y(s)R2

M(s)Mf(s)Js80 2s代入数据可得：G(s)MMfd2yd280MMf 加速度 a2R2RdtdtJ

方案一：第三个阶段为调整阶段，通过传感器组成闭环系统，由于之前的系统只有两个存在于原点的极点系统并不稳定。其根轨迹图如下：

由此可知需要对系统增加一个开环零点系统可能稳定。现增加一个零点 得到如下的跟轨迹曲线从中取一个点在该处的极点和增益：

现在采用超前校正来进行系统设计，由传感器参数可得H(s)830，原系统的传递函数为G(s)80。2s方案二：采用超前校正对系统进行补偿，可以使系统稳定，现在进行参数计算。

12a1t1s

1第一阶段加速阶段：由2

a180(MMf)

取s10.1m,t1=0.5s

得：a10.8m/s2,M0.03Nm,v1=0.4m/s ,由Mr1(t)KIKT可以知道加速阶段的输入电压r1(t)0.06V；

第二阶段减速阶段：

由v1a2t2v2

22vv12a2s22

取s20.005m，v20m/s

得a216m/s2，M0.18Nm，t20.025s

由Mr2(t)KIKT可知减速阶段的输入电压r2(t)3.6V； 第三阶段串联超前校正：

给定一个预期的目标，输入的电压r3(t)0.8364.98V； 采用跟轨迹校正：

第一步，确定期望主导极点位置：

由题目给出的超调量不超过15%，即%e12100%15%

得0.517 取2，由ts41.5n可得 n2.667

选择期望主导极点为：1,22.7j3.6 取=0.6 n=4.5 第二步，确定超前网络的零点：

为了方便角度的计算现在选择超前网络的零点直接位于期望主导极点的下方，取sz2.7

第三步，确定超前网络的极点：

为了让期望的主导极点位于校正后根轨迹上，超前网络的极点p应产生一个相角p，使得在期望的主导极点处满足根轨迹的相角条件，即

902*12700180 p0于是p160

在s平面上，通过期望主导极点做一条直线，使其与实轴正方向的夹角为，则该直线与实轴的交点s=-15.25就是超前网络的极点，-p=-15.25.98402(115.25s)p160G(s)G0(s)Gc(s)跟轨迹曲线必须满足幅值条件，对增益进行调整取K=0.0007。经过校验，画出Bode图和系统响应曲线后满足条件

4、已设计好的系统的性能指标：

ts1.5s,%15%

四 整个控制系统的Simulink仿真结构图：

五 系统响应曲线：

六 系统开环控制的Bode图：

上述方案的效果并不理想振荡比较大可能使杯子破裂，先采取PID校正，PID校正可以很好的较快系统的响应并且增强系统的稳定性。

方案三：

同方案二的第一步和第二步可以得到系统加速阶段的输入电压和减速阶段的输入电压以及预期位置的调节电压。

根据第二个方案取Wn和分别为6.2和0.6.对系统的闭环系统进行降解取两个主导极点，得到二阶系统对应求得建立如下的仿真模型

KP0.059,KI0.345,KD0.01

响应曲线如下：

系统的伯德图如下：

Bode Diagram200150Magnitude(dB)Phase(deg)100500-50-180-225-270-315-36010-110010Frequency(rad/sec)1102七

实习心得：

经过一周的实习，我们对Matlab软件从一开始的一无所知，到现在的初步了解，并能够运用Simulink来仿真方块结构图了。在实习之前，经过老师上课时的讲解，对于自控系统的校正，其实还处于一个套用阶段，感觉该这么做就这么做，也不是很清楚原因。实验时我们一开始用超前相位校正，算出的各项系数都特别的小，进行仿真时发现结果偏差特别大；于是我们开始尝试用根轨迹校正，通过计算得出所需的控制系统传递函数，但发现稳定的结果不满足要求。通过调整增益，以使幅值能够满足要求，并通过调整控制系统零点位置，调节调整时间，使其满足要求。但听老师说根轨迹校正不如PD和PID校正，于是后来我们又尝试了另外两种方法。通过比较发现PID校正效果最好。当然在实习过程中也遇到了很多不懂得问题，要不断翻书查阅，而且理论有时候很繁琐，理论计算的数值大部分时候不能符合我们的要求，但我们发现有时只要估计一下大概范围，然后用Matlab去尝试几次，即方便简单，又能节省时间。

这次实习让我们收获很大，使我们对这几种校正都有了一定的了解，初步学会了Matlab软件的使用，懂得了怎样把理论与实际相结合。在实习中发现实践真的很重要，它可以使我们在理论的基础上理解更深的一层！所以在以后的学习中，我们要更加努力的学习理论知识，同时注意与实际应用相结合，并进一步学习使用Matlab软件。最后感谢老师对我们的讲解和帮助。