燕山大学机电一体化实验报告高等教育实验设计_高等教育-实验设计.pdf

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1、实验一计算机控制系统时间响应分析 五、分析整理实验数据 2.1仿真结果曲线 22计算 1)求增益裕量和相角裕量 增益裕量以分贝表示时:由公式 Kg(dB)=20lgKg=-L(Wg)=-20lg|G(j Wg)H(jWg)中 Wg=2rad/s。可得:G(jwg)=-0.25 H(j wg)=1 代入得增益裕量 Kg(dB)=12dB 由丫=180+(wc),由第一幅曲线图可得0 所以相角裕量丫=180o-138.5 o=41.5 2)求系统的带宽和谐振峰值 由第二幅曲线图可得，当对数幅值 L(w)下降到-3dB时，所对应的角频率即为截止频(dB)，及第一幅曲线图(wc)=-138.5 Blr

2、rL.Qp】IflawrHWB t it1 10!ffWUFK!：匚E rcJ*&ES:X 10 廿 io 彳 rraGi：-j 心”*“V t 卜PZW严 Z i r-*i*、“11 W哥耳巧:朗畀 12 o o=K-&E 武 JA-率，读图得 Wb=1.07rad/s，所以系统的带宽为 OVBWWvb=1.07rad/s。由控制工程基础知：Bode图中谐振频率 wr处对应的值为20lgMr，由第二幅曲线图读图得 20lgMr=3.09 dB 解得 Mr=1.427 3)求系统的最大超调、稳态误差、过渡时间 由 MATLAB 运算结果可知：最大超调 Mp=0.2783 稳态误差 e=-0.0

3、037 过渡时间 ts=9.9251s量和相角裕量增益裕量以分贝表示时由公式及第一幅曲线图中可得代入得增益裕量由丫由第一幅曲线图可得所以相角裕量丫求系统的带宽和谐振峰值由第二幅曲线图可得当对数幅值下降到时所对应的角频率即为截止频率读图得所以差过渡时间由运算结果可知最大超调稳态误差过渡时间实验二单位负反馈系统的调节器设计及参数整定五分析整理实验数据写出实验报告系统模型图令分别等于得到的一组响应曲线軒令分别等于得到的一组响应曲线令分别等于得到选择上既可以选择步进电机也可以选择直流电机步进电机的显著特点是有快速启停能力如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转转换精度高

4、正反转控制灵活而直流电机具有优良的调速特性调实验二单位负反馈系统的 PID调节器设计及参数整定 五、分析整理实验数据，写出实验报告 1.系统Simulink模型图 2.Ti=0，Kd=O，令Kp分别等于0,0.1,1,10,50得到的一组响应曲线 3.Kp=0，Kd=0，令Ti分别等于0,0.01,0.1得到的一组响应曲线 11 11 Of 軒 W IDO 150 2W 2M aw 量和相角裕量增益裕量以分贝表示时由公式及第一幅曲线图中可得代入得增益裕量由丫由第一幅曲线图可得所以相角裕量丫求系统的带宽和谐振峰值由第二幅曲线图可得当对数幅值下降到时所对应的角频率即为截止频率读图得所以差过渡时间由

5、运算结果可知最大超调稳态误差过渡时间实验二单位负反馈系统的调节器设计及参数整定五分析整理实验数据写出实验报告系统模型图令分别等于得到的一组响应曲线軒令分别等于得到的一组响应曲线令分别等于得到选择上既可以选择步进电机也可以选择直流电机步进电机的显著特点是有快速启停能力如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转转换精度高正反转控制灵活而直流电机具有优良的调速特性调 4.Ti=0.01,Kp=50，令Kd分别等于0.01,0.1,0.15,0.18 得到的一组响应曲线 5令Kp=50,Ti=0.01,Kd=0.18得到系统最终响应曲线 量和相角裕量增益裕量以分贝表示时由

6、公式及第一幅曲线图中可得代入得增益裕量由丫由第一幅曲线图可得所以相角裕量丫求系统的带宽和谐振峰值由第二幅曲线图可得当对数幅值下降到时所对应的角频率即为截止频率读图得所以差过渡时间由运算结果可知最大超调稳态误差过渡时间实验二单位负反馈系统的调节器设计及参数整定五分析整理实验数据写出实验报告系统模型图令分别等于得到的一组响应曲线軒令分别等于得到的一组响应曲线令分别等于得到选择上既可以选择步进电机也可以选择直流电机步进电机的显著特点是有快速启停能力如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转转换精度高正反转控制灵活而直流电机具有优良的调速特性调实验三 典型机电一体化系统设

7、计 四、系统方案设计 1、电机的选择 在电动机的选择上，既可以选择步进电机，也可以选择直流电机。步进电机的显著特 点是：a有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使 步进电机启动或反转。b 转换精度高，正反转控制灵活。而直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能够承受频繁地冲击负载，可实现频繁地无级 快速启动、制动和反转能满足各种不同的特殊运行要求。电机要低许多。综上所述，选择直流电动机。2、电机驱动方案的设计 采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，一般电动机的电阻比较小，但电流很大，

8、分压不仅会降低效率，而且实现很困难。采用继 电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开与关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间很长，易损坏，寿命较短，可靠 性不高。考虑到电流、电压的等级及小车的尺寸、外观等因素，选用集成电机驱动芯片 L298，L298 是双 H 桥高电压大电流集成电路。3、路面检测方案的设计 根据探测路面黑线的基本原理可选方案有：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发 射接收方案，该方案在设计使用时，容易受到外界光源的干扰，有时候甚至检测不到，虽然 采取超高亮度的发光二极管可以降低一定的干扰，但是会增加额外的功率损耗。脉冲调制

9、的反射式红外接收发射器。采用交流分量的调制信号，可大幅度减少外界干扰；采用占空比 小的调制信号，在平均电流不变的情况下，可大大提高信噪比。比较上述两种方案，方案二占有很大的优势，市场上有很多红外探头也都是基于这个原 理，不但能完成准确测量，而且避免了电路的复杂性。4、行程检测方法 车轮检速与路程计算方案有：采用光电编码盘进行检测，用计数器对接收到的信号进 行计数，能很精确的计算出小车已经走过的距离。通过霍尔传感器实现，霍尔传感器与磁 钢配对使用时，每对应一次霍尔传感器便输出一个脉冲，计算霍尔传感器发出脉冲的频率，便可实现速度与路程计算，选用它。5、避障方案设计 避障方案有：脉冲调制的反射式红外

10、接收发射器。采用交流分量的调制信号，可大幅 度减少外界干扰；采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，可大大提高信噪比。采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则 通知单片机可以向前行驶。考虑到价格以及具体应用场合，选择方案一。再次考虑到成本，直流电机比步进 从而达到调速目的，但是电阻网络只 且可能存在干扰。更主要的问题在于 把磁钢固定在车轮上，通过单片机 方法简单，且价格合理，所以 量和相角裕量增益裕量以分贝表示时由公式及第一幅曲线图中可得代入得增益裕量由丫由第一幅曲线图可得所以相角裕量丫求系统的带宽和谐振峰值由第二幅曲线图可得当对数幅值下降到时所对

11、应的角频率即为截止频率读图得所以差过渡时间由运算结果可知最大超调稳态误差过渡时间实验二单位负反馈系统的调节器设计及参数整定五分析整理实验数据写出实验报告系统模型图令分别等于得到的一组响应曲线軒令分别等于得到的一组响应曲线令分别等于得到选择上既可以选择步进电机也可以选择直流电机步进电机的显著特点是有快速启停能力如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转转换精度高正反转控制灵活而直流电机具有优良的调速特性调 亚克力板 蓊山大学 1?23 14 31 据硃険 强山尢学)五、智能车车体设计（主要零部件二维图，包括底座、连扳、后轮和前轮，共四张 i：i IC001 !需 I

12、C0Q4 KF A B C KF A B C )I S I d _ 85 -3 S tSSfl 1 r*u#t if.軋飢H VC IE 刎1 1 I 4 0 亠 8&F*K#氣飢H t*fiM ff IE 量和相角裕量增益裕量以分贝表示时由公式及第一幅曲线图中可得代入得增益裕量由丫由第一幅曲线图可得所以相角裕量丫求系统的带宽和谐振峰值由第二幅曲线图可得当对数幅值下降到时所对应的角频率即为截止频率读图得所以差过渡时间由运算结果可知最大超调稳态误差过渡时间实验二单位负反馈系统的调节器设计及参数整定五分析整理实验数据写出实验报告系统模型图令分别等于得到的一组响应曲线軒令分别等于得到的一组响应曲线令

13、分别等于得到选择上既可以选择步进电机也可以选择直流电机步进电机的显著特点是有快速启停能力如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转转换精度高正反转控制灵活而直流电机具有优良的调速特性调 *a*w 31 BI 30001 R KD0 W n 曲 畴 跚 a p冷 mi n Wt “图样代号”J0 /C*1 H CJ)-b r-I -“图样代号 *a*w 31 BI 0001 门 9909 W n 曲 畴 跚 a p冷 mi n Wt 量和相角裕量增益裕量以分贝表示时由公式及第一幅曲线图中可得代入得增益裕量由丫由第一幅曲线图可得所以相角裕量丫求系统的带宽和谐振峰值由第

14、二幅曲线图可得当对数幅值下降到时所对应的角频率即为截止频率读图得所以差过渡时间由运算结果可知最大超调稳态误差过渡时间实验二单位负反馈系统的调节器设计及参数整定五分析整理实验数据写出实验报告系统模型图令分别等于得到的一组响应曲线軒令分别等于得到的一组响应曲线令分别等于得到选择上既可以选择步进电机也可以选择直流电机步进电机的显著特点是有快速启停能力如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转转换精度高正反转控制灵活而直流电机具有优良的调速特性调六、系统硬件设计 1路面黑线检测的设计与实现 路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检测传感器有效探测距离达 5cm，

15、通过调节电位器，最远可达 10cm,但精度降低。但小车底盘平均高度为 7cm，对精 度要求也不高，故完全满足使用要求。当检测到黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生高电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机分析处理。为保证小车沿黑线行 驶，采用了两个传感器并行排列。在小车行走过程中，若向左方偏离黑线，则右侧的探头就 会检测到黑线，把信号传给单片机。单片机通过控制车头向右转。向右偏同理，如此即可保 证小车始终沿黑线行驶。2、电机驱动电路的设计与实现 L298是双H桥高电压大电流集成电路，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电 流检测电阻。Vss接逻辑控制部分的电源，常用+5

16、V。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引 脚采用标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，EnA、EnB引脚则为使能控制端。其控制表如下：输入 功能 Ven=H C=H；D=L 正转 C=L；D=H 反转 C=D 制动 Ven=L C=x 停止 D=X 3、车轮速度与路程计算 在车体和车轮上分别固定霍尔元件和磁钢。车轮每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉 冲。通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出小车的速度。测得车轮的直径，可计算出 车轮的周长，在单片机控制时，每检测到一个脉冲，认为小车前进了一周。对脉冲信号整形 后送入单片机进行检测计数，输出显示行驶里程数。4、避障检测和处理 避障和

17、检测处理采用了一款集发射与接收与一体的一种光电传感器，因其具有检测距离 可以根据要求进行调节，探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等 特点，在机器人避障、流水线计件等众多场合广泛应用。量和相角裕量增益裕量以分贝表示时由公式及第一幅曲线图中可得代入得增益裕量由丫由第一幅曲线图可得所以相角裕量丫求系统的带宽和谐振峰值由第二幅曲线图可得当对数幅值下降到时所对应的角频率即为截止频率读图得所以差过渡时间由运算结果可知最大超调稳态误差过渡时间实验二单位负反馈系统的调节器设计及参数整定五分析整理实验数据写出实验报告系统模型图令分别等于得到的一组响应曲线軒令分别等于得到的一组响应曲线令分别等于得到选择上既可以选择步进电机也可以选择直流电机步进电机的显著特点是有快速启停能力如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或反转转换精度高正反转控制灵活而直流电机具有优良的调速特性调