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1、南京工程学院课程设计说明书成绩题 目机械手终端执行器微机控制课程名称院（系、部、中心）工程实训中心专业自动化（系统集成）班级D自集成091学生姓名 沈世军学号233090137设计时间设计地点（教室名）指导教师陈啟华、熊新娟年 月 南京机械手终端执行器微机控制一、课程设计目的:针对具体的设计对象进行数学建模，然后运用经典控制理论知识设计控 制器，并应用Matlab进行仿真分析。通过本次课程设计，建立理论知识与实 体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。二、课程设计参数与要求：1、控制设计对象结构示意图2、机构特征(1) 电机的负载有两部分，其一是克服摩擦力矩Mf=2X
2、10-2 Nm,其二 是产生被控对象的惯性矩。(2) 电机驱动轮的半径为0.025m，质量为1kg。(3) 电压变电流的放大倍数为：0=1 A/V(4) 电流变力矩的放大倍数为Kt=0.5 Nm/A(5) 传感器的变换系数为K=0.83 V/mm(6) 所夹容器的最大直径是Dmax=0.2m(7) 弹性衬垫的压缩量为(5mm8mm)时可压紧容器又不至于损坏容 器，期望压缩量为6mm。3、控制结构框图预期位置zKikG(S)控制器1传感器*Mf4、设计要求为满足快速性要求，把控制阶段分为三个阶段:(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。(2) 减速阶段，起始阶段为夹钳
3、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) 位置闭环控制，这时传感器开始有输出，起始位置为减速结束时的位置。(4) 要求抓取时的动作快且不损坏b % =15%, ts 1.5s，精度 0.1mm.三、问题的理论分析：1、控制系统模型首先根据电动机输出转矩与电动机转子角速度之间的关系d wJ = M Mdtf其中：J为转动惯量；J= J2町Rr 2 rdrd 0 =3.125 x 10 4 ； w为电动机转子角速度;00 兀 R2M电动机输出电磁转矩；M摩擦转矩；R电动机驱动轮半径。f又因为w = d0，则J竺=M - M，其中0为转子角位移; d
4、tdt 2f另夕卜，y = 0 R。1对以上两式去拉氏变换 S = 2 at2a = 80( M M )If可以得到M (s) M (s)Y (s) =f R，Js 2m / s 2， 代入数据可得80G( s)=正。加速度 =空=R g (S) = 3320 = =80(MM )dt 2KS 2f2、控制阶段分析第一阶段(加速阶段)：假设杯子的直径为0.1m，则由公式1S = at2 2.67n1 n 由公式一严Q % = /1-G 2 X 100 % 取W = 2.67，选择期望主导极点为nY ,y = 2.67 土 j4.431 1 确定相位超前网络的零点位于主导极点的下方，于是有s =
5、 -z = -2.7 确定相位超前网络的极点，为了让期望的主导极点位于校正后的根轨迹上，超 前网络的极点p应产生一个相角9，使得在期望的主导极点处满足根轨迹的相P角条件，即9 = 90。 2 x 121。+180。= 28。p因此，p = 11.07于是,超前网络的传递函数为G (S)=CS + 2.67S + 11 .07校正后系统的传递函数为G (S)G (S) = k 1(S +空7)C kS 2( S + 11.07)由根轨迹幅值条件可以得到在主导极点处的根轨迹增益为k = 56.48 1系统校正前后的根轨迹分别如图1、图2、所示Root Locus图1校正前图2校正后四、系统的Sim
6、ulink仿真结构图:S:-ep5图4系统仿真图 如上图所示，误差在0.1mm之间，符合要求。五、系统开环和闭环的BODE图：图5图8为系统开环和闭环的Bode图，及系统响应曲线。3QGillsilllnELId40o o o2 1-179.5-1S0-1S0.5-131图5、校正前的开环控制bode图Frequency frad/sec)1Q0Bode Diagram匚3HI-GID3clIBELIdso匚j-221：图6、校正后的系统开环传递函数Frequency frad/sec)Bode- Diagram& o o o o5-ms心吕七LoiE左-Sgpj QwELIdtupnlJ-C
7、ILJUV求。从传感器有输出算起，最终系统的超调量b % = 11.2%， t沁0.48 S,付合要s七、实验体会通过这次实验，我发现我的自控原理有的地方学的还不够扎实，导致在实 习的过程中，碰到了一些简单的问题，自己都不能解决，还要去翻阅书本，我觉 得这是我的不足，要想有好的实践能力，必须要掌握好理论知识，在今后的学习 过程中，我要注意这方面能力的培养，将理论与实践相结合，真正做到学以致用。我们从实验中对所学的知识加深了理解和巩固，也学会了 Matlab的一些基 本运用，知道了如何用MATLAB来显示输出响应曲线，以及如何用MATLAB来显示 Bode图，如何用PD控制来改善系统性能。这次实习，让我们知道了如何将自己 所学的理论知识和实践运用相结合，怎么分析和解决实际的工程问题。
