本科生课程设计（报告）

一 课程设计目的：

   针对具体的设计对象，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。

二 课程题目：机械手终端执行器微机控制

  控制设计对象结构示意图：

  机构参数：

       克服摩擦力矩

       电压变电流放大倍数

       电流变力矩放大倍数

       传感器变换系数

       所夹容器的最大直径

       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：，，精度

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。

 （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：

     其中：J 为转动惯量； 

           为电动机转子角速度

           电动机输出电磁转矩

           摩擦转矩

            R电机驱动轮半径

     又因为：；为转子角位移

     则： 以及：y=

   对以上两式去拉氏变换

   可以得到

代入数据可得： 

加速度

    第三个阶段需要用闭环控制，增加反馈环节，由传感器参数可得计算得。由于原系统的传递函数为，可知系统临界稳定，因此我们要加入一个闭环控制器，其目的是为了增大系统阻尼比，因此我们选用PID校正。PID控制器的数学模型，其中、、分别为需要确定的积分、微分、比例常数。

3、参数计算：

  第一阶段：加速阶段

            由

             得： , ,    输入信号电压V

  第二阶段：减速阶段

            由

             得，，      输入信号电压V=-0.36V

  第三阶段加入控制器后所得闭环传递函数为：          把代入

     （1） 可得闭环特征方程为： 

      由  可得

      再由  可得    可取

       再由=0.517，可取主导极点s1=-3.6+j4.8 ，s2=-3.6-j4.8

由闭环特征方程（1）可知，方程有三个极点，为了不改变主导极点的主导特性，且保证它的绝对主导性，使系统的稳定性能较好，超调量小，调整时间小，所以

一般取极点到虚轴的距离为主导极点到虚轴距离的5倍以上，可取s3=300.，

可得闭环特征方程：(2),(s-300)*(s+3.6+j4.8)*(s+3.6-j4.8)=0

将方程（2）展开和方程（1）进行比较，可得 

            ，   , ;

所以控制器  ： =0.326/S+0.00093S+0.066; 代入控制结构框图中

可得校正后的开环控制方程：G1（s）=(0.0372s+2.s+13.04)/s

4、建立系统传递函数动态结构图：

有以上分析该系统分为三个阶段，加速阶段、减速阶段和控制阶段，其中为了达到快速控制的目的，前两个阶段采用开环控制，第三个阶段采用闭环控制。Simulink仿真图如下：

四 仿真图结构图

                      结        构          仿    真    图

五 系统开环控制的Bode图：

校正前的开环控制Bode图：G(S)=40/（s*s)

校正后的开环控制Bode图：G1(S)=（0.0372*s*s+2.s+13.04)/(s*s)

六  程序

校正前：40/(s*s)

num=[40 ];

den=[1 0 0];

bode(num,den)

grid

校正后：(0.0372s+2.s+13.04)/s

>> num=[0.0372 2. 13.04];

>> den=[1 0 0 0];

bode(num,den)

grid

七  实习心得：

此次实习刚开始，由于刚开始对MATLAB这个软件工具不怎么熟悉，所以导致周一一整天都在熟悉这个软件，其他同学已经在思考怎么去实现想要的结果，在一开始就比别人慢了一步，但我和组员没有灰心，我们认真积极思考，最后还是有了一个整体的思路，顺利完成了实习任务，得到了想要的数据结果。

 这次实习我们学到了很多新知识，那就是MATLAB跟PID校正。对于MATLAB，在以前的课程中曾经涉及，但我们都是跳过不讲的，这是首次用此软件。至于PID校正呢，我们根据书上讲的来实际操作。

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。

 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。下载本文