球杆系统实验课件易杰

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实验一球杆系统的创新结构设计实验 1、实验目的 1)激发学生的创新意识、将脑中的创新意识转换为纸面或计算机图形的能力。 2)将图形转换为产品模型的能力以及将产品模型转换为实际产品的能力。 3)通过创新机构设计，更深的了解机械机构的特点和优缺点。

2、实验原理 创新机构设计可以通过很多途径实现，可以改变主动件机构和从动件机构以及系统其他结构，以达到系统的最佳性能和外观效果。除了第一章介绍的球杆系统实现机构外，我们还可以设计出各种不同的球杆系统机构，如图1是一种新的球杆系统运动机构。

图1 球杆系统结构1 图1所示的机构把固定支撑点移到了横杆的中间，这样可以减少主动件的运动范围，系统反应更加迅速，但是也由一定的缺点，电机的位置误差的影响也会更加明显。图2所示的球杆系统机构具有以下的特点：结构简单，省去了齿轮机构；电机直接驱动，反应更加迅速。但缺点也很明显：两端悬臂，系统振动较大，电机定位精度要求较高。

图2 球杆系统结构2 图1所示的机构把固定支撑点移到了横杆的中间，这样可以减少主动件的运动范围，系统反应更加迅速，但是也由一定的缺点，电机的位置误差的影响也会更加明显。图2所示的球杆系统机构具有以下的特点：结构简单，省去了齿轮机构；电机直接驱动，反应更加迅速。但缺点也很明显：两端悬臂，系统振动较大，电机定位精度要求较高。

本实验可以利用CAD、PRO/E等先进的机械绘图工具进行零件的设计以及装配实验。本实验可以利用CAD、PRO/E等先进的机械绘图工具进行零件的设计以及装配实验。 3、实验设备 GBB系列球杆系统；CAD或PRO/E等绘图软件 4、实验内容实验由以下几部分组成： 1)创新基础实践利用球杆系统的机械和电子控制元器件，进行部件、整机的系统仿真、工程模拟和创新设计。 2)创新设计制作使学生在工程创新设计方法和过程、产品的概念设计、方案设计、详细设计、产品的加工、制造、装配、调试、性能控制及实验分析等方面受到较为全面的训练，利用所提供的创新制作环境激发学生的创新欲望，并为创新设计竞赛作品的制作提供条件。

3)开放式控制平台创新实践 提供开放式运动控制器件及硬件平台，让学生通过与其相连的PC机进行操作编程。这种实验活动促进学生有兴趣地往多学科交叉方面考虑问题和解决问题，从而提高学生的创新思维能力和工程化能力 4)完成实验报告

实验二球杆系统的数字PID控制器设计 1、实验目的掌握PID控制算法的原理和实际应用。 2、实验原理 1．PID控制分析比例控制作用、积分控制作用和微分控制作用的组合叫做比例-加-积分-加-微分控制作用，这种组合具有三种控制作用的优点，具有这种组合作用的控制器方程为：即其传递函数为：式中为比例增益，为积分时间，为微分时间。控制系统如下图所示：

图1 球杆系统PID控制器原理图 可以得到单位负反馈系统的闭环传递函数为: PID Ball & Beam e feedback

图2 PID控制下阶跃响应 在matlab下仿真(Td=2,c=2,Ti=10) matlab 程序: num=[0 2 2 0.1]; //分子表达式(0* den=[1 2 2 0.1]; //分母表达式(1*) step(num,den) //阶跃响应得到阶跃输出如图2所示，可以看出，系统可以在4s左右的时间内稳定到平衡点，改变PID控制器的参数，从而改变系统的调整时间和超调等。

图3 PID控制阶跃响应实验结果 3、实验设备固高科技GBB系列球杆系统。 4、实验内容 1）在固高科技球杆系统中进行实验,取参数 Kp=2,Ki=10,Kd=2,得到以下实验结果:

从实验结果可以看出来,系统的稳态误差有明显的改善,为1.31mm.从实验结果可以看出来,系统的稳态误差有明显的改善,为1.31mm. 改变PID参数进行实验,比较理论和实际实验结果的区别,分析各参数和性能指标的关系。注意：对于不同的球杆系统，由于摩擦阻力和别的不确定因素，在相同的参数控制下，系统的响应可能不一样。 2）完成实验报告

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