自控原理实验指导书
l 摆杆转动轴心到杆质心的长度 0.2 5m
I 摆杆惯量 0.0034 kg*m*m T 采样频率 0.005秒
注意：在进行实际系统的MATLAB仿真时，请将采样频率改为实际系统的采样频率。请用户自行检查系统参数是否与实际系统相符，否则请改用实际参数进行实验。 2 PID控制设计 控制系统如下图所示:
r(s)=0 PID f Single Pendulum ? + _ e
设PID控制器为:Gc(s)?Kp?Kds?- feedback
Ki s
三．实验内容：
1) 根据实际系统参数及PID控制器的传函求出系统的闭环传递函数。
2) 在matlab下编写程序，进行仿真实验，通过调节PID参数请仔细观察思考控制器参数
对系统瞬态响应和稳态响应的影响。找到一组合适的控制器参数作业实际控制的参数。 3) 进入matlab simulink窗口，点击Inverted Pendulum Toolbox，在其右边点击single Pendlum
PID Control Demo, 进行仿真实验。在Start Real Pendulum Control /PID模块修改PID控制器参数及控制周期。
4) 如果控制效果不理想，调整控制器参数，直到获得较好的控制效果。 5) 分析理论结果与实际结果的差异。
四．实验条件：
一级倒立摆控制系统，装有Matlab软件包的计算机。
五．其它要求：
实验前教师检查实验预习报告，预习报告要求得出系统的闭环传递函数，预习报告不通过不得进行实验。
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附录一 球杆系统使用说明
1.系统简述
球杆系统（Ball & Beam）是为自动控制原理等基础控制课程的教学实验而设计的实验设备。该系统涵盖了许多经典的和现代的设计方法。这个系统有一个非常重要的性质——它是开环不稳定的。不稳定系统的控制问题成了大多数控制系统需要克服的难点，有必要在实验室中研究。但是由于绝大多数的不稳定控制系统都是非常危险的，因此成了实验室研究的主要障碍。而球杆系统就是解决这种矛盾的最好的实验工具，它简单、安全并且具备了一个非稳定系统所具有的重要的动态特性。
整个装置由球杆执行系统、控制器和直流电源等部分组成。该系统对控制系统设计来说是一种理想的实验模型。正是由于系统的结构相对简单，因此比较容易理解该模型的控制过程。
球杆执行系统（如图1所示）由一根V型轨道和一个不锈钢球组成。V型槽轨道一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移电阻器。当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上输出电压可测得球在轨道上的位置。V型槽轨道的一端固定，而另一端则由直流电机（DC motor）的经过两级齿轮减速，再通过固定在大齿轮上的连杆带动进行上下往复运动。V型槽轨道与水平线的夹角可通过测量大齿轮转动角度和简单的几何计算获得。这样，通过设计一个反馈控制系统调节直流电机的转动，就可以控制小球在轨道上的位置。
GBB1004型球杆系统由三大部分组成：IPM100智能驱动器、球杆装置和控制计算机。IPM100智能驱动器使用方法请参照《IPM100SK用户手册》；计算机为装有Windows的计算机或是其他兼容机。本实验说明主要讲述球杆装置、控制软件及实验.
Ball and Beam系统图示如下： L
x Beam Ball Lever Arm ? ?
Gear d 图1.1 球杆装置示意图 在一长约0.4米的轨道上放置一不锈钢球，轨道的一侧为不锈钢杆，另一侧为直线位移传感器，当球在轨道上滚动时，通过测量不锈钢杆上输出的电压信号可获得球在轨道上的位置x。电机转动带动齿轮系驱动杠杆臂Lever Arm转动，轨道Beam随杠杆臂的转动与水平方向也有一偏角?,球的重力分量会使它沿着轨道滚动，设计一个控制系统通过调节伺服角度?使得不锈钢球在Beam上的位置能被控制。
此系统为一个单输入（电机转角?）、单输出（小球位置）系统，输入量?利用伺服电机自带角度编码器来测量，输出量x由轨道上电位器的电压信号来获得。系统组成框图如下：
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计算机 IPM100智能伺服驱动器 伺服电机 球杆装置 电机编码器 直线位移传感器 图1.2 球杆系统组成原理图 系统包括计算机、IPM100智能伺服驱动器、球杆本体和光电码盘、线性传感器几大部分，组成了一个闭环系统。光电码盘将杠杆臂与水平方向的夹角、角速度信号反馈给IPM100智能伺服驱动器，小球的位移、速度信号由直线位移传感器反馈。智能伺服控制器可以通过RS232接口和计算机通讯，利用鼠标或键盘可以输入小球的控制位置和控制参数，通过控制决策计算输出（电机转动方向、转动速度、加速度等），并由IPM100智能伺服驱动器来实现该控制决策，产生相应的控制量，使电机转动，带动杠杆臂运动，使球的位置得到控制。
2. 机械部分
选用直流伺服电机，采用齿轮箱减速机构进行减速，在输出齿轮上距齿轮圆心d（d小于齿轮半径）处连接一杠杆臂Leaver Arm，此连接处螺钉不能固定太紧，杠杆臂的另一端与轨道Beam铰链，机构的另一端是一固定座，此固定座上端与轨道的左侧铰链，见下图：
图2.1 球杆系统机械图
电机箱内部机构：电机，齿轮减速机构。
整个机构运行如下：电机转动带动与连杆相连的齿轮转动，此时连接点与齿轮中心连线和水平线的夹角为?（角度?应被限定在一定角度范围内，即使导轨倾角?最大和最小），轨道会绕左侧与固定座铰链处转动，轨道与水平方向的角度为?。此处角度编码器用于测量角度?， 此为系统的输入信号。
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图2.2 转角α和β示意图
3．电气部分
a) 球滚动时位移的测量：直线位移传感器
线性轨道传感器接＋5V电压。轨道两边测得的电压作为IPM100控制卡A/D输入口的信号。当小球在轨道上滚动时，通过不锈钢杆上输出的电压信号的测量可得到小球在轨道上的位置。
To A/D GND ＋5v
300Ω 直线位移传感器 图3.1 小球位置测量示意图 不锈钢杆 b) 伺服输出角度的测量：
采用IPM100控制器，电机驱动齿轮转动时通过电机实际位置转换得到角度?，接线及定义请参照《IPM100SK用户手册》
4．软件实现
注意在使用软件前， 请仔细阅读《IPM100SK用户手册》，不正确的操作将对系统造成破坏。
4.1 控制程序流程图：
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4.2 操作
读出运动控制卡检测到的小球的当前位置x 从键盘或鼠标键入小球位置xd 是否在轨 道范围内？ 是 ——否 重新键入新的数据 xd?x Controller 反馈回运动控制卡 驱动Lever arm,带动Beam 转动一个角度?以使球稳定在所要控制的位置 请按以下操作打开IPM Studio Motion 固高科技球杆系统运行窗口 4.2.1 安装IPM Motion Studio
1． 把光盘装入计算机光驱，选择“IPM Motion Studio”进入安装界面，然后点击
“IPM Motion Studio Setup Kit”选项，按照提示步骤进行安装。 2． 注释：1）安装程序将产生一个包含所有组件的“IPM Motion Studio”文件夹 2）
在WinNT的操作系统中请选择“Administrator”（管理员）用户登录
4.2.2 安装固高科技球杆系统控制程序
将BallBeamProject文件夹拷贝到安装目录中“...\\IPM Motion Studio\\Projects”文
件夹中，在修改前请注意备份。
4. 3 运行程序
1．点击“开始“菜单如下图所示：
图4.1 开始IPM Motion Studio
2．打开IPM Motion Studio应用程序窗口：
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