二级旋转倒立摆说明指导书.docx
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二级旋转倒立摆说明指导书
精密机械课程设计
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精密机械课程设计
二级旋转式倒立摆阐明书
序：
倒立摆简介
前言：
设计任务阐明
一、二级旋转式倒立摆概述：
构造设计阐明
1.1系统总体构造
1.2机械构造
1.3硬件某些
1.4软件某些
1.5有关计算
二、二级旋转式倒立摆系统使用
2.1注意事项
2.1.1准备阶段注意事项
2.1.2装配电脑规定
2.1.3使用注意事项
2.2系统使用
2.2.1开机操作与电位器零位调节办法
2.2.2系统操作与维护
三、设计小结
四、参照资料
序
倒立摆系统是抱负自动控制教学实验设备，使用它能全方位满足自动控制教学规定。
许多抽象控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观体现出来。
倒立摆系统具备模块性好和品种多样化长处，其基本模块既可是一维直线运动平台或旋转运动平台，也可以是两维运动平台。
通过增长角度传感器和一节倒立摆杆，可构成直线单节倒立摆、旋转单节倒立摆或两维单节倒立摆；通过增长两节倒立摆杆和相应传感器，则可构成两节直线倒立摆和两节旋转倒立摆。
倒立摆控制技巧和杂技运动员倒立平衡表演技巧有异曲同工之处，极富趣味性，学习自动控制课程学生通过使用它来验证所学控制理论和算法，加深对所学课程理解。
由于倒立摆系统机械构造简朴、易于设计和制造，成本便宜，因而在欧美发达国家高等院校，它已成为常用控制教学设备。
同步由于倒立摆系统高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，许多当代控制理论研究人员始终将它视为研究对象，并不断从中发掘出新控制理论和控制办法。
因而，倒立摆系统也是进行控制理论研究抱负平台。
直线运动型倒立摆外形美观、紧凑、可靠性好。
除了为每个子系列提供模块化实现方案外，其控制系统软件平台采用开放式构造，使学生建立不同模型，验证不同控制算法，供不同层次学生进行实验和研究。
由于采用了运动控制器和伺服电机进行实时运动控制，以及齿型带传动，固高公司倒立摆系统还是一种典型机电一体化教学实验平台，可以用来进行各种电机拖动、定位和速度跟踪控制实验，让学生理解和掌握机电一体化产品部件特性和系统集成办法。
前言
设计任务阐明：
当代科技发展，推动老式教学方式改革，迫使教学着眼培养学生创造能力和实际操作能力。
本次课程设计是《精密机械设计》课重要构成某些，是打好技术基本和进行技能训练重要环节。
咱们小组研制二级旋转式倒立摆系统，是一种典型机电一体化系统，采用内置DSP运动控制器和力矩电机进行实时运动控制。
二级旋转式倒立摆，及其功能扩展后位置伺服系统，为自动控制理论，计算机控制系统等课程教学和研究，提供了此类课程全方位教学实验平台，同步它让学生理解和掌握机电一体化产品部件特性和系统集成办法。
倒立摆及其功能扩展位置伺服系统作为一种自动控制教学实验设备，可以全面地满足自动控制教学规定。
许多抽象控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过实验装置直观体现出来。
倒立摆控制技巧，极富趣味性，很适合学习自动控制课程学生使用它来验证所学控制理论和算法，加深对所学课程理解。
基于DSP旋转式倒立摆系统最大特点是机械构造简朴、可靠，成本低廉、体积小，是高等院校抱负自动控制教学实验设备。
除教学用途之外，由于倒立摆系统高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合等特性，许多控制理论研究人员始终将它作为研究对象，并不断从中发掘出新控制理论和控制办法，有关成果在航天科技和机器人学方面获得了广泛应用。
因而，倒立摆设备也是进行控制理论研究抱负平台。
二级旋转式倒立摆系统可以以便地构成一种位置控制系统被控对象，并配备由运算放大器构成校正网络实验箱，构成位置控制系统进行典型控制理论（调节原理）教学实验。
也可用VC++6.0实现模仿运算放大器校正网络功能。
通过微机配备调节原理实验软件，在计算机上实现系统稳定性、时域特性、频域特性分析和品质校正实验。
此外，配备计算机控制系统和控制系记录算机辅助设计等课程有关软件，用于控制系统设计类课程实验。
综上所述，二级旋转式倒立摆系统系列产品是一种多功能教学实验平台，产品使用DSP芯片来控制倒立摆，有助于系统小型化，控制更迅速，抗干扰性强，控制品质有很大提高，可用于多门课程教学实验。
为教学和研究提供了当代实验装备和手段。
一、二级旋转式倒立摆概述
1.1、系统总体构造
二级旋转式倒立摆系统采用DSP作控制器，由直流力矩电机直接驱动，可以独立执行实时控制算法，脱离计算机直接运营；也可以通过RS-232C串行通讯接口用计算机控制，进行在线控制算法调试，是具备独立控制能力和原则通讯接口专用智能实验设备。
它DSP某些、电源与电机驱动某些所有安装在机箱内，采用这样封闭式构造，不易人为损坏。
运动某些安装在机箱上，整体构造比较紧凑、合理。
图1是系统总体构造示意图。
图1、系统总体构造图
系统构成框图及工作原理如图2所示。
图2系统框图
1.2、机械构造
系统机械构造如图3所示，其中各某些为：
1．旋臂，2．摆杆，3．电位器，4．直流力矩电机，5．支架，6．机箱，7．电源开关
某些器件参数如下：
1.机箱尺寸：
360mm×240mm×90mm，旋臂尺寸：
300mm×20mm×10mm：
，摆杆尺寸：
⑴Φ15mm×250mm，⑵Φ15mm×200mm，支架高度：
400mm。
2.旋臂质量（涉及电位器2）：
200g；摆杆质量：
50g。
两者都采用铝合金材料。
3.测量电位器：
WDD35D导电塑料电位器，阻值：
1KΩ，独立线性度：
0.1%，寿命达5000万转。
4.直流力矩电机：
70LY53永磁直流力矩电动机，堵转电压：
Uf=27V，满额电流：
If=2.26A，堵转力矩：
Mf=0.627Nm，最大空载转速：
Nomax=900r/min。
图3、机械构造图
1.3、硬件某些
1.以TMS320F240DSP控制器为核心器件，这是TI公司专门为电机控制系统设计，具备强大数据解决功能和丰富片内外设模块。
可以独立执行实时控制算法，也可以通过RS-232C串行总线与计算机通讯。
其重要性能指标如下：
1）高速静态CMOS工艺，16位定点数字信号解决器，50ns指令周期。
2）224K×16位字寻址能力（程序、局部数据、IO各64K，全局数据32K），544字×16位片内数据/程序双口（Dual-Access）RAM，16K字×16位片内闪速存储器（FLASH）。
3）双10位ADC单元，各有8路输入，可以在10μs内同步实现两路转换。
4）12路比较/脉冲调宽（PWM）输出，直接针对电机控制系统设计。
5）串行通讯接口：
支持RS-232原则串行通讯。
6）具备可编程中断系统、事件管理模块、看门狗电路、锁相环时钟及基于扫描仿真接口（JTAG原则）。
2.20V直流稳压电源由集成电路LM317提供，输出电流可达1.5A，5V直流稳压电源由集成电路7805提供。
3.电机驱动某些采用PWM工作方式芯片A3952SW。
将DSP单元送出PWM和DIR信号进行合成放大，驱动电机工作。
4.变压器型号R80，功率72W，空载电流7mA，频率50Hz，初级输入电压220v。
5.与计算机通讯，采用RS-232串行通讯接口。
1.4、软件某些
软件系统涉及DSP和PC两个某些。
1.PC软件编程语言MicrosoftVC++6.0。
2.控制周期是10ms，界面上显示刷新周期是50ms。
3.DSP软件编程运用CC编译器。
4.提供如下两种基本运营方式：
1）联机调试方式：
由PC进行控制，DSP只是作为PC采样和控制输出接口单元使用，自身不进行算法解决。
2）脱机运营方式：
由DSP独立进行控制，此时，DSP依然可以运用串行通讯接口将实时控制数据发送到PC中，但是，PC只是用作观测、分析运营数据。
5.具备良好人-机界面，可以很以便地进行算法调试。
1.5、有关计算
在忽视了空气流动，各种摩擦之后，可将倒立摆系统抽象成小车和匀质杆构成系统，如下图2所示
图2单级倒立摆模型示意图
那咱们在本实验中定义如下变量：
M小车质量（本实验系统0.5Kg）
m摆杆质量（本实验系统0.2Kg）
b小车摩擦系数（本实验系统0.1N/m/sec）
l摆杆转动轴心到杆质心长度（0.3m）
I摆杆惯量（0.006kg*m*m）
F加在小车上力
x小车位置
φ摆杆与垂直向上方向夹角
θ摆杆与垂直向下方向夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）
下面咱们对这个系统作一下受力分析。
下图3是系统中小车和摆杆受力分析图。
其中，
和
为小车与摆杆互相作用力水平和垂直方向分量。
注意：
在实际倒立摆系统中检测和执行装置正负方向已经完全拟定，因而矢量方向定义如图，图示方向为矢量正方向。
图3倒立摆模型受力分析
分析小车水平方向所受合力，可以得到等式：
应用Newton办法来建立系统动力学方程过程如下：
分析小车水平方向所受合力，可以得到如下方程：
由摆杆水平方向受力进行分析可以得到下面等式：
即
把这个等式代入上式中，就得到系统第一种运动方程：
（1）
为了推出系统第二个运动方程，咱们对摆杆垂直方向上合力进行分析，可以得到下面方程：
力矩平衡方程如下：
注意：
此方程中力矩方向，由于
，故等式前面有负号。
合并这两个方程，约去
和
，由
得到第二个运动方程：
（2）
设
（
是摆杆与垂直向上方向之间夹角），假设
与1（单位是弧度）相比很小，即
《1，则可以进行近似解决：
，
，
。
用
来代表被控对象输入力
，线性化后两个运动方程如下：
（3）
参数可行性计算：
转轴承受应力：
t=T/W=T/0.2d^3=3.15N/mm<[t]
45号刚[t]=29.4~39.2
悬臂承受应力：
（屈服应力）
σ=F/A=1.63Mpa<[σ]
[σ]=140Mpa
电机扭矩
M=FL=0.588Nm<0.627Nm
Mf=0.627Nm
二、二级旋转式倒立摆系统使用
2.1、注意事项
2.1.1、准备阶段注意事项
1.手提支架将倒立摆放置在具备一定强度且平稳实验台上。
2.检查倒立摆有无损坏，螺钉与否松动，特别轴向连接部位与否松动。
3.检查所配附件有无短缺、损坏。
附件
数量
倒立摆主体（涉及摆杆、旋臂、
电机、电位器、机箱等）
1
电源线
1
使用阐明书
1
2.1.2、电脑配备规定
A、操作系统是WIN98；
B、内存足够大，最佳是256M；
C、机器内装有VC++6.0软件；
D、PC机中装有MATLAB6.1软件；
2.1.3、使用注意事项
1、倒立摆装置要摆放在有足够强度和稳度水平桌面上。
2、置两端要有足够空间，使得旋臂和摆杆可以自由地晃动。
关于人员应避免站在摆左右方，以免导致伤害。
3、不要在高温和潮湿环境中使用该设备。
4、进行系统连线、拆卸与安装前，必要关闭系统所有电源。
2.2、系统使用
2.2.1、倒立摆开机操作及电位器零位调节办法
1.倒立摆放在平整桌面上，在桌子附近要有一台电脑。
拿出电源线，一方面插好电源线，然后用内六角扳手把固定摆杆和悬臂夹箍松开。
再检查有无螺丝松动，若有螺丝松动请上紧！
2.打开倒立摆电源，打开电源同步最佳用手扶助摆杆，当摆杆和悬臂打到倒立摆黑色固定限位垫圈时等待大概30秒时间悬臂开始震动，此时用手轻轻扶助悬臂和摆杆到倒立位置，倒立摆就可以正常工作了。
3、以上操作倒立摆不能正常工作，此时可以关掉电源然后重新打开电源，再重复以上操作。
如果多次开关机后依然不能正常工作，可以判断电位器零位不对，需要调节倒立摆电位器零位。
如下重点简介电位器零位调节办法：
1、一方面关掉电源，然后放倒倒立摆打开倒立摆底盖，拔掉电源板上电机线插头（电源板上有散热器较好确认，电机线插头在集成块A3952附近，两芯大插头）。
2、松开倒立摆电位器固定螺丝参照图4：
A、B、C、D、E五个螺丝然后用一字螺丝刀调节电位器调节处T1、T2就行了。
图4
注：
倒立摆电位器零位调节参照图（先松开A、B、C、D、E等5个电位器固定螺丝，再调T1、T2电位器调节处
3、打开倒立摆电源观测PC上显示和倒立摆实际位置与否一致，如果不一致调节T1、T2使得倒立摆实际位置和PC中显示位置同样就行了。
4、调节完毕后固定螺丝，固定期千万要小心先固定B然后固定C、D、E最后固定A。
5、螺丝固定后，看此时倒立摆摆杆和悬臂位置与否和PC显示一致，若此时还是一致阐明电位器零位调节成功！
关掉倒立摆电源。
6、插上电源板上电机插头（红、黑两色），上好底盖。
7、打开倒立摆此时倒立摆应当能正常工作了。
2.2.2系统操作与维护
1.脱机控制（不需要计算机直接用倒立摆内部DSP控制）
倒立挣脱机控制：
无需与计算机连接，由DSP独立完毕控制功能。
接通电源后，打开倒立摆开关，旋臂将带动摆杆摆起到倒立位置附近，（必要时用手扶到中间位置，）倒立摆保持平衡运动状态。
2．系统维护
1）电气某些浮现故障，将倒立摆放倒，可将底板装置上驱动某些及DSP某些拆开，进行维修调节。
2）摆杆摆动时距离箱体距离不相等，可松开图4中C处螺钉，调节摆杆位置，使它不与箱体发生碰撞。
3）由于意外使倒立摆发生撞击或摔打，倒立摆无法实现倒立控制，或者旋臂偏移平衡位置较大，则需要重新调节电位器零点。
三、设计小结
1.过程总结
刚开始拿到任务时候，咱们很彷徨，完全不懂得该如何去设计。
从网上不断查资料，只是懂得了这个装备工作原理，但是毫无设计思路。
期间，不曾一次想放弃，换一种更加简朴题目。
但是由于不想放弃这一次亲自动手机会，咱们并未更换题目，而是坚持做这个题目。
在迷茫中，咱们始终踯躅，感觉以咱们当前能力不也许独立完毕这个任务。
但是，在制作过程中，咱们徐徐明白了这个机构工作原理，以及有了设计思路。
第一次设计过程中，咱们摸索着只制作了一种一级倒立摆。
尽管教师批准了咱们可以做这个，咱们这时却已经明白了设计理念，觉得这样太简朴了，一是不符合开始规定规定，另一方面也让咱们工作成就感大打折扣。
尽管已经完毕了装配图，咱们毫不踌躇把整张图都擦掉了，并且从新画了一份新装配图。
尽管过程中不论有细节需要修改，但是咱们却越来越有信心。
每一次解决一种设计难题，咱们心里都会有莫大成就感。
随着装配图最后成型，咱们胜利喜悦感油然而生。
咱们这个机构零件图很简朴，不怎么麻烦就完毕了。
在最后阐明书时候，也遇到不少困难。
例如应力那些计算。
尽管都是曾经学过知识，但是咱们都只有模糊印象，详细公式参数都已忘掉。
只能从新翻书查阅，把曾经知识再次学习一遍。
尽管设计过程看起来枯燥无聊，但是其中不乏某些令人情趣盎然亮点。
例如在开始查阅资料时候，咱们找到大多数都是直线倒立摆资料，旋转倒立摆资料相对较少。
每每找到一份旋转倒立摆资料，都会让咱们兴奋半天。
然而，找到资料也不是都可以使用。
在咱们找到资料中，大某些都是和算法关于，主线没有机械构造设计。
咱们只得摸着石头过河，依照她们轮廓图以及自己设想，逐渐完毕设计。
再设计过程中，那个支架完全来自咱们自身创意。
既节约了材料，又增长了美观度。
尽管并不是什么伟大设计，但是让咱们颇为自豪。
在某些配件选取过程及构造设计中，咱们也会浮现不批准见，也会发生争执。
这些争执，促使咱们更进一步是理解有关知识，让咱们对与构造等有了更进一步结识，收获很大。
2.改进设想
1.某些材料也允许以选用更轻便材料
2.某些构造可以合并到一起，减少工艺构造
3.合理构造设计，便于传播数据线连接
3.心得体会
这次课程设计，是咱们大学以来，第一次自主设计。
通过对于咱们设计内容理解，让咱们对倒立摆有了深刻结识，理解了2级倒立摆构造和工作原理。
是一次把咱们所学原理运用届时间之中实践学习。
尽管其中经历过挫折，一度想放弃，但是咱们坚持了下来，并最后完毕了作品。
看着最后成品，完全不相信这个是咱们自己完毕。
在这次设计过程中，更多是体现出来咱们局限性。
一方面是对于课本知识应用。
尽管咱们都考过了精密机械设计，工程力学这些科目，并且还获得了不错成绩，但是当这些知识真正运用到设计过程中时，却不懂得如何运用。
另一方面便是对于专业知识结识匮乏，例如在选取材料时候，咱们主线不懂得材料特性，不懂得在什么状况下该选用什么材料才是最适当。
再次，设计过程中团队合伙也没有较好体现出来。
尽管有分工，但是不太明确，导致本来1小时能完毕任务，用了2个小时，既挥霍了时间精力，又不能保证成品质量。
这些都是后来要注意。
在这次课程设计过后，我对于自己学习方向有了全新结识。
懂得了自己局限性。
尽管半途坎坷，但是看着最后完毕作品，内心还是很喜悦。
尽管也许最后成品尚有诸多局限性，但是这是一种完全咱们自己设计作品，无论好坏，咱们在这一刻都是成功者。
四、参照资料
《.平行单级双倒立摆系统建模与滑模变构造控制》[J]..1张春，江明，陈其工等
《机械学基本》，科学出版社，蒋秀珍主编；
《精密机械零件》，机械工业出版社，庞振基主编；
《精密机械零件手册》，机械工业出版社，天津大学、北工大合编；
《仪表构造设计图册》，机械工业出版社，陈文贤主编；
《机械设计手册》成大先
有关各类国标和其他各类机械设计手册。
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