综合课程设计A任务书0111自制球杆控制系统.docVIP

综合课程设计 任务书 （自制球杆控制系统） 二O一一年十二月 1 自学部分 MATLAB软件应用。 小组自学教材第六章线性系统的校正方法。 完成教材习题：P.296 6-3；P.297 6-5；P.298 6-9；P.299 6-14； P.301-304 6-19到6-26任选两题。 要求：理论分析和MATLAB软件仿真设计。理论分析要有推导过程； MATLAB软件设计要有程序框图、清单和运行结果、仿真曲线。 综合部分——自制球杆控制系统 设计报告 对上述学习设计全过程进行详实记录，包括思路、算法、框图、程序、数据、曲线等。 4 教学安排 4．1进度安排： 序号 内容 时间 1 教师上课辅导,学生分组 第一天 2 学习MATLAB软件和系统校正 第二、三、四天 3 交自学部分报告、开展设计工作 第五天 4 学生设计，上机 第二周 5 上机，编写课程设计报告等 第三周 6 小组答辩比 。 最后两天 4．2教学方式：学生小组自学+小组上机+老师辅导 4．3成绩评定方法：课程设计自学、综合报告成绩（50%）（含答辩）+小组成绩（25%）（含答辩）+小组个人成绩（25%） 5 教材或参考书： 1、《自动控制原理》 胡寿松 北京：科学出版社 2、《反馈控制问题——使用MATLAB及其控制系统工具箱》 [美]迪安·K·弗雷德里克西安：西安交通大学出版社 /engineering/bookware/ 3、 各类控制理论、控制系统和MATLAB软件资料 自制球杆控制系统 一、任务 设计并制作一个球杆控制系统，其结构如图1 所示，系统由两根V型轨道和两个小球组成，一个V型槽及小球为给定小球位置装置，另一个V型槽及小球为被控制对象，当球在轨道上滚动时，通过红外传感器（或超声波传感器）可测量小球在轨道上的位置。被控制V型槽轨道的一端固定，而另一端则由直流电机（DC motor）通过固定在圆盘上的连杆带动进行上下往复运动，使被控制小球在V型槽轨道上运动。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和运动轨迹。 二、要求 1．基本要求 （1）建立被控对象数学模型。 （2）理论设计控制算法。 （3）控制电机使被控小球停在给定小球给定的任意位置上，要求调节时间越短越好。 2．发挥部分 （1）控制电机使被控小球按给定轨迹运动。 （2）对被控对象，在连杆与V型槽轨道的连接上加装弹簧，实现上述控制。 （3）其他创新性改造。 二、说明 1．球杆系统建模 对小球在导轨上滚动的动态过程的完整描述是非常复杂的，设计者的目的是对于该控制系统给出一个相对简单的模型。 实际上使小球在导轨上加速滚动的力是小球的重力在同导轨平行方向上的分力同小球受到的摩擦力的合力。考虑小球滚动的动力学方程，小球在V型杆上滚动的加速度： (1) 其中μ为小球与轨道之间的摩擦系数，而α为轨道杆与水平面之间的夹角， 如图2。但在进行数学建模的过程中，我们忽略了摩擦力，因此，其基本的数学模型转换成如下方式： (2) 当α1时，将上式线性化，得到传递函数如下 (3) 其中X(s)为小球在轨道上的位置。 但是，在实际控制的过程中，杆的仰角是由电动机的转角输出来实现的。影响电动机转角和杆仰角之间关系的主要因素就是圆盘的半径和连杆机构。因此，我们把该模型进一步简化： (4) 把（4）式代入（3）式，我们可以得到另一个模型： (5) 其中c是一个包含了b和g的影响的参数。 因此，球杆系统实际上可以简化为一