燕山大学机电一体化实验报告

实验一计算机控制系统时间响应分析

五、分析整理实验数据

2.1仿真结果曲线

2.2计算

1)求增益裕量和相角裕量

增益裕量以分贝表示时：

由公式K g（dB）=20l g K g=-L（w g）=-20l g|G（j w g）H（j w g）|（dB），及第一幅曲线图中w g=√2rad/s。可得：

G（j w g）=-0.25 H（j w g）=1

代入得增益裕量K g（dB）=12dB

由γ=180o+φ(w c),由第一幅曲线图可得φ(w c)=-138.5o

所以相角裕量γ=180o-138.5o=41.5o

2)求系统的带宽和谐振峰值

由第二幅曲线图可得，当对数幅值L（w）下降到-3dB时，所对应的角频率即为截止频率，读图得w b=1.07rad/s，所以系统的带宽为0≤w BW≤w b=1.07rad/s。

由控制工程基础知：

Bode图中谐振频率w r处对应的值为20l gMr，由第二幅曲线图读图得20l gMr=3.09dB

解得Mr=1.427

3)求系统的最大超调、稳态误差、过渡时间

由MA TLAB运算结果可知：

最大超调Mp=0.2783

稳态误差e=-0.0037

过渡时间ts=9.9251s

实验二单位负反馈系统的PID调节器设计及参数整定

五、分析整理实验数据，写出实验报告

1.系统Simulink模型图

2.Ti=0，Kd=0，令Kp分别等于0,0.1,1,10,50得到的一组响应曲线

3.Kp=0，Kd=0，令Ti分别等于0,0.01,0.1得到的一组响应曲线

4.Ti=0.01，Kp=50，令Kd分别等于0.01,0.1,0.15,0.18得到的一组响应曲线

5.令Kp=50，Ti=0.01，Kd=0.18得到系统最终响应曲线

实验三典型机电一体化系统设计

四、系统方案设计

1、电机的选择

在电动机的选择上，既可以选择步进电机，也可以选择直流电机。①步进电机的显著特点是：a有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。b转换精度高，正反转控制灵活。②而直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能够承受频繁地冲击负载，可实现频繁地无级快速启动、制动和反转能满足各种不同的特殊运行要求。再次考虑到成本，直流电机比步进电机要低许多。综上所述，选择直流电动机。

2、电机驱动方案的设计

①采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的，但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。②采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开与关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间很长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。③考虑到电流、电压的等级及小车的尺寸、外观等因素，选用集成电机驱动芯片

L298，L298是双H桥高电压大电流集成电路。

3、路面检测方案的设计

根据探测路面黑线的基本原理可选方案有：①采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，该方案在设计使用时，容易受到外界光源的干扰，有时候甚至检测不到，虽然采取超高亮度的发光二极管可以降低一定的干扰，但是会增加额外的功率损耗。②脉冲调制的反射式红外接收发射器。采用交流分量的调制信号，可大幅度减少外界干扰；采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，可大大提高信噪比。

比较上述两种方案，方案二占有很大的优势，市场上有很多红外探头也都是基于这个原理，不但能完成准确测量，而且避免了电路的复杂性。

4、行程检测方法

车轮检速与路程计算方案有：①采用光电编码盘进行检测，用计数器对接收到的信号进行计数，能很精确的计算出小车已经走过的距离。②通过霍尔传感器实现，霍尔传感器与磁钢配对使用时，每对应一次霍尔传感器便输出一个脉冲，把磁钢固定在车轮上，通过单片机计算霍尔传感器发出脉冲的频率，便可实现速度与路程计算，方法简单，且价格合理，所以选用它。

5、避障方案设计

避障方案有：①脉冲调制的反射式红外接收发射器。采用交流分量的调制信号，可大幅度减少外界干扰；采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，可大大提高信噪比。

②采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。考虑到价格以及具体应用场合，选择方案一。

五、智能车车体设计（主要零部件二维图，包括底座、连扳、后轮和前轮，共四张)

六、系统硬件设计

1、路面黑线检测的设计与实现

路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检测传感器有效探测距离达

5cm，通过调节电位器，最远可达10cm，但精度降低。但小车底盘平均高度为7cm，对精度要求也不高，故完全满足使用要求。当检测到黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生高电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机分析处理。为保证小车沿黑线行驶，采用了两个传感器并行排列。在小车行走过程中，若向左方偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机。单片机通过控制车头向右转。向右偏同理，如此即可保证小车始终沿黑线行驶。

2、电机驱动电路的设计与实现

L298是双H桥高电压大电流集成电路，其输出脚（SENSEA和SENSEB）用来连接电流检测电阻。Vss接逻辑控制部分的电源，常用+5V。Vs为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚采用标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，EnA、EnB引脚则为使能控制端。其控制表如下：

3、车轮速度与路程计算

在车体和车轮上分别固定霍尔元件和磁钢。车轮每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。通过单片机测量产生脉冲的频率，就可以得出小车的速度。测得车轮的直径，可计算出车轮的周长，在单片机控制时，每检测到一个脉冲，认为小车前进了一周。对脉冲信号整形后送入单片机进行检测计数，输出显示行驶里程数。

4、避障检测和处理

避障和检测处理采用了一款集发射与接收与一体的一种光电传感器，因其具有检测距离可以根据要求进行调节，探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，在机器人避障、流水线计件等众多场合广泛应用。