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摘 要 针对实验用球杆系统较复杂、价格昂贵等问题，设计了简易球杆定位PID教学系统。利用安装在导轨上的超声波，直接精确定位不锈钢球的位置。单片机控制伺服电机调整导轨倾角，运用PID控制算法实现快速、精准的调节不锈钢小球的运动状态。
关键词 机械控制；球杆系统；PID
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）03-0005-02
传统球杆系统结构复杂、价格昂贵，因此，大多数高校的机械控制课程实验，通过软件模拟的形式进行，缺乏直观生动的表现，不利于学生对所学知识的掌握。为了解决这个问题，我们设计了简易球杆定位PID教学系统，能够通过生动形象的小球运动来展示PID控制的结果，有利于激发学生的学习兴趣，对学习掌握系统建模、机械控制系统设计、机械控制理论与算法有很大的促进作用。
1 总体结构设计
如图1所示，球杆定位PID教学系统包括球杆执行系统和机械控制系统两大部分，其机械部件主要有底座、导轨、不锈钢小球、横杆、马达等。球杆执行系统主体是两侧分别是超声波雷达和不锈钢球杆的V型槽轨道。此时球在轨道上滚动，超声波雷达检测小球与雷达间的距离，可得到小球在轨道上的位置。伺服电机通过连杆机构与导轨一侧连接。机械控制系统中，单片机运用PID控制算法，通过软件程序输出PWM信号，控制伺服电机带动导轨运动，实现不锈钢小球在导轨上由运动到静止的PID调节过程。
图1 球杆定位PID教学系统结构
将不锈钢小球在放在长约0.5米的轨道上，两侧分别是超声波雷达和不锈钢杆，此时若球在轨道上滚动，超声波雷达会测量并输出电压信号，从而获得求相对固定点的位置X。杠杆臂随电机转动带动的齿轮系驱动，同时轨道与水平方向产生偏角β，球在重力下沿着轨道滚动，设计并调节伺服角度α使不锈钢小球保持静止。
此系统输入（电机转角α）与单输出（小球位置）对应，伺服电机自带角度编码器可以测量输入量α，轨道上电位器的电压信号可以得到输出量X。系统组成如图2所示。
图2 球杆定位PID教学系统组成原理图
2 机械结构设计
该系统选用直流伺服电机，齿轮箱减速机构进行减速（如图3所示），在距齿轮圆心d（d 小于齿轮半径）处的输出齿轮上连有一杠杆臂，此连接处螺钉固定需松点，杠杆臂的一端与轨道铰链，另一端是一固定座且上端与轨道的左侧铰链，如图3所示。
图3 球杆定位PID教学系统机械图
3 电气系统设计
如图4所示，线性轨道传感器接+5V电压，A/D输入口的信号的电压由轨道两边测得。不锈钢杆上输出的电压信号的测量可小球在轨道上滚动的位置。电气系统设计原理图见图5。
图4 小球位置测量示意图
4 控制程序设计
球杆系统控制程序流程如图6所示。
图5 电气系统设计原理图
图6 控制程序流程图
5 结束语
本文设计了球杆定位PID教学系统，利用安装在导轨上的超声波装置，直接对小球进行精确定位，降低了控制的滞后性，控制精度更高，速度更快。它具备了非线性不稳定系统所具有的重要的动态特性，并且结构简单、安全可靠、价格低廉，有利于在高校教学中推广应用。
基金项目
国家级大学生创新创业训练计划项目（201410448031）。
参考文献
[1]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]王正林，王胜开，陈国顺.MATLAB/Simulik与控制系统仿真[M].北京：电子工业出版社，2005.
[3]何眹.球杆系统的非线性问题[J].自动化学报，2007，13（5）：550-553.
[4]井海明.球棒系统的建模与反馈控制[J].航空计算技术，2003，33（4）：52-54.
[5]潘健，王俊，汤才刚.基于倒立摆的两种控制策略的研究[J].现代电子技术，2008（1）：129-131.
[6]王良顺，尹平林，代鄂东.基于倒立摆的一种控制器的设计与仿真[J].计算技术与自动化，2006（1）：29-31.
[7]湛力，孙鹏，陈雯柏.倒立摆系统的自摆起和稳定控制[J].计算机仿真，2006，23（8）：289-292.
[8]张志勇，何东健.基于MATLAB环境下球杆系统PID控制器设计[J].农机化研究，2006，14（5）：103-105.
[9]朱良红，王永初.模糊与积分混合控制器[J].华侨大学学报（自然科学版），2003，24（3）：285-289.
[10]Wang Guang-Xiong，Yang Dong-Yun，He Zhen. The Lagrange equation and its linearization[J]. Control and Decision. 2002.7（Suppl.2）：7-8.
[11]彭建刚.球杆系统的模糊控制研究[J].自动化技术与应用，2008，18（3）：48-50.
[12]石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.
关键词 机械控制；球杆系统；PID
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）03-0005-02
传统球杆系统结构复杂、价格昂贵，因此，大多数高校的机械控制课程实验，通过软件模拟的形式进行，缺乏直观生动的表现，不利于学生对所学知识的掌握。为了解决这个问题，我们设计了简易球杆定位PID教学系统，能够通过生动形象的小球运动来展示PID控制的结果，有利于激发学生的学习兴趣，对学习掌握系统建模、机械控制系统设计、机械控制理论与算法有很大的促进作用。
1 总体结构设计
如图1所示，球杆定位PID教学系统包括球杆执行系统和机械控制系统两大部分，其机械部件主要有底座、导轨、不锈钢小球、横杆、马达等。球杆执行系统主体是两侧分别是超声波雷达和不锈钢球杆的V型槽轨道。此时球在轨道上滚动，超声波雷达检测小球与雷达间的距离，可得到小球在轨道上的位置。伺服电机通过连杆机构与导轨一侧连接。机械控制系统中，单片机运用PID控制算法，通过软件程序输出PWM信号，控制伺服电机带动导轨运动，实现不锈钢小球在导轨上由运动到静止的PID调节过程。
图1 球杆定位PID教学系统结构
将不锈钢小球在放在长约0.5米的轨道上，两侧分别是超声波雷达和不锈钢杆，此时若球在轨道上滚动，超声波雷达会测量并输出电压信号，从而获得求相对固定点的位置X。杠杆臂随电机转动带动的齿轮系驱动，同时轨道与水平方向产生偏角β，球在重力下沿着轨道滚动，设计并调节伺服角度α使不锈钢小球保持静止。
此系统输入（电机转角α）与单输出（小球位置）对应，伺服电机自带角度编码器可以测量输入量α，轨道上电位器的电压信号可以得到输出量X。系统组成如图2所示。
图2 球杆定位PID教学系统组成原理图
2 机械结构设计
该系统选用直流伺服电机，齿轮箱减速机构进行减速（如图3所示），在距齿轮圆心d（d 小于齿轮半径）处的输出齿轮上连有一杠杆臂，此连接处螺钉固定需松点，杠杆臂的一端与轨道铰链，另一端是一固定座且上端与轨道的左侧铰链，如图3所示。
图3 球杆定位PID教学系统机械图
3 电气系统设计
如图4所示，线性轨道传感器接+5V电压，A/D输入口的信号的电压由轨道两边测得。不锈钢杆上输出的电压信号的测量可小球在轨道上滚动的位置。电气系统设计原理图见图5。
图4 小球位置测量示意图
4 控制程序设计
球杆系统控制程序流程如图6所示。
图5 电气系统设计原理图
图6 控制程序流程图
5 结束语
本文设计了球杆定位PID教学系统，利用安装在导轨上的超声波装置，直接对小球进行精确定位，降低了控制的滞后性，控制精度更高，速度更快。它具备了非线性不稳定系统所具有的重要的动态特性，并且结构简单、安全可靠、价格低廉，有利于在高校教学中推广应用。
基金项目
国家级大学生创新创业训练计划项目（201410448031）。
参考文献
[1]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]王正林，王胜开，陈国顺.MATLAB/Simulik与控制系统仿真[M].北京：电子工业出版社，2005.
[3]何眹.球杆系统的非线性问题[J].自动化学报，2007，13（5）：550-553.
[4]井海明.球棒系统的建模与反馈控制[J].航空计算技术，2003，33（4）：52-54.
[5]潘健，王俊，汤才刚.基于倒立摆的两种控制策略的研究[J].现代电子技术，2008（1）：129-131.
[6]王良顺，尹平林，代鄂东.基于倒立摆的一种控制器的设计与仿真[J].计算技术与自动化，2006（1）：29-31.
[7]湛力，孙鹏，陈雯柏.倒立摆系统的自摆起和稳定控制[J].计算机仿真，2006，23（8）：289-292.
[8]张志勇，何东健.基于MATLAB环境下球杆系统PID控制器设计[J].农机化研究，2006，14（5）：103-105.
[9]朱良红，王永初.模糊与积分混合控制器[J].华侨大学学报（自然科学版），2003，24（3）：285-289.
[10]Wang Guang-Xiong，Yang Dong-Yun，He Zhen. The Lagrange equation and its linearization[J]. Control and Decision. 2002.7（Suppl.2）：7-8.
[11]彭建刚.球杆系统的模糊控制研究[J].自动化技术与应用，2008，18（3）：48-50.
[12]石辛民.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.