球杆控制定位系统实验报告

实验小组成员：周开城  u200910555   机械0902班

 张伟   u200910571   机械0902班

一实验目的

?（1）掌握对实际物理模型的建模方法。

（2）掌握在Matlab 中利用Simulink 等工具对系统进行模型分析的方法。

（3）掌握PID 控制算法的原理和实际应用。

（4）学习PID参数的调节方法。

二实验系统及实验原理

（一）球杆系统的特点

球杆系统是一个典型的非线性系统，理论上而言，它是一个真正意义上的非线性系统，其执行机构还具有很多非线性特性，包括：

? 死区

? 直流马达和带轮的传动非线性。

? 位置测量的不连续性。

? 导轨表面不是严格的光滑表面，产生非线性阻力。

这些非线性因素对于传统意义上的测量和建模造成很大的影响，并对系统的控制性能造成非常大的影响，怎样去设计一个鲁棒的控制系统，是现代控制理论的一个重要问题。

固高科技提供的球杆系统既可以用于研究控制系统运行的非线性动力学，也可以用于研究控制系统的非线性观测器等，是一个较为通用的实验设备。

因为系统机械结构的特点，球杆系统具有一个最重要的特性——不稳定性，对于传统的实验方法，存在一些实验的难处，不稳定的系统容易对实验人员产生危险或是不可预料的伤害，球杆系统相对而言，机械比较简单，结构比较紧凑，安全性也比较高，是一个可以避免这些危险和伤害的实验设备。采用智能伺服驱动模块和直观的Windows程序界面，是控制系统实验的一个理想的实验设备。

（二）球杆系统

如图1所示，包括控制计算机、IPM100伺服驱动器、球杆本体和光电码盘、线性传感器、伺服电机和球杆装置等部分，组成一个闭环系统。光电码盘将杠杆臂与水平方向的夹角、角速度通过RS232接口与计算机通信。在控制系统中，输入钢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，并由智能伺服驱动器产生相应的控制量，发出模拟信号使电机转动，带动杠杆臂运动从而控制球的位置。

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姓名：糜健

班级：光信0802

学号：U200813208

目录

1.设计任务及要求... 2

1.1设计任务... 2

1.2设计技术要求... 2

2.设计步骤... 2

2.1总体设计流程图... 2

2.2光学系统外形尺寸的计算... 3

2.2.1 望远镜基本结构参数的确定... 3

2.2.2普罗Ⅰ型转向棱镜外形尺寸的计算... 3

2.2.3物镜的选型及初始结构参数的计算... 5

2.2.4目镜的选型及其初始结构参数的计算... 8

2.3像差调节... 10

2.3.1物镜的调节：... 10

2.3.2目镜的调节：... 12

2.3.3像质评价... 15

4.附录：零件图与系统图... 16

4.1双胶合物镜正透镜零件图... 17

4.2光学系统图... 18

1.设计任务及要求     

1.1设计任务

双筒棱镜望远镜设计（望远镜的物镜和目镜的选型和设计）

1.2设计技术要求

双筒棱镜望远镜设计，采用普罗I型棱镜转像，系统要求为：

1、望远镜的放大率Γ＝6倍；

2、物镜的相对孔径D/f′＝1：4（D为入瞳直径，D＝30mm）；

3、望远镜的视场角2ω＝8°；

4、仪器总长度在110mm左右，视场边缘允许50%的渐晕；

5、棱镜最后一面到分划板的距离>＝14mm，棱镜采用K9玻璃，两棱镜间隔为2～5mm；

6、lz ′>8～10mm。

2.设计步骤

2.1总体设计流程图

2.2光学系统外形尺寸的计算

2.2.1 望远镜基本结构参数的确定

焦距：由D/f1’=1：4，f1’=4D=120mm。又因为Γ=f1’/f2’，f2’=f1’/Γ=20mm。

出瞳大小：D’=D/Γ=5mm。

分划板口径：D分=2f1’tanω=16.7824mm。

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实验讲义-组合光学

光是一种自然现象.有关光的研究学科称为光学.习惯上光学分为几何光学与物理光学.物理光学中又分波动光学和量子光学.在波动光学中以光的波动性为基础研究光传播的干涉,衍射,偏振等现象.本实验就是利用综合光学实验仪组合元器件,完成波动光学中光的干涉和光的衍射几个代表性实验.

 单缝衍射的光强分布

光波的波振面受到阻碍时，光绕过障碍物偏离直线而进入几何阴影区，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象叫做光的衍射。研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动性的理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，如光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光信息处理等。衍射使光强在空间重新分布，利用硅光电池等光电器件测量光强的相对分布是一种常用的光强分布测量方法。

实验目的

1. 观察单缝夫琅和费衍射现象。

2. 掌握单缝衍射相对光强的测量方法，并求出单缝宽度。

实验仪器

H_e-N_e激光器,单缝,光轨,光具座、光电探测器、数字式检流计

实验原理

1. 夫琅和费衍射

 衍射是波动光学的重要特征之一。衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，单缝宽度约为0.1mm，单缝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件：

    2. 菲涅耳假设和光强度

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1、电磁感应

【Q】在实验中我们发现，旋转的铝盘会对磁铁产生牵引力，发过来磁铁也会对铝盘有一个反作用力（磁阻尼力），这个阻尼力会影响实验精度吗？

【A】并不会影响实验精度，且铝盘会以一个恒定的频率在转动！ 原因：

步进电机的工作原理，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。因此，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。

【Q】大家是否发现在我们这个实验中，铝盘上面挖了六个小孔，你们认为这些小孔会对牵引力产生影响吗？

【A】小孔会对牵引力产生影响，牵引力相比没孔的铝盘会变小；每一根铝丝两端都会产生感应电动势，铝盘就相当于多个电源的并联，但是由于小孔的存在，产生的电流可能不稳定，牵引力会有小幅波动，但是小孔并不是改变磁通量的“罪魁祸首

【Q】测量磁悬浮力或牵引力时，永磁体的位置对结果有什么影响？比如正对着铝盘圆心与偏离角度的区别；还有永磁体靠近铝盘中心时所受的力与磁体位于铝盘边缘时相比，大小如何？

【A】做了几次试验，发现当磁铁在盘内较大距离时力不大，到盘边时较大，远离盘后减小。可推知力与磁铁到盘中心的距离是一个单峰的函数，有水平渐近线。

【Q】大家想一下，如果那个轴承完全无摩擦，那么它的转速会无限增大吗？ 【A】

【Q】如何改进？？

【A】此实验的磁悬浮力和磁牵引力装置应增加一个角度指针，因为我们在做距离和力的大小的关系试验中，每次都要将测力器杆取出，然后重新固定，这当中是不是会因为角度的不同产生较大的误差呢？所以可以增加一个角度小指针，来校正测力杆放置的方向，减免误差

我们是准备加一个升降装置的，最好带刻度的。

1.测量磁悬浮传动系统的轴承转速时，测得的转速不是很稳定，而转速的测定时以一定时间内通过轴承的光束的个数为依据的。所以我建议增加轴承上计数孔的个数，这样测得的数目会增多，可以减小不稳定因素的干扰，所得读数会相对集中一些。

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             组合光学

光是一种自然现象.有关光的研究学科称为光学.习惯上光学分为几何光学与物理光学.物理光学中又分波动光学和量子光学.在波动光学中以光的波动性为基础研究光传播的干涉,衍射,偏振等现象.本实验就是利用综合光学实验仪组合元器件,完成波动光学中光的干涉和衍射几个代表性实验.

实验目的

　1. 观察单缝夫琅和费衍射现象。

　2. 掌握单缝衍射相对光强的测量方法，并求出单缝宽度。

　3.  观察等厚干涉现象。

　4.  学习测平凸透镜的曲率半径。

实验仪器

　H_e-N_e激光器,单缝,光轨,光具座、光电探测器、数字式检流计。

　牛顿环装置，钠光灯，改进型读数显微镜。

实验原理

一、夫琅和费衍射

光波的波振面受到阻碍时，光绕过障碍物偏离直线而进入几何阴影区，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象叫做光的衍射。衍射是波动光学的重要特征之一，研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动性的理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，如光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光信息处理等。衍射使光强在空间重新分布，利用硅光电池等光电器件测量光强的相对分布是一种常用的光强分布测量方法。

　衍射通常分为两类：一类是满足衍射屏离光源或接收屏的距离为有限远的衍射，称为菲涅耳衍射；另一类是满足衍射屏与光源和接收屏的距离都是无限远的衍射，也就是照射到衍射屏上的入射光和离开衍射屏的衍射光都是平行光的衍射，称为夫琅和费衍射。菲涅耳衍射解决具体问题时，计算较为复杂。而夫琅和费衍射的特点是，只用简单的计算就可以得出准确的结果。在实验中，夫琅和费衍射用两个会聚透镜就可以实现。本实验用激光器作光源，由于激光器发散角小，可以认为是近似平行光照射在单缝上；其次，单缝宽度约为0.1mm，单缝距接收屏如果大于1米，缝宽相对于缝到接收屏的距离足够小，大致满足衍射光是平行光的要求，也基本满足了夫琅和费衍射的条件。

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微机接口技术实验报告

串行接口实验

                   

系别: 计算机科学与技术

完成时间：20##-5-15

一、实验目的

1、熟悉串行接口芯片8251的工作原理

2、掌握串行通讯接收/发送程序的设计方法

二、实验内容及要求

通过对8251芯片的编程，使得实验台上的串行通讯接口（RS232）以查询方式实现信息在双机上的。具体过程如下：

       1. 从A电脑键盘上输入一个字符，将其通过8251数据口发送，并在B电脑上的8251数据口接收到这个字符，然后在B电脑屏幕上显示。

    2.将在第一次实验程序与前面双机通信程序组合在一起，从A试验箱上使用开关控制B试验箱上的步进电机转动，而从B试验箱上使用开关控制A试验箱上的扬声器模拟电子琴发声，实现双机双向控制。

三、实验原理

1、串行接口

串行传输是在一根传输线上一位一位的传输，这根线即作为数据线又作为联络线。串行传输的数据格式有固定要求，即分异步和同步数据格式。串行通信中对信号的逻辑定义与TTL不兼容，因此，需要进行逻辑关系与逻辑电平转换。

串行传输方式有三种不同的方向性结构，单工、半双工和全双工。单工数据只支持数据在一个方向上传输半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，同一时刻只允许数据在一个方向上传输；全双工数据传输允许数据同时在两个方向上传输，它要求发送设备和接收设备都具备独立的接收和发送功能。

串行通信的基本方式包括异步串行通信方式和同步串行通信方式。前者是以字符为信息单位进行传输，后者是以数据块为单位进行传输。

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【数据处理】

1. 观察双折射现象。

答：观察物体时，看到了两个敏感程度不同的像，当旋转镜座时，像的位置会出现相对移动

2.透过P₂的光强I与P₁、P₂的透光轴夹角θ之间的关系（验证马吕斯定律）

   答：数据记录如下表：

(1) 在matlab软件中用极坐标画出I-θ关系图

如下图所示：

（2）在Excel软件中用直角坐标系画出

如下图所示：

（3）结果分析

    从第一个图中可以看出由曲线是一个半圆，方程为可看作，是半径。于是，令，则，从而验证了马吕斯定律。

        由曲线可得拟合曲线为：I=135.85cos²θ-4.1362，相关系数R²=0.9936，故存在线形关系，是线性系数，从而也验证了马吕斯定律。

误差分析：由于第一个图没办法通过曲线拟合出严格的数学公式，所以就定性的分析误差产生的原因。

1．      由于所测电流不太稳定，所以电流真正为零的点找出来时存在误差，从而导致了后续的测量误差。

2．      在旋转角度时，并没有调得很精确，由于最小分度值为2°，所以角度大概存在1°左右的误差。

3．      实验中并不能完全将仪器调节到同轴等高，这就对于P₂旋转时通过其的光强大小有误差。

4．      偶然误差，从图中可以明显地看出，倒数第二个数据存在较大的偏差，可能由于调节角度时过大了。

3.验证圆偏振光

    结果分析：从表中可以看出，电流极差为72.2-39.8=36.8（x10^-7A）<50（x10^-7A）,在误差允许范围之内。误差产生的主要原因是因为偏振片与波片难以调到完全同轴等高，所以通过P²后的光强大小有所不同，相应的测得的电流也就有所不同。

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