浅谈电子设计竞赛中的控制类题目(岳继光).分析报告.ppt

2013年C题—旋转倒立摆简析 弄清题意旋转臂带动摆杆 弄清题意摆杆自由旋转 要求电机频响 给出摆杆转角 α 范围 摆杆最小稳态时间 旋转臂转角 θ 稳态范围 2013年C题—旋转倒立摆简析 进一步增加摆杆最小稳态时间 摆杆最大调整稳态时间 抗干扰能力 摆杆稳定状态下，旋转臂能够大范围继续做（匀速）圆周运动并单方向旋转（系统稳定性能高）。 2013年C题—旋转倒立摆简析 说明1.给出旋转臂r长、摆杆R 长以及电机选择的原则 说明2.给出机械粘性阻尼的选择原则 2013年C题—旋转倒立摆简析 说明5.给出摆杆的稳态误差范围 2013年C题—旋转倒立摆简析 说明7.给出施加干扰的具体方法 2013年C题—旋转倒立摆简析 控制量为电机输入电压！ 测量量为旋转臂转角 θ 和摆杆转角 α ！ 结论：旋转倒立摆控制系统为双输入量、单控制量闭环控制系统 ！ 控制器 电机 旋转臂 摆杆 旋转臂 旋转臂 θ Vm α T VaR Va Vθ - 按照要求设计控制系统，并行制作： 1，被控对象——旋转倒立摆的机械装置； 2，执行机构——选型电机（减速、直驱）； 3，测量环节——角传感器（电位器、码盘等）； 4，控 制 器——微处理器。 2013年C题—旋转倒立摆简析 2，被控对象——旋转倒立摆的机械装置； 旋转倒立摆的机械装置按图1制作，注意： （1）摆杆——采用均匀材质； （2）旋转臂——采用均匀材质； （3）旋转臂与摆杆之间安装角位移传感器， 运动副之间摩擦（粘性阻尼）适中（能 倒立平衡满足要求即可）； （4）角位移θ与α传感器选用360量程即可； （5）旋转臂力矩电机与支架之间安装角位移传感器，固定时不要偏心； （6）电路联接导线不要影响工作。 2013年C题—旋转倒立摆简析 2，执行机构——电机选型； 旋转倒立摆启动、制动频繁，可选择价格适当的直流电机作为旋转臂的驱动电机。在直流电机中，通常有减速型 (减速电机的转矩大,但是由于速比过高导致启动延时较大)和直驱型（伺服、步进）均能满足本题要求。选择功率较大（如10W）的电机即可；有较快的动态响应和较大的启动转矩。 2013年C题—旋转倒立摆简析 3，测量环节——角位移传感器； 摆杆转角检测采用导电塑料角位移传感器时，必须注意标称角度检测范围（如：0-300度），超过检测范围时误差会增大。角度超过检测范围时，精度有所降低。如在350—360度之间有一小段非线性区，所以在使用中需要事先标定非线性区的位置，安装摆杆时角位移传感器的非线性区要避开角度变化较敏感的区域。 旋转臂转角检测宜选用编码器（如TRD-NA1024NW，输出为10位的格雷码。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点）。 2013年C题—旋转倒立摆简析 4，控制器——微处理器； 微处理器选择的型号较多，如各高校课程所涉及的ARM(stm32),DSP以及其他系列均可。 电机驱动器可选用典型的驱动模块（如： BTN7970B ），也可自制。 2013年C题—旋转倒立摆简析 5，控制软件 首先根据Lagrange方程建立系统的理论模型。对于摆杆与旋臂构成的系统而言，系统输入量为电机转矩，输出量为圆周位置及摆杆角度，是典型的单入双出系统。 为了实现有效控制，系统选取摆杆角度及其角速度，旋臂角度及其角速度四个状态量，列出系统的运动方程与能量方程，进而推出了倒立摆的数学模型。 根据现代控制理论，可以通过状态反馈，实现对该可控系统零极点的配置，从而控制系统的性能。利用该模型，进一步利用LQR算法计算出系统的最优控制反馈矩阵。 也可以采用不依赖模型的“PID”控制器。 几点思考： 1，在C题完成较好的参赛队中，具有理论分析与推导的报告依然很少。 旋转倒立摆控制系统的设计应以数学模型为依据，没有推理分析、参数计算的设计至少不能称为规范设计 ！ 虽然实验法也能摸索出好的控制方案与效果，但难以“碰巧”得到最优控制。 几点思考： 2，许多非自动控制类专业的参赛队选择C题 倒立摆控制是自动化专业的典型实验，非自动化专业的学生很难理解其中的“难点”；究竟是控制类题目容易上手？还是其他题太难？或是缘于只要“集成成功，就能实现自动”？ 几点思考： 3，控制类题目如何体现“电子设计”特点？ 随着测量仪器（传感器）、执行电机驱动模块越来越集成化，控制类题目越来越依赖于“微处理器”的算法编程。“电子设计”的特点相对减弱。 特殊场合下必须采用模拟电子技术实现控制器。 几点思考： 4，控制类题目如何将“可观赏性”和“专业性”有机结合？ 今年出了三维空间运动控制的“四旋翼”飞行器，旋转倒立摆等；大大提高了自动控制技