自动控制球杆系统实验指导书-2016.doc

自动控制综合实验 2 实验指导书 Part 1 球杆系统 GBB1004 北京邮电大学自动化学院 林雪燕 2016.5.24 前 言 自动控制是一门理论与实践并重的技术，在成功掌握了理论知识（经典控制、 现代控制）的同时再配合做一些经典的自动控制实验，从而加深对自动控制的理解 与掌握，为今后从事自动控制的设计和研究工作打下扎实的基础。 为了更好地配合理论教学，达到理论与实践完美的结合，将自动控制相关的实 验独立设置成一门实验课：自动控制综合实验。自动控制理论实验主要目的是通过 实验进一步理解自动控制理论的基本概念，熟悉和掌握控制系统的分析方法和设计 方法，掌握常用工程软件使用，如 MATLAB、LabVIEW 等。上学期开设的自动控制综 合实验（1）主要内容为控制系统的 Matlab/simulink 仿真和基于实验箱的硬件模拟， 以电路系统为研究对象。本学期开始的自动控制综合实验（2）的内容是基于典型 控制理论实验设备（球杆系统和倒立摆系统），熟悉和掌握控制系统的分析和设计 方法。 球杆系统机械简单，结构紧凑，安全性高，采用智能伺服驱动模块和Windows 程序界面，可用于教学或科研。对于自动控制理论等课程来说，针对设备的非线性 与不稳定性特点，设计有效的控制系统是项有意义的工作。球杆系统要完成的实验 有： 实验一：小球位置的数据采集处理 实验二：球杆系统的PID法控制 实验三：球杆系统的根轨迹法控制 实验四：球杆系统的频率响应法控制 倒立摆是一个典型的不稳定系统，同时又具有多变量、非线性、强耦合的特性， 是自动控制理论中的典型被控对象。运用控制手段可使之具有一定的稳定性和良好 的性能。许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统 抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。倒立摆系统要完成的实验 有： 实验五：倒立摆的数学建模及稳定性分析 实验六：倒立摆的状态反馈控制 实验七：不同状态下状态反馈控制效果比较 实验八：倒立摆的LQR 控制 同学们完成实验后，要完成相应的实验报告，并及时提交。实验报告内容包含 实验名称、实验目的、实验内容、实验要求、实验原理、实验设备及仪器、实验步 骤、实验结果及分析、问题回答、心得体会、附上必要的实验原程序。 成绩评定：考勤 10+实验过程表现 40+实验报告 50=100 分 简 介 球杆系统机械简单，结构紧凑，安全性高，采用智能伺服驱动模块和Windows 程序界面，可用于教学或科研。对于自动控制理论等课程来说，针对设备的非线性 与不稳定性特点，设计有效的控制系统是项有意义的工作。 球杆系统主要由以下部分组成，如下图0-1所示： ??机械部分(包含直流伺服电机和电源)：通过电机调整横杆的倾斜角，使小球稳定 平衡在横杆的某一位置； ??智能伺服驱动：控制箱内的IPM100模块通过RS-232接口与计算机通讯，完成控制 任务； ??计算机：在MatLab Simulink环境下设计控制算法，实现控制目标。 球杆系统采用电位计检测小球的位置，电位计安装在横杆上，小球位置对应的 电压信号输送给IPM100智能驱动的AD转换器，如图0-2所示 图0-2 小球的位置信号采集原理 球杆系统的闭环控制系统结构图0-3如下：  图0-3 系统控制结构 直流马达通过一个减速皮带轮带动横杆运动，IPM100智能驱动器内部包一个PID 控制算法，用于控制电机的位置，PID控制器的参数已经调整，保证电机具有较快的 响应并没有超调。 系统通过以下步骤来实现控制： i. 通过RS232下载控制程序到智能伺服驱动器的板载内部寄存器中。 ii. 电机编码器的信号和小球的位置信号每隔一定时间反馈给系统，（伺服时 间可设置，默认为5ms） iii. 板载的DSP对下载的程序进行解码，然后计算根据反馈的位置信息和控制 算法计算控制量。 iv. 计算得到的控制量被放大并通过IPM的电源驱动模块作用给电机。 v. 这样，通过控制电机的位置，使得小球在设定的位置保持平衡。 控制系统的流程图如图0-4所示：  图0-4 控制程序流程图 为了使小球稳定平衡在横杆的某一位置，首先应建立球杆系统的数学模型，然 后对小球位置进行数据采集。控制量的设计方法有PID法、根轨迹法、和频率响应法。 系统建模 1.1 球杆系统的数学模型 球杆系统机械结构原理图如图1-1： 图1-1 球杆系统机械结构 连线（连杆和同步带轮的连接点与齿轮中心的连线）和水平线的夹角为θ（θ 的角度存在一定的限制，在最小和最大的范围之间），它作为连杆的输入，横杆的 倾斜角α和θ之间的有如下