倒立摆控制-上海交通大学自动化系.PDF

《倒立摆控制》综合性实验大纲 实验名称： 基于虚拟仪器的倒立摆综合控制系统设计 实验所属课程： 运动控制 / Motion Control 自动控制原理 / Automatic Control Theory 实验类型： 综合性实验 实验类别： 专业实验 实验学时： 8 适用专业： 自动化 所涉及的课程及知识点： 涉及虚拟仪器技术原理与应用、检测技术、传感器技术、自动控制技术、电 机调速原理等多门课程的相关知识。涉及的知识点：虚拟信号发生器应用、虚拟 示波器应用、LabVIEW 控制界面设计、光电编码器测速原理、电机电枢电流测量、 直流电机速度控制、动态系统建模与分析、闭环控制系统的阶跃响应、闭环控制 系统的PID 控制规律，等。 一、 实验目的 1. 熟悉动态系统的建模、分析与控制方法； 2. 学习和掌握旋转倒立摆系统的基本概念和系统参数的实验测定方法； 3. 学习和掌握直流电机驱动及角速度、角位移的测量方法； 4. 学习和掌握自动控制动态系统建模与软件仿真的方法； 5. 学习和掌握旋转倒立摆自平衡控制系统的工作原理与设计方法。 二、 实验内容 1. 熟悉 ELVIS-II+硬件平台与 LabVIEW ELVISmx 虚拟仪器软件平台的组成与 工作原理，掌握实验平台的基本操作方法； 2. 基于ELVISmx 集成的虚拟仪器功能，实现数字量及模拟量输入输出信号的 采集、显示及控制，实现信号发生器虚拟仪器的参数配置、模拟量信号的 采集及虚拟仪器示波器的显示控制； 3. 通过阶跃输入测定旋转倒立摆摆杆的角速度响应曲线，以此估算摆杆的转 动惯量，并通过模型仿真来验证系统参数； 4. 在 LabVIEW 下编程实现对旋转倒立摆系统的建模及仿真，通过控制界面可 修改系统主要机械参数及控制器的控制参数； 5. 在 LabVIEW 下编程实现对倒立摆系统的自平衡控制，通过控制界面可调节 控制器的控制参数，通过虚拟示波器实时显示系统状态参数。 三、 实验基本要求 1. 该综合性实验基于 ELVIM-II+硬件和 LabVIEW 软件平台，学生在进行实验 课程之前需对虚拟仪器概念以及LabVIEW基本编程方法有初步了解； 2. 实验基于 ELVIS-II+以及 QNET-ROTPENT 平台，不允许自行拆分或组合实验 装置，开始实验前需检查确保各部分电源接线正确，应自觉爱惜实验设备； 3. 实验对象为永磁直流电机，学生需了解直流电机的基本工作特性，并学习 过典型闭环控制系统的结构原理和动态校正方法； 1 4. 实验共8个学时，其中指导教师讲解1 个学时，软硬件实验平台调试适用 1 个学时，系统建模与软件仿真实验 2 个学时，倒立摆自平衡控制实验 4 个学时； 5. 实验装置共 8 套，实验按小组分组进行，每组人数2～3 人； 6. 实验过程中要有严谨的科学态度，认真操作实验步骤，仔细观察和记录实 验结果，认真分析实验中出现的问题，并积极思考解决问题的方法； 7. 每次实验完毕后，要将实验结果交给指导教师检查，整理好实验台后方可 离开； 8. 实验不得迟到和早退，不允许无故旷课。 四、 实验仪器设备和材料清单 1. NI ELVIS-II+，数量：1 2. QUANSER QNET_ROTPENT，数量：1 3. 24VDC电源适配器，数量：2 4. HP 6380MT 台式计算机（安装 LabVIEW 2012、ELVISmx 软件），数量：1 台 五、 实验过程安排 1. 了解ELVIS-II+及QNET-ROTPENT组合实验装置的组成、工作原理及基本操