浅谈电子设计竞赛中的控制类题目(岳继光)教学教材.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 浅谈电子设计竞赛中控制类题目——以“2013年电子设计竞赛C题”为例 同济大学电子与信息工程学院 岳继光 2013.11.10 武 汉 今天讲座的主要内容 自动化类题目及C题概况 几点思考 ★2013年旋转倒立摆（C）题简析 ★旋转倒立摆控制系统设计的一般准则 倒立摆与自动控制原理实验 全国大学生电子竞赛控制类题目概况 年 届 题目 题数 总题数 备注 1997 3 水温控制系统（C题） 1 4 1999 4 无 0 5 2001 5 自动往返小车（C题） 1 6 2003 6 简易电动车（E题）点滴速度监控装置（F题） 2 6 2005 7 悬挂运动控制系统（F题） 1 7 2007 8 电动车跷跷板（F题、J题） 2 10 本专各1 2009 9 声音导引系统（B题） 模拟路灯控制系统（I题） 2 9 本专各1 2011 10 基于自由摆的平板控制系统（B题） 智能小车（C题）、帆板控制系统（F题） 3 8 本2、专1 2013 11 四旋翼飞机（B题） 旋转倒立摆（C题）、电磁控制装置（j题） 3 9 本2、专1 合计 15 64 23.4% 全国大学生电子竞赛控制类题目概况 从第5届以后，每次均出现。 比重大、选题多、观赏性强 小车类： 6次（2001、2003、2007、2007（高职）、 2009、2011） 全国大学生电子竞赛控制类题目概况 自由摆： 3次（2011、2013、2013（高职）） 飞行器： 1次（2013） 其 他： （温控、点滴、悬挂、路灯控制、帆板各1次） 2013年C题目概况: C题 B题 A题 D题 E题 F题 G题 C 题已接近30%，本科组大学生选择最多的题目！ 2013年C题目概况: C题 B题 A题 D题 E题 F题 G题 近30%的参赛队选择C题的主要原因是否是其他类题目专业性“太强”？而自控类题目易上手？ 2013年C题目概况: 完成效果： 播放视频 对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。 倒立摆与自动控制理论实验 倒立摆控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。 倒立摆与自动控制理论实验 倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电动机或其他驱动设备）。 倒立摆与自动控制理论实验 由中国的大连理工大学李洪兴教授领导的“模糊系统与模糊信息研究中心”暨复杂系统智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了四级倒立摆。因此，中国是世界上第一个成功完成四级倒立摆实验的国家。 倒立摆与自动控制理论实验 控制目标 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。 倒立摆与自动控制理论实验 全国500多所设有自动化专业的高校中，大部分学校在自动控制原理课中，开设了倒立摆类实验，拥有坚实的基础。 倒立摆实验装置 大学生做倒立摆实验 控制方法： 倒立摆系统的输入为小车的位移（即位置）和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。 倒立摆与自动控制理论实验 倒立摆属于典型的自动控制系统 调节器 执 行 对 象 测量反馈 r e u v c y - 倒立摆与自动控制理论实验 直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平面上自由地摆动。作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被