便攜式直線一級倒立擺教材

1、概述概述 元創(chuàng)興科技有限公司開發(fā)的便攜式一級直線倒立擺采用一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，開放的控制解決方案和模塊化的實驗平臺，全方位滿足本科生自動控制理論基礎(chǔ)課程的教學(xué)和研究需要。 產(chǎn)品特點產(chǎn)品特點1 一體化結(jié)構(gòu): 機(jī)械本體及控制器都放置在儀器箱中，體積小巧。 2 安裝方便，系統(tǒng)可靠: 使用時只需要打開箱蓋，插上連接線，將擺桿固定桿豎起即可以使用，不需要其他安裝工作。 3 系統(tǒng)可靠，信價比高: 由于選擇都是工業(yè)上產(chǎn)品部件，器件不裸露，所以可靠性高，適合本科學(xué)生重復(fù)使用，同時價格較低。 4 開放式平臺，基礎(chǔ)教學(xué)為主: 采用開放式結(jié)構(gòu)，以WINDOWS平臺為主，適合教學(xué)與研究需要；為配合本科課程實驗需要，開設(shè)了

2、一系列針對該課程的實驗內(nèi)容。適應(yīng)的對象及專業(yè)適應(yīng)的對象及專業(yè)本科階段：1機(jī)械設(shè)計制造及其自動化2機(jī)械工程及其自動化3電氣工程及其自動化4自動化研究生階段：1控制理論與控制工程2控制工程實驗環(huán)境要求實驗環(huán)境要求硬件要求：硬件要求：1、Pentium II、Pentium III、AMD Athlon或者更高；2、內(nèi)存至少256MB，推薦512MB 以上；3、至少有一個USB2.0接口；軟件要求：軟件要求：1、Microsoft Windows 98、Microsoft Windows 2000、Microsoft Windows XP； 2、Microsoft Visual C+ 6.0；3、M

3、atlab 6.5、Matlab7.0、Matlab R2011b；系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 便攜式直線一級倒立擺實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。 本實驗系統(tǒng)的主體包括擺桿、小車、便攜支架、導(dǎo)軌、直流伺服電機(jī)等。主體、驅(qū)動器、電源和數(shù)據(jù)采集卡都置于實驗箱內(nèi)，實驗箱通過一條USB數(shù)據(jù)線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，另有一條線接220v交流電源。便攜支架為實驗箱方便攜帶和安裝而設(shè)計。移動實驗箱時，可以扭下便攜支架和小車之間的旋鈕，將支架和擺桿放倒在實驗箱內(nèi)，簡單的接線可以使得本系統(tǒng)方便做課堂演示實驗。編碼器編碼器 2 擺桿編碼器：選用是瑞普安華高（無錫）電子科技有限公司生產(chǎn)的光電式增量編碼器。編碼器分辨率為500線，

4、經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡四倍頻后為2000線，也就是說擺桿旋轉(zhuǎn)一周，編碼器計數(shù)2000個。擺桿旋轉(zhuǎn)一周的角度為360度。脈沖當(dāng)量=360/2000。1 電機(jī)編碼器（集成于電機(jī)尾部）：分辨率為1000線，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡四倍頻后為4000線，即電機(jī)轉(zhuǎn)動一周，采集卡采集到4000個編碼器計數(shù)脈沖。電機(jī)皮帶輪周長為0.1117465m，即電機(jī)轉(zhuǎn)一周，小車走過0.1117465m的距離。脈沖當(dāng)量=0.1117465/4000。 伺服驅(qū)動器伺服驅(qū)動器 便攜式倒立擺系統(tǒng)選用的伺服驅(qū)動器是西安銘朗電子科技有限公司生產(chǎn)的MLDS3810控制直流伺服驅(qū)動器。該伺服驅(qū)動器主要性能如下：1.電源電壓范圍：12V-48V 2.最大

5、連續(xù)輸出電流：10A， 最大峰值輸出電流：20A 3.通過RS232實現(xiàn)PC控制、參數(shù)調(diào)整、在線調(diào)測 4.反饋元件：增量式編碼器，四倍頻解碼 5.過流、過載、過壓、欠壓、高低溫、位置誤差超限、失控保護(hù) 6.控制模式有三種：速度模式、位置模式以及采用步進(jìn)模式。本系統(tǒng)采用速度模式。系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 便攜式直線一級倒立擺的工作原理是：數(shù)據(jù)采集卡采集到旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)和電機(jī)尾部編碼器數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)編碼器與擺桿同軸，電機(jī)與小車通過皮帶連接，所以通過計算就可以得到擺桿的角位移以及小車位移，角位移差分得角速度，位移差分可得速度，然后根據(jù)自動控制中的各種理論轉(zhuǎn)化的算法計算出控制量?？刂屏坑捎嬎銠C(jī)通過USB數(shù)

6、據(jù)線下發(fā)給伺服驅(qū)動器，由驅(qū)動器實現(xiàn)對電機(jī)控制，電機(jī)尾部編碼器連接到驅(qū)動器形成閉環(huán)，從而可以實現(xiàn)擺桿直立不倒以及自擺起。便攜式直線一級倒立擺工作原理圖 物理模型物理模型直線一級倒立擺模型 在忽略了空氣阻力和各種摩擦之后，可將直線一級倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)。并對此系統(tǒng)進(jìn)行牛頓歐拉方法建模以得到系統(tǒng)狀態(tài)空間方程和系統(tǒng)傳遞函數(shù)。擺桿受力分析擺桿受力分析擺桿受力分析圖 應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)理論建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程。倒立擺實物控制中,系統(tǒng)的輸出是擺桿的角度，受到控制的是小車的位置，以控制小車的位置來矯正擺桿的角度，使其盡可能為零，所以實物建模時，我們以角度為受控對象。以擺桿角度為輸出。系統(tǒng)狀態(tài)空間

7、方程與系統(tǒng)傳遞函數(shù)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程與系統(tǒng)傳遞函數(shù) 以小車加速度作為輸入的系統(tǒng)狀態(tài)空間方程: 以小車加速度為控制量，擺桿角度為被控對象，此時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為: 通過系統(tǒng)狀態(tài)空間方程進(jìn)行現(xiàn)代控制器的設(shè)計通過系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行經(jīng)典控制器的設(shè)計物理參數(shù)物理參數(shù)1.擺桿質(zhì)量m 0.0426kg 2.擺桿長度L 0.305m 3.擺桿轉(zhuǎn)軸到質(zhì)心長度l 0.152m 4.重力加速度g 9.81m/s2 元創(chuàng)興便攜式直線一級倒立擺實際系統(tǒng)的物理參數(shù) 將以上的物理參數(shù)帶入系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中以得到精確的系統(tǒng)模型。實驗組成實驗組成便攜式倒立擺可以開展以下實驗：實驗1. 運動控制基礎(chǔ)實驗（編碼器原理及電機(jī)運動測試）；實驗2

8、. 根軌跡校正實驗；（經(jīng)典控制）實驗3. 頻率響應(yīng)校正實驗； （經(jīng)典控制）實驗4. PID校正實驗； （經(jīng)典控制）實驗5. 狀態(tài)空間極點配置控制實驗； （現(xiàn)代控制）實驗6. 線性二次型最優(yōu)控制實驗(LQR)； （現(xiàn)代控制）實驗7. LQR控制（Bang_Bang自擺起）實驗； （現(xiàn)代控制）實驗8. LQR控制（能量自擺起）實驗； （現(xiàn)代控制）實驗9. 模糊控制實驗； （智能控制）實驗10.模糊控制（Bang_Bang自擺起）實驗； （智能控制）實驗11.模糊控制（能量自擺起）實驗； （智能控制）實驗12.模糊PID校正實驗； （智能控制） 本實驗系統(tǒng)主要以自動控制中的經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論為理

9、論基礎(chǔ)，但隨著科學(xué)與工程研究的不斷深入，控制理論不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)向智能控制系統(tǒng)的發(fā)展已成為一種趨勢。仿真實驗仿真實驗便攜式直線一級倒立擺LQR控制仿真模型 系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng) 在給定小車位置干擾后，系統(tǒng)在3秒內(nèi)可以達(dá)到新的平衡，小車平衡到指定的位置，擺桿保持靜止下垂的狀態(tài)。實驗者可以將得到的不同的反饋控制參數(shù)輸入到仿真模型中進(jìn)行仿真，并觀察仿真結(jié)果。便攜式倒立擺安裝包便攜式倒立擺安裝包 在開展實物控制實驗之前必須確定計算機(jī)上已經(jīng)成功安裝了本公司提供的便攜式倒立擺安裝包，如果沒有則根據(jù)元創(chuàng)興便攜倒立擺快速安裝使用指南(Quck Install Guide)進(jìn)行安裝。為保證安裝的順利進(jìn)行，安裝之前

10、建議暫時關(guān)閉電腦安全類應(yīng)用程序（例：360安全衛(wèi)士，卡巴斯基等）。1. 在產(chǎn)品配套光盤里便攜式倒立擺安裝包SETUP.EXE。運行SETUP.EXE進(jìn)行安裝，系統(tǒng)界面如下圖。按照默認(rèn)選擇直到安裝完成。USBUSB驅(qū)動安裝驅(qū)動安裝1. 安裝包安裝完成以后，用USB數(shù)據(jù)線將計算機(jī)和便攜式倒立擺系統(tǒng)連接起來。計算機(jī)會發(fā)現(xiàn)一個新硬件，然后出現(xiàn)安裝向?qū)Вx擇從列表或指定位置安裝（高級），點擊下一步按鈕，設(shè)置成如下：2. 然后單擊下一步，直至完成。USBUSB驅(qū)動安裝驅(qū)動安裝3. 如果出現(xiàn)無法繼續(xù)硬件更新向?qū)Вㄈ缦聢D所示）時，則需要手動加載USB驅(qū)動程序。4. 在產(chǎn)品配套光盤里便攜式倒立擺安裝包USB驅(qū)動

11、程序找到文件reinovohid.inf和reinovohid.sys，將這兩個文件復(fù)制到路徑C:WINDOWSsystem32drivers下。拔插USB再次進(jìn)行驅(qū)動程序的安裝直至完成。USBUSB驅(qū)動安裝驅(qū)動安裝5.打開設(shè)備管理器，如下所示。6.看到USB人體學(xué)輸入設(shè)備，就說明USB驅(qū)動安裝成功。實物控制實驗實物控制實驗 進(jìn)入程序所在目錄，雙擊MATLAB(Simulink)實時控制程序（reinovo.mdl）,便攜式直線一級倒立擺Simulink實時控制程序的主界面(Matlab 6.5版本)如下圖所示。 Matlab 7.0Matlab 7.0版本（全英文版）版本（全英文版）運動控制基礎(chǔ)實驗（實驗一運動控制基礎(chǔ)實驗（實驗一 ） 本實驗的目的是讓實驗者熟悉旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理，掌握利用計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡對編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，以及利用計算機(jī)對電機(jī)進(jìn)行控制的基本原理和方法，了解機(jī)電一體化的兩個重要內(nèi)容：傳感技術(shù)和運動控制技術(shù),以便順利完成