便攜式直線一級(jí)倒立擺教材

1、概述概述 元?jiǎng)?chuàng)興科技有限公司開(kāi)發(fā)的便攜式一級(jí)直線倒立擺采用一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，開(kāi)放的控制解決方案和模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，全方位滿足本科生自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)課程的教學(xué)和研究需要。 產(chǎn)品特點(diǎn)產(chǎn)品特點(diǎn)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(shí)只需要打開(kāi)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(jià)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(shí)價(jià)格較低。 4 開(kāi)放式平臺(tái)，基礎(chǔ)教學(xué)為主: 采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，以WINDOWS平臺(tái)為主，適合教學(xué)與研究需要；為配合本科課程實(shí)驗(yàn)需要，開(kāi)設(shè)了

2、一系列針對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。適應(yīng)的對(duì)象及專業(yè)適應(yīng)的對(duì)象及專業(yè)本科階段：1機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化2機(jī)械工程及其自動(dòng)化3電氣工程及其自動(dòng)化4自動(dòng)化研究生階段：1控制理論與控制工程2控制工程實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jí)倒立擺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。 本實(shí)驗(yàn)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(dòng)器、電源和數(shù)據(jù)采集卡都置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，實(shí)驗(yàn)箱通過(guò)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(shí)驗(yàn)箱方便攜帶和安裝而設(shè)計(jì)。移動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱時(shí)，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(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，簡(jiǎn)單的接線可以使得本系統(tǒng)方便做課堂演示實(shí)驗(yàn)。編碼器編碼器 2 擺桿編碼器：選用是瑞普安華高（無(wú)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(shuō)擺桿旋轉(zhuǎn)一周，編碼器計(jì)數(shù)2000個(gè)。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(guò)數(shù)據(jù)采集卡四倍頻后為4000線，即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，采集卡采集到4000個(gè)編碼器計(jì)數(shù)脈沖。電機(jī)皮帶輪周長(zhǎng)為0.1117465m，即電機(jī)轉(zhuǎn)一周，小車走過(guò)0.1117465m的距離。脈沖當(dāng)量=0.1117465/4000。 伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器 便攜式倒立擺系統(tǒng)選用的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)器。該伺服驅(qū)動(dòng)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(guò)RS232實(shí)現(xiàn)PC控制、參數(shù)調(diào)整、在線調(diào)測(cè) 4.反饋元件：增量式編碼器，四倍頻解碼 5.過(guò)流、過(guò)載、過(guò)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(jí)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(guò)皮帶連接，所以通過(guò)計(jì)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(dòng)控制中的各種理論轉(zhuǎn)化的算法計(jì)算出控制量?？刂屏坑捎?jì)算機(jī)通過(guò)USB數(shù)

6、據(jù)線下發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制，電機(jī)尾部編碼器連接到驅(qū)動(dòng)器形成閉環(huán)，從而可以實(shí)現(xiàn)擺桿直立不倒以及自擺起。便攜式直線一級(jí)倒立擺工作原理圖 物理模型物理模型直線一級(jí)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(jí)倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)。并對(duì)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(dòng)力學(xué)方程。倒立擺實(shí)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(lái)矯正擺桿的角度，使其盡可能為零，所以實(shí)物建模時(shí)，我們以角度為受控對(duì)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(duì)象，此時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為: 通過(guò)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程進(jìn)行現(xiàn)代控制器的設(shè)計(jì)通過(guò)系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行經(jīng)典控制器的設(shè)計(jì)物理參數(shù)物理參數(shù)1.擺桿質(zhì)量m 0.0426kg 2.擺桿長(zhǎng)度L 0.305m 3.擺桿轉(zhuǎn)軸到質(zhì)心長(zhǎng)度l 0.152m 4.重力加速度g 9.81m/s2 元?jiǎng)?chuàng)興便攜式直線一級(jí)倒立擺實(shí)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(shí)驗(yàn)組成實(shí)驗(yàn)組成便攜式倒立擺可以開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1. 運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（編碼器原理及電機(jī)運(yùn)動(dòng)測(cè)試）；實(shí)驗(yàn)2

8、. 根軌跡校正實(shí)驗(yàn)；（經(jīng)典控制）實(shí)驗(yàn)3. 頻率響應(yīng)校正實(shí)驗(yàn)； （經(jīng)典控制）實(shí)驗(yàn)4. PID校正實(shí)驗(yàn)； （經(jīng)典控制）實(shí)驗(yàn)5. 狀態(tài)空間極點(diǎn)配置控制實(shí)驗(yàn)； （現(xiàn)代控制）實(shí)驗(yàn)6. 線性二次型最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)(LQR)； （現(xiàn)代控制）實(shí)驗(yàn)7. LQR控制（Bang_Bang自擺起）實(shí)驗(yàn)； （現(xiàn)代控制）實(shí)驗(yàn)8. LQR控制（能量自擺起）實(shí)驗(yàn)； （現(xiàn)代控制）實(shí)驗(yàn)9. 模糊控制實(shí)驗(yàn)； （智能控制）實(shí)驗(yàn)10.模糊控制（Bang_Bang自擺起）實(shí)驗(yàn)； （智能控制）實(shí)驗(yàn)11.模糊控制（能量自擺起）實(shí)驗(yàn)； （智能控制）實(shí)驗(yàn)12.模糊PID校正實(shí)驗(yàn)； （智能控制） 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要以自動(dòng)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(shì)。仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)便攜式直線一級(jí)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(shí)驗(yàn)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(kāi)展實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)之前必須確定計(jì)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(méi)有則根據(jù)元?jiǎng)?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(shí)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(yùn)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(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)安裝1. 安裝包安裝完成以后，用USB數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)和便攜式倒立擺系統(tǒng)連接起來(lái)。計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(jí)），點(diǎn)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(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)安裝3. 如果出現(xiàn)無(wú)法繼續(xù)硬件更新向?qū)Вㄈ缦聢D所示）時(shí)，則需要手動(dòng)加載USB驅(qū)動(dòng)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(dòng)

11、程序找到文件reinovohid.inf和reinovohid.sys，將這兩個(gè)文件復(fù)制到路徑C:WINDOWSsystem32drivers下。拔插USB再次進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的安裝直至完成。USBUSB驅(qū)動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)安裝5.打開(kāi)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(shuō)明USB驅(qū)動(dòng)安裝成功。實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)實(shí)物控制實(shí)驗(yàn) 進(jìn)入程序所在目錄，雙擊MATLAB(Simulink)實(shí)時(shí)控制程序（reinovo.mdl）,便攜式直線一級(jí)倒立擺Simulink實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)一運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)一 ） 本實(shí)驗(yàn)的目的是讓實(shí)驗(yàn)者熟悉旋轉(zhuǎn)編碼器的基本原理，掌握利用計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，以及利用計(jì)算機(jī)對(duì)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(gè)重要內(nèi)容：傳感技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),以便順利完成