磁粉實驗報告(北京理工大學)

高等自動控制系統(tǒng)實驗 磁粉加載裝置的驅(qū)動與控制設計實驗學院：自動化學院姓名：學號：磁粉加載裝置的驅(qū)動與控制設計實驗一、實驗要求1、以直流力矩電機作為控制對象，實現(xiàn)電機的位置及速度控制。2、通過實驗臺的加載裝置為被控電機施加負載，負載的大小控制由同學自己完成?？梢允謩油瓿?，也可自動加載。3、至少采用兩種控制算法，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。其中PID控制為必選，其它算法由同學根據(jù)情況自定。4、編寫測試軟件，通過實驗臺所提供的必要的傳感器對控制算法做出性能測試及評價。測試指標包括：階躍響應的上升時間、超調(diào)量、過渡過程時間等；正弦跟蹤的幅值衰減、相位滯后等。5、控制器硬件系統(tǒng)可由工控機、DSP（TI28335開發(fā)板）實現(xiàn)，同學可以任選其一。性能測試系統(tǒng)在工控機上通過可視化編程語言編寫。二、 實驗平臺1、 控制對象本次實驗的被控對象為一個直流電機，通過減速機連接磁粉制動器作為負載三者同軸連接。電機的位置與速度信號由安裝在系統(tǒng)上的光電編碼器測得。2、 操作平臺本實驗采用實驗室的電機伺服控制與測試實驗臺作為操作平臺，被控系統(tǒng)的反饋信號以及控制器發(fā)出的控制信號都在實驗臺上進行了信號調(diào)理，只需在控制面板上進行不同的連線方式就能組建完成各種實驗。3、 控制器根據(jù)實驗要求，選用工控機作為實驗控制器。利用工控機在連線正確的基礎上，通過AD/DA轉換進行數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送就能對被控系統(tǒng)進行控制。4、 可視化編程工控機上提供了VC6.0作為程序開發(fā)軟件，通過VC6.0不僅能夠進行控制算法的實現(xiàn)，還能將系統(tǒng)的控制量和反饋量以及誤差信息顯示在窗口中并進行繪圖操作，使得控制效果一目了然，控制性能能夠從圖中獲得直觀感受。三、 實驗原理系統(tǒng)原理圖如下所示：圖1系統(tǒng)原理圖首先由工控機給定控制量，通過實驗臺上的DA接口輸出到直流電機，電機帶動負載一起轉動，同時編碼器對電機轉速進行實時數(shù)據(jù)測量，工控機通過AD對編碼器數(shù)據(jù)進行實時采集，然后通過給定與反饋之間的誤差通過采用的控制算法重新輸出控制量，使電機最終達到期望控制效果。計算機中控制算法的實現(xiàn)是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，目前典型的自動控制算法有：PID控制、根軌跡以及頻率響應法、狀態(tài)空間法、最優(yōu)控制理論、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、擬人智能控制、魯棒控制方法、自適應控制，以及這些控制理論的相互結合組成更加強大的控制算法。由于模型具體參數(shù)未知，本實驗采用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。由于實驗室提供了工控機AD/DA的初始化及相關數(shù)據(jù)采集與輸出程序，因此我們的主要工作在于控制算法的實現(xiàn)。根據(jù)實驗要求，我們組成員分別采用了常規(guī)PID控制算法和模糊控制算法對控制系統(tǒng)進行測試。四、實驗內(nèi)容在實驗過程中，根據(jù)小組分工，我只涉及模糊控制算法的編寫和調(diào)試，因此在以下內(nèi)容中會詳細介紹模糊控制的實現(xiàn)過程，僅列出了PID控制算法的實驗截圖。1、PID控制實際仿真結果圖

14 4S314 4S3圖3跟蹤正弦信號2、模糊控制在MATLAB中搭建仿真框圖h25/65F■h25/65F■圖4MATLAB中SIMULINK仿真圖Motor2為負載扭矩對輸出的傳遞函數(shù)。選擇誤差和誤差變化量為控制輸入，電壓為控制輸出，都取5個模糊子集MATLAB控制規(guī)則:

MATLAB控制規(guī)則:圖6控制規(guī)則圖像MATLAB仿真控制效果：圖7跟蹤階躍信號圖8跟蹤正弦信號圖7跟蹤階躍信號圖8跟蹤正弦信號模糊控制對于實際經(jīng)驗有一定的要求對應VC程序代碼如下：floatfuzzyCtrlfkp(floaterror,floatderror){floatu_out;//定義輸出//限制誤差和誤差變化的上下限if(error>30){error=30;}if(error<-30){error=-30;}if(derror>150){derror=1500;}if(derror<-150){derror=-1500;}//歸一化處理error=error/30;derror=derror/150;//初始化各隸屬度的值floate[5]={-1.0,-0.5,0.0,0.5,1.0};//誤差隸屬度函數(shù)5個中心值floatde[5]={-1.0,-0.5,0.0,0.5,1.0};//誤差變化隸屬度函數(shù)5個中心值floatu[5]={-1.0,-0.5,0.0,0.5,1.0};//輸出隸屬函數(shù)5個中心值//求取隸屬度e[0]=exp(-40/2*pow(error+1,2));e[1]=exp(-40/2*pow(error+0.5,2));e[2]=exp(-40/2*pow(error,2));e[3]=exp(-40/2*pow(error-0.5,2));e[4]=exp(-40/2*pow(error-1,2));de[0]=exp(-40/2*pow(derror+1,2));de[1]=exp(-40/2*pow(derror+0.5,2));de[2]=exp(-40/2*pow(derror,2));de[3]=exp(-40/2*pow(derror-0.5,2));de[4]=exp(-40/2*pow(derror-1,2));//控制規(guī)則表，計算中未用到，以后可改進floatrule[5][5]={{2,2,2,1,-2},{2,1,1,0,-2},{2,1,0,-1,-2},{2,0,-1,-1,-2},{2,-1,-2,-2,-2}};////采用極大極小法進行模糊推理MAX是編寫求數(shù)組極大極小的函數(shù)_MIN是庫函數(shù)floatu0[7]=={_MIN(e[4],de[4]),_MIN(e[4],de[3]),_MIN(e[4],de[2]),_MIN(e[4],de[1]),_MIN(e[4],de[0]),_MIN(e[3],de[4]),_MIN(e[2],de[4])}；floatu1[4]={_MIN(e[3],de[3]),_MIN(e[3],de[2]),_MIN(e[2],de[3]),_MIN(e[1],de[4])};floatu2[3]={_MIN(e[1],de[3]),_MIN(e[2],de[2]),_MIN(e[3],de[1])};floatu3[4]={_MIN(e[1],de[1]),_MIN(e[1],de[2]),_MIN(e[2],de[1]),_MIN(e[3],de[0])};floatu4[7]={_MIN(e[0],de[0]),_MIN(e[0],de[1]),_MIN(e[0],de[2]),_MIN(e[0],de[3]),_MIN(e[0],de[4]),_MIN(e[1],de[0]),_MIN(e[2],de[0])};u[0]=MAX(u0);u[1]=MAX(u1);u[2]=MAX(u2);u[3]=MAX(u3);u[4]=MAX(u4);/*重心法解模糊*/u_out=(u[0]*(-1.0)+u[1]*(-0.5)+u[3]*(0.5)+u[4]*(1.0))/(u[0]+u[1]+u[2]+u[3]+u[4]);//對應歸一化的還原u_out=u_out*10.0;return(u_out);

實際控制效果：冊131.10.9D.80.60,4II?”亠 ..J?/I <no-0.6-0.8-D.9小1-1.3訊 llfi 2D7 27G J④ 4圖9跟蹤階躍信號圖10跟蹤正弦信號3、控制性能分析1、 采用PID控制：由響應曲線得出：系統(tǒng)階躍響應的上升時間為3s,超調(diào)量為0.3；過渡時間為1.2s。正弦跟蹤幅值衰減為0.01V（對應地可轉換為轉速）；波形跟隨時滯后Is,正弦波的角速率w為0.7,相位滯后40度。2、 采用模糊控制：由響應曲線得出：系統(tǒng)階躍響應的上升時間為0.8s，超調(diào)量為0；過渡時間為3s。正弦跟蹤幅值衰減為-0.01V（對應地可轉換為轉速）;波形跟隨時滯后0.8s，正弦波的角速率w為0.7,相位滯后20度。4、程序界面

-1-H-H址際引'■'IFI?.：-圖11人機界面「:±ln=-1-H-H址際引'■'IFI?.：-圖11人機界面「:±ln=r-：L=|=.=T-愛■'：媚擰tt廿Vf開松ElMotarWl1口回目rttj準r-五、實驗總結首先，感謝實驗課老師提供這么寶貴的實驗機會，讓我們不但對PID控制和模糊控制算法有了進一步理解，也對VC6.0編程環(huán)境下新建MFC工程、編寫VC人機交互界面有了一定的認識，編寫電機的控制程序控制電機的過程讓我們體會到了軟硬件的結合。其次，在實驗過程中，我們也遇到了一些問題。比如：系統(tǒng)的輸出基本保持了正弦波的形狀，但是