磁粉實(shí)驗(yàn)報告(北京理工大學(xué))

高等自動控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 磁粉加載裝置的驅(qū)動與控制設(shè)計實(shí)驗(yàn)學(xué)院：自動化學(xué)院姓名：學(xué)號：磁粉加載裝置的驅(qū)動與控制設(shè)計實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)要求1、以直流力矩電機(jī)作為控制對象，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置及速度控制。2、通過實(shí)驗(yàn)臺的加載裝置為被控電機(jī)施加負(fù)載，負(fù)載的大小控制由同學(xué)自己完成。可以手動完成，也可自動加載。3、至少采用兩種控制算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。其中PID控制為必選，其它算法由同學(xué)根據(jù)情況自定。4、編寫測試軟件，通過實(shí)驗(yàn)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(biāo)包括：階躍響應(yīng)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(jī)、DSP（TI28335開發(fā)板）實(shí)現(xiàn)，同學(xué)可以任選其一。性能測試系統(tǒng)在工控機(jī)上通過可視化編程語言編寫。二、 實(shí)驗(yàn)平臺1、 控制對象本次實(shí)驗(yàn)的被控對象為一個直流電機(jī)，通過減速機(jī)連接磁粉制動器作為負(fù)載三者同軸連接。電機(jī)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(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室的電機(jī)伺服控制與測試實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了信號調(diào)理，只需在控制面板上進(jìn)行不同的連線方式就能組建完成各種實(shí)驗(yàn)。3、 控制器根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選用工控機(jī)作為實(shí)驗(yàn)控制器。利用工控機(jī)在連線正確的基礎(chǔ)上，通過AD/DA轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送就能對被控系統(tǒng)進(jìn)行控制。4、 可視化編程工控機(jī)上提供了VC6.0作為程序開發(fā)軟件，通過VC6.0不僅能夠進(jìn)行控制算法的實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jī)給定控制量，通過實(shí)驗(yàn)臺上的DA接口輸出到直流電機(jī)，電機(jī)帶動負(fù)載一起轉(zhuǎn)動，同時編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)測量，工控機(jī)通過AD對編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)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(jī)最終達(dá)到期望控制效果。計算機(jī)中控制算法的實(shí)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(yīng)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(luò)控制、擬人智能控制、魯棒控制方法、自適應(yīng)控制，以及這些控制理論的相互結(jié)合組成更加強(qiáng)大的控制算法。由于模型具體參數(shù)未知，本實(shí)驗(yàn)采用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。由于實(shí)驗(yàn)室提供了工控機(jī)AD/DA的初始化及相關(guān)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(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測試。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)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(xì)介紹模糊控制的實(shí)現(xiàn)過程，僅列出了PID控制算法的實(shí)驗(yàn)截圖。1、PID控制實(shí)際仿真結(jié)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(fù)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)有一定的要求對應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(yīng)歸一化的還原u_out=u_out*10.0;return(u_out);

實(shí)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(yīng)曲線得出：系統(tǒng)階躍響應(yīng)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(yīng)地可轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)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(yīng)曲線得出：系統(tǒng)階躍響應(yīng)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(yīng)地可轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)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(jī)界面「:±ln=-1-H-H址際引'■'IFI?.：-圖11人機(jī)界面「:±ln=r-：L=|=.=T-愛■'：媚擰tt廿Vf開松ElMotarWl1口回目rttj準(zhǔn)r-五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)首先，感謝實(shí)驗(yàn)課老師提供這么寶貴的實(shí)驗(yàn)機(jī)會，讓我們不但對PID控制和模糊控制算法有了進(jìn)一步理解，也對VC6.0編程環(huán)境下新建MFC工程、編寫VC人機(jī)交互界面有了一定的認(rèn)識，編寫電機(jī)的控制程序控制電機(jī)的過程讓我們體會到了軟硬件的結(jié)合。其次，在實(shí)驗(yàn)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