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1、自动控制原理实验指导书自动化工程学院自动控制系第一章 实验使用仪器及其连接方式一、PC机硬件要求：l CPU Pentium、Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、AMD Athlon或者更高；l 内存 至少64MB，推荐256MB以上；l 硬盘 至少预留500MB的硬盘空间；l 支持RS-232串口通信。软件要求：l Microsoft Windows 98；l Visual C+ 6.x。l Matlab 6.x其中Visual C+软件环境可根据用户具体要求自行选择。二、可选择的配套设备l 模拟机 可用来进行控制律设计以及校正网络设计。l 信号发生器 可用
2、来提供各种输入信号，如阶跃信号、正弦信号等；l 双线示波器 可用来观看系统的输入和输出曲线；l 数字万用表 可用来精确测量系统的输入输出值。三、电平转换器电平转换器是XZ-IIC型做随动系统控制实验时所需用的信号转换器。该电平转换器是把外界输入的模拟信号和系统能接收的信号进行转换，即把外界的模拟信号（当反馈比例为1时为-5V-+5V，如为其它则相应地增大或缩小）转换成0-+5V的转矩信号和方向信号（DIR）；同时把DSP输出的0+5V的信号转换成-5V-+5V的模拟信号。也就是说，电机的转动对输入电压的符号无法识别，故需把输入电压的符号转换成系统能识别的逻辑信号，通过逻辑值来控制电机转动的方向
3、，同时把电位器的反馈信号转换成有符号的电压值输出，如图1所示。带符号模拟电压-表示电压符号的逻辑信号-0+5V电压图1 电平转换器示意图In(V)OUT+5ba0DIR0ab1In(V)图2 电平转换器的特性图In(V)Out(V)+5-5+50其转换特性如图2所示。电平转换器有两个端口，一端引出三根线头，其中分别是：地线（GND）、控制线、反馈线，具体见引线上的标识。另一端是一个七芯插头，XZ-IIB型进行控制实验时，把它接于机箱后面标有“XS12K7P”字样的相应插口。四、实验系统旋转式倒立摆总体结构图如图3所示。图3 旋转式倒立摆系统总体结构图其主体包括旋臂，摆杆，电位器，直流力矩电机等
4、。机箱内置DSP控制器，电源与驱动电路，变压器等。机箱外部有电源开关，电源插口以及通讯接口。支架的内部有电线，便于电位器的信号送到底板的控制器，并将反馈回来的控制信号返回给电机。倒立摆系统可以通过DSP独立控制；也可以通过DSP控制板上引出的通讯接口，由RS-232串行总线，使倒立摆与计算机相连，进行联机控制。其中每个部位如图4所示：1.旋臂 2.摆杆 3.电位器 4.直流力矩电机 5.支架6.机箱 7.电源开关。图4 旋转式倒立摆系统机械结构图倒立摆的机械结构主要包括作为被控对象的摆杆，作为控制执行机构的直流力矩电机（包括旋臂），以及作为测量反馈元件的角位移电位器。旋臂采用铝合金材料设计，重
5、量较小，同时采用尽可能规则的形状。其中，主要器件的尺寸和型号如下：机箱尺寸：360mm240mm90mm,旋臂尺寸：15mm200mm,摆杆尺寸：15mm250mm,支架高度：400mm。旋臂质量（包括电位器）：200g；摆杆质量：50g。 测量电位器：WDD35D导电塑料电位器，阻值：1K，独立线性度：0.1，寿命达5000万转。有效电气转角3452度，耐压500V，引出线头3个。直流力矩电机：70LY53永磁直流力矩电机，堵转电压：Uf = 27V，满额电流：If = 2.26A，堵转力矩：Mf = 0.627Nm，最大空载转速：Nomax = 900r/min。电源和两个测量信号V1、V
6、2以四针插座形式直接与DSP电路板相连接，电源从DSP电路板引向电位器，电位器R1、R2分别与电机（旋臂）和摆杆的旋轴连接。倒立摆系统经过改装可以成为随动系统，即把倒立摆的摆杆固定，并增加平衡装置，使之成为一个直流力矩电机直接拖动一个惯性负载，再用电位器反馈，形成的随动系统。随动系统有两种实验方式：一种是XZ-IIB型控制方式，即利用模拟机及相应的信号发生器、双线示波器来进行输入和输出，外界模拟信号与电机随动系统通过电平转换器进行连接，需要时也可以利用PC机获得相应输入输出的数据组和曲线；另一种是XZ-IIC型的联机控制方式，通过RS-232串行总线将PC机与倒立摆系统连接，利用PC程序中相应
7、实验的参数设置对话框设置不同的参数进行控制（见图3），此时不能接通电平转换器的航空插头。XZ-IIC型随动系统的总体结构图和机械结构图分别如图5和图6所示。图5 随动系统的总体结构图侧面图正面图图6 随动系统机械结构图第二章 实验仪器简介本实验的理论基础主要是自动控制的经典控制和现代控制部分理论。经典控制部分主要是有关控制系统的反馈控制稳定性的概念，时域性能的测试及分析，频域性能的测试及分析，以及优化性能指标的校正原理等。现代控制部分主要是有关如何建立状态空间方程，并利用它来进行系统性能分析和控制律的设计。旋转式倒立摆系统的实验原理是：旋臂由转轴处的直流力矩电机驱动，可绕转轴在垂直于电机转轴的
8、铅直平面内转动。旋臂和摆杆之间由电位器的活动转轴相连，摆杆可绕转轴在垂直于转轴的铅直平面内转动。由电位器测量得到的2个角位移信号（旋臂与铅直线的夹角，摆杆和旋臂之间的相对角度），作为系统的2个输出量被送入DSP控制器。由角位移的差分可得到角速度信号，然后根据一定的状态反馈控制算法，计算出控制律，并转化为电压信号提供给驱动电路，以驱动直流力矩电机的运动，通过电机带动旋臂的转动来控制摆杆的运动。其工作原理如图7所示。图7倒立摆系统工作原理图DSP控制器是核心控制器件，它完成数据传送，A/D、D/A转换，运算，数据处理等功能。系统的执行机构是直流力矩电机，由专门的驱动电路驱动，控制倒立摆的运动。倒立
9、摆的控制目标是使倒立在不稳定平衡点附近的运动成为一个稳定的运动，控制旋臂和摆杆的2个角位移信号在各自的零点位置附近变化。整个过程是一个动态平衡，在实控中，表现为在平衡位置附近的来回摆动。由于一级旋转式倒立摆系统是一个速度比较快的系统，且线性度很有限，要求的采样时间比较小（10ms左右），所以用连续系统的设计方法来设计数字控制器是可行且有效的，而无需用离散系统的方法来设计控制器。由于系统是可控的，设计状态反馈控制器可以使系统达到稳定。而在实控中，系统可测的状态只有2个，即旋臂的角度和摆杆的角度，故按照常规的原则，必须对未知的状态进行重构，即设计状态观测器。状态观测器的方法往往由于估计误差较大而难
10、以保证良好的控制效果，因此在对倒立摆系统的控制中采用角度差分的方法构造角速度，使另外2个状态变量可求得。XZ-IIB、XZ-IIC型机利用倒立摆改装后的随动系统，输入既可以由模拟机提供，也可以由计算机提供，XZ-IIB型机需要通过电平转换器来把模拟信号转换为DSP能接收的转矩信号和方向信号，从而达到对电机的控制。其输出显示有多种方法，可以采用计算机，双线示波器、数据采集卡，记录仪等。随动系统工作原理图如图8所示。DSP角度信号驱动力矩电机 电位器1控制输入输出显示图8 随动系统工作原理图第三章 实验任务实验一 系统认识与系统测试一、实验目的1了解旋转式倒立摆系统的系统构成，并掌握其使用方法；2
11、了解随动系统的系统构成，并掌握其使用方法。3 了解实验安全及注意事项4 了解开环系统的工作状态，掌握闭环系统反馈极性的判别方法及其影响。5 掌握系统相关数据的测试方法。二、 系统简介旋转式倒立摆系统采用直流力矩电机直接驱动和内置DSP芯片控制。它可以脱离计算机直接运行，也可以通过串口通讯用计算机控制其运行。图3为基于DSP的旋转式倒立摆系统的总体结构图。系统采用TMS320F240 DSP控制器为核心器件，能够独立执行实时控制算法，也可以通过RS-232串行总线与计算机通讯，进行在线控制算法调试。它的工作原理如前一章所述，是由角位移电位器测量得到2个角位移信号（旋臂与铅垂线的夹角，摆杆与旋臂之
12、间的相对角度），作为系统的2个输出量被送入计算机。计算机根据一定的控制算法计算出控制律，并转化为电压信号提供给驱动电路，以驱动直流力矩电机的运动，通过电机带动旋臂的转动来控制摆杆的倒立。为了适应广泛教学实验要求，把该系统的旋臂和摆杆重合固定，并进行配重，从而改装成随动系统。同样，随动系统既可以利用电平转换器与模拟实验装置联接脱离PC机直接运行，也可以通过串口通讯用PC机进行控制。其实验原理见前一章，这里不再重复。随动系统的总体结构图和机械结构图如图5和图6所示。三、注意事项:1为避免设备失控时造成人身伤害，操作时有关人员应该与设备保持安全距离；2为了安全起见，在进行系统连线、拆装和安装之前，必
13、须关闭系统电源；3为了保证实验效果更佳，在每次实验开始或结束前先用手扶住系统的摆杆或旋臂，以免由于系统的摆动幅度突然过大而导致系统零点位置的漂移；4开启设备后，如果出现异常情况，请即刻关闭系统电源。四、系统使用系统可以单独运行，也可以与计算机相连进行控制。(一)脱机控制方式：(1)接通电源；(2)实验过程；A倒立摆系统倒立摆系统的旋臂和摆杆自然下垂，按下开关，旋臂将带动摆杆摆起到倒立位置附近，（必要时用手扶到中间位置，）倒立摆保持平衡运动状态。B随动系统随动系统的旋臂静止在某一位置，按下开关，旋臂开始逆时针转动后渐渐平衡于某个位置并作轻微的振动。在机箱后面的相应位置插上电平转换器的插头，从电平
14、转换器的另一端的控制引线输入各种信号，并把反馈线接到输出仪器（如双线示波器）上，观察其响应曲线，同时注意要连接地线。也可以通过计算机显示其输入及输出曲线。(3)关闭电源，同时用手扶着实验系统的摆杆和旋臂轻轻放开。如果需要通过计算机观察实验系统的运行曲线，用RS-232串行通讯接口将系统和计算机连接。具体操作参见以下的（二）联机控制，运行DSP.exe，出现相应的运行界面，选择“监视模式”即可显示实验系统的运行曲线，并进行数据处理。（二）联机控制方式：(1)用RS-232串行通讯接口将实验系统和计算机连接；(2)运行DSP.exe，出现实验系统运行程序的封面，如图9所示。此时任意点击一下鼠标，则
15、进入实验系统PC控制界面，如图10所示；图9 PC程序封面图10 PC程序界面点击菜单项“文件（F）”“设置（S）”(或者快捷工具栏第二个按钮)，弹出“ESP Setting”对话框，如图11所示，可以进行各种控制参数的设置，选择其运行模式为“控制模式”。图11 “设置”菜单项(3) 选择实验系统。A随动系统选择菜单“控制（C）”“随动（S）”（如图12所示），或者选择菜单“实验（E）”“3：随动系统的时域特性分析, 出现相应的参数设置对话框，输入设定的参数。然后打开实验装置上的开关并选择“文件（F）”“开始（K）”（或者快捷工具栏第一个按钮），旋臂开始摆动并渐渐平衡在某个位置。终止程序前，请先用手扶住随动系统的旋臂，再次点击“
