田芳，許弟建，董超群，陳運(yùn)紅

1重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院；2重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；3重慶電務(wù)段

以智能控制實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)的球桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田芳1，許弟建1，董超群2，陳運(yùn)紅3

1重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院；2重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；3重慶電務(wù)段

智能控制實(shí)驗(yàn)室是針對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)和電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生而建立的實(shí)驗(yàn)室。主要是為自動(dòng)控制原理課程做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及研究。球桿系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制課程。對(duì)于控制理論相關(guān)課程，是一個(gè)非常便于實(shí)驗(yàn)課堂和實(shí)驗(yàn)研究的平臺(tái)。而針對(duì)不穩(wěn)定線(xiàn)性系統(tǒng)，球桿系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的建立具有典型性。

球桿系統(tǒng)；控制系統(tǒng)智能

引言

球桿系統(tǒng)是一個(gè)非常不穩(wěn)定的非線(xiàn)性系統(tǒng)，是為基礎(chǔ)控制課程教學(xué)，比如自動(dòng)控制原理等實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，相對(duì)于線(xiàn)性系統(tǒng)而言，分析與設(shè)計(jì)方法困難許多。實(shí)際的球桿系統(tǒng)比理論描述上的要復(fù)雜的多，所以系統(tǒng)仿真的出現(xiàn)顯得尤為重要[1]。它以計(jì)算機(jī)為工具，以系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究。方法是：第一步利用軟件建立數(shù)學(xué)模型，第二部是設(shè)計(jì)算法，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，這樣做的目的是用來(lái)檢測(cè)所設(shè)計(jì)的算法是否可行，病比較算法的優(yōu)劣性；最后是實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)控制的方法是將算法寫(xiě)到所對(duì)應(yīng)的控制器當(dāng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 球桿系統(tǒng)的特點(diǎn)

球桿系統(tǒng)是一個(gè)典型的具有真正意義的非線(xiàn)性系統(tǒng)。球桿系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備很多非線(xiàn)性特性，包括：死區(qū)、直流馬達(dá)、非線(xiàn)性的帶輪傳動(dòng)、位置測(cè)量的不連續(xù)性、由于不是絕對(duì)光滑的導(dǎo)軌表面，會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)的非線(xiàn)性阻力。當(dāng)前，如何設(shè)計(jì)一個(gè)控制性能具有魯棒性是需要解決的一個(gè)非常重要的問(wèn)題。

2 球桿系統(tǒng)的主要組成部分

球桿系統(tǒng)的構(gòu)造分為幾部分構(gòu)成，具體如圖1所示：

圖1 球桿系統(tǒng)的組成

球桿系統(tǒng)組成：

（1）機(jī)械部分包含直流伺服馬達(dá)、直流電源；

（2）型號(hào)為IPM100的智能伺服驅(qū)動(dòng)；

（3）控制用計(jì)算機(jī)。

3 球桿系統(tǒng)機(jī)械模型的建立

球桿系統(tǒng)機(jī)械模型原理圖：

圖2 球桿系統(tǒng)機(jī)械模型

齒輪中心與同步帶輪和連桿之間的連線(xiàn)與水平線(xiàn)的夾角為θ，由于θ角受局限，其位于固定的最大值與最小值間，連桿和齒輪中心與齒輪的連接點(diǎn)距離是d，橫桿長(zhǎng)度是L，得到橫桿的傾斜角α和θ之間有一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式：

α=dLθ

電機(jī)軸和角度θ之間有一個(gè)減速比，最終使得小球在某一個(gè)固定的位置平衡，這是控制器設(shè)計(jì)的任務(wù)，通過(guò)調(diào)整齒輪的角度θ達(dá)到這一效果。

4 電氣模型

電機(jī)附帶的有一個(gè)編碼器，這個(gè)編碼器可以檢測(cè)到電機(jī)軸的位置，整個(gè)過(guò)程是：通過(guò)編碼器，輸出一定的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)并反饋給智能伺服驅(qū)動(dòng)。接下來(lái)控制器會(huì)對(duì)編碼器的信號(hào)進(jìn)行分頻處理，這樣做的目的能夠提高電機(jī)位置的精度。每當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)了一圈，index信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的脈沖，這樣可以用于同步控制，或者是精確控制。

（1）電機(jī)模型

電流和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是正比的關(guān)系：

T=K2iα

K2是轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Iα是電樞電流。

其工作原理為：電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞產(chǎn)生一個(gè)反向的電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度間成正比例關(guān)系，磁場(chǎng)到達(dá)一定強(qiáng)度，反電動(dòng)勢(shì)eb和dθdt成正比：

eb=k3dθdt

其中：eb為反電動(dòng)勢(shì)；

k3為感常數(shù)；

θ為電機(jī)的角度。

5 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的控制功能主要通過(guò)下面的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）把控制程序通過(guò)RS232的方式下載到IPM100的內(nèi)部寄存器中；

（2）系統(tǒng)每隔一段時(shí)間就會(huì)接受到電機(jī)編碼器傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)和小球的位置信號(hào)；

（3）程序編碼是通過(guò)板載DSP，通過(guò)反饋過(guò)來(lái)的小球的位置信息與控制算法計(jì)算控制量；

（4）放大計(jì)算所得到的控制量并通過(guò)IPM100的電源驅(qū)動(dòng)模塊作用給電機(jī)；

這樣，通過(guò)控制電機(jī)的位置，讓小球保持在設(shè)定的位置上。

[1]吳偏偏，王富東，王敬馳.球桿控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015.09：114～116

[2]胖永新，金迪，孟憲東.球桿系統(tǒng)的建模、仿真與控制器設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.12：142～146

[3]劉陽(yáng)，萬(wàn)隆軍，徐軼群.淺談球桿系統(tǒng)的建模與仿真[J].中國(guó)科技信息，2014.08：159～162

[4]李凌，袁德成.球桿系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012.08：295～298

項(xiàng)目名稱(chēng)：應(yīng)用技術(shù)型高校獨(dú)立實(shí)驗(yàn)類(lèi)課程考核研究與實(shí)踐，項(xiàng)目編號(hào)：201502。