计算机控制系统实验平台要点.docx

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计算机控制系统实验平台要点

计算机控制系统实验平台

（本文由袁绍强及夏洁撰写）

为完成本科计算机控制系统课实验的教学，北京航空航天大学自动化学院控制实验中心，研制和开发了多种计算机控制系统实验平台。

与本科教学有关的实验平台简单介绍如下。

1．微机控制伺服系统

1.1实验系统及相关设备介绍

微机控制伺服系统是PC机为控制计算机，插入模/数、数/模转换板，控制模拟式小功率随动系统。

软件采用BorlandC或TC.计算机控制系列实验以此为平台，专门为学习了“计算机控制系统”课程的本科生设计的一组高水平实验。

具体内容包括：

随动系统的部件性能测试；建立数学模型；连续系统离散化；设计模拟及数字控制系统的控制律；闭环调试等。

在计算机实现方面，学习如何将计算机与物理系统相连接；研究引入计算机后产生的问题，如采样、零阶保持器的影响等。

学会用C语言编制A/D、D/A及中断程序并在计算机内实现控制律；训练使用C语言的编程能力等。

通过系列实验，可以使学生学习和掌握有关系统分析与设计，系统仿真及实现等方面内容，熟悉各种硬件及软件环节；同时可以加强学生的实验研究能力及动手建立，安装，调试实际系统的能力，真正掌握计算机控制系统的各种关键技术。

设计方法可以采用状态空间法，极点配置方法、最优控制方法等多种控制方法。

1.2实验设备或相关器件的主要技术指标

IBMPC系列微机一台（586以上机型）

HD121912位A/DD/A接口板一块

XSJ-3小功率直流随动系统学习机一台

41/2数字多用表一台

DT6234光电式转速表一台

图1.1实验电路图

小功率随动系统的元部件共包括执行电机、测速发电机、角位置测量电位计、直流放大器、系统控制台、计算机系统等六个主要部分，其中执行电机和系统控制台构成被控对象，测速发电机和角位置测量电位计分别构成速度反馈（内环）和位置反馈（外环），加上计算机系统和A/D、D/A转换器构成数字式的计算机控制系统。

主要元部件的性能指标：

1）执行电机

本实验系统选取直流低速力矩电机，产品出厂时给定的技术数据为：

峰值力矩Tp：

5（-5%）kg.cm

峰值电流Ip：

1.8A

峰值电压Vp：

20V

空载转速n0：

500r/min

2）测速发电机

选用永磁直流测速发电机70CYD-1，它的主要技术数据为：

信号输出斜率：

1V/rad/s

极限转速：

400r/min

输出特性线性度：

1%

最小负载：

23kΩ

静磨擦力矩：

300g.cm

3）角位置测量电位计

选用高精度合成膜电位计：

WHJ-2，主要技术数据如下

阻值：

1.5kΩ

功率：

2W

线性度：

0.5%

电气角度：

机械转角:

无止挡。

4）A/D、D/A板（HD1219）

模出入分芯片采用AD1674

通道数：

单端输入16路

输入电压：

0～10V，±5V，±10V

输入阻抗：

≥10MΩ

分辩率：

12位

输出编码：

原码（单极性信号输入）

偏移码（双极性信号输入）

转换速度：

100kHz

转换误差：

≤0.1%

A/D起动方式：

程序起动，定时起动

A/D工作方式：

中断，程序延时

模出部分芯片采用DA1230

通道数：

2路

输出电压：

0～10V，±5V，±10V

输出阻抗：

≤1MΩ

分辩率：

12位

建立时间：

7μs

定时器/计数器部分。

采用8253可编程计数/定时器。

通道数：

3路

计数器字长：

16位

时钟频率：

2MHz

数字量输入输出部分，采用8255，通道数为24路

接口部分,地址分配：

占用16个连续I/O端口地址，HD1219板基地址Base=0310H。

1.3实验对象计算机闭环控制指标要求

设计要求：

（1）速度回路设计：

选择静态增益满足以下要求：

当D/A输出≤120mV时，电机开始转动。

（实际测试，电机起动电压）

当D/A输出±10V时，电机转速为26rad/s

（2）位置回路设计：

在求得上述速度回路传递函数的前提下，利用极点配置方法求全状态反馈增益KF1KF2。

假定系统的期望极点满足：

ξ≥0.9，

≥20rad/s

且要求输入信号小于40mV时电机应能起动。

给定采样周期T=0.025s

（3）观测器设计：

假定伺服系统的转角θ是可测的，设计降维观测器，并假定降维观测器的观测误差衰减速率是闭环系数衰减速率的4倍。

（4）根据全状态反馈增益KF1KF2及降维观测器方程，求控制器方程。

（5）按零点——极点型编排方法，编排控制器方程的实现算法，并选择合适的比例因子。

1.4实验目的以及实验要求

通过本实验的训练，应达到下列要求：

1）学生应了解直流电动机、测速机、电位计、功率放大器等主要部件的工作原理以及使用方法，掌握模拟随动系统动静态参数的设置和调试方法，具有初步排除故障的能力。

2）了解计算机控制系统输入输出通道的使用方法并具有常规的A/D、D/A板的软件编程及调试能力。

3）要求学生掌握利用硬件定时器实现中断管理、定时采样的方法并能编制程序实现中断管理。

4）掌握计算机控制系统的实时应用软件编程方法,具有一定的编程及调试能力。

5）初步掌握计算机控制系统闭环调试方法,并具有排除故障的能力。

2单片机实现的伺服系统控制

本系统是由AVR单片机和XSJ-2型小功率直流随动系统学习机配套使用构成计算机控制系统。

限于XSJ-2型小功率直流随动系统学习机数量有限，本实验还可以由电子模拟机构成XSJ-2型小功率直流随动系统学习机的数学模型完成实验。

2.1AVR单片机系统概述

2.1.1AVR单片机组成和外观

AVR单片机（简称“数字板”），AD、DA接口转换器（简称“模拟板”）和电源等组成。

在使用时，模拟板安装在数字板的上面，如图2．1所示。

图2．1AVR单片机控制系统结构图

2.2.2基本组成及特性

（1）处理器特性：

采用8位ATmega128处理器，16MHz晶振，128K字节Flash程序存储器。

（2）4路AD输入：

输入电压范围±10V，采样速率65～260µs，精度10位。

（3）4路DA输出：

输出电压范围±10V，控制频率≤50Hz，波纹＜0.5mV，PWM频率1kHz，精度16位。

（4）2路电平输入：

高电平：

7～10V，低电平：

0V。

（5）2路电平输出：

高电平：

5V，低电平：

0V。

（6）4位LED数码管显示：

采用软件实现显示操作。

（7）2路TTL串行接口。

（8）2路标准232接口。

（9）1路高速SPI串行接口。

（10）多路I/O接口及所有端口引出：

用于测量及更广泛的应用。

2.2单片机与被控对象XSJ-2的连接

在使用中，单片机与XSJ-2型小功率直流随动系统学习机的连接如图2.2所示。

图2.2计算机控制系统结构图

2.3单片机的结构

2.3.1模拟板的基本功能和布局

模拟板由4路AD输入转换器（简称/4放大器）、4路DA输出转换器（简称*4滤波放大器）、4路开关接口转换器以及参考电源等组成。

其中，AD输入转换器将±10V范围的直流输入电压转化成±2.5V范围的电压，送给数字板计算机。

数字板将得到一个对数字地（GND）而言0～5V的输电压。

DA输出转换器将由数字板计算机来的±2.5V范围的PWM信号转化成±10V范围的直流电压，完成系统的DA操作。

图2.4模拟板布局图

2.3.2数字板布局

图2.5数字板布局及各部名称图

2.4实验内容

2.4.1小功率随动系统的元部件测试及建模

内容：

分别测试力矩电机，测速机，功率放大器及反馈电位计的各种性能及输入/输出特性，根据测试结果建立小功率随动系统的数学模型。

要求：

了解上述元部件主要特性参数测试方法和原理；了解有关测量仪器的使用方法；学习数据处理及建立数学模型的基本方法；了解元部件的非线性因素及模型误差产生的原因等。

2.4.2开发应用平台学习使用，进行输入输出接口的测试及显示

内容：

熟悉开发应用平台的使用，针对单片机实现平台熟悉运行程序的下载烧制过程。

用C语言编制带定时器的A/D程序；通过外加电压进行数据采集和调试；进行采样数据的LED显示。

要求：

了解A/D接口的基本原理，硬件结构及编程方法等;掌握计算机内部的数据转换和储存方式;学会定时器的原理及使用方法。

2.4.3采样系统的构成及中断的使用，对单片机系统实现串口数据传输

内容：

编制并调试带定时器的D/A程序；接入A/D、D/A程序以及中断管理程序，实现信号的连续采样与输出。

单片机平台实现测试信号通过串口进行通信上传和保存。

要求：

了解D/A接口原理及使用；相应的设置及编程方法等；掌握中断的原理及中断编程方法。

单片机实现平台组需要完成串口方式的设置，实现通信数据传输的应用。

2.4.5计算机控制系统的闭环实验调试

1）设计要求

给定对象的传递函数为

，为便于观察，取采样周期为0.5s，要求设计数字控制器

，并用数字仿真验证设计指标。

设计指标为：

（1）时域：

，

；

（2）静态：

（1/s），即针对斜坡信号的稳态误差为

2）对象传递函数的模拟机编排实现

利用XMN-2型自动控制原理模拟机（如图2.6所示）上面所提供的电阻、电容和放大器等器件，搭建给定被控对象的传递函数。

正确连接控制器实现平台（这里为AVR单片机控制系统）和模拟机上搭建的被控对象，构成一个实际意义的闭环控制系统。

图2.6XMN-2型自动控制原理学习机

3）具体实验实现工作内容

按步骤1）设计的系统控制规律开发实时应用软件，并利用前面实验所编制的A/D、D/A、中断、通信传输等程序，实现闭环计算机控制。

获得实际控制效果，与仿真控制效果进行比较，分析结果。

软件编制要求保存被控对象输出的采样值（采样16~20次，保证系统进入稳态）；采用一位数码管显示采样次数0~F，其余三位用于显示采样结果。

另外，考虑到系统允许的超调量，指令阶跃信号的输入值应当适当设计，以使对象的最大超调信号能够被采样进入计算机。

还要求画出系统实现结构图；比较实时控制与数字仿真的结果，分析误差原因。

总的要求：

学习掌握实时控制应用软件的编程方法，掌握计算机控制系统闭环调试方法，培养解决系统调试中所遇到的实际问题的能力。

3．桥式吊车计算机控制系统

3.1实验系统及相关设备介绍

主要是从硬件构成的角度来看，实验设备以及控制软件实现的硬件平台。

桥式吊车系统是本实验中心研制的国内首创的计算机控制吊车系统模型。

该设备是国内外广泛用于计算机控制理论和计算机控制技术的典型教学实验系统，专门用于本科生、研究生教学。

设备由计算机控制的随动系统和吊摆系统组成，可以开设不同层次的计算机控制系统实验课。

该实验系统可以进行系统建模、仿真、系统设计等综合性、系统性、研究性实验。

设计方法可以采用经典控制方法及状态空间方法、最优控制方法、模糊控制方法等多种方法进行设计。

本系统是一个数字式的闭环控制系统，其工作原理如下：

吊车（下装吊摆）在电机的拖动下沿固定的直线导轨进行运动，相应地，产生了吊车的直线位移和吊摆的转角。

线位移由与皮带轮同轴安装的增量式编码器1测得，角位移由安装在吊摆轴上的增量式编码器2测得，吊车和吊摆的运动速度通过增量式编码器的脉冲数计算出来，两个编码器输出信号通过运动控制卡输入计算机，经过机内的实时控制程序运算产生控制指令，该指令经D/A转换送入小功率随动系统，经过功率放大再输出给电机，产生相应的控制作用，从而实现对吊车线位移和吊摆角位移的控制。

系统的方框图如图3.1所示,系统外形如图3.2所示。

图3.1桥式吊车计算机控制系统结构图

图3.2桥式吊车系统外形图

3.2实验设备或相关器件的主要技术指标

1.运动控制器：

控制轴4轴

插补功能

任意2轴或3轴直线插补

任意2轴圆弧插补

任意2轴或3轴位模式插补

各轴通用规格

输出脉冲范围1-4MPPS

输出速度精密度±0.1％以下（对设定数值）

速度倍率1-500

S曲线加速度变化率954-31250×106PPS/SEC2

加/减速度125-500×106PPS/SEC

初始速度1-8000PPS（倍率=1的时候）

500-4×106PPS（倍率=500的时候）

驱动速度1-8000PPS（倍率=1的时候）

500-4×106PPS（倍率=500的时候）

输出脉冲数0-268,435,455（定量驱动）

速度曲线定速/直线加减速/抛物线S曲线加减速驱动

定量驱动的减速模式自动减速（非对称台行驱动时，也可以）/手动减速

可以在驱动中改变输出脉冲数、驱动速度

可以选择独立2脉冲/1脉冲方向方式

位置计数器

逻辑位置计数器（输出脉冲用）计数范围

-2,147,438,648~+2,147,483,647

实位计数器（输入脉冲用）计数范围-2,147,438,648~+2,147,483,647

可以一直写入读出

2.执行电机

本实验系统选取直流低速力矩电机，产品出厂时给定的技术数据为：

峰值力矩Mf：

2N·m

峰值电流If：

7.4A

峰值电压Uf：

27V

最大转速n0max：

900r/min

3.位移测量装置：

增量式编码器，分辨率2000P/R

4.角度测量装置：

增量式编码器，分辨率2000P/R

5.模出部分芯片采用DA1230

通道数：

2路

输出电压：

0～10V，±5V，±10V

输出阻抗：

≤1MΩ

分辨率：

12位

建立时间：

7μs

3.3实验对象计算机闭环控制指标要求

设计任务及技术指标

1）摆角稳定时间小于5秒，摆动次数小于3次

2）吊车启动时最大摆角小于±10°

3）吊车最大速度为0.5m/s

4）D/A输出100mV电机起动，D/A输出5V时对应电机最大速度

3.4实验目的以及实验要求

要求独立完成复杂的非线性对象建模、系统方案设计、元部件选择、数字控制器的设计及数字仿真，实时控制程序的编写、调试、系统的软硬件联调。

实时控制软件界面如图3.3所示。

图3.3实时控制软件界面

4．旋臂式倒立摆

4.1系统简介

倒立摆系统被公认为是现代控制理论中的典型实验设备,是控制理论教学和科研中不可多得的典型物理模型。

作为一个装置,它结构简单。

作为一个对象,它又相当复杂,是一个多变量、强耦合、高阶次,不稳定、非线性的快速系统。

只有采取高级的控制方法才能使之稳定。

通过对倒立摆系统的研究可以解决控制理论和实践中的诸多问题。

因此引起了国内外学者的广泛关注,是控制领域研究的热门话题之一。

旋臂式倒立摆实验系统比传统的轨道式倒立摆系统具有结构简单、价格低廉、体积小、非线性强、控制难度大等特点。

控制方法可以采用线性系统理论、最优控制、非线性控制、鲁棒控制、最佳估计和滤波、智能控制、系统辨识、各种智能控制等多种先进控制理论方法。

实验设备适合高年级本科生和研究生的综合性、设计性、研究性实验。

旋臂式倒立摆是由连在直流力矩电机转轴上的驱动臂和能自由旋转的摆杆构成，驱动臂在电机的作用下能在垂直平面旋转，通过驱动臂的转动来保持摆杆稳定在平衡位置。

该装置比用小车控制的位移式倒立摆在硬件结构上减少了中间的传机构，使其更简便、更牢固，如图4.1所示。

图4.1旋臂式倒立摆

4.2旋臂式倒立摆系统组成及工作原理

4.2.1系统组成

旋臂式倒立摆系统的结构分为机械部分、电气部分和控制部分组成,机械部分由直流电动机，驱动臂、摆动臂和关节组成。

其结构如图4.2所示。

电动机、驱动臂角位置测量电位计组装成同轴组合体，两者用联轴节均同轴连接。

在组合体侧面有一接线板，分别为电位计正负电压及输出信号接线柱；力矩电机的控制电压接线柱。

在组合体左端装有转角测量用的刻度盘。

电气控制部分由检测电路、调零和微分电路、功率放大器和伺服电机组成。

控制部分分为模拟式控制和计算机控制两种控制方式，模拟式控制采用模拟控制盒实现控制校正（如图4.3所示），其控制律为：

数字控制由计算机实现控制律，再由A/D、D/A转换器转换成模拟信号，如图4.4所示。

4.2.2系统的工作原理

由检测电位计测量出驱动臂和摆动臂的偏转角度θ1、θ2,通过A/D采入计算机,经过计算后输出控制信号,经D/A转换为模拟量,通过功率放大器放大后驱动伺服电机。

电机旋转拖动旋臂向着减少θ1、θ2的方向移动,从而使倒立摆达到平衡。

4.3实验设备或相关器件的主要技术指标

1）主要技术性能指标：

（1）电动机力矩Mf：

0.637

（2）功率放大器输出功率不小于30W

（3）驱动臂长度170mm，且

无止挡

（4）摆动臂长度170mm，且

无止挡

（5）驱动臂角位置测量电位计精度0.1%

（6）摆动臂角位置测量电位计精度0.1%

（7）电源交流220V,直流±20V±12V

2）主要元部件的性能指标：

（1）执行电机

本实验系统选取直流低速力矩电机，产品出厂时给定的技术数据为：

峰值力矩Mf：

0.637

峰值电流If：

2.26A

峰值电压Uf：

27V

最大转速n0mat：

900r/min

（2）驱动臂角位置测量电位计

选用高精度合成膜电位计：

主要技术数据如下

阻值：

1kΩ

功率：

2W

线性度：

0.1%

电气角度：

340o

机械转角:

360o无止挡

（3）摆动臂角位置测量电位计

选用高精度合成膜电位计：

主要技术数据如下

阻值：

2kΩ

重量：

29g

功率：

2W

线性度：

0.1%

电气角度：

340o

机械转角:

360o无止挡

（4）摆动臂参数

摆动臂的质量：

47.2g

摆动臂转动惯量:

0.000114

摆动臂长度:

170mm

（5）驱动臂参数

驱动臂的质量：

52g

连接头的质量：

43g

驱动臂转动惯量:

0.000125

驱动臂长度:

170mm

4.4实验对象计算机闭环控制指标要求

用模拟控制方法和计算机控制方法控制倒立摆，保持摆稳定向上，并有一定抗干扰能力。

4.5实验目的以及实验要求

1实验目的

用极点配制方法和智能控制方法控制旋臂式二节倒立摆，了解和熟悉控制理论在自然不稳定系统中运用和实现的方法，提高对所学理论的认识。

2实验内容和要求

1）了解倒立摆系统的组成和工作原理。

2）熟悉模拟控制倒立摆的方法，调节参数使摆稳定向上，保持不倒。

3）任选一种或多种现代控制理论设计方法，设计控制参数，仿真达到系统指标。

4）设计软件，实现实时控制，摆保持摆稳定向上，并有一定抗干扰能力。