自动控制原理实验指导书文档格式.docx

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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、V2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。

第三章实验任务实验一实验一系统认识与系统测试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TMS320F240DSP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，则进入实验系统PC控制界面，如图10所示；

图9PC程序封面图10PC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“ESPSetting”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“开始”将终止程序，最后关闭实验系统机箱上的开关。

图12实验系统选择B倒立摆系统点击菜单项“控制（C）”“倒立（I）”，或如随动系统一样针对具体实验选择“实验（E）”的下拉子菜单。

然后打开实验装置上的开关，选择“控制（C）”“开始（K）”（或者快捷工具栏第一个按钮），旋臂带动摆杆摆起到倒立位置并保持平衡状态（必要时用双手将倒立摆扶起到倒立位置后松手）。

终止程序前，请先用手扶住倒立摆摆杆和旋臂，再次点击“开始”将终止程序，最后关闭倒立摆机箱上的开关，将摆杆和旋臂放下。

注意：

运行时请退出任何其他应用程序，以免内存不足及系统多任务影响串行通信，以至影响系统正常工作。

（三）软件说明

（1）PC提供了三种数据显示方式：

动画、数值和曲线视图。

在控制和监视过程中，动画方式直接反映被控对象的真实运动情况；

而数值则显示当前输出的角度测量值和输入控制量，曲线视图可以看到最近一段时间（具体时间长度可以根据需要设置）内的输入和输出曲线。

其中输出角度是以度为单位，输入控制量电压是以伏为单位。

（2）在程序界面上提供了五个快捷键按钮：

（开始/停止）、（设置）、（刷新）、（帮助）、坐标显示。

按下按钮，则启动监控线程，再按一下，将停止监控线程的运行；

按下，可得到图（14）所示的控制参数设置对话框，可以设置运行模式、系统的硬件参数以及在线修改一些控制算法参数；

按下，系统自动刷新界面；

按下，则会弹出相应的帮助窗口；

按下，则会出现坐标显示对话框（如图13所示），当鼠标置于曲线视图上，该对话框显示的坐标值会随鼠标的移动而变化，当点击鼠标左键时，该对话框还会出现一组固定的坐标值，同时曲线视图中也会出现如快捷键所示的交叉线，交叉点便是固定坐标对应的点，再点击一次或点击一下鼠标右键，数据读取结束。

图13坐标显示（3）参数设置在PC程序的界面下，点击“文件（F）”“设置（S）”（或者快捷工具栏第二个按钮），出现ESPSetting对话框（图14）。

图14参数设置通过这个对话框，在“控制模式”下，可以在线设置和修改除运行模式之外的其它控制参数。

但运行模式只有在停止程序运行后才可以修改，以防止意外发生。

参数设置主要包括以下4个方面：

运行模式控制模式：

由计算机进行控制和数据处理，并借助串口通讯RS-232由DSP实现采样和输出。

监视模式：

控制在DSP中或模拟机上完成，计算机只用作显示其运行曲线及保存相应的数据。

基本设置用于设置硬件上的参数，包括电机的满额电压和死区电压，旋臂和摆杆的调零参数等，以确保硬件系统正常工作。

如果这些参数与实际参数相差比较大，则系统控制效果就比较差，甚至无法控制。

当发生意外碰撞时，可能需要重新调节。

倒立控制Ka，Ko，Kva，Kvo是状态反馈控制算法中的反馈系数。

它们分别是角度电位器所测得的两个角度以及相应的角速度的反馈系数。

实验者可以根据自己的要求设定各反馈系数，观察并比较不同的反馈系数下的响应曲线。

动画视图色彩设置填充色选择：

可以点击相应按钮任意选择视图的填充色。

它既可以从已有的颜色中选择，也可以自行定义颜色。

线条色选择：

同上可以点击相应按钮任意选择视图的线条色。

（4）曲线视图参数设置当鼠标位于曲线视图处时点击鼠标右键，便出现如图15所示的设置对话框。

图15曲线视图参数设置主要包括：

色彩设定可以任意选择曲线色彩、坐标线色彩、及视图的背景色和填充色等。

这些颜色也是既可以从已有的颜色中选取，也可以自行定义。

坐标设定可以根据需要选择坐标轴的单位和长度。

对于坐标的纵轴的设定既可以是对称的也可以是不对称的。

在设定好纵坐标的最大值或最小值后，只需再点击一下另一个最值设置框，则其数值自动显示成已设好的最值的相反数，即此时纵坐标是对称的；

如果不想对称，则可以在另一最值设置框中写入任意设定的数值。

数据保存可以把实验所得曲线的相应数据进行保存。

点击“数据保存”按钮，则会出现保存的对话框，此时可在“保存类型”框中选择MAT文件或是DAT文件，其中MAT文件可在MATLAB中打开获得实验曲线，DAT文件可用记事本打开获得实验数据，如图16所示。

图16曲线数据保存（5）用户自行定义参数的设置点击菜单项“文件（F）”“用户参数设置（U）”（如图17所示），弹出相应的对话框如图18所示。

其详细说明及使用见实验八。

图17“用户参数设置”菜单项图18用户自定义参数设置对话框（6）实验选择点击菜单项“实验（E）”如下图19所示。

可以任意选择其一实验开始实验。

图19实验选择当选择不同的实验时会同时弹出对应的参数设置对话框，如对于实验三的参数设置对话框如图20所示。

其它实验类似。

图20随动系统的时域特性分析以上参数进行设置后，可以通过点击按钮“刷新”得到设置后的界面，一些具体操作步骤和方法将在后面的实验中陆续提到。

五、参数设置的演示在倒立摆系统运行模式选择为监视模式时，我们可以通过VC程序界面设置如上所述的各个参数。

（1）首先点击菜单“文件（F）”“设置（S）”，得到如图13所示的对话框，设置其运行模式为“监视”；

（2）点击菜单“控制（C）”“倒立（I）”，选择倒立摆系统；

（3）把鼠标置于“旋转角度随时间变化关系图”上，再点击右键，便出现如图15所示的对话框，可以通过它设置曲线的颜色和坐标的颜色，以及视图的背景色和填充色，并在预览框内预览所选择色彩的效果。

在此对话框中还可根据自己的需要进行坐标的设定，主要包括横、纵轴的最值和单位（或格数）的设置。

其中坐标轴的最值可设成对称的，也可设成不对称的。

（4）把鼠标置于“控制电压随时间变化关系图”上，再点击右键，便出现与3类似的对话框，其设置也大致同3；

（5）点击菜单“文件（F）”“开始（K）”，开始倒立摆的监视实验,当获得比较合适的曲线时，可以再次点击开始快捷键，以停止实验。

此时把鼠标置于曲线视图上，点击右键后出现3或4所述对话框，按下“保存数据为MAT文件”按钮，对实验曲线进行保存。

该保存文件可在MATLAB里打开。

六实验误差：

造成实验数据误差的主要原因主要有以下几点

（1）测量工具的选择或使用不当。

（2）读取数据的取舍不当。

（3）系统误差为使实验数据能尽量的接近实际，从而帮助我们更好的研究与分析系统，在实验时应尽量准确的读取数据，尽可能选择精度较高的测量工具或测量方式。

七系统数据测试1主要目的

（1）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。

（2）掌握系统相关数据的测试方法。

2实验原理及内容实验原理图如下：

被测试系统是指：

由控制部分，电动机，反馈电位器组成的部分。

在该实验中要求：

1测试输入信号（外部、计算机）与输出角度信号之间的关系（曲线）。

2测试反馈电位器的输出电压与角度信号之间的关系（曲线）。

实验电路图系统反馈极性的判别：

随动系统的安装和调节，必须先判别反馈极性是否为负反馈及是否稳定。

只有在系统是负反馈且稳定的情况下才允许接成闭环。

因此，应掌握在开环状态下判别反馈极性的方法。

根据反馈控制原理，反馈极性的判别方法可以有很多种，其中一种为：

断开反馈端，使系统开环，给系统一个较小的正的电压输入，观察反馈端电压的符号。

如果为负，说明为负反馈；

反之则为正反馈，此时如果接成闭环，则系统将发散，即系统为不稳定。

为避免这种情况，只须将此反馈电压通过增益为1的反向运放，将反馈信号反向，系统则变成负反馈。

3实验步骤:

（1）将系统接为单位负反馈系统，适当选取K值（约等于3）。

（2）在-5V+5V范围内间隔0.5V调整R的输出电压（用万用表监测），读出对应的输出角度值（可用计算机读出）。

（3）在-5V+5V范围内间隔0.5V用计算机给定输入电压，读出对应的输出角度值（可用计算机读出）。

（4）断开系统输入，用手转动电机，在-150+150间每隔10选取一测试值用万用表监测反馈电位器的输出电压并作好记录。

（用计算机监测给定角度）4实验仪器：

XZ-IIC型实验仪计算机自动控制原理实验仪万用表5实验要求:

1画出外部输入电压与输出转角的关系曲线。

2画出内部输入电压（计算机给定输入电压）与输出转角的关系曲线。

3画出转角反馈电位器输出电压与输出转角的关系曲线实验二随动系统的时域特性分析一、实验目的了解系统时域分析方法。

分析并掌握前向增益和反馈增益对系统动态性能的影响，并观察对稳态控制精度的影响。

二、实验原理及内容:

图21实验系统方块图该实验主要研究系统前向增益K与系统反馈增益H的变化，对系统时域指标的影响。

由于本系统负载摆杆有一限位挡杆，不能连续转动，不宜做系统开环实验，故只做闭环实验。

1）系统前向增益K与系统性能的关系系统输入为单位阶跃信号（refi=1），固定反馈增益H为1，设置不同前向增益K=0.3,0.5,1,1.5,2,2.5,3（前向增益K默认设置为1），观察并记录其不同的输出响应曲线。

并注意观察对稳态控制精度的影响。

2）系统反馈增益H与系统性能的关系系统输入为单位阶跃信号（refi=1），固定前向增益K为1，设置不同反馈增益H=0.5,1,1.5,2,2.5,3（反馈增益H默认设置为1），观察记录其输出响应曲线。

并注意观察稳态值及对稳态控制精度的影响。

三、实验步骤:

1.首先打开DSP.EXE文件，得到PC操作界面；

2.接着点击菜单项“文件（F）”“设置（S）”,或者第二个快捷键得到设置对话框“ESPSetting”,选择其运行模式为“控制模式”，点击“OK”按扭；

3.然后点击菜单项“实验（E）”“2：

随动系统的稳定性分析”，随之出现的“随动系统的稳定性分析”参数设置对话框（如图22）中有三个参数可供选择：

参考输入REFI、前向增益K和反馈增益H，设置好参数后点击“OK”按扭；

四、实验仪器：

XZ-IIC型实验仪计算机（或自动控制原理实验仪、示波器、万用表）图22随动系统的稳定性分析参数设置4.点击菜单项“文件（F）”“开始（K）”或者第一个快捷键，开始实验；

5.如需进行多次实验重复上述步骤即可。

五、实验要求1记录在参数取不同数值情况下的实验结果以及实验曲线；

2结合实验现象及实验曲线，定性分析前向增益、反馈增益的变化对系统稳定性的影响；

3结合实验观察，比较前向增益和反馈增益变化对稳态控制精度的影响，并作定性说明；

实验三随动系统的频率特性测试及分析一、实验目的1了解系统频域分析方法；

了解系统频域指标与时域指标的关系。

2掌握系统频率特性的测试方法,进一步理解频率特性的物理意义；

3根据闭环幅频特性求出被测系统相应的开环传递函数。

系统原理图如下，图25实验原理简图固定反馈增益H为1，由先验知识可以知道，此随动系统具有低通特性，实验时：

输入信号采用0.5V正弦信号，频率从0.1到10.0（不同的电机可能会有较小的差异），只要计算输出与输入信号的幅值之比即可。

记录输入、输出信号幅值比及相应的频率，然后作出幅频特性图，从而分析其幅频特性。

求得其相应的传递函数（等效为二阶系统）。

三、实验仪器：

XZ-IIC型实验仪计算机（或自动控制原理实验仪、示波器、信号发生器）。

四、实验步骤:

3.然后点击菜单项“实验（E）”“4：

随动系统的频率特性及分析”，随之出现的“随动系统的频率特性及分析”参数设置对话框（如图26）中有两个参数可供选择：

正弦输入信号的幅值A和角频率f，选择好参数后点击“OK”按扭；

图26随动系统的频率特性及分析参数设置4.点击菜单项“文件（F）”“开始（K）”或者第一个快捷键，开始实验；

5.如需进行多次实验重复上述（3）、（4）步骤即可。

五、实验报告要求:

1记录在不同频率下系统的输入，输出数据。

2作出闭环系统的幅频特性图，并分析求得其相应的传递函数（等效为二阶系统）。

3实验时应如何选择实验频率及频率间隔?

实验四随动系统的PID校正一、实验目的1了解线性系统最常用的校正方法。

2了解PID校正网络参数变化对系统的影响。

3掌握校正的概念，了解其PID校正对系统时域指标的作用规律。

图27实验系统结构简图该实验主要观察PID校正网络各参数变化，对系统时域指标的影响，了解其作用规律。

所加PID校正网络为：

T1为微分环节时间常数T2为一阶积分环节时间常数实验中参数选取如下：

系统输入为单位阶跃信号（refi=1）k=1；

T2=0.0167分别取T1=0.01，0.05，0.1，1k=1；

T1=0.1分别取T2=0.001，0.01，0.167，1.67观察校正网络参数变化对系统性能的影响。

记录系统的输出曲线、超调量、调节时间Ts。

XZ-IIC型实验仪计算机（或自动控制原理实验仪、示波器、万用表）四、实验步骤:

2.接着点击菜单项“文件（F）”“