開放型隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

夏靜萍, 王 瑛, 盛守照

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210016)

0 引 言

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)控制原理課程體系重要的組成環(huán)節(jié)。自動(dòng)控制原理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要利用模擬學(xué)習(xí)機(jī)和Matlab軟件對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析[1]。為進(jìn)一步提高學(xué)生的工程意識(shí)和工程實(shí)踐能力，目前很多高校引入了實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備。開展以實(shí)物為對(duì)象的綜合性實(shí)驗(yàn)是對(duì)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)的必要補(bǔ)充，也得到了越來越多的重視[2-5]。自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備，又以隨動(dòng)系統(tǒng)最為普遍。隨動(dòng)系統(tǒng)是典型的電機(jī)伺服系統(tǒng)，可近似為二階數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的輸出量以一定的精度準(zhǔn)確跟隨輸入量的變化，響應(yīng)具有快速性、靈活性和準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，貼合理論教學(xué)[6-8]。同時(shí)，隨動(dòng)系統(tǒng)具備一定的工程背景，在工業(yè)生產(chǎn)和軍用中都有廣泛的應(yīng)用，將其引入自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課堂，依托該系統(tǒng)平臺(tái)開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程應(yīng)用能力有很大助力。

目前，市面上的隨動(dòng)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，普遍存在一些局限性：首先，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可開展的項(xiàng)目較為單一，一般只能進(jìn)行時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)；其次，學(xué)生的參與度不高，主要對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；再次，由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的精度普遍不高，難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中往往需要靠經(jīng)驗(yàn)來調(diào)試參數(shù)。而試湊法不能充分貼合理論教學(xué)，學(xué)生會(huì)覺得無所適從，在很大程度上降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

針對(duì)市面上隨動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，我院選擇依托本專業(yè)科研優(yōu)勢(shì)，自主開發(fā)開放型隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。一方面能夠立足自身的實(shí)際需求，有的放矢地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能開發(fā)，從而保證設(shè)備最大程度地貼合實(shí)驗(yàn)教學(xué)和使用需求[9-11]；另一方面，自主研制保證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新性，能夠有效地配合我院自控原理國家精品課程建設(shè)，形成配套的實(shí)驗(yàn)課程特色；同時(shí)，自主研制在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)支持和后期更新升級(jí)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠保證實(shí)驗(yàn)室的可持續(xù)發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)理念

在設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，充分地從教師教學(xué)和學(xué)生使用的雙向角度出發(fā)，考慮了以下幾方面。

(1) 創(chuàng)新性方面。有別于其他高校將研制的重點(diǎn)放在先進(jìn)算法的設(shè)計(jì)上[12-15]，我們將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新性定義于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的全面性上。由于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向的是剛進(jìn)入控制理論學(xué)習(xí)的本科生，而先進(jìn)的控制算法由于自身難度的限制，并不合適這種基礎(chǔ)型的教學(xué)對(duì)象。因此，我們的設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)盡可能全面地涵蓋自動(dòng)控制原理課程中的經(jīng)典控制的知識(shí)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的PID控制為代表的位置/速度控制基礎(chǔ)上，加入了“對(duì)象建模”、“頻域分析”、“復(fù)合校正”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，覆蓋了時(shí)域分析、頻域分析及校正和設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)，并將這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行一定的融會(huì)貫通，使之充分發(fā)揮綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)備的用途，讓學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)有整體的認(rèn)識(shí)和把握。它也彌補(bǔ)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間存在孤立性的問題。

(2) 開放性方面。兼顧了軟件和硬件兩方面，提高學(xué)生的參與度和自主性。軟件方面，控制算法模塊選擇性地對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生可以自主編制控制算法；硬件方面，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了硬件接口，能夠兼容自動(dòng)控制原理模擬學(xué)習(xí)機(jī)，利用模擬學(xué)習(xí)機(jī)搭建出的模擬電路實(shí)現(xiàn)模擬控制器。學(xué)生也可以自行設(shè)計(jì)硬件，將其加入系統(tǒng)進(jìn)行控制。

(3) 硬件系統(tǒng)選型方面。采用高精度的光電編碼器和高品質(zhì)的直流力矩電機(jī)，提高了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制品質(zhì)，使系統(tǒng)具有較好的線性度，易于建立準(zhǔn)確模型。獲取系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，就可以進(jìn)一步利用仿真軟件設(shè)計(jì)并驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)，大大提高了理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)意義。

(4) 可靠性方面。加入軟件保護(hù)和電氣保護(hù)的設(shè)計(jì)，能夠有效避免學(xué)生誤操作帶來的設(shè)備損壞或人身安全威脅。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)

隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械部分由隨動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)體、電機(jī)及負(fù)載和光電編碼器(簡稱碼盤)等組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。與傳統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不同，電機(jī)及負(fù)載和光電編碼器采用立式軸系同軸相連，負(fù)載則通過固緊螺母安裝于平臺(tái)的上表面。臺(tái)體采用封閉的結(jié)構(gòu)，電機(jī)與光電編碼器均安裝于臺(tái)體內(nèi)部，能夠有效的避免學(xué)生誤操作帶來的人身傷害。在負(fù)載設(shè)計(jì)上，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置了不同質(zhì)量和偏心度的負(fù)載。負(fù)負(fù)載的多樣化一方面可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的多樣化，另一方面也能夠規(guī)避實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的抄襲等不良現(xiàn)象。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械示意圖

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電氣設(shè)計(jì)

隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電氣控制部分由英飛凌單片機(jī)Infineon XC167CI作為核心控制組件、PWM功放作為放大元件及電源模塊、上位機(jī)等組成。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有數(shù)字控制和模擬控制兩種控制模式。選擇數(shù)字控制模式時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送指令信號(hào)，通過RS232串口通訊的形式傳送給控制單片機(jī)，由單片機(jī)通過指令和當(dāng)前信息解算出控制量，發(fā)送控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并由測(cè)量傳感器光電編碼器采集位置信號(hào)通過調(diào)理電路送回單片機(jī)，再由單片機(jī)將控制量和當(dāng)前位置信息傳送回上位機(jī)，通過上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)顯示；選擇模擬控制模式時(shí)，則由模擬學(xué)習(xí)機(jī)作為模擬控制器發(fā)送控制指令。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制箱上為模擬控制預(yù)留了硬件接口，學(xué)生利用模擬學(xué)習(xí)機(jī)搭建出所需的模擬電路，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬控制指令。將搭建好模擬電路的模擬學(xué)習(xí)機(jī)連入控制箱上的硬件接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模擬控制。具體的電氣結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為了便于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制箱上還預(yù)留了若干硬件測(cè)試口。

圖2 電氣結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要由伺服實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)時(shí)控制軟件和上位機(jī)軟件組成的。其中實(shí)時(shí)控制軟件由單片機(jī)Infineon XC167CI完成，采用嵌入式C語言，在集成開發(fā)環(huán)境KEIL C166下編寫。控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括伺服控制流程模塊、A/D中斷處理模塊、與上位機(jī)通訊模塊等，易于后期的修改或移植。其中伺服控制模塊在選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“控制律實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”時(shí)，對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力，編寫不同形式的控制算法，如模糊控制、最優(yōu)控制等。

上位機(jī)軟件采用基于Windows平臺(tái)下的可視化集成開發(fā)軟件Visual C++軟件編寫，界面友好，操作方便，主要完成系統(tǒng)初始化、人機(jī)操作界面設(shè)置、控制參數(shù)輸入等功能，具體界面如圖3所示。

該軟件同時(shí)提供了時(shí)域和頻域兩種性能分析方式，方便學(xué)生對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。選擇時(shí)域性能分析時(shí)，軟件通過內(nèi)部解算，直接給出系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)域性能指標(biāo)。選擇頻率特性測(cè)試功能時(shí)，首先需要設(shè)置10個(gè)頻率點(diǎn)，然后軟件將對(duì)這些頻率進(jìn)行FFT變換，計(jì)算出相應(yīng)的頻率特性，并自動(dòng)生成伯德圖，易于學(xué)生對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析。

圖3 上位機(jī)軟件界面圖

為了便于學(xué)生理解系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，在上位機(jī)軟件界面中配置了控制結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)圖能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選取的不同而進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)選擇位置控制+前饋補(bǔ)償+擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，將呈現(xiàn)最完整的控制結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。系統(tǒng)采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)。學(xué)生主要針對(duì)速度環(huán)和位置環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖中：θrs為位置指令信號(hào)；Tn(s)為干擾信號(hào)；θcs為位置輸出信號(hào)；Gp1(s)、Gp2(s)分別為兩個(gè)位置控制器；Gv1(s)、Gv2(s)為兩個(gè)速度控制器；Gf(s)為前饋控制器；Kv為測(cè)速環(huán)節(jié)；ep為位置誤差信號(hào)；u為控制信號(hào)；β為電流反饋系數(shù)。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)

5 開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目豐富，內(nèi)容涵蓋時(shí)域分析法、頻域分析法及校正裝置設(shè)置等知識(shí)點(diǎn)。主要開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體如下。

(1) 實(shí)驗(yàn)對(duì)象建模。以電機(jī)和負(fù)載為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過研究開環(huán)系統(tǒng)的時(shí)域特性，建立實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；

(2) 隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字調(diào)速實(shí)驗(yàn)。針對(duì)電機(jī)速度閉環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制律參數(shù)；

(3) 隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字PID串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)。針對(duì)位置閉環(huán)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)PID控制器的控制律參數(shù)；

(4) 隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字頻域校正實(shí)驗(yàn)。針對(duì)位置閉環(huán)系統(tǒng)，使用頻域法設(shè)計(jì)串聯(lián)校正律參數(shù)；

(5) 隨動(dòng)系統(tǒng)數(shù)字復(fù)合校正實(shí)驗(yàn)。針對(duì)位置閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)合前饋校正和串聯(lián)校正兩種方式，設(shè)計(jì)控制律參數(shù)；

(6) 隨動(dòng)系統(tǒng)模擬校正實(shí)驗(yàn)。利用自動(dòng)控制原理模擬學(xué)習(xí)機(jī)作為模擬控制器，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正；

(7) 隨動(dòng)系統(tǒng)控制律設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。開放系統(tǒng)的控制算法模塊，由學(xué)生自主編寫控制算法。

6 結(jié) 語

為提高自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，我院自主設(shè)計(jì)并研制了自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)配套的實(shí)物教學(xué)設(shè)備——開放型隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目豐富，涵蓋知識(shí)點(diǎn)全面；能夠兼容自動(dòng)控制模擬學(xué)習(xí)機(jī)作為模擬控制器，并支持學(xué)生自主設(shè)計(jì)控制算法，具有良好的開發(fā)性；具有優(yōu)良的控制品質(zhì)，能夠建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，便于學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證，增大了理論對(duì)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)意義。

目前該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)剛完成研制工作，因此無論在功能、可靠性還是實(shí)驗(yàn)效果等方面都需要在未來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中接受廣大師生的實(shí)踐檢驗(yàn)。我們也將對(duì)其進(jìn)行不斷的完善和更新，力爭(zhēng)把該開放型隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)建為我們國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的又一個(gè)特色。

[1] 王鳳如, 王小揚(yáng), 王 瑛. 信號(hào)、系統(tǒng)與控制實(shí)驗(yàn)教程[M]. 1版. 北京:高等教育出版社，2004:186-205.

[2] 瞿愛琴, 王同建, 呂景忠. 注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革——為學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(2)：132-134.

QU Ai-qin, WANG Tong-jian, LV Jing-zhong. Paying Attention to Experimental Teaching Reform, to Provide Students with Innovation Experimental Platform[J]. Research and Exploration in Laboratory，2009，28(2)：132-134.

[3] 齊曉慧, 董海瑞. 基于“三層次”的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(3)：80-84.

QI Xiao-hui, DONG Hai-rui. Study of Experiment of Automatic Control Principles Based on Three Layers[J]. Journal of EEE，2006，28(3)：80-84.

[4] 王佳偉. 自動(dòng)控制元件及線路實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐和探索[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9(5)：128-130.

WANG Jia-wei. Practice and Exploring on Experiment of Automatic Control of Components and Circuits[J]. Experiment Science and Technology，2011，9(5)：128-130.

[5] 徐穎秦, 潘 豐. 自動(dòng)控制原理立體化教學(xué)新體系的探索與實(shí)踐[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24(2)：152-155.

Xu Ying-qin, PAN Feng. Exploratory and Practice for Stereo New Teaching System of Automatic Control Principle[J]. Proceedings of the CSU-EPSA，2012，24(2)：152-155.

[6] 胡壽松. 自動(dòng)控制原理[M]. 4版. 北京:科學(xué)出版社，2001:11-85.

[7] 陳復(fù)揚(yáng). 自動(dòng)控制原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，2010:71-79.

[8] Richard C DORF, Robert H Bishop. 現(xiàn)代控制系統(tǒng)[M].10版. 趙千川, 馮 梅譯. 北京:清華大學(xué)出版社，2011:19-20.

[9] 周 童, 曲占慶, 陳德春. 走自制設(shè)備之路——提高師生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(2)：168-169.

ZHOU Tong, QU Zhan-qin, CHEN De-chun. Enhancing Teachers’ and Students’ Creative Ability Through the Self-Designing Equipments[J]. Research and Exploration in Laboratory，2010，29(2)：168-169.

[10] 陳發(fā)堂, 熊慧萍, 陳東生. 加強(qiáng)自制儀器的研發(fā)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(2)：41-42.

CHEN Fa-tang, XIONG Hui-ping, CHEN Dong-sheng. Strengthening the Development of Self-made Instrument to Realize the Cultivation of Creative Ability[J]. Research and Exploration in Laboratory，2009，28(2)：41-42.

[11] 廖慶敏, 秦鋼年, 蒙艷玫. 把自制設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的特色來建設(shè)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(7)：121-123.

Liao Qing-min, Qin Gang-nian, Meng Yan-mei. Constructing experiment teaching demonstration center based on characteristics of self-made equipment[J]. Experimental Technology and Management，2010，27(7)：121-123.

[12] 孫大衛(wèi), 丁興俊, 畢經(jīng)存. 一種典型自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(7)：79-81.

SUN Da-wei, DING Xing-jun, BI Jing-chen. Study on a typical teaching and experimental equipment based on automatic control principle[J]. Experimental Technology and Management，2011，28(7)：79-81.

[13] 孫前來. 隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字化改造及其應(yīng)用[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(6)：58-60.

SUN Qian-lai. Digitalization of a Servo System and its Application[J]. Journal of EEE，2008，30(6)：58-60.

[14] 高 巖, 黃志興. 數(shù)字隨動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，22(11)：50-53.

GAO Yan, HUANG Zhi-xing. Development of Digital Servo Control Experimental Control System[J]. Experimental Technology and Management，2005，22(11)：50-53.

[15] 彭秀艷, 王顯峰, 秦亮亮. 設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27(10)：29-30.

PENG Xiu-yan, WANG Xian-feng, QIN Liang-liang. Design and Development of Design Experiment Equipment[J]. Research and Exploration in Laboratory，2008，27(10)：29-30.