基于快速控制原型的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

孟德遠(yuǎn) 李順利 陳冬梅

摘? 要 為加強(qiáng)控制工程基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，詳細(xì)介紹平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。采用快速控制原型技術(shù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)機(jī)理分析建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)辨識(shí)與頻率特性、系統(tǒng)校正三個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不用編寫復(fù)雜的底層程序，專注于理論實(shí)踐，有助于提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 控制工程基礎(chǔ);快速控制原型;氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái);MATLAB;Simulink

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489x（2021）04-0026-04

Design of Experimental Teaching Setup for Pneumatic Servo System based on Rapid Control Prototyping//MENG Deyuan， LI Shunli， CHEN Dongmei

Abstract In order to improve the quality of the experimental tea-ching for the course Introduction to Control Engineering， an experi-mental setup of pneumatic servo system is designed and introduced. By using the developed setup， system modeling and validation expe-riment， system identification and frequency response experiment， and control algorithm experiment are developed. Since the rapid con-trol prototyping technology is employed， students can focus on theorypractice， other than the complex coding job.

Key words introduction to control engineering; rapid control proto-typing; experimental teaching setup of pneumatic servo system; MAT-LAB; Simulink

0 前言

控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械工程專業(yè)的主干課程，主要講授控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、時(shí)域瞬態(tài)響應(yīng)分析、頻率特性、穩(wěn)定性分析、誤差分析和計(jì)算、綜合與校正等內(nèi)容，對(duì)學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)與機(jī)電控制相關(guān)課程及從事機(jī)電一體化工作非常重要[1]。該課程具有內(nèi)容豐富、概念抽象、過程理解及學(xué)以致用難度大等特點(diǎn)，為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效率，各高校普遍重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。但目前課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和平臺(tái)數(shù)量存在顯著不足，在教學(xué)過程中大多讓學(xué)生使用運(yùn)放電路模擬典型環(huán)節(jié)并進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)、頻率特性和系統(tǒng)校正實(shí)驗(yàn)，與機(jī)械專業(yè)脫節(jié)嚴(yán)重[2-3]。為避免課程教學(xué)和專業(yè)背景的割裂，迫切需要構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生建立機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)控制器的能力。

與電氣和液壓系統(tǒng)相比，氣動(dòng)伺服系統(tǒng)復(fù)雜程度適中且安全可靠，非常適合用作機(jī)械專業(yè)學(xué)生的控制課程實(shí)踐教學(xué)。此外，氣動(dòng)伺服系統(tǒng)因具有功率—質(zhì)量比大、清潔、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療器械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4-5]。因此，本文開發(fā)基于氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為讓學(xué)生免去編寫復(fù)雜的底層程序，從而專注于系統(tǒng)建模、特性分析、控制器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，該平臺(tái)采用快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）技術(shù)。

1 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

圖1是本文搭建的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，圖2是系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，兩個(gè)無桿氣缸（DGC-25-500-G-PPV-A）垂直布置，X軸驅(qū)動(dòng)氣缸在上，一端與Y軸驅(qū)動(dòng)氣缸的滑塊固定，另一端與滑動(dòng)導(dǎo)軌相連。末端執(zhí)行器固定于X軸驅(qū)動(dòng)氣缸的滑塊，該平臺(tái)可以控制其在X—Y兩個(gè)方向500 mm×

500 mm范圍運(yùn)動(dòng)。兩軸的驅(qū)動(dòng)氣缸各由一個(gè)Festo公司的比例方向控制閥（MPYE-5-1/8-HF-010B）控制，氣缸兩腔壓力及控制閥供氣口的壓力由Festo公司的壓力傳感器（SPTW-P10R-G14-VD-M1）檢測(cè)，采用MTS公司的磁致伸縮位移傳感器（RPS0500MD601V 810050）測(cè)量氣缸活塞的位移和速度。位移測(cè)量重復(fù)精度小于±0.001%FS（最小±2.5 μm），速

度測(cè)量精度為0.1 mm/s，壓力測(cè)量精度為±1%FS。氣源壓力由三聯(lián)件調(diào)節(jié)，并利用一個(gè)14 L的氣容保證比例方向控制閥在工作時(shí)供氣口壓力不出現(xiàn)大的波動(dòng)。

各傳感器信號(hào)的讀取和控制算法的實(shí)現(xiàn)利用dSPACE（DS1103）系統(tǒng)完成。dSPACE的代碼生成工具TargetLink可以直接MATLAB/Simulink/Stateflow生成代碼。Control-Desk試驗(yàn)工具軟件包可以與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互操作，如調(diào)整參數(shù)、顯示系統(tǒng)的狀態(tài)、跟蹤過程響應(yīng)曲線等，提高實(shí)驗(yàn)效率。

2 實(shí)驗(yàn)流程

本平臺(tái)采用的快速控制原型系統(tǒng)采購(gòu)自德國(guó)的dSPACE公司，主要包括實(shí)時(shí)控制器（DS1103）一套、數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)管理軟件（ControlDesk）一套、控制器硬件I/O接口庫軟件（Real-Time Interface rti1103）一套。I/O接口庫實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制器硬件與MATLAB/Simulink的無縫連接，利用Simulink的圖形化編程環(huán)境，學(xué)生可以很容易編程操控實(shí)時(shí)控制器，從而獲取各傳感器的測(cè)量值，同時(shí)控制比例方向控制閥。ControlDesk用于對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行綜合管理，可以與實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行交互操作，功能包括對(duì)實(shí)時(shí)硬件的可視化管理、建立和管理虛擬儀表、變量的可視化管理、控制參數(shù)在線調(diào)整、實(shí)驗(yàn)過程的可視化管理等。利用上述工具可以完成系統(tǒng)建模、分析、控制器性能驗(yàn)證等全部實(shí)驗(yàn)，過程如圖3所示，具體步驟如下。

1）根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头桨福瑢⑿枰褂玫膫鞲衅鹘又罝S1103的模擬量輸入口（AI），將比例方向控制閥的控制電纜與DS1103的模擬量輸出口（AO）相連。

2）利用Simulink編寫程序：從I/O接口庫導(dǎo)入步驟1所用AI口對(duì)應(yīng)的A/D模塊，獲取傳感器數(shù)據(jù);控制算法使用Simulink模塊庫，通過圖形編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)傳感器測(cè)量的系統(tǒng)狀態(tài)決定控制量大小;從I/O接口庫導(dǎo)入步驟1所用AO口對(duì)應(yīng)的D/A模塊，將控制量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)施加給比例方向控制閥。

3）基于MATLAB/Simulink的Real Time Workshop技術(shù)和dSPACE的代碼生成工具TargetLink，對(duì)步驟2編寫的Simulink框圖程序進(jìn)行RTW Build，生成可執(zhí)行代碼并下載至實(shí)時(shí)控制器。

4）利用ControlDesk對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行管理，完成控制參數(shù)調(diào)整和狀態(tài)參數(shù)的獲取。

5）利用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，優(yōu)化控制算法，返回步驟2。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

考慮控制工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)課時(shí)，利用搭建的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)機(jī)理分析建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)辨識(shí)與頻率特性、系統(tǒng)校正等三個(gè)實(shí)驗(yàn)。

系統(tǒng)機(jī)理分析建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證? 此實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生使用機(jī)理分析方法建立系統(tǒng)的線性數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先要求學(xué)生參閱文獻(xiàn)[5]完成氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的機(jī)理建模，然后利用理論課講授的非線性模型的線性化方法，計(jì)算求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型：

式中n0、n1、d1、d2、d3、d4為與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的變量，具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[6]。

編寫圖4所示程序，利用仿真和實(shí)驗(yàn)分別獲得系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)瞬態(tài)響應(yīng)，通過結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型的正確性，如圖5所示，并分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的影響以及模型誤差的產(chǎn)生原因。

系統(tǒng)辨識(shí)與頻率特性? 系統(tǒng)辨識(shí)是用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息來直接建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，氣動(dòng)伺服系統(tǒng)是開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，故需要采用閉環(huán)辨識(shí)方法，圖6為程序示例。通過閉環(huán)控制使氣缸定位到期望工作點(diǎn)附近（簡(jiǎn)單的P控制即可），然后加入噪聲信號(hào)（M序列，循環(huán)周期255、由8位移位寄存器產(chǎn)生，幅值為1.5 V），使氣缸在工作點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)，采集比例方向閥的控制輸入和氣缸的位移，利用MATLAB的System Identification工具箱進(jìn)行辨識(shí)，得到系統(tǒng)在該工作點(diǎn)附近的傳遞函數(shù)模型。

系統(tǒng)辨識(shí)建模還可以通過頻率特性實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，程序示例如圖7所示。與上面類似，首先通過閉環(huán)控制使氣缸定位到期望工作點(diǎn)附近（簡(jiǎn)單的P控制即可），然后利用MAT-

LAB的“idinput”命令產(chǎn)生一個(gè)正弦和信號(hào)（由1 000個(gè)正弦頻率分別在0.01～100 Hz區(qū)間的正弦信號(hào)疊加）給系統(tǒng)。采集比例方向閥的控制輸入和氣缸的位移，用“fft”命令計(jì)算系統(tǒng)輸入和輸出的波譜（Spectrum），然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入System Identification工具箱求解系統(tǒng)的頻率特性曲線。

系統(tǒng)校正? 首先讓學(xué)生嘗試?yán)碚摻虒W(xué)所講授的校正方法。氣動(dòng)伺服系統(tǒng)為I型系統(tǒng)，理想情況下可實(shí)現(xiàn)零定位誤差，實(shí)際因?yàn)槭苣Σ亮τ绊?，存在穩(wěn)態(tài)誤差。為減小穩(wěn)態(tài)誤差，必須增大增益，但由于阻尼比較小，容易引起超調(diào)、震蕩，增益過大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)失穩(wěn)。為了在系統(tǒng)穩(wěn)定前提下進(jìn)一步提高增益，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正（PI控制），即添加一個(gè)（1/4～1/5）ωn零點(diǎn)和一個(gè)（1/40～1/50）ωn極點(diǎn)，程序示例如圖8所示。校正后系統(tǒng)阻尼特性仍然很差，獲得高穩(wěn)態(tài)精度的代價(jià)是超調(diào)大，即瞬態(tài)性能差，如圖9所示。

4 結(jié)語

氣動(dòng)系統(tǒng)具有很多不利于精確控制的弱點(diǎn)，如強(qiáng)非線性、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性等，所以采用經(jīng)典控制理論講解的校正方法，系統(tǒng)性能肯定不理想。借助本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合工程實(shí)際問題的分析通過實(shí)驗(yàn)開展實(shí)踐性啟發(fā)教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上嘗試運(yùn)用先進(jìn)的控制算法來提高控制性能，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]董景新，趙長(zhǎng)德，郭美鳳，等.控制工程基礎(chǔ)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[2]張兵，錢鵬飛，張立強(qiáng)，等.基于快速原型的“控制工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2020（36）：75-77.

[3]邵強(qiáng)，葛平淑，張江燕，等.《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革與探索[J].高教學(xué)刊，2017（3）：116-117.

[4]陶國(guó)良，劉昊.氣動(dòng)電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[5]孟德遠(yuǎn).氣動(dòng)伺服位置控制[M].北京：科學(xué)出版社，2020.

[6]陶國(guó)良.電—?dú)獗壤?伺服連續(xù)軌跡控制及其在多自由度機(jī)械手中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2000.

3588501908251