開放型隨動系統實驗平臺的設計與開發

夏靜萍, 王 瑛, 盛守照

(南京航空航天大學 自動化學院,江蘇 南京 210016)

0 引 言

自動控制原理實驗是自動控制原理課程體系重要的組成環節。自動控制原理基礎實驗主要利用模擬學習機和Matlab軟件對控制系統數學模型進行仿真分析[1]。為進一步提高學生的工程意識和工程實踐能力，目前很多高校引入了實物實驗設備。開展以實物為對象的綜合性實驗是對基礎型實驗的必要補充，也得到了越來越多的重視[2-5]。自動控制原理實驗中的實物實驗設備，又以隨動系統最為普遍。隨動系統是典型的電機伺服系統，可近似為二階數學模型，系統的輸出量以一定的精度準確跟隨輸入量的變化，響應具有快速性、靈活性和準確性等特點，貼合理論教學[6-8]。同時，隨動系統具備一定的工程背景，在工業生產和軍用中都有廣泛的應用，將其引入自動控制原理實驗課堂，依托該系統平臺開展相關實驗項目，對培養學生的工程意識和工程應用能力有很大助力。

目前，市面上的隨動系統教學實驗設備，普遍存在一些局限性：首先，實驗平臺可開展的項目較為單一，一般只能進行時域分析實驗；其次，學生的參與度不高，主要對PID控制器參數進行調整；再次，由于實驗平臺的精度普遍不高，難以建立準確數學模型，學生在實驗中往往需要靠經驗來調試參數。而試湊法不能充分貼合理論教學，學生會覺得無所適從，在很大程度上降低了實驗教學效果。

針對市面上隨動系統存在的問題，我院選擇依托本專業科研優勢，自主開發開放型隨動系統實驗平臺。一方面能夠立足自身的實際需求，有的放矢地進行實驗設備的功能開發，從而保證設備最大程度地貼合實驗教學和使用需求[9-11]；另一方面，自主研制保證了實驗平臺的創新性，能夠有效地配合我院自控原理國家精品課程建設，形成配套的實驗課程特色；同時，自主研制在實驗設備的技術支持和后期更新升級等方面具有明顯優勢，能夠保證實驗室的可持續發展。

1 設計理念

在設計該實驗平臺時，充分地從教師教學和學生使用的雙向角度出發，考慮了以下幾方面。

(1) 創新性方面。有別于其他高校將研制的重點放在先進算法的設計上[12-15]，我們將實驗平臺的創新性定義于實驗項目設置的全面性上。由于該實驗平臺面向的是剛進入控制理論學習的本科生，而先進的控制算法由于自身難度的限制，并不合適這種基礎型的教學對象。因此，我們的設計重點放在使實驗平臺盡可能全面地涵蓋自動控制原理課程中的經典控制的知識點。在傳統的PID控制為代表的位置/速度控制基礎上，加入了“對象建模”、“頻域分析”、“復合校正”等實驗項目，覆蓋了時域分析、頻域分析及校正和設計等知識點，并將這些知識點進行一定的融會貫通，使之充分發揮綜合性實驗設備的用途，讓學生對控制系統有整體的認識和把握。它也彌補了基礎實驗課程中實驗項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，提高學生的參與度和自主性。軟件方面，控制算法模塊選擇性地對學生開放，學生可以自主編制控制算法；硬件方面，實驗平臺提供了硬件接口，能夠兼容自動控制原理模擬學習機，利用模擬學習機搭建出的模擬電路實現模擬控制器。學生也可以自行設計硬件，將其加入系統進行控制。

(3) 硬件系統選型方面。采用高精度的光電編碼器和高品質的直流力矩電機，提高了實驗平臺的控制品質，使系統具有較好的線性度，易于建立準確模型。獲取系統的數學模型后，就可以進一步利用仿真軟件設計并驗證實驗參數，大大提高了理論對實踐的指導意義。

(4) 可靠性方面。加入軟件保護和電氣保護的設計，能夠有效避免學生誤操作帶來的設備損壞或人身安全威脅。

2 實驗平臺的機械設計

隨動系統實驗平臺的機械部分由隨動系統臺體、電機及負載和光電編碼器(簡稱碼盤)等組成，機械結構示意圖如圖1所示。與傳統隨動系統實驗平臺不同，電機及負載和光電編碼器采用立式軸系同軸相連，負載則通過固緊螺母安裝于平臺的上表面。臺體采用封閉的結構，電機與光電編碼器均安裝于臺體內部，能夠有效的避免學生誤操作帶來的人身傷害。在負載設計上，為實驗平臺配置了不同質量和偏心度的負載。負負載的多樣化一方面可以實現實驗對象的多樣化，另一方面也能夠規避實驗中出現的抄襲等不良現象。

圖1 實驗平臺的機械示意圖

3 實驗平臺的電氣設計

隨動系統實驗平臺的電氣控制部分由英飛凌單片機Infineon XC167CI作為核心控制組件、PWM功放作為放大元件及電源模塊、上位機等組成。該實驗平臺有數字控制和模擬控制兩種控制模式。選擇數字控制模式時，由上位機發送指令信號，通過RS232串口通訊的形式傳送給控制單片機，由單片機通過指令和當前信息解算出控制量，發送控制信號驅動平臺電機轉動，并由測量傳感器光電編碼器采集位置信號通過調理電路送回單片機，再由單片機將控制量和當前位置信息傳送回上位機，通過上位機監控界面實時顯示；選擇模擬控制模式時，則由模擬學習機作為模擬控制器發送控制指令。實驗平臺的控制箱上為模擬控制預留了硬件接口，學生利用模擬學習機搭建出所需的模擬電路，產生相應的模擬控制指令。將搭建好模擬電路的模擬學習機連入控制箱上的硬件接口，實現對實驗平臺的模擬控制。具體的電氣結構示意圖如圖2所示。為了便于對模擬信號進行實時監測，控制箱上還預留了若干硬件測試口。

圖2 電氣結構示意圖

4 實驗平臺的軟件設計

控制系統軟件主要由伺服實驗平臺實時控制軟件和上位機軟件組成的。其中實時控制軟件由單片機Infineon XC167CI完成，采用嵌入式C語言，在集成開發環境KEIL C166下編寫。控制軟件采用模塊化設計，主要包括伺服控制流程模塊、A/D中斷處理模塊、與上位機通訊模塊等，易于后期的修改或移植。其中伺服控制模塊在選擇實驗項目“控制律實驗設計”時，對學生開放，學生可以根據自己的興趣和能力，編寫不同形式的控制算法，如模糊控制、最優控制等。

上位機軟件采用基于Windows平臺下的可視化集成開發軟件Visual C++軟件編寫，界面友好，操作方便，主要完成系統初始化、人機操作界面設置、控制參數輸入等功能，具體界面如圖3所示。

該軟件同時提供了時域和頻域兩種性能分析方式，方便學生對控制參數進行實時調整。選擇時域性能分析時，軟件通過內部解算，直接給出系統當前的時域性能指標。選擇頻率特性測試功能時，首先需要設置10個頻率點，然后軟件將對這些頻率進行FFT變換，計算出相應的頻率特性，并自動生成伯德圖，易于學生對系統進行頻域分析。

圖3 上位機軟件界面圖

為了便于學生理解系統的控制結構，在上位機軟件界面中配置了控制結構圖，該結構圖能夠根據實驗項目選取的不同而進行調整。當選擇位置控制+前饋補償+擾動補償的實驗項目時，將呈現最完整的控制結構框圖，如圖4所示。系統采用電流環、速度環和位置環的三環控制結構。學生主要針對速度環和位置環進行設計。圖中：θrs為位置指令信號；Tn(s)為干擾信號；θcs為位置輸出信號；Gp1(s)、Gp2(s)分別為兩個位置控制器；Gv1(s)、Gv2(s)為兩個速度控制器；Gf(s)為前饋控制器；Kv為測速環節；ep為位置誤差信號；u為控制信號；β為電流反饋系數。

圖4 實驗平臺系統的整體控制結構

5 開設的實驗項目

本實驗平臺開設的實驗項目豐富，內容涵蓋時域分析法、頻域分析法及校正裝置設置等知識點。主要開展的實驗項目具體如下。

(1) 實驗對象建模。以電機和負載為實驗對象，通過研究開環系統的時域特性，建立實驗對象的數學模型；

(2) 隨動系統數字調速實驗。針對電機速度閉環系統，設計控制律參數；

(3) 隨動系統數字PID串聯校正實驗。針對位置閉環系統中設計PID控制器的控制律參數；

(4) 隨動系統數字頻域校正實驗。針對位置閉環系統，使用頻域法設計串聯校正律參數；

(5) 隨動系統數字復合校正實驗。針對位置閉環系統，結合前饋校正和串聯校正兩種方式，設計控制律參數；

(6) 隨動系統模擬校正實驗。利用自動控制原理模擬學習機作為模擬控制器，實現位置閉環控制系統的串聯校正；

(7) 隨動系統控制律設計實驗。開放系統的控制算法模塊，由學生自主編寫控制算法。

6 結 語

為提高自動化及相關專業學生的工程實踐能力，我院自主設計并研制了自動控制原理實驗配套的實物教學設備——開放型隨動系統實驗平臺。該實驗平臺開設實驗項目豐富，涵蓋知識點全面；能夠兼容自動控制模擬學習機作為模擬控制器，并支持學生自主設計控制算法，具有良好的開發性；具有優良的控制品質，能夠建立精準數學模型，便于學生對設計的參數進行仿真分析和驗證，增大了理論對實驗的指導意義。

目前該實驗平臺剛完成研制工作，因此無論在功能、可靠性還是實驗效果等方面都需要在未來的實驗教學過程中接受廣大師生的實踐檢驗。我們也將對其進行不斷的完善和更新，力爭把該開放型隨動系統實驗平臺創建為我們國家級實驗教學示范中心的又一個特色。

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