基于“計算機控制技術”的機器人行走控制實驗設計

閆明明，楊 平，熊靜琪

(電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731)

“計算機控制技術”是一門理論性、設計性、實踐性很強的專業方向課，涉及到計算機控制技術的基礎理論，同時又與實際工程控制聯系緊密。學生在學習的過程中普遍反映理論知識枯燥，尤其在數字控制器的設計方法和應用中，以及如何實現基于各種控制律的計算機控制方面，理解起來比較困難。因此在教學過程中應將數字控制器設計方法和實際計算機控制系統相結合，通過理論知識與實踐活動的有機結合，培養學生解決實際計算機控制問題的能力[1-3]。鑒于此，基于“Voyager IIA”機器人擁有完全體現模塊化的設計理念，可以為高校教師提供可擴展、易裁剪、量身定做的智能移動機器人教學科研平臺的基礎，我們開發了微機控制機器人[4-6]行走系列實驗。本系列實驗以PC機為控制計算機，采用數字PID控制、最少拍控制、有限拍無紋波控制等方法對“Voyager IIA”機器人的行走速度進行控制，設計“Voyager IIA”智能機器人行走控制實驗，實現基于閉環控制的機器人的勻速行走。采用VC++語言編制計算機內的控制律。

1 實驗前先學課程以及必備知識

本實驗前的先學課程有工程控制基礎、微機原理及應用、數字電路、模擬電路、信號與系統、計算機控制技術、C語言編程等。實驗涵蓋計算機控制系統[7-9]硬件平臺搭建，分析引入計算機后產生的問題，如連續系統離散化、采樣、零階保持器的影響等；在計算機實現方面，學習如何建立實際物理系統數學模型，設計控制方案，設計PID控制、最少拍控制、有限拍無紋波控制等數字控制律，以及數字控制律的軟件實現、閉環控制調試等。

2 實驗內容

本系列實驗中，“Voyager IIA”機器人使用的電機是90 W空心杯伺服電機，是直流電機。“Voyager IIA”機器人實物如圖1所示。要求學生學會從實際對象中抽象出數學模型，建立被控對象，即機器人控制電機的傳遞函數，并分析搭建整個實驗控制的系統框架。

圖1 “Voyager IIA”機器人實物

本實驗對“Voyager IIA”機器人的速度進行控制，根據減速比和轉子直徑可以計算出機器人移動的實際速度。因為控制滯后小，所以將控制對象(也就是電機)的數學模型等效為一個比例環節，而在機器人實際的行進過程中，因為輪子打滑等因素的影響，機器人的行走速度達不到期望的值，所以需要對控制算法中一些參數進行反復調節。實際速度的檢測是通過超聲傳感器檢測距離，再對距離進行求導得到，并與期望的行走速度值進行比較，通過不同的控制方法(PID控制、最少拍控制和有限拍無紋波控制)對速度值進行校正。

實驗將設計性、研究性和綜合性融為一體[10]。學生自主設計控制方案，采用不同的數字控制規律，自行編譯控制算法并進行閉環控制調試，通過對機器人行走速度精度的分析，提出改進控制算法的措施。可以使學生有效地理解計算機控制技術在控制系統設計應用中的原理和方法，了解不同控制規律的控制算法軟件編譯設計與硬件實現之間的關系，學會解決實際控制系統應用中的各種控制問題[11-12]。

3 實驗模塊

本實驗分為4個主要模塊。

3.1 搭建系統控制模型模塊

要求學生具有分析和搭建該計算機控制系統控制模型的能力，該實驗數字控制系統的主要控制環節見圖2。系統給定速度輸入V0(t)和系統速度輸出V(t)之差為誤差信號E(t)，將誤差輸入給控制算法即控制器，由控制器輸出控制量U(t)實現對被控對象的調節。

圖2 系統控制模型框圖

3.2 連續系統離散化模塊

本實驗采用基于離散控制理論的直接數字控制方法，被控對象要用離散模型來描述，或用離散化模型來表示連續被控對象。要求學生理解和掌握將連續的模擬被控對象轉化為離散模型的原理和方法，采用不同的離散方法，如雙線性變換法、脈沖響應不變法(Z變換法)、階躍響應不變法(具有采樣-保持器的脈沖響應不變法)和零、極點匹配Z變換法等，并對比控制結果，分析各種方法的優劣。

3.3 控制律設計模塊

要求學生理解和掌握PID控制、最少拍控制、有限拍無紋波控制的區別、原理以及控制器編譯算法。在已知被控對象數學模型的前提下，根據離散系統理論，采用直接設計法對計算機控制系統進行分析，綜合設計出數字控制器的傳遞函數。利用VC++軟件的靈活性，可以實現從簡單到復雜的各種控制律。

3.4 閉環系統調試

要求學生通過上機調試，對誤差精度進行分析，調整并確定不同控制律下數字控制器編譯算法中的相關參數，以達到期望的控制結果。

4 實驗的組織和實施模塊

“Voyager IIA”機器人行走控制系列實驗設計了4個實驗項目，共計20學時。要求學生自學VC++編程，掌握基本的編程操作。本實驗適用于電氣工程自動化專業、機械設計制造及其自動化專業(大三、大四學生)。實驗課時安排如下：

(1) 整定模擬機電系統參數，搭建整個閉環控制系統的數學模型(4個學時)；

(2) 連續系統離散化，對整個采樣控制系統中的模擬環節如控制電機等進行離散化(2個學時)；

(3) 設計數字控制系統的控制律，可以按數字PID控制、最少拍控制、有限拍無紋波等多種控制算法編制程序(10學時)；

(4) 閉環調試，按給定的計算機閉環控制指標進行速度回路設計并進行實際控制測試(4個學時)。

5 結束語

基于計算機控制技術的“Voyager IIA”機器人行走控制系列實驗，彌補了計算機控制技術課程以驗證性實驗為主的歷史，學生只有將課堂知識靈活應用于實際控制系統才能完成實驗。學生成為實驗的主體，充分調動了學生的積極性和創造性，激發了學生的學習熱情，培養了學生發現問題、分析問題和解決問題的綜合能力。

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