工業控制系統仿真器實驗的設計

楊亞非， 王佳偉， 錢玉恒

(1. 哈爾濱工業大學 控制與仿真中心， 黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱工業大學 飛行器控制實驗教學中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

工業控制系統仿真器實驗的設計

楊亞非1,2， 王佳偉2， 錢玉恒2

(1. 哈爾濱工業大學 控制與仿真中心， 黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱工業大學 飛行器控制實驗教學中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

為豐富本科生創新課和研究生控制系統實踐課程的教學內容，提高學生的實踐能力，設計了工業控制系統仿真器實驗，包括7種實驗方案，給出了明確的實驗目的、要求和模擬實際物理系統的運動方程。該仿真器通過不同的配置，可以模擬許多現代工業生產中使用的設備，幫助學生掌握傳動比、慣性、擾動、摩擦、齒隙對伺服系統的影響，掌握實驗裝置的操作方法，加深對所學的PID法、LQR法等典型控制系統設計方法的理解。

工業控制器； 實驗設計； 控制算法

為提高本科生和研究生的實踐能力，哈爾濱工業大學在本科生課程設置上增設了實驗創新課，在研究生課程的設置上增設了一門控制系統實踐課程。這些課程要求學生自主選擇實驗內容，自主完成實驗，教師只在必要時給予指導。實驗設備的選取和實驗內容設置是這些課程取得良好教學效果的關鍵。我校飛行器控制實驗教學中心(國家級實驗教學示范中心)利用“985工程”、“211工程”建設經費購進了美國ECP公司的工業控制系統仿真器實驗裝置。世界上許多著名大學，例如美國的斯坦福大學、俄羅斯的莫斯科鮑曼國立技術大學、瑞典的皇家工學院、德國的斯圖加特大學等都選用ECP公司生產的裝置作為本科生和研究生的實驗設備，用于控制算法的設計、演示與驗證。工業控制系統仿真器是一個實際控制訓練的實驗臺，通過對它進行不同的配置，可以模擬許多現代工業中使用的設備,例如主軸傳動機構[1-2]、單軸轉臺[3-5]、輸送帶[6-7]、機床[8-11]、自動裝配機器[12-13]等，模擬這些設備的控制性能以及加入摩擦、改變齒隙[14-15]和加入擾動后的系統響應情況。通過本文設計的實驗，學生可以了解和掌握工業系統仿真器的控制原理及控制算法，為進一步研究實際工業系統的控制打下基礎。

1 系統概述

1.1 系統的結構

工業控制系統仿真器實驗系統由3部分組成：(1)由控制力矩陀螺機構及傳感器、執行器組成的機械裝置；(2)基于M56000處理器系列的DSP，它能夠以高采樣率執行控制律，解釋軌跡命令，并支持數據采集、軌跡生成、系統狀態及安全檢測等功能；(3)執行程序子系統，它是系統的用戶界面，支持控制器指定、軌跡定義、數據采集、繪圖系統執行指令等。

系統通過易于生成簡單或非常復雜算法的直觀的類C語言來指定控制器。內置的自動編譯器通過DSP進行程序代碼的有效傳送和執行。該接口支持多種功能，能提供一個友好、強大的實驗環境。

1.2 系統的功能

執行系統程序時，在計算機屏幕上顯示執行窗口(見圖1)，該窗口中包含主選單、實時數據顯示、系統狀態和緊急中斷控制按鈕。

圖1 執行程序操作窗口

用戶可指定執行程序中的控制算法，將其加載到基于DSP的實時控制板卡，該DSP在每個指定的采樣周期執行此算法，讀取參考輸入和反饋傳感器(光電編碼器)的值并計算，將數字控制信號輸出到數模轉換器(DAC)，數模轉換器將數字流轉換為一個模擬電壓，然后通過一個伺服放大器轉換為電流，通過電機輸出轉矩。電機根據設備動力學特性將電機的輸入轉變為所期望的輸出。這些設備的輸出都由編碼器感知，輸出的是脈沖流。脈沖由DSP板上的計數器解碼，得到一個表示位置的數字信號供實時控制算法使用。

當用戶指定軌跡，然后命令系統執行機動，軌跡參數將被加載到控制器板卡上，由DSP生成參考輸入值供實時控制算法使用。整個機動過程中，由用戶指定的任何數據都被采集和存儲在控制器板卡的內存中，一旦完成機動，數據就被下載到PC機內存，用于繪圖和存儲。

2 系統配置

2.1 系統運動學方程與動力學方程

(1)

或

(2)

它們的幅頻域形式為：

(3)

(4)

當摩擦可以忽略時，上式可以進一步簡化為

(5)

(6)

(7)

(8)

通過圖2中的自由體受力圖和作用在Jl上的總的扭矩，并應用牛頓第二定律，可以得到：

圖2 基于動態模型的裝置描述和自由體受力圖

(9)

或

(10)

如果定義一個扭轉彈性剛度

(11)

式(10)就會成為

(12)

在動態過程期間意味著帶子的任何一個部分都不會松弛。

對于空載輪(見圖2(c))，有

(13)

或

(14)

對于驅動慣性：

(15)

式(15)和式(14)合并為

(16)

應用式(10)和式(11)，有

(17)

最后，通過定義

(18)

經過簡單的代換產生了兩個需要的運動方程：

(19)

(20)

用矩陣可以表示如下：

(21)

其中

(22)

2.2 系統配置方案

對于以下實際物理系統，本實驗裝置都可以模擬。

(1) 一般剛體(見圖3(a))。時域表達式為

(23)

式中，ng為齒速比。

(2) 帶齒隙的驅動/加載(見圖3(b))。時域表達式為

(24)

式中，當0<*

(3) 帶撓性的驅動/加載(見圖3(c))。時域表達式為

(25)

(4) 帶齒隙和撓性的驅動/加載(見圖3(d))。時域表達式為

(26)

圖3 系統配置方案

3 實驗設計

為使學生對工業控制系統仿真器有綜合了解，設計了7種實驗：

(1) 剛體的PID控制實驗；

(2) 傳動比和慣性對伺服系統影響實驗；

(3) 摩擦對伺服系統影響實驗；

(4) 干擾對伺服系統影響實驗；

(5) 撓性驅動設備的控制實驗；

(6)LQR控制實驗；

(7) 齒隙控制實驗。

實驗目的及要求如表1所示。

表1 實驗項目設置

各個實驗項目的實驗步驟大致如下：

(1) 按圖示配置方案設置好各框架；

(2) 編制控制算法；

(3) 設置相應的參考輸入；

(4) 執行控制算法；

(5) 繪制數據圖形；

(6) 存儲所得數據；

(7) 對所得結果進行分析和比較，改進算法。

當然，本實驗裝置的控制方法不限于以上所列的幾種，還可以使用自適應控制、模糊控制等方法，這可以作為本科生創新課題或研究生學位論文的一部分讓學生進一步研究。

4 結束語

工業控制系統仿真器實驗豐富了本科生創新課和研究生控制系統實踐課程的內容，使學生由易到難、分階段地掌握工業控制系統仿真器的機理和控制算法，同時使他們在實驗過程中充分掌握實驗裝置的操作方法。這是對本科生創新課和研究生控制系統實踐課程教學內容的創新，豐富了課程的實驗內容，激發了學生的學習興趣，加深了學生對典型控制系統設計方法的理解，為學生進一步學習控制方法打下基礎。

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Design of experiments for industrial control system emulator

Yang Yafei1,2, Wang Jiawei2, Qian Yuheng2

(1. Control and Simulation Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China;2. Experiment and Training Center for Flight Vehicle Control, Harbin Instituteof Technology, Harbin 150001, China)

In order to intensify contents of innovation courses for undergraduates and practice courses for graduate students, and improve the practical ability of the students, the experiments about the industrial control system emulator are designed. Seven experimental schemes are designed, and the experimental aims and motion equations of simulated physical system are given. Through different configurations, the industrial control system emulator can emulate many types of industrial equipment in practice. Those experiments can help undergraduates to grasp the influence of the gear ratio, inertia, disturbance, friction, and backlash on the control system as well as operation methods of the industrial control system emulator in the experimental process for the purpose of understanding typical control methods such as PID, LQR, and so on.

industrial controller; design of experiment; control algorithm

2014- 09- 25

黑龍江省高等學校教改工程項目(JG2013010268)

楊亞非(1968—)，男，黑龍江哈爾濱，博士，副教授，研究方向為慣性技術.

E-mail：yafei@hit.edu.cn

TP271

A

1002-4956(2015)5- 0120- 04