以智能控制實驗室為基礎的球桿控制系統設計

田芳，許弟建，董超群，陳運紅

1重慶科技學院電氣與信息工程學院；2重慶科技學院機械與動力工程學院；3重慶電務段

以智能控制實驗室為基礎的球桿控制系統設計

田芳1，許弟建1，董超群2，陳運紅3

1重慶科技學院電氣與信息工程學院；2重慶科技學院機械與動力工程學院；3重慶電務段

智能控制實驗室是針對自動化專業和電氣工程與自動化專業學生而建立的實驗室。主要是為自動控制原理課程做實驗驗證及研究。球桿系統的開發是為自動化專業及相關專業的學生學習自動控制、運動控制課程。對于控制理論相關課程，是一個非常便于實驗課堂和實驗研究的平臺。而針對不穩定線性系統，球桿系統的控制系統的建立具有典型性。

球桿系統；控制系統智能

引言

球桿系統是一個非常不穩定的非線性系統，是為基礎控制課程教學，比如自動控制原理等實驗而設計的一種實驗設備，相對于線性系統而言，分析與設計方法困難許多。實際的球桿系統比理論描述上的要復雜的多，所以系統仿真的出現顯得尤為重要[1]。它以計算機為工具，以系統數學模型為基礎，對實際系統進行實驗和研究。方法是：第一步利用軟件建立數學模型，第二部是設計算法，進行計算機仿真，這樣做的目的是用來檢測所設計的算法是否可行，病比較算法的優劣性；最后是實時控制，實時控制的方法是將算法寫到所對應的控制器當中來實現。

1 球桿系統的特點

球桿系統是一個典型的具有真正意義的非線性系統。球桿系統執行機構具備很多非線性特性，包括：死區、直流馬達、非線性的帶輪傳動、位置測量的不連續性、由于不是絕對光滑的導軌表面，會產生響應的非線性阻力。當前，如何設計一個控制性能具有魯棒性是需要解決的一個非常重要的問題。

2 球桿系統的主要組成部分

球桿系統的構造分為幾部分構成，具體如圖1所示：

圖1 球桿系統的組成

球桿系統組成：

（1）機械部分包含直流伺服馬達、直流電源；

（2）型號為IPM100的智能伺服驅動；

（3）控制用計算機。

3 球桿系統機械模型的建立

球桿系統機械模型原理圖：

圖2 球桿系統機械模型

齒輪中心與同步帶輪和連桿之間的連線與水平線的夾角為θ，由于θ角受局限，其位于固定的最大值與最小值間，連桿和齒輪中心與齒輪的連接點距離是d，橫桿長度是L，得到橫桿的傾斜角α和θ之間有一個數學表達式：

α=dLθ

電機軸和角度θ之間有一個減速比，最終使得小球在某一個固定的位置平衡，這是控制器設計的任務，通過調整齒輪的角度θ達到這一效果。

4 電氣模型

電機附帶的有一個編碼器，這個編碼器可以檢測到電機軸的位置，整個過程是：通過編碼器，輸出一定的脈沖信號，脈沖信號并反饋給智能伺服驅動。接下來控制器會對編碼器的信號進行分頻處理，這樣做的目的能夠提高電機位置的精度。每當電機轉了一圈，index信號就會產生一個負的脈沖，這樣可以用于同步控制，或者是精確控制。

（1）電機模型

電流和電機的轉矩是正比的關系：

T=K2iα

K2是轉矩常數；

Iα是電樞電流。

其工作原理為：電機開始轉動，電樞產生一個反向的電動勢，這個電動勢的大小與磁場強度、轉動速度間成正比例關系，磁場到達一定強度，反電動勢eb和dθdt成正比：

eb=k3dθdt

其中：eb為反電動勢；

k3為感常數；

θ為電機的角度。

5 控制系統

系統的控制功能主要通過下面的步驟來實現：

（1）把控制程序通過RS232的方式下載到IPM100的內部寄存器中；

（2）系統每隔一段時間就會接受到電機編碼器傳送過來的信號和小球的位置信號；

（3）程序編碼是通過板載DSP，通過反饋過來的小球的位置信息與控制算法計算控制量；

（4）放大計算所得到的控制量并通過IPM100的電源驅動模塊作用給電機；

這樣，通過控制電機的位置，讓小球保持在設定的位置上。

[1]吳偏偏，王富東，王敬馳.球桿控制系統設計[J].自動化技術與應用，2015.09：114～116

[2]胖永新，金迪，孟憲東.球桿系統的建模、仿真與控制器設計[J].武漢大學學報，2005.12：142～146

[3]劉陽，萬隆軍，徐軼群.淺談球桿系統的建模與仿真[J].中國科技信息，2014.08：159～162

[4]李凌，袁德成.球桿系統的控制器設計方法研究[J].儀器儀表學報，2012.08：295～298

項目名稱：應用技術型高校獨立實驗類課程考核研究與實踐，項目編號：201502。