基于快速控制原型的氣動伺服系統實驗教學平臺設計

孟德遠 李順利 陳冬梅

摘? 要 為加強控制工程基礎課程的實驗教學，設計氣動伺服系統實驗教學平臺，詳細介紹平臺的結構。采用快速控制原型技術，設計系統機理分析建模與實驗驗證、系統辨識與頻率特性、系統校正三個實驗，學生不用編寫復雜的底層程序，專注于理論實踐，有助于提高實踐教學質量。

關鍵詞 控制工程基礎;快速控制原型;氣動伺服系統實驗教學平臺;MATLAB;Simulink

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

控制工程基礎是機械工程專業的主干課程，主要講授控制系統的動態數學模型、時域瞬態響應分析、頻率特性、穩定性分析、誤差分析和計算、綜合與校正等內容，對學生繼續學習與機電控制相關課程及從事機電一體化工作非常重要[1]。該課程具有內容豐富、概念抽象、過程理解及學以致用難度大等特點，為激發學生學習興趣、提高教學效率，各高校普遍重視實驗教學質量。但目前課程實踐教學內容和平臺數量存在顯著不足，在教學過程中大多讓學生使用運放電路模擬典型環節并進行瞬態響應、頻率特性和系統校正實驗，與機械專業脫節嚴重[2-3]。為避免課程教學和專業背景的割裂，迫切需要構建新的實驗平臺，培養學生建立機電系統數學模型、分析系統動態性能和設計機電系統控制器的能力。

與電氣和液壓系統相比，氣動伺服系統復雜程度適中且安全可靠，非常適合用作機械專業學生的控制課程實踐教學。此外，氣動伺服系統因具有功率—質量比大、清潔、結構簡單、易維護等優點，在機器人、工業自動化和醫療器械等領域應用廣泛[4-5]。因此，本文開發基于氣動伺服系統的控制實驗教學平臺，為讓學生免去編寫復雜的底層程序，從而專注于系統建模、特性分析、控制器設計與驗證，該平臺采用快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）技術。

1 氣動伺服系統實驗教學平臺架構

圖1是本文搭建的氣動伺服系統實驗教學平臺，圖2是系統架構示意圖，兩個無桿氣缸（DGC-25-500-G-PPV-A）垂直布置，X軸驅動氣缸在上，一端與Y軸驅動氣缸的滑塊固定，另一端與滑動導軌相連。末端執行器固定于X軸驅動氣缸的滑塊，該平臺可以控制其在X—Y兩個方向500 mm×

500 mm范圍運動。兩軸的驅動氣缸各由一個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，采用MTS公司的磁致伸縮位移傳感器（RPS0500MD601V 810050）測量氣缸活塞的位移和速度。位移測量重復精度小于±0.001%FS（最小±2.5 μm），速

度測量精度為0.1 mm/s，壓力測量精度為±1%FS。氣源壓力由三聯件調節，并利用一個14 L的氣容保證比例方向控制閥在工作時供氣口壓力不出現大的波動。

各傳感器信號的讀取和控制算法的實現利用dSPACE（DS1103）系統完成。dSPACE的代碼生成工具TargetLink可以直接MATLAB/Simulink/Stateflow生成代碼。Control-Desk試驗工具軟件包可以與實時控制系統進行交互操作，如調整參數、顯示系統的狀態、跟蹤過程響應曲線等，提高實驗效率。

2 實驗流程

本平臺采用的快速控制原型系統采購自德國的dSPACE公司，主要包括實時控制器（DS1103）一套、數據采集與實驗管理軟件（ControlDesk）一套、控制器硬件I/O接口庫軟件（Real-Time Interface rti1103）一套。I/O接口庫實現實時控制器硬件與MATLAB/Simulink的無縫連接，利用Simulink的圖形化編程環境，學生可以很容易編程操控實時控制器，從而獲取各傳感器的測量值，同時控制比例方向控制閥。ControlDesk用于對實驗過程進行綜合管理，可以與實時控制器進行交互操作，功能包括對實時硬件的可視化管理、建立和管理虛擬儀表、變量的可視化管理、控制參數在線調整、實驗過程的可視化管理等。利用上述工具可以完成系統建模、分析、控制器性能驗證等全部實驗，過程如圖3所示，具體步驟如下。

1）根據具體實驗目的和方案，將需要使用的傳感器接至DS1103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接口庫導入步驟1所用AI口對應的A/D模塊，獲取傳感器數據;控制算法使用Simulink模塊庫，通過圖形編程實現，根據傳感器測量的系統狀態決定控制量大小;從I/O接口庫導入步驟1所用AO口對應的D/A模塊，將控制量轉化為電壓信號施加給比例方向控制閥。

3）基于MATLAB/Simulink的Real Time Workshop技術和dSPACE的代碼生成工具TargetLink，對步驟2編寫的Simulink框圖程序進行RTW Build，生成可執行代碼并下載至實時控制器。

4）利用ControlDesk對實驗進行管理，完成控制參數調整和狀態參數的獲取。

5）利用MATLAB對實驗數據進行處理和分析，優化控制算法，返回步驟2。

3 實驗內容設計

考慮控制工程基礎課程內容和實驗課時，利用搭建的氣動伺服系統實驗教學平臺，本文設計系統機理分析建模與實驗驗證、系統辨識與頻率特性、系統校正等三個實驗。

系統機理分析建模與實驗驗證? 此實驗要求學生使用機理分析方法建立系統的線性數學模型，并對模型進行實驗驗證。首先要求學生參閱文獻[5]完成氣動伺服系統的機理建模，然后利用理論課講授的非線性模型的線性化方法，計算求得系統的傳遞函數模型：

式中n0、n1、d1、d2、d3、d4為與系統結構參數有關的變量，具體計算公式見文獻[6]。

編寫圖4所示程序，利用仿真和實驗分別獲得系統開環和閉環瞬態響應，通過結果對比驗證模型的正確性，如圖5所示，并分析結構參數對瞬態響應的影響以及模型誤差的產生原因。

系統辨識與頻率特性? 系統辨識是用系統的輸入輸出數據所提供的信息來直接建立系統的數學模型，氣動伺服系統是開環不穩定系統，故需要采用閉環辨識方法，圖6為程序示例。通過閉環控制使氣缸定位到期望工作點附近（簡單的P控制即可），然后加入噪聲信號（M序列，循環周期255、由8位移位寄存器產生，幅值為1.5 V），使氣缸在工作點附近運動，采集比例方向閥的控制輸入和氣缸的位移，利用MATLAB的System Identification工具箱進行辨識，得到系統在該工作點附近的傳遞函數模型。

系統辨識建模還可以通過頻率特性實驗實現，程序示例如圖7所示。與上面類似，首先通過閉環控制使氣缸定位到期望工作點附近（簡單的P控制即可），然后利用MAT-

LAB的“idinput”命令產生一個正弦和信號（由1 000個正弦頻率分別在0.01～100 Hz區間的正弦信號疊加）給系統。采集比例方向閥的控制輸入和氣缸的位移，用“fft”命令計算系統輸入和輸出的波譜（Spectrum），然后將數據導入System Identification工具箱求解系統的頻率特性曲線。

系統校正? 首先讓學生嘗試理論教學所講授的校正方法。氣動伺服系統為I型系統，理想情況下可實現零定位誤差，實際因為受摩擦力影響，存在穩態誤差。為減小穩態誤差，必須增大增益，但由于阻尼比較小，容易引起超調、震蕩，增益過大時，系統會失穩。為了在系統穩定前提下進一步提高增益，可以對系統進行滯后校正（PI控制），即添加一個（1/4～1/5）ωn零點和一個（1/40～1/50）ωn極點，程序示例如圖8所示。校正后系統阻尼特性仍然很差，獲得高穩態精度的代價是超調大，即瞬態性能差，如圖9所示。

4 結語

氣動系統具有很多不利于精確控制的弱點，如強非線性、參數時變性和模型不確定性等，所以采用經典控制理論講解的校正方法，系統性能肯定不理想。借助本實驗平臺，結合工程實際問題的分析通過實驗開展實踐性啟發教學，鼓勵學生在基本實驗的基礎上嘗試運用先進的控制算法來提高控制性能，可以提高學生學習的熱情，增強學生的創新意識。■

參考文獻

[1]董景新，趙長德，郭美鳳，等.控制工程基礎[M].4版.北京：清華大學出版社，2015.

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

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

[4]陶國良，劉昊.氣動電子技術[M].北京：機械工業出版社，2013.

[5]孟德遠.氣動伺服位置控制[M].北京：科學出版社，2020.

[6]陶國良.電—氣比例/伺服連續軌跡控制及其在多自由度機械手中的應用研究[D].杭州：浙江大學，2000.

3588501908251