[发明专利]一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统

摘要

本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，涉及一种自动控制理论实验教学装置，属于教学领域。包括被控对象、控制器、执行机构和反馈装置，构成完整的闭环控制系统回路。被控对象为机械臂与直流电机相嵌套组合，用于产生角度位置信号。控制器用于使被控对象的输出快速稳定地收敛到预定值。控制器根据控制系统的控制算法调节系统的静动态特性，是自动控制理论实验教学系统的研究内容。执行机构为直流电机，控制机械臂转动，实现机械臂的位置控制。反馈装置采用单位负反馈，用于检测到机械臂的实际角度位置信号，并将信号返回给控制器。本发明具有如下优点：便携；成本和能耗低；功能比较全；抗干扰能力强。本发明适用于自动控制理论课程实验教学。

主权项

1.一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，其特征在于：包括被控对象、控制器、执行机构和反馈装置，构成完整的闭环控制系统回路；被控对象为机械臂与直流电机相嵌套组合，用于产生角度位置信号；机械臂的角度位置是被控对象S，其中S(r)是参考位置，即目标位置，而S(t)是机械臂的当前位置，即实际位置；控制器用于校正系统的数学模型；控制器根据控制系统的控制算法调节系统的静动态特性，是自动控制理论实验教学系统的研究内容；控制系统的控制算法调节系统的静动态特性由PC上位机软件编程实现；执行机构为直流电机，直流电机控制机械臂转动，实现机械臂的位置控制；直流电机特性在出厂之后即视为固定不变，直流电机的数学模型由自身的电气特性决定；反馈装置采用单位负反馈，用于检测到机械臂的实际角度位置信号，并将信号返回给控制器；所述的反馈装置优选由光电编码器实现；直流电机的角度位置作为自动控制理论实验教学系统的研究对象；为了更直观的观察实验结果，在直流电机的输出轴上接机械手臂，作为电机位置的指示标志；使用控制器对机械臂进行角度位置控制；所述的直流电机数学模型为：根据直流电机的电器特性，将直流电机的位置模型分成速度模型和位置积分环节两个部分，先通过辨识算法得到速度模型，然后再与位置积分环节组合得到完整的位置模型；通过建模方式能够得到直流电机的位置系统的开环数学模型，为了计算T_m、K_e两个参数，以直流电机的速度控制作为研究对象，由于直流电机的速度控制对应的模型是标准的一阶模型其中T_m是位置系统的标准时间常数，假设系统在一次阶跃响应中转速稳定时的速度为t，当系统转速达到0.632t时对应的时间就是T_m；U_f表示位置系统中产生死区的未知时变非线性摩擦干扰力矩等效到输入端的电压，y表示电机的位置，v表示速度，设T_m为直流电机的时间常数，K_e为电机的速度反馈比例系数，其中T_m、K_e均为位置系统电气特性常数，而U_f是系统非线性死区的等效电压，在硬件系统建立的时候，对该死区进行直流驱动的软件补偿，从而得出直流电机位置模型为可以看出，位置系统为标准的二阶系统，根据电机位置控制的阶跃响应曲线，计算出参数K_e；通过多次实验修正计算，最后得出系统T_m、K_e两个参数分别为0.15、0.56，因此，直流电机位置模型为所述的PC上位机的控制策略包括：PID控制器设计：控制系统的数学模型，控制律为：因此，在PID控制实验中，共设计了3个参数，分别为Kp，TI，Td；在进行实验时，通过修改这三个参数，进行对比，可以得到比例积分微分环节在控制器中作用；超前滞后控制器设计：和PID控制实验类似，在超前滞后控制实验中，共设计了3个参数，分别为Kp，TI，Td；在进行实验时，学生通过PC上位机控制平台可以修改控制器的参数，通过使用不同的控制参数，得到超前滞后控制器的功能；自定义算法设计：在本模块学生可以验证自己编写的算法是否能达到好的控制作用，可将自己编写的程序转换成动态链接库格式上传至PC上位机，并运行程序，从得到的曲线中分析相关动态和静态性能指标，就可以得到衡量算法控制性能的参数，通过修改以验证自己的控制算法；根轨迹校正实验：通过设计校正网络的传递函数，使系统的性能指标满足给定的要求，包括串联超前校正和串联滞后校正；频率法校正实验，和根轨迹类似，通过设计校正网络的传递函数，使系统的性能指标满足给定的要求，包括串联超前校正和串联滞后校正；极点配置实验，通过对原系统的分析，得到系统稳定的极点和零点，通过极点配置方法，对系统进行极点配置，是系统满足给定的目标；线性二次型最后控制算法控制实验，包括LQR控制算法，LQR控制器的仿真，消除稳态误差以及LQR控制器的实际控制；直流电机建模实验，通过对直流电机启动时角度位置的采集与数据分析，从具体实验中得到直流电机的模型参数。