一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术具有如下优点：便携；成本和能耗低；功能比较全；抗干扰能力强。本发明专利技术适用于自动控制理论课程实验教学。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自动控制理论实验教学装置，尤其涉及一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学装置，适用于大学本科生的自动控制理论课程实验教学，属于教学领域。
技术介绍
在高校的本科生培养的专业课程的设置中，除了理论教学，还有实验教学。实验教学可激发研究人员进行继续探索科学奥秘的兴趣。在当今的高校教育中存在一个很大的弊病，就是大量学生从事理论研究，只是通过软件进行仿真，而很少进行实物实验对其理论方法进行验证。现阶段大学自动控制理论实验大部分采用MATLAB仿真来验证经典算法的作用，而这使得学生学习起来更加抽象。少数本科院校采用倒立摆系统或者复合网络法来进行实验。倒立摆系统是自动控制理论实验教学装置常用装置，倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能采用响应的算法从而克服随机扰动以保持稳定的位置。倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。具体过程如下：摆杆的一端安装在小车上，作用力平行于小车运行的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动，当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置(竖直向下)，为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。通过对小车的受力进行分析，可以得到摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：从传递函数中可以看到，该系统是个二阶系统，通过对二阶系统的分析和控制可以验证经典算法的功能与准确性。倒立摆系统缺点：①该系统模型是建立在各种理想的情况下，比如忽略空气阻力和各种摩擦，摆杆必须为匀质杆，而实际实验过程中，空气阻力和各种摩擦是不可预知的，而且实际中根本不存在匀质杆，所以降低了实验的准确性，使后续控制算法的实现更加困难；②该系统包括小车运行的导轨，驱动小车运行的电机，以及摆杆等装置，所以比较笨重，不易移动和随身携带。其中要想使摆杆保持稳定，小车需要持续运行，导轨的长度至少需要1米。本系统只是一个理想模型，采用牛顿－欧拉方法建立倒立摆系统的数学模型，通过开环响应分析对该模型进行分析，利用古典控制理论和Matlab/Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计。复合网络法来模拟各种典型环节：利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。例如：图1为二阶系统的超前校正电路图，系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量σ％和调节时间ts；开关s接通，重复上述步骤，并将两次所测的波形与数值进行比较，便可得到超前校正的作用。复合网络化模拟缺点：①复合网络化模拟各种典型环节时需要根据不同的算法需要临时搭建不同的工作平台，比如需要验证超前校正，则需要搭建如上图的模块，当需要验证滞后校正的时候需要重新搭建。②它是开环系统没有反馈环节，当系统不稳定时只能通过调节各个电子元器件的大小来使系统接近稳定。
技术实现思路
本专利技术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要解决的技术问题是，提供一种体积小的便捷式机自动控制理论实验教学系统，能够完成自动控制理论教学中主要实验。本专利技术还公开基于一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统实现的典型教学方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术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，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。如图2所示，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。控制系统的控制算法调节系统的静动态特性由软件编程实现。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位置控制。所述的控制器包括PC上位机和ARM下位机；首先PC上位机的电压信号通过USB串口传输模块传送至MCU主控模块，并通过ARM控制芯片内部定时/计时器产生可控占空比方波驱动直流电机并带动机械臂转动；直流电机的角度位置信号通过反馈装置的两路反馈信号传送至MCU主控模块，通过ARM控制芯片内部计数器和相位逻辑分析判断机械臂的转动方向和角度位置，最终把角度位置信号传送至PC上位机进行下一步电压信号值的计算并在前端显示模块显示，实验最后直流电机旋转带动机械臂旋转以达到机械臂最后稳定的效果。MCU主控模块采用低成本的ARM控制芯片，负责所有其它外围电路的初始化、控制、驱动直流电机转动和接收光电编码器的位置反馈装置信号，并将得到的结果通过USB串口模块发送给PC上位机平台；USB串口传输模块可为ARM下位机提供电源，并且为ARM下位机和PC上位机之间的数据传输接口；电机驱动模块，机械臂的线性放大的驱动电路采用双路PWM方式驱动电压，驱动信号通过ARM控制芯片自带的定时器/计数器获得，以驱动电机的正转反转和停转，同时还设计有保护驱动电路逻辑保护电路；反馈装置用于检测到机械臂的实际角度位置信号，反馈至MCU主控模块，反馈装置是整个自动控制理论实验教学系统的反馈部分。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。如图3所示，通过所述的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Tm、Ke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Tm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Tm。其中Uf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Tm为直流电机的时间常数，Ke为电机的速度反馈比例系数，其中Tm、Ke均为位置系统电气特性常数，而Uf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Ke。通过多次实验修正计算，最后得出系统Tm、Ke两个参数分别为0.15、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。2.如权利要求1所述的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：所述的控制器包括PC上位机和ARM下位机；其中，ARM下位机包括MCU主控模块、USB串口传输模块、电机驱动模块及反馈装置；MCU主控模块采用低成本的ARM控制芯片，负责所有其它外围电路的初始化和控制、负责驱动直流电机转动、接收光电编码器的位置反馈装置信号，并将得到的结果通过USB串口模块发送给PC上位机平台；USB串口传输模块可作为ARM下位机提供电源，并且是ARM下位机和PC上位机之间的数据传输接口；电机驱动模块，机械臂的线性放大的驱动电路采用双路PWM方式驱动电压，驱动信号通过ARM控制芯片自带的定时器/计数器获得，以驱动电机的正转反转和停转，同时还设计有保护驱动电路逻辑保护电路；反馈装置用于检测到机械臂的实际角度位置信号，反馈至MCU主控模块，反馈装置是整个自动控制理论实验教学系统的反馈部分。3.如权利要求2所述的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：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；通过所述的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Tm、Ke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Tm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Tm；其中Uf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Tm为直流电机的时间常数，Ke为电机的速度反馈比例系数，其中Tm、Ke均为位置系统电气特性常数，而Uf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Ke；通过多次实验修正计算，最后得出系统Tm、Ke两个参数分别为0.15、0.56，因此，直流电机位置模型为4.如权利要求1或3所述的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：所述的控制器包括PC上位机和ARM下位机；首先PC上位机的电压信号通过USB串口传输模块传送至MCU主控模块，并通过ARM控制芯片内部定时/计时器产生可控占空比方波驱动直流电机并带动机械臂转动；直流电机的角度位置信号通过反馈装置的两路反馈信号传送至MCU主控模块，通过ARM控制芯片内部计数器和相位逻辑分析判断机械臂的转动方向和角度位置，最终把角度位置信号传送至PC上位机进行下一步电压信号值的计算并在前端显示模块显示，实验最后直流电机旋转带动机械臂旋转以达到机械臂最后稳定的效果。5.如权利要求1、2或3所述的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：外形优选盒装的，将控制器、执行机构和反馈装置全部封装起来，采用模块化的设计思路，仅仅留出接口与外部交互，在盒子的上面设计一个刻度盘，直流电机被固定在盒子内侧，直流电机输出轴从盒子的正上方伸出，并与一个指针相连；硬件空间位置连接关系：盒装实验箱是用来封装设备的，储物间可以存放实验需要的连接线，刻度...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴亚平，马俊杰，王天，杨方方，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11