机电系统建模辨识与控制实验课ppt课件.ppt

《机电系统建模辨识与控制实验课ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电系统建模辨识与控制实验课ppt课件.ppt（34页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、机电系统的建模、辨识与控制实验,任课教师： 姚斌/朱笑丛地点：教一308房间时间：每周一、三、五下午1:005:00,倒立摆系统介绍,系统组成倒立摆机构：小车（或连杆），摆杆，直线编码器，角度编码器电控箱：交流伺服电机驱动器，运动控制器的端子板（I/O 接口板），直流电源，开关、指示灯等电气元件运功控制卡控制器（工控机）,直线倒立摆机构电机通过同步带驱动在滑杆上来回运动的小车直线摆本体环形倒立摆机构环形摆本体旋转运动台（电机带动连杆转动）检测信息电机编码器（小车线位移或转台旋转角）角度编码器（摆杆旋转角）控制器运动控制卡普通 PC 机/工控机,倒立摆系统介绍,环形摆照片,直线摆照片,GT系列运

2、动控制器(GT -400-SV PCI) 可同步控制四个运动轴(倒立摆系统只使用一个通道，其它通道用于摆杆编码器数据的采集)ADSP2181数字信号处理器和FPGA位置、速度、加速度设置和控制,倒立摆系统介绍,倒立摆硬件系统框图根据伺服电机自带光电码盘的反馈通过换算获得小车的位移小车速度信号通过差分法得到各个摆杆角度由光电码盘测得并直接反馈到控制卡，速度信号可以通过差分方法得到计算机从运动控制卡中实时读取数据，根据控制策略确定电机的输出力矩，并发送给运动控制卡。运动控制卡经过 DSP 内部的控制算法实现,倒立摆系统介绍,倒立摆实物接线图,倒立摆系统介绍,实验准备及注意事项1.为安全起见，在进行

3、系统连线、拆卸与安装前，必须关闭系统所有电源。2.使用前请仔细检查连线，确保接线正确无误。如果码盘连线接反，或断线，将会发生冲 撞。3.为避免设备失控时造成人身伤害，操作时人员应该与设备保持安全距离，实验时任何人员不要站在摆直径 1.5 范围之内。4.如果发生异常，按下空格键，系统会提示“急停按钮被触发，无法继续控制系统，按任意键退出程序。”5. 超速时，系统会自动关闭伺服电机，并出现“系统失速，系统被终止，按任意键退出程序。”,参考资料Panasonic 交流伺服电机驱动器使用说明书 GT系列运动控制器用户手册（061230版） GT系列运动控制器编程手册(061230版),倒立摆分类直线倒

4、立摆系列：一级、二级、三级环形倒立摆系列：一级、二级、三级平面倒立摆系列混合倒立摆系列倒立摆特性：非线性不确定性耦合性开环不稳定性约束性质倒立摆控制器设计PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、,倒立摆系统介绍,夏学期：实验一. 运动控制基础实验 (第1-2周)实验一. 顺摆/倒立摆系统建模与仿真实验 (第3-4周)实验三. 顺摆/倒立摆系统平衡控制实验经验PID (第5-6周)实验四. 顺摆/倒立摆系统辨识实验(第7-8周) 秋学期：实验五. 顺摆/倒立摆系统平衡控制实验传递函数设计(第1-2周)实验六. 顺摆/倒立摆系统平衡控制实验状态空间设计(第3-4周)实验七. 一

5、级倒立摆系统自动摆起控制实验(第5-7周) 实验汇报(第8周),倒立摆系统实验,倒立摆系统实验安排,实验时间： 星期一、三、五下午1:005:00 （每组双周1次实验）实验地点： 教一308房间实验安排： 选课同学分成24组，2人/组（可选择直线一级倒立摆或环形一级倒立摆实验台），4组/下午,每位同学实验前需完成实验报告中的软件编写和仿真分析，自备笔记本在实验现场进行仿真测试和程序完善，并进行软件运行调试。,实验操作步骤,1.参考固高倒立摆控制demo程序，对照系统组成框图和倒立摆系统实验设备，检查系统信号连接；2.使连杆停在任意静止位置，并且使摆杆处于自由下垂的静止状态；3.首先打开计算机，

6、然后再打开电控箱电源；4.编译运行Simulink程序；5.观察/记录相关实验结果；6.停止Simulink程序，关闭电控箱电源；7.分析实验数据，整理报告。,实验报告格式,试验指导老师,李宏娟老师 18858184281 管凯敏老师 18758260369（710369） ,助教：袁明星，刘兴宜，杨涛，XXX，XXX,实验指导说明,实验一 运动控制基础实验,一实验目的 掌握利用计算机和运动控制卡对编码器进行数据采集的方法，以及利用计算机对电机进行控制的基本原理和方法。,二实验内容 1.运动控制卡测试GT Commander 2.使用倒立摆测试软件GLIPTestV1.0测试硬件系统 3.编码

7、器原理及使用实验 4.倒立摆交流伺服电机控制实验,三实验步骤,1. 倒立摆测试软件GLIPTestV1.0 测试流程(1) 双击运行 GLIPTest.exe(2) 点击设置按钮进行设置(3) 点击“开始测试”按钮(4) 确定各级摆杆均为自然的静止下垂状态，然后点击确定。(5) 测试运动控制卡(6) 测试左限位开关(7) 测试右限位开关(8) 摆杆一角度编码器测试：将一级摆杆转动一圈，并使其最终自然下垂静止，观测一级摆杆编码器一圈的读值（标准值为：2400）(9) 测试伺服电机编码器。(10) 伺服电机测试(11) 测试结束,实验一 运动控制基础实验,2. 运动控制卡测试GT Commande

8、r(1)运动控制卡通讯测试(2)行程开关（限位开关）信号测试(3)电机编码器信号测试(4)摆杆编码器信号测试,实验一 运动控制基础实验,GT-400-SV -PCI 文件夹下，程序为 GT Commander3.1 版,3.摆杆角度测试实验(1)搭建如下Simulink模型，连接编译运行(2)手动逆时针转动摆杆一圈，观察显示结果(3)记录编码器读数，分析实验数据,实验一 运动控制基础实验,4.电机控制实验(1)采用Set Current Axis Acc and vel模块(运动控制器当前轴设定成速度控制模式，用户设定最大速度和加速度两个参数)，搭建Simulink模型。(3)连接编译运行Si

9、mulink模型。(4)观察小车的运动轨迹，记录实验结果。(5)采用Set Current Axis Command模块(输入为电机的控制电压值)，搭建Simulink模型，按步骤(3)-(4)重复实验。,实验一 运动控制基础实验,实验一 运动控制基础实验,四. 实验报告要求 1、完成采用Set Current Axis Acc and vel， Set Current Axis Command等固高工具箱模块的电机控制和编码器信号采集的Simulink模型。 2、基于Simulink模型进行实时测试，记录电机控制和编码器信号采集的实验测试数据，分析实验结果。,实验二 顺摆/倒立摆系统建模与仿

10、真实验,一实验目的 掌握对实际系统进行机理建模的方法，并利用MATLAB对系统模型进行仿真和分析，用实际系统进行验证。,二实验内容 1.直线/环形一级顺摆系统的动态方程 2.直线/环形一级倒立摆系统的动态方程 3.直线/环形一级顺摆系统传递函数模型和状态空间模型 4.直线/环形一级倒立摆系统传递函数模型和状态空间模型 5.直线/环形一级顺摆与倒立摆系统的特性仿真（脉冲、阶跃输入和频率响应） 6.根据实际系统响应验证系统模型,三实验步骤 1.顺摆系统建模(1)根据顺摆系统示意图列出小车和摆杆受力分析图(2).列出系统所有动力学方程，检查方程个数和未知变量个数。(3).建立以小车作用力（或小车加速

11、度）为输入，摆杆角度为输出的系统传递函数模型。(4).选择系统状态变量，建立系统的状态空间模型。,M 小车质量m 摆杆质量b 小车摩擦系数l 摆杆转动轴心到杆质心的长度I 摆杆惯量F 加在小车上的力x 小车位置 摆杆与垂直向上方向的夹角 摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）,直线一级顺摆系统示意图,实验二 顺摆/倒立摆系统建模与仿真实验,2.倒立摆系统建模 (1).根据倒立摆系统示意图列出小车和摆杆受力分析图,直线一级倒立摆系统示意图,环形一级倒立摆系统示意图,直线摆参数：M 小车质量, M=1.096Kgm 摆杆质量, m=0.109Kgb 小车摩擦系数, b=0.1N/

12、m/secl 摆杆转动轴心到杆质心的长度, l=0.25mI 摆杆惯量, I=0.0034Kg.m2F 加在小车上的力x 小车位置 摆杆与垂直向上方向的夹角 摆杆与垂直向下方向的夹角（考虑到摆杆初始位置为竖直向下）,实验二 顺摆/倒立摆系统建模与仿真实验,环形摆参数：m1=0.0234Kg: 连杆的质量m2=0.13Kg: 摆杆的质量 m3=0.178Kg：质量块的质量l1=0.221m：连杆长度 l2=0.1975m: 摆杆转动中心到杆质心的距离 1：连杆与水平 x 轴的夹角（顺时针为正）2：摆杆与垂直向上方向的夹角（顺时针为正）,(2).列出系统所有动力学方程，检查方程个数和未知变量个数。

13、(3).建立以小车作用力（或小车加速度）为输入，摆杆角度为输入的系统传递函数模型。(4).选择系统状态变量，建立系统的状态空间模型。3.基于状态空间模型，分析系统的可控性，可观性。4.基于顺摆/倒立摆传递函数模型和状态空间模型仿真分析系统的阶跃响应、脉冲响应和频率响应。5.开环输入小车作用力，在小幅度范围内实验测试顺摆系统和倒立摆系统的阶跃响应。,四. 实验报告要求 1、推导一级顺摆和倒立摆系统的物理模型，写出系统的传递函数模型和状态空间模型，先写成符号表达式，再代入实际系统参数，得实际模型。 2、比较顺摆系统和倒立摆系统模型的异同点。 3、结合所学课程知识，分析顺摆系统和倒立摆系统的特性（可

14、控、可观、开环稳定性等） 4、编写Matlab程序，完成系统仿真和实验测试，验证特性分析的结果。,实验二 顺摆/倒立摆系统建模与仿真实验,控制器设计原理PID控制器的传递函数：开环系统：对控制量v双重积分即可以得到小车位置：,实验三 顺摆/倒立摆系统平衡控制经验PID,一实验目的 学习 PID 控制器的设计方法，了解控制器各个参数对系统的影响，学会根据控制指标要求和实际响应调整 PID 控制器的参数。,二实验内容 1.PID参数的实验调定方法 2.直线/环形一级顺摆系统的PID控制 3.直线/环形一级倒立摆系统的PID控制,实验三 顺摆/倒立摆系统平衡控制经验PID,三实验步骤 1.以摆杆角度

15、为控制目标，小车加速度为控制量，建立一级倒立摆PID控制Simulink模型 2.通过仿真分析，进行PID 参数整定: (1) 仅用比例控制，增大比例控制系数Kp， 直至闭环控制系统持续振荡，记录振荡周期和系统响应。(2)增加微分控制，增大微分系数Kd，直至系统响应近似不发生振荡，记录系统响应。(3)增加积分控制，增大积分系数Ki，直至系统稳态误差近似为零，记录系统响应。,实验三 顺摆/倒立摆系统平衡控制经验PID,四. 实验报告要求 1.完成顺摆系统和倒立摆系统闭环PID控制的仿真建模。 2.记录顺摆系统和倒立摆系统PID控制器的设计过程。 3.完成顺摆系统和倒立摆系统PID控制的仿真和实验

16、结果记录。,3.根据仿真结果，设置PID参数，进行实际系统控制。4.观察记录摆杆角度、控制量、小车角度等实验响应结果。5.给摆杆微小扰动，观察摆杆稳定情况。6. 改变PID参数，观察控制效果。7.对顺摆系统，进行类似的PID参数整定和实时控制，记录参数整定和控制响应结果。,实验四 顺摆/倒立摆系统辨识实验,一实验目的 掌握系统辨识和参数估计的方法，设计利用实验建模获得系统模型和未知参数的方法。,二实验内容 1.根据顺摆/倒立摆系统模型，分析模型参数特点 2.基于频率响应实验进行系统辨识和未知参数估计 3.基于时域响应进行未知参数估计 4.基于系统模型特点，设计系统激励响应，进行参数估计,三实验

17、步骤 1.基于实验二的顺摆系统和倒立摆系统的模型，建立含输入干扰的两个子系统串联的倒立摆系统传递函数模型：子系统1以小车位移为输入，以摆杆角度为输出；子系统2以小车加速度(或小车作用力)为输入，以小车位移为输出。2.分析顺摆系统与倒立摆系统的传递函数模型参数特点。3.利用Matlab系统辨识工具箱，基于子系统2模型，设计通过频率响应和阶跃响应实验进行系统辨识，获得系统未知参数。4.基于顺摆子系统1模型和倒立摆子系统1模型特点，设计通过自激振荡响应，获得子系统未知参数。5. 比较辨识所得参数与实际物理系统计算所的参数。,四. 实验报告要求 1. 根据所学课程知识，分析顺摆/倒立摆系统参数估计的方

18、法。 2.设计系统辨识的输入信号和检测输出信号，完成一级倒立摆系统的实验建模。,实验四 顺摆/倒立摆系统辨识实验,一实验目的 利用所学控制理论，基于传递函数模型进行顺摆/倒立摆系统平衡控制器设计并实际实施，对实验结果进行观察和分析，验证所设计控制器的有效性。,二实验内容 1.Lead-lag compensator设计及其 (根轨迹校正与频率响应校正)实时控制与测试,三实验步骤1.建立根轨迹校正闭环控制的Simulink模型2.基于期望性能确定配置期望闭环极点。3.采用在系统中加入Lead-lag compensator改变闭环系统根轨迹分布的原理设计lead-lag控制器。4.进行Matla

19、b仿真分析和测试。,实验五 顺摆/倒立摆系统平衡控制实验传递函数设计,四. 试验报告要求 1.完成Lead-lag补偿器设计。 2.编写Matlab程序，建立实时控制模型，完成实验测试，记录实验结果。 3.比较Lead-lag补偿器中不同零极点配置的实时控制效果，并分析原因。,5.对顺摆/倒立摆系统进行实时控制测试并记录，观察响应结果是否符合预期性能。6.改变期望性能，重复1-4步骤，测试不同控制器参数的实时控制效果。,实验五 顺摆/倒立摆系统平衡控制实验传递函数设计,三实验步骤1.确定期望闭环极点。2.采用极点配置方法，确定状态反馈控制器参数。3.建立闭环系统模型，进行仿真测试。4.对顺摆/

20、倒立摆系统进行实时控制，观察响应结果是否符合预期性能。5.改变期望闭环极点，重复2-4步骤，测试不同控制器参数的实时控制效果。,一实验目的 利用所学控制理论，基于状态空间模型进行顺摆/倒立摆平衡控制器设计并实际实施，对实验结果进行观察和分析，验证所设计控制器的有效性。,二实验内容 1.极点配置状态反馈控制,控制器设计原理,实验六 顺摆/倒立摆系统平衡控制实验状态空间设计,四. 实验报告要求 1. 完成状态反馈控制器设计。 2. 编写Matlab程序，建立实时控制模型，完成实验测试，记录实验结果。 3. 比较不同期望闭环极点配置的实时控制效果，并分析原因。,实验六 顺摆/倒立摆系统平衡控制实验状

21、态空间设计,实验七 一级倒立摆自动摆起控制实验,一实验目的 掌握一级摆系统自动摆起的控制方法，并进行实验验证。,二实验内容 1.一级倒立摆系统自动摆起控制,三实验步骤1.设计摆起的能量控制策略。2.将能量控制策略与以前的平衡控制策略通过开关切换形式结合，建立一级倒立摆起摆控制程序和Matlab模型。3.编译后进行仿真测试。4.根据仿真测试有效的参数，对倒立摆系统进行实时控制，观察响应结果是否符合预期性能。5.对实际倒立摆系统，进行实时控制的实验测试和结果分析。6.改变能量控制策略中的比例系数，测试自动起摆的控制效果。,四. 实验报告要求 1. 完成自动起摆控制器设计，并与平衡控制器结合，完成自动起摆与平衡控制。 2. 编写Matlab程序，建立实时控制模型，完成实验测试，记录实验结果。 3. 测试自动起摆控制器中不同的比例系数对自动起摆以及平衡控制效果的影响，并分析原因。,实验七 一级倒立摆自动摆起控制实验,