机电系统建模辨识与控制实验课

浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验机电系统的建模、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1:00~5:00浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验倒立摆系统介绍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）浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验GT系列运动控制器(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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验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)浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验倒立摆分类•直线倒立摆系列：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、……倒立摆系统介绍浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验夏学期：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)倒立摆系统实验浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验倒立摆系统实验安排实验时间：星期一、三、五下午1:00~5:00（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。浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验实验操作步骤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，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。浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验实验报告格式实验一运动控制基础实验学生姓名：学号：系别：日期：课程名称：实验目的实验设备实验原理要求完整的系统建模或控制器设计过程仿真步骤及结果要求给出Matlab源代码和Simulink仿真模型实验结果记录要求以图表形式记录详细实验数据，每次响应结果记录小车位移（或连杆转角）、小车速度（或连杆角速度）、摆杆转角、摆杆角速度实验结果分析要求结合课程所学知识，比较实验预期结果与实际结果并进行分析教师评语浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验试验指导老师李宏娟老师[e-mail]管凯敏老师18758260369（710369）[e-mail]助教：袁明星，刘兴宜，杨涛，XXX，XXX浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验实验指导说明浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验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GTCommander2.使用倒立摆测试软件GLIPTestV1.0测试硬件系统3.编码器原理及使用实验4.倒立摆交流伺服电机控制实验三．实验步骤浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验2.运动控制卡测试GTCommander(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GTCommander3.1版浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验4.电机控制实验(1)采用SetCurrentAxis‘Accandvel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Simulink模型。(4)观察小车的运动轨迹，记录实验结果。(5)采用SetCurrentAxis‘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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制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SetCurrentAxis‘Accandvel，SetCurrentAxis‘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。浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验实验二顺摆/倒立摆系统建模与仿真实验一．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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验三．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φ摆杆与垂直向上方向的夹角θ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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验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/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φ摆杆与垂直向上方向的夹角θ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θ1：连杆与水平x轴的夹角（顺时针为正）θ2：摆杆与垂直向上方向的夹角（顺时针为正）浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验(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浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制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1()pidUsKKKss2()0.02725()0.01021250.26705sVss2()()XsVss浙江大学–机电系统的建模、辨识与控制实验实验三顺摆/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