1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
本系列實(shí)驗(yàn)中，“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機(jī)器人使用的電機(jī)是９０Ｗ空心杯伺服電機(jī)，是直流電機(jī)。“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機(jī)器人實(shí)物如圖１所示。要求學(xué)生學(xué)會(huì)從實(shí)際對(duì)象中抽象出數(shù)學(xué)模型，建立被控對(duì)象，即機(jī)器人控制電機(jī)的傳遞函數(shù)，并分析搭建整個(gè)實(shí)驗(yàn)控制的系統(tǒng)框架。本實(shí)驗(yàn)對(duì)“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機(jī)器人的速度進(jìn)行控制，根據(jù)減速比和轉(zhuǎn)子直徑可以計(jì)算出機(jī)器人移動(dòng)的實(shí)際速度。因?yàn)榭刂茰笮。詫⒖刂茖?duì)象（也就是電機(jī)）的數(shù)學(xué)模型等效為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，而在機(jī)器人實(shí)際的行進(jìn)過程中，因?yàn)檩喿哟蚧纫蛩氐挠绊懀瑱C(jī)器人的行走速度達(dá)不到期望的值，所以需要對(duì)控制算法中一些參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)。
實(shí)際速度的檢測(cè)是通過超聲傳感器檢測(cè)距離，再對(duì)距離進(jìn)行求導(dǎo)得到，并與期望的行走速度值進(jìn)行比較，通過不同的控制方法（ＰＩＤ控制、最少拍控制和有限拍無紋波控制）對(duì)速度值進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)將設(shè)計(jì)性、研究性和綜合性融為一體。學(xué)生自主設(shè)計(jì)控制方案，采用不同的數(shù)字控制規(guī)律，自行編譯控制算法并進(jìn)行閉環(huán)控制調(diào)試，通過對(duì)機(jī)器人行走速度精度的分析，提出改進(jìn)控制算法的措施。可以使學(xué)生有效地理解計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的原理和方法，了解不同控制規(guī)律的控制算法軟件編譯設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)解決實(shí)際控制系統(tǒng)應(yīng)用中的各種控制問題。
2實(shí)驗(yàn)?zāi)K
本實(shí)驗(yàn)分為４個(gè)主要模塊。
2.1搭建系統(tǒng)控制模型模塊
要求學(xué)生具有分析和搭建該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制模型的能力，該實(shí)驗(yàn)數(shù)字控制系統(tǒng)的主要控制環(huán)節(jié)見圖２。系統(tǒng)給定速度輸入Ｖ０（ｔ）和系統(tǒng)速度輸出Ｖ（ｔ）之差為誤差信號(hào)Ｅ（ｔ），將誤差輸入給控制算法即控制器，由控制器輸出控制量Ｕ（ｔ）實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)。
2.2連續(xù)系統(tǒng)離散化模塊
本實(shí)驗(yàn)采用基于離散控制理論的直接數(shù)字控制方法，被控對(duì)象要用離散模型來描述，或用離散化模型來表示連續(xù)被控對(duì)象。要求學(xué)生理解和掌握將連續(xù)的模擬被控對(duì)象轉(zhuǎn)化為離散模型的原理和方法，采用不同的離散方法，如雙線性變換法、脈沖響應(yīng)不變法（Ｚ變換法）、階躍響應(yīng)不變法（具有采樣－保持器的脈沖響應(yīng)不變法）和零、極點(diǎn)匹配Ｚ變換法等，并對(duì)比控制結(jié)果，分析各種方法的優(yōu)劣。
2.3控制律設(shè)計(jì)模塊
要求學(xué)生理解和掌握ＰＩＤ控制、最少拍控制、有限拍無紋波控制的區(qū)別、原理以及控制器編譯算法。在已知被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的前提下，根據(jù)離散系統(tǒng)理論，采用直接設(shè)計(jì)法對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，綜合設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器的傳遞函數(shù)。利用ＶＣ＋＋軟件的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種控制律。３．４閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試要求學(xué)生通過上機(jī)調(diào)試，對(duì)誤差精度進(jìn)行分析，調(diào)整并確定不同控制律下數(shù)字控制器編譯算法中的相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到期望的控制結(jié)果。
3實(shí)驗(yàn)的組織和實(shí)施模塊
“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機(jī)器人行走控制系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了４個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，共計(jì)２０學(xué)時(shí)。要求學(xué)生自學(xué)ＶＣ＋＋編程，掌握基本的編程操作。本實(shí)驗(yàn)適用于電氣工程自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)（大三、大四學(xué)生）。實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排如下：（１）整定模擬機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)，搭建整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（４個(gè)學(xué)時(shí)）；（２）連續(xù)系統(tǒng)離散化，對(duì)整個(gè)采樣控制系統(tǒng)中的模擬環(huán)節(jié)如控制電機(jī)等進(jìn)行離散化（２個(gè)學(xué)時(shí)）；（３）設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制律，可以按數(shù)字ＰＩＤ控制、最少拍控制、有限拍無紋波等多種控制算法編制程序（１０學(xué)時(shí)）；（４）閉環(huán)調(diào)試，按給定的計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制指標(biāo)進(jìn)行速度回路設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)際控制測(cè)試（４個(gè)學(xué)時(shí)）。
4結(jié)束語
基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機(jī)器人行走控制系列實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的歷史，學(xué)生只有將課堂知識(shí)靈活應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)才能完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)的主體，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。
作者：閆明明 楊平 熊靜琪 單位：電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院