基于“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的機(jī)器人行走控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

閆明明，楊 平，熊靜琪

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是一門理論性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)方向課，涉及到計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，同時(shí)又與實(shí)際工程控制聯(lián)系緊密。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中普遍反映理論知識(shí)枯燥，尤其在數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用中，以及如何實(shí)現(xiàn)基于各種控制律的計(jì)算機(jī)控制方面，理解起來(lái)比較困難。因此在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)將數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法和實(shí)際計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過(guò)理論知識(shí)與實(shí)踐活動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際計(jì)算機(jī)控制問(wèn)題的能力[1-3]。鑒于此，基于“Voyager IIA”機(jī)器人擁有完全體現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)理念，可以為高校教師提供可擴(kuò)展、易裁剪、量身定做的智能移動(dòng)機(jī)器人教學(xué)科研平臺(tái)的基礎(chǔ)，我們開(kāi)發(fā)了微機(jī)控制機(jī)器人[4-6]行走系列實(shí)驗(yàn)。本系列實(shí)驗(yàn)以PC機(jī)為控制計(jì)算機(jī)，采用數(shù)字PID控制、最少拍控制、有限拍無(wú)紋波控制等方法對(duì)“Voyager IIA”機(jī)器人的行走速度進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)“Voyager IIA”智能機(jī)器人行走控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)基于閉環(huán)控制的機(jī)器人的勻速行走。采用VC++語(yǔ)言編制計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制律。

1 實(shí)驗(yàn)前先學(xué)課程以及必備知識(shí)

本實(shí)驗(yàn)前的先學(xué)課程有工程控制基礎(chǔ)、微機(jī)原理及應(yīng)用、數(shù)字電路、模擬電路、信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、C語(yǔ)言編程等。實(shí)驗(yàn)涵蓋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[7-9]硬件平臺(tái)搭建，分析引入計(jì)算機(jī)后產(chǎn)生的問(wèn)題，如連續(xù)系統(tǒng)離散化、采樣、零階保持器的影響等；在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方面，學(xué)習(xí)如何建立實(shí)際物理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)控制方案，設(shè)計(jì)PID控制、最少拍控制、有限拍無(wú)紋波控制等數(shù)字控制律，以及數(shù)字控制律的軟件實(shí)現(xiàn)、閉環(huán)控制調(diào)試等。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本系列實(shí)驗(yàn)中，“Voyager IIA”機(jī)器人使用的電機(jī)是90 W空心杯伺服電機(jī)，是直流電機(jī)?！癡oyager IIA”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。

圖1 “Voyager IIA”機(jī)器人實(shí)物

本實(shí)驗(yàn)對(duì)“Voyager IIA”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?，所以將控制?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(guò)程中，因?yàn)檩喿哟蚧纫蛩氐挠绊?，機(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(guò)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(guò)不同的控制方法(PID控制、最少拍控制和有限拍無(wú)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[10]。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(guò)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?？梢允箤W(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(wèn)題[11-12]。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)K

本實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)主要模塊。

3.1 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(jiàn)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)。

圖2 系統(tǒng)控制模型框圖

3.2 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(lái)描述，或用離散化模型來(lái)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。

3.3 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(wú)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(guò)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。

4 實(shí)驗(yàn)的組織和實(shí)施模塊

“Voyager IIA”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(wú)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))。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的“Voyager IIA”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(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的綜合能力。

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