基于兩輪機器人系統(tǒng)的自控原理實驗設計

蔡建羨+程麗娜+李立新+李朋軒

摘 要：在控制理論的實踐教學中，嘗試采用研究型的實踐教學模式，設計了基于兩輪機器人系統(tǒng)的控制理論輔助教學實驗，依次完成控制系統(tǒng)建模、仿真、控制算法實現(xiàn)。實踐證明研究型實踐教學模式有效實現(xiàn)了理論與實踐相結合，有利于學生理解控制理論中的一些重要概念，了解實際系統(tǒng)的控制設計過程；同時，對于學生分析問題、解決問題能力的提高，對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)，對于教師科研、教學水平的提升均有較好的作用。

關鍵詞：實踐教學；研究型；兩輪機器人；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

控制理論課程的實踐教學環(huán)節(jié)是該課程重要的組成部分，教學目標是能夠實現(xiàn)理論與工程實際緊密結合、有效培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。但是，目前的實驗教學內容單一，通常限于驗證學生在課堂上已經(jīng)學過的某一定律或結論，不僅教學效果不理想，而且也限制了學生創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?？刂评碚撜n程具有工程應用背景，因此以實際的工程對象為教學平臺，設計研究型實踐教學模式，成為控制理論課程教學的主要目標之一。兩輪自平衡機器人 因為它本身的自然不穩(wěn)定性和非線性使它成為很好的驗證控制理論和控制方法的平臺。因此，本文設計了基于兩輪自平衡機器人系統(tǒng)的控制理論輔助教學實驗。

1兩輪機器人結構及實驗思路

采用研究型實踐教學模式，設計的兩輪機器人系統(tǒng)輔助教學實驗基本思路是將兩輪機器人作為工程實例貫穿整個實驗教學中，以兩輪機器人的自平衡控制為目標，按照一般的系統(tǒng)設計步驟進行實驗設計。設計的實驗環(huán)節(jié)包括建立適合于自動控制系統(tǒng)分析和設計的兩輪機器人數(shù)學模型；設計系統(tǒng)的PID控制器，確定實驗方案；搭建基于MATLAB的仿真環(huán)境，通過調整參數(shù)來進行系統(tǒng)性能的分析和比較。

2兩輪機器人數(shù)學模型的建立

建立兩輪機器人系統(tǒng)的數(shù)學模型，是進行控制系統(tǒng)分析、設計控制器和進行仿真的基礎，同時也是自動控制原理的一個重要知識點和難點。這個環(huán)節(jié)首先要讓學生學習機械系統(tǒng)基本的建模方法，通過對兩輪機器人系統(tǒng)的建模，可以讓學生了解常用的建模方法，并明確所討論兩輪機器人的輸入輸出變量，真正理解控制系統(tǒng)建模的思路。同時，也讓學生明確了建立系統(tǒng)模型并進行線性化處理的原因，工程的近似處理思想。

3兩輪自平衡機器人PID控制器的設計

本環(huán)節(jié)首先要讓學生明確PID控制的原理，然后在得到的兩輪機器人系統(tǒng)線性數(shù)學模型基礎上，完成PID控制器的設計和仿真任務，實現(xiàn)兩輪機器人的自由平衡運動控制。

例如，設計自由平衡運動模式下的脈沖響應實驗，給定機器人傾角初值，其它狀態(tài)均為0，模擬突然給機器人施加推力，使之偏離平衡位置，觀察機器人是否可以回到平衡位置?？刂破髟O計如下：

（1）

上述控制器其實是對傾角θ和輪子中心速度各設計了一個PD控制器，理論上只反饋傾角θ設計PD控制器就可實現(xiàn)機器人的平衡控制，但是輸出會有振蕩，因此為了消除振蕩，需要反饋輪子加速度。PD控制器參數(shù)調試采用試湊法結果為：。

圖1分別給出了機器人傾角、傾角速度；位移、前進速度的曲線。從圖1可以看出，對機器人突加推力作用時，機器人向前傾斜，需要向前移動，在控制器產(chǎn)生的控制電壓的作用下，傾角漸漸變小，趨于穩(wěn)定，相應地，位移也不再增加，停在了大約0.18m處。這表明：在PD控制作用下，機器人具有較快的響應速度，較小的超調，穩(wěn)態(tài)誤差也在允許誤差帶范圍內。

（a） 傾角和傾角速度曲線

（b） 輪子位移和速度曲線

圖1 機器人自由平衡控制

仿真實驗環(huán)節(jié)涉及了自動控制原理分析和設計的內容，以兩輪機器人為平臺，完成對控制系統(tǒng)分析和設計的內容。通過仿真實驗的分析，學生可以掌握如下技能：①通過調節(jié)比例、微分系數(shù)總結其對系統(tǒng)的作用，并與理論結果進行對比；②對兩輪機器人系統(tǒng)的控制效果用性能指標進行衡量，如超調量、調整時間、穩(wěn)態(tài)特性等性能進行描述。

4結論

本文以兩輪機器人為研究對象，設計了基于MATLAB的兩輪機器人系統(tǒng)實驗，理論與實際進行結合，較完整的體現(xiàn)了實際系統(tǒng)的設計過程，讓學生通過對機器人的實驗分析，直觀地了解控制系統(tǒng)分析和綜合的各種方法，降低控制理論的抽象性、增加直觀性，達到激發(fā)學生創(chuàng)新性思維的目的。同時，也使學生能真正感受實際控制系統(tǒng)的運行特性，這對提高自動控制原理教學效果起到了積極作用。

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作者簡介：

蔡建羨（1978—），女，河北省衡水市人，副教授，博士，主要從事控制理論與應用、機器人智能控制等方面的教學與科研工作。

基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2015GJJG258）；防災科技學院2016年度精品建設課程基金項目（JPJS2016009）。