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以“卓越工程师培养计划”为契机的倒立摆控制教学实验系统开发

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以“卓越工程师培养计划”为契机的倒立摆控制教学实验系

统开发

文/梁丽 贾玉瑛【摘 要】摘 要

【期刊名称】电子技术与软件工程【年(卷),期】2013(000)010【总页数】1

【关键词】【关键词】卓越计划 倒立摆 实验系统

以“卓越工程师教育培养计划”为契机,开发与研制倒立摆控制教学实验系统,加强培养学生的工程能力和创新能力。

2012年内蒙古科技大学自动化专业通过国家教育部的“卓越工程师教育培养计划”,作为贯彻落实《国家中长期人才发展规划纲要》和《国家中长期教育发展规划纲要》的重大改革举措之一,“卓越工程师教育培养计划”强调学校按通用标准和行业标准培养工程人才,强化培养学生的工程能力和创新能力。

倒立摆是一种从实际工程问题中抽象出来的控制模型,是对任何重心在上、支点在下的物理对象的控制问题的抽象。倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合及欠驱动等特性,使其控制极富挑战性和趣味性,很适合自动化专业的学生用来验证所学的控制理论和算法(鲁兴举,等: 提高自动化专业学生工程素质— —以倒立摆实验为例)。

1 倒立摆控制实验系统组成

数据采集卡(也称运动控制卡,安装于计算机机箱的PCI插槽上)采集到旋转编码器数据和电机尾部编码器数据,旋转编码器与摆杆同轴,电机与小车通过皮带连接,所以通过计算就可以得到摆杆的角位移以及小车位移,角位移差分得角速度,位移差分可得速度,然后根据自动控制中的各种理论转化的算法计算出控制量。控制量由计算机通过运动控制卡下发给伺服驱动器,由驱动器实现对电机控制,电机尾部编码器连接到驱动器形成闭环,从而可以实现闭环控制。电机编码器的线数为2500线,经过数据采集卡四倍频后为10000线,即电机转动一周,采集卡采集到10000个编码器计数脉冲。电机皮带轮周长为0.12566m,即电机转一周,小车走过0.12566m的距离。由于我们选用的旋转编码器分辨率为600线,那么经数据采集卡四倍频后为2400线,也就是说摆杆旋转一周,编码器计数2400个,那么计数对应角度公式如下(摆杆竖直向下时角度为零,逆时针方向为正):θ—摆杆旋转角度;n—编码器读数。

倒立摆控制教学实验系统包括直线运动型、圆周运动型和复合倒立摆三个大系列,主要特点包括:开放性、模块化、简易安全、方便性、先进性。

2 系统软件设计

直线一级倒立摆实验平台包括:1板卡控制模块;驱动器设置模块;控制器选择及参数设置模块;运动控制卡参数设置模块;状态监测模块;示波器模块;小车位置模块;小车与摆杆当前状态模块;操作面板模块。

用于实验的软件包括经典的VC++,以及控制领域使用最多的仿真工具Matlab,提供完备的设备接口和程序接口,方便学生进行实验和开发。

仿真实验包括控制器设计和Simulink仿真模型的搭建,实时控制实验包括MATLAB(Simulink)实时控制实验和VC实时控制实验两部分,MATLAB实时控制实验如图1所示,VC实时控制实验如图2所示。

如果单就编程环境来讲,MATLAB的编程更为简单,但程序的执行效率比较低,对于实时性和速度要求比较高的倒立摆系统,VC更具优势,为了达到最佳的控制效果,可以引导学生进一步开发基于VC++6.0的实时控制程序。

3 结束语

倒立摆教学实验系统的开发与研制,为自动化专业学生系统学习自动控制系列课程提供了良好的实验条件,使学生对实际系统的控制有了更深刻的体会,同时由于倒立摆系统的非线性,可用于各种控制算法的研究,如模糊控制、神经网络控制、变论域控制等。系统具有较高的推广应用价值,可用于现代控制理论、智能控制理论等课程的实践教学。目前,本实验系统已用于自动化专业本科生控制类课使用,取得了良好的教学效果,有助于“卓越工程师教育培养计划” 的顺利实施,加强培养学生的工程能力和创新能力。参考文献

[1]鲁兴举,彭学锋,郑志强.提高自动化专业学生工程素质——以倒立摆实验为例[J].实验室研究与探索,2011.

[2]李东,陈强,孙振国,刘鹏飞.倒立摆教学实验系统的设计与应用[J].实验技术与管理,2006.[3]赵世敏,杨飚.倒立摆控制系统实验教学探讨[J].实验技术与管理,2005.

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