PART 01 背景

     隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制系統(tǒng)在工業(yè)和國(guó)防的科研、生產(chǎn)中起著越來(lái)越重要的作用。為了培養(yǎng)具備掌握智能控制系統(tǒng)技術(shù)能力的人才，高等學(xué)校電子信息類(lèi)和電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《智能控制技術(shù)》等課程。此類(lèi)課程理論性和實(shí)踐性較高，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性和工程性。為了解決學(xué)生對(duì)課程的理解停留在公式上，很難將理論與實(shí)踐相結(jié)合，無(wú)法解決實(shí)際工程問(wèn)題的問(wèn)題，需要建設(shè)智能控制實(shí)驗(yàn)室，以培養(yǎng)滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的創(chuàng)新型人才。

PART 02 簡(jiǎn)介

       該智能控制控制實(shí)驗(yàn)室以開(kāi)源直線(xiàn)電機(jī)一級(jí)倒立擺平臺(tái)為載體，采取虛實(shí)結(jié)合、循序漸進(jìn)的教學(xué)方式，開(kāi)展系統(tǒng)搭建、系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)性能分析和系統(tǒng)性能校正四個(gè)大板塊的教學(xué)，可滿(mǎn)足電子信息類(lèi)和電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《智能控制技術(shù)》等課程的基礎(chǔ)教學(xué)、綜合實(shí)踐教學(xué)、創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，可支撐發(fā)表控制理論相關(guān)方向的高水平科研論文。實(shí)驗(yàn)室包括文化墻、分組實(shí)踐區(qū)、創(chuàng)新實(shí)踐及小組研討、分享報(bào)告區(qū)和設(shè)備存儲(chǔ)及準(zhǔn)備區(qū)，是一個(gè)能為師生提供自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新、科研的開(kāi)放空間載體，可有效促進(jìn)學(xué)生理論知識(shí)的驗(yàn)證、轉(zhuǎn)化與再深化。

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)效果圖

       其中，文化墻內(nèi)容涵蓋智能控制技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方向、控制技術(shù)的發(fā)展歷史以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作規(guī)范?？筛鶕?jù)高校特色產(chǎn)業(yè)應(yīng)用進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，旨在將課本知識(shí)和實(shí)踐內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷。在分組實(shí)踐區(qū)，學(xué)生按照要求完成指定的課程實(shí)踐實(shí)驗(yàn)任務(wù)；在創(chuàng)新實(shí)踐及小組討論分享報(bào)告區(qū)，師生可以隨時(shí)進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)任務(wù)的學(xué)習(xí)、交流、分享活動(dòng)，學(xué)有余力的學(xué)生也可以完成基于平臺(tái)的創(chuàng)新性、高階性實(shí)驗(yàn)；在設(shè)備存儲(chǔ)及準(zhǔn)備區(qū)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)備擺放和存儲(chǔ)，增大實(shí)驗(yàn)室利用率。

PART 03 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）系統(tǒng)認(rèn)知，認(rèn)知控制系統(tǒng)組成及原理倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)擺桿支點(diǎn)在下、重心在上，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)支點(diǎn)沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，保持?jǐn)[桿平衡的非線(xiàn)性自不穩(wěn)定系統(tǒng)。倒立擺控制技術(shù)可應(yīng)用于許多工業(yè)和工程產(chǎn)品中，如平衡車(chē)、腿足式機(jī)器人、人形機(jī)器人等。 開(kāi)源直線(xiàn)電機(jī)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)是由實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)、工業(yè)級(jí)高精密直線(xiàn)電機(jī)、角度傳感器、擺桿和上位機(jī)組成。

圖 | 開(kāi)源直線(xiàn)電機(jī)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)實(shí)物圖及組成說(shuō)明

（2）系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，理論與實(shí)際結(jié)合，分析典型環(huán)節(jié)及其傳遞函數(shù)

       根據(jù)提供的滑塊質(zhì)量、擺桿質(zhì)量、滑塊速度阻尼參數(shù)、擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸到重心的長(zhǎng)度、電機(jī)導(dǎo)軌長(zhǎng)度、擺桿圍繞重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重力加速度等數(shù)據(jù)，采用牛頓力學(xué)法和拉格朗日法建模，以電機(jī)加速度作為輸入的一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，

3）系統(tǒng)性能分析，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性和暫態(tài)性指標(biāo)，研究系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)、根軌跡分析法和頻率特性響應(yīng)

      在單位階躍響應(yīng)作用下，滑塊位置和擺桿角度都是發(fā)散的，即系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。影響系統(tǒng)穩(wěn)定的因素是閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)位置，任意極點(diǎn)位于s右半平面，則系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（4）系統(tǒng)性能校正，虛實(shí)結(jié)合，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)、局部校正和綜合校正，從而能設(shè)計(jì)性能較好的控制系統(tǒng)

      閉環(huán)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的基本特性與閉環(huán)極點(diǎn)的位置緊密相關(guān)，如果系統(tǒng)具有可變的環(huán)路增益，則閉環(huán)極點(diǎn)的位置取決于所選擇的環(huán)路增益。 

       此時(shí)，可以借助于SimScape工具進(jìn)行校正前后虛擬仿真。

基于根軌跡法校正的基本思想，校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為，

校正并增大系統(tǒng)增益校正后的根軌跡及階躍響應(yīng)，

可以看出，系統(tǒng)在0.7s的時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定，響應(yīng)比較迅速，超調(diào)比較小。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以在上位機(jī)界面中觀(guān)測(cè)。

PART 05  科研論文

論文名稱(chēng)：A Novel Model-Based Robust Control for Position Tracking of Permanent Magnet Linear Motor

期刊索引情況：SCI    

影響因子：8.236

收錄于：IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS

依托平臺(tái)：基于CSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)的永磁直線(xiàn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由永磁直線(xiàn)電機(jī)、CSPACE控制器、安裝有MATLAB/Simulink的PC機(jī)、光柵位移傳感器、直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。CSPACE控制平臺(tái)結(jié)合MATLAB實(shí)時(shí)處理，基于MBD的開(kāi)發(fā)方法，在MATLAB/Simulink中編寫(xiě)好圖形化程序后，在CSPACE控制平臺(tái)上通過(guò)自動(dòng)代碼生成軟件(離線(xiàn)編程)直接轉(zhuǎn)換為C代碼，再將C代碼編譯后下載到DSP控制板上，將整個(gè)開(kāi)發(fā)周期無(wú)縫地集成到一個(gè)單一的環(huán)境中，使仿真和測(cè)試之間的各個(gè)開(kāi)發(fā)階段可以反復(fù)多次運(yùn)行，而無(wú)需頻繁的重新調(diào)整。

論文名稱(chēng)：A new PD based robust control method for the robot joint module

期刊索引情況：SCI    

影響因子：6.823

收錄于：MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSIN

G依托平臺(tái)：基于CSPACE半實(shí)物仿真系統(tǒng)的關(guān)節(jié)模組主要由關(guān)節(jié)模組、CSPACE控制器、安裝有MATLAB/Simulink的PC機(jī)、磁粉制動(dòng)器組成。磁粉制動(dòng)器可以給關(guān)節(jié)模組施加負(fù)載，提高系統(tǒng)中的不確定性，驗(yàn)證控制器的魯棒性。CSPACE控制平臺(tái)結(jié)合MATLAB實(shí)時(shí)處理，基于MBD的開(kāi)發(fā)方法，在MATLAB/Simulink中編寫(xiě)好圖形化程序后，在CSPACE控制平臺(tái)上通過(guò)自動(dòng)代碼生成軟件(離線(xiàn)編程)直接轉(zhuǎn)換為C代碼，再將C代碼編譯后下載到DSP控制板上，將整個(gè)開(kāi)發(fā)周期無(wú)縫地集成到一個(gè)單一的環(huán)境中，使仿真和實(shí)驗(yàn)之間的各個(gè)開(kāi)發(fā)階段可以反復(fù)多次運(yùn)行，而無(wú)需頻繁的重新調(diào)整。