一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统的制作方法

本发明涉及一种自动控制理论实验教学装置，尤其涉及一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学装置，适用于大学本科生的自动控制理论课程实验教学，属于教学领域。

背景技术：

在高校的本科生培养的专业课程的设置中，除了理论教学，还有实验教学。实验教学可激发研究人员进行继续探索科学奥秘的兴趣。在当今的高校教育中存在一个很大的弊病，就是大量学生从事理论研究，只是通过软件进行仿真，而很少进行实物实验对其理论方法进行验证。

现阶段大学自动控制理论实验大部分采用MATLAB仿真来验证经典算法的作用，而这使得学生学习起来更加抽象。少数本科院校采用倒立摆系统或者复合网络法来进行实验。

倒立摆系统是自动控制理论实验教学装置常用装置，倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能采用响应的算法从而克服随机扰动以保持稳定的位置。

倒立摆系统的输入来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。具体过程如下：摆杆的一端安装在小车上，作用力平行于小车运行的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动，当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置(竖直向下)，为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。

通过对小车的受力进行分析，可以得到摆杆角度和小车加速度之间的传递函数为：

从传递函数中可以看到，该系统是个二阶系统，通过对二阶系统的分析和控制可以验证经典算法的功能与准确性。

倒立摆系统缺点：①该系统模型是建立在各种理想的情况下，比如忽略空气阻力和各种摩擦，摆杆必须为匀质杆，而实际实验过程中，空气阻力和各种摩擦是不可预知的，而且实际中根本不存在匀质杆，所以降低了实验的准确性，使后续控制算法的实现更加困难；②该系统包括小车运行的导轨，驱动小车运行的电机，以及摆杆等装置，所以比较笨重，不易移动和随身携带。其中要想使摆杆保持稳定，小车需要持续运行，导轨的长度至少需要1米。本系统只是一个理想模型，采用牛顿－欧拉方法建立倒立摆系统的数学模型，通过开环响应分析对该模型进行分析，利用古典控制理论和Matlab/Simulink仿真软件对系统进行控制器的设计。

复合网络法来模拟各种典型环节：利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

例如：图1为二阶系统的超前校正电路图，系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量σ％和调节时间t_s；开关s接通，重复上述步骤，并将两次所测的波形与数值进行比较，便可得到超前校正的作用。

复合网络化模拟缺点：①复合网络化模拟各种典型环节时需要根据不同的算法需要临时搭建不同的工作平台，比如需要验证超前校正，则需要搭建如上图的模块，当需要验证滞后校正的时候需要重新搭建。②它是开环系统没有反馈环节，当系统不稳定时只能通过调节各个电子元器件的大小来使系统接近稳定。

技术实现要素：

本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统要解决的技术问题是，提供一种体积小的便捷式机自动控制理论实验教学系统，能够完成自动控制理论教学中主要实验。

本发明还公开基于一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统实现的典型教学方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，包括被控对象、控制器、执行机构和反馈装置，构成完整的闭环控制系统回路。

被控对象为机械臂与直流电机相嵌套组合，用于产生角度位置信号。如图2所示，机械臂的角度位置是被控对象S，其中S(r)是参考位置，即目标位置，而S(t)是机械臂的当前位置，即实际位置。

控制器用于使被控对象的输出快速稳定地收敛到预定值。控制器根据控制系统的控制算法调节系统的静动态特性，是自动控制理论实验教学系统的研究内容。控制系统的控制算法调节系统的静动态特性由软件编程实现。

执行机构为直流电机，直流电机控制机械臂转动，实现机械臂的位置控制。直流电机特性在出厂之后即视为固定不变，直流电机的数学模型由自身的电气特性决定。

反馈装置采用单位负反馈，用于检测到机械臂的实际角度位置信号，并将信号返回给控制器。所述的反馈装置优选由光电编码器实现。

直流电机的位置作为自动控制理论实验教学系统的研究对象。为了更直观的观察实验结果，在直流电机的输出轴上接机械手臂，作为电机位置的指示标志。使用控制器对机械臂进行位置控制。

所述的控制器包括PC上位机和ARM下位机；首先PC上位机的电压信号通过USB串口传输模块传送至MCU主控模块，并通过ARM控制芯片内部定时/计时器产生可控占空比方波驱动直流电机并带动机械臂转动；直流电机的角度位置信号通过反馈装置的两路反馈信号传送至MCU主控模块，通过ARM控制芯片内部计数器和相位逻辑分析判断机械臂的转动方向和角度位置，最终把角度位置信号传送至PC上位机进行下一步电压信号值的计算并在前端显示模块显示，实验最后直流电机旋转带动机械臂旋转以达到机械臂最后稳定的效果。

MCU主控模块采用低成本的ARM控制芯片，负责所有其它外围电路的初始化、控制、驱动直流电机转动和接收光电编码器的位置反馈装置信号，并将得到的结果通过USB串口模块发送给PC上位机平台；USB串口传输模块可为ARM下位机提供电源，并且为ARM下位机和PC上位机之间的数据传输接口；电机驱动模块，机械臂的线性放大的驱动电路采用双路PWM方式驱动电压，驱动信号通过ARM控制芯片自带的定时器/计数器获得，以驱动电机的正转反转和停转，同时还设计有保护驱动电路逻辑保护电路；反馈装置用于检测到机械臂的实际角度位置信号，反馈至MCU主控模块，反馈装置是整个自动控制理论实验教学系统的反馈部分。

所述的直流电机数学模型为：根据直流电机的电器特性，将直流电机的位置模型分成速度模型和位置积分环节两个部分，先通过辨识算法得到速度模型，然后再与位置积分环节组合得到完整的位置模型。如图3所示，通过所述的建模方式能够得到直流电机的位置系统的开环数学模型。为了计算T_m、K_e两个参数，以直流电机的速度控制作为研究对象，由于直流电机的速度控制对应的模型是标准的一阶模型其中T_m是位置系统的标准时间常数，假设系统在一次阶跃响应中转速稳定时的速度为t，当系统转速达到0.632t时对应的时间就是T_m。其中U_f表示位置系统中产生死区的未知时变非线性摩擦干扰力矩等效到输入端的电压，y表示电机的位置，v表示速度，设T_m为直流电机的时间常数，K_e为电机的速度反馈比例系数，其中T_m、K_e均为位置系统电气特性常数，而U_f是系统非线性死区的等效电压，在硬件系统建立的时候，对该死区进行直流驱动的软件补偿，从而得出直流电机位置模型为可以看出，位置系统为标准的二阶系统，根据电机位置控制的阶跃响应曲线，计算出参数K_e。通过多次实验修正计算，最后得出系统T_m、K_e两个参数分别为0.15、0.56。因此，直流电机位置模型为

本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统外形优选盒装的，将控制器、执行机构和反馈装置全部封装起来，采用模块化的设计思路，仅仅留出接口与外部交互，在盒子的上面设计一个刻度盘，直流电机被固定在盒子内侧，直流电机输出轴从盒子的正上方伸出，并与一个指针相连，这样有助于观察自动控制理论实验现象，更好的分析实验结果。

硬件空间位置连接关系：盒装实验箱是用来封装设备的，储物间可以存放实验需要的连接线，刻度盘用来显示机械臂转动的角度，指针用来呈现机械的转动，直流电源插孔是给直流电机可选的直流12V供电插口，USB数据接口/直流电源连接口是实验设备与PC上位机连接的接口，并对ARM下位机供电，电机供电切换是电机供电电压高低档(5V/12V)的切换按钮，电源开关是试验箱的总开关。

由于本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统是针对自动控制理论课程教学设计的，自动控制理论课程的分析方法多采用图解法，如系统响应，根轨迹，频率特性灯，需要绘制大量的曲线，因此除了实验装置之外，还设计了上位机平台辅助教学。

上位机平台辅助教学的实验选择单元用于在实验之前必须选择所需要进行的实验；参数修改单元：是实验开始之前，学生必须在参数修改框内填写相应的实验参数，如果不填写，将使用默认参数；数据计算单元：对ARM下位机返回的实时数据进行分析和计算，将接收到的实时信息进行计算分析，将普通的数据转化为自动控制理论运用到的标志信息，方便学生的观看及理解；数据展示单元：学生不仅可以现场观察实验现象，还可以通过上位机平台定量的观察实验系统的各项实时数据，另外该单元还会把被控对象的实时曲线在上位机软件中展示出来；实验控制单元：控制实验的进度，实验可以在任何时间开始，中止，结束，也可以在实验结束后，调用之前的实验数据，观察对比；通信单元：负责与实验装置进行实时通信，发送控制命令的同时也接收实验装置返回的数据信息。

上位机平台辅助教学功能：

(1)控制实验装置进行实验：使用上位机负责给实验装置发送控制命令。实验的开始，暂停，结束，控制算法的选择，参数的回读均通过上位机平台进行控制，实验装置通过接收上位机的控制命令完成实验。

(2)展示实验曲线，分析实验数据：由于自动控制理论这门课程的特点，绘图是上位机平台一个必须实现的功能，上位机平台接收实验装置返回的实验数据例如机械臂的角度，位置等，通过计算整理，以曲线，数据表格等形式展示给学生，以达到好的教学效果。

上位机的控制策略包括：

从便捷式机械臂直流电机的数学模型中能够得到在不添加控制器时的闭环极点，为了优化系统的静动态特性，提升控制效果，需要给系统加入控制算法。其中控制算法包括：

PID控制器设计：控制系统的数学模型，控制律为：

因此，在PID控制实验中，共设计了3个参数，分别为Kp，Ti，Td。在进行实验时，通过修改这三个参数，进行对比，可以得到比例积分微分环节在控制器中作用。

超前滞后控制器设计：和PID控制实验类似，在超前滞后控制实验中，共设计了3个参数，分别为K，Ti，Td。在进行实验时，学生通过上位机控制平台可以修改控制器的参数，通过使用不同的控制参数，得到超前滞后控制器的功能。

自定义算法设计：在本模块学生可以验证自己编写的算法是否能达到好的控制作用，可将自己编写的程序转换成动态链接库(.dll)格式上传至PC上位机，并运行程序，从得到的曲线中分析相关动态和静态性能指标，就可以得到衡量算法控制性能的参数，通过修改以验证自己的控制算法。

根轨迹校正实验：通过设计校正网络的传递函数，使系统的性能指标满足给定的要求，包括串联超前校正和串联滞后校正。

频率法校正实验，和根轨迹类似，通过设计校正网络的传递函数，使系统的性能指标满足给定的要求，包括串联超前校正和串联滞后校正。

极点配置实验，通过对原系统的分析，得到系统稳定的极点和零点，通过极点配置方法，对系统进行极点配置，是系统满足给定的目标。

线性二次型最后控制算法控制实验，包括LQR控制算法，LQR控制器的仿真，消除稳态误差以及LQR控制器的实际控制。

直流电机建模实验，通过对直流电机启动时角度位置的采集与数据分析，从具体实验中得到直流电机的模型参数。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，使用直流电机作为实验装置，使用低功耗ARM单片机进行实际控制，极大的降低了成本和能耗。

2、本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，采用闭环控制系统，功能比较全，能够完成理论教学中所有的实验，使学生学习起来更加具体，理解理论知识更加透彻。

3、本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，对机械臂进行闭环操作，和理论知识完全吻合，不涉及各种仿真，解决了目前主流实验设备需要仿真的问题。

4、本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，抗干扰能力强，当外界环境的改变时不需要重新调整参数就可以直接实验；

5、本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，通过对控制平台与执行机构进行封装，在保证了美观的同时使其能够更加方便地携带至课堂上进行教学演示，具有极强的便携性。

6、本发明公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，学生可以通过对控制算法进行自定义设计，通过生成动态链接库上传至PC上位机,运行程序，从得到的曲线中分析相关动态和静态性能指标，并通过此实验装置验证自己编写的算法是否能达到好的控制作用。

附图说明

图1为背景技术中的超前校正电路图；

图2为便携式机械臂控制系统模型图；

图3为直流电机数学模型；

图4为便携式机械臂控制系统工作方框图；

图5为便捷式实验装置示意图；

图6为机械臂设备系统的组成；

其中①实验箱②储物间③刻度盘④指针⑤12V直流电源插孔⑥USB数据接口/直流5V电源连接口⑦网口⑧电机供电切换⑨电源开关

图7为上位机平台结构图；

图8为PID控制系统数学模型。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

如图2、4所示，本实施例公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统，包括被控对象、控制器、执行机构和反馈装置，构成完整的闭环控制系统回路。

被控对象为机械臂与直流电机相嵌套组合，用于产生角度位置信号。机械臂的角度位置是被控对象S，其中S(r)是参考位置，即目标位置，而S(t)是机械臂的当前位置，即实际位置。

控制器用于校正系统的数学模型使之可以收敛到预定值。控制器根据控制系统的控制算法调节系统的静动态特性，是自动控制理论实验教学系统的研究内容。控制系统的控制算法调节系统的静动态特性由软件编程实现。

执行机构为直流电机，直流电机控制机械臂转动，实现机械臂的位置控制。直流电机特性在出厂之后即视为固定不变，直流电机的数学模型由自身的电气特性决定。

反馈装置采用单位负反馈，用于检测到机械臂的实际角度位置信号，并将信号返回给控制器。所述的反馈装置由光电编码器实现。

直流电机的位置作为自动控制理论实验教学系统的研究对象。为了更直观的观察实验结果，在直流电机的输出轴上接机械手臂，作为电机位置的指示标志。使用控制器对机械臂进行位置控制。

如图4所示，所述的控制器包括PC上位机和ARM下位机；首先PC上位机的电压信号通过USB串口传输模块传送至MCU主控模块，并通过ARM控制芯片内部定时/计时器产生可控占空比方波驱动直流电机并带动机械臂转动；直流电机的角度位置信号通过反馈装置的两路反馈信号传送至MCU主控模块，通过ARM控制芯片内部计数器和相位逻辑分析判断机械臂的转动方向和角度位置，最终把角度位置信号传送至PC上位机进行下一步电压信号值的计算并在前端显示模块显示，实验最后直流电机旋转带动机械臂旋转以达到机械臂最后稳定的效果。

如图2所示，ARM下位机包括MCU主控模块、USB串口传输模块、电机驱动模块及反馈装置。MCU主控模块采用低成本的ARM控制芯片，负责所有其它外围电路的初始化、控制、驱动直流电机转动和接收光电编码器的位置反馈装置信号，并将得到的结果通过USB串口模块发送给PC上位机平台；USB串口传输模块可为ARM下位机提供电源，并且为ARM下位机和PC上位机之间的数据传输接口；电机驱动模块，机械臂的线性放大的驱动电路采用双路PWM方式驱动电压，驱动信号通过ARM控制芯片自带的定时器/计数器获得，以驱动电机的正转反转和停转，同时还设计有保护驱动电路逻辑保护电路；反馈装置用于检测到机械臂的实际角度位置信号，反馈至MCU主控模块，反馈装置是整个自动控制理论实验教学系统的反馈部分。

如图3所示，所述的直流电机数学模型为：根据直流电机的电器特性，将直流电机的位置模型分成速度模型和位置积分环节两个部分，先通过辨识算法得到速度模型，然后再与位置积分环节组合得到完整的位置模型，通过所述的建模方式能够得到直流电机的位置系统的开环数学模型。为了计算T_m、K_e两个参数，以直流电机的速度控制作为研究对象，由于直流电机的速度控制对应的模型是标准的一阶模型其中T_m是位置系统的标准时间常数，假设系统在一次阶跃响应中转速稳定时的速度为t，当系统转速达到0.632t时对应的时间就是T_m。其中U_f表示位置系统中产生死区的未知时变非线性摩擦干扰力矩等效到输入端的电压，y表示电机的位置，v表示速度，设T_m为直流电机的时间常数，K_e为电机的速度反馈比例系数，其中T_m、K_e均为位置系统电气特性常数，而U_f是系统非线性死区的等效电压，在硬件系统建立的时候，对该死区进行直流驱动的软件补偿，从而得出直流电机位置模型为可以看出，位置系统为标准的二阶系统。根据电机位置控制的阶跃响应曲线，计算出参数K_e。通过多次实验修正计算，最后得出系统T_m、K_e两个参数分别为0.15、0.56。因此，直流电机位置模型为

如图5、6所示，本实施例公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统外形为盒装的，将控制器、执行机构和反馈装置全部封装起来，采用模块化的设计思路，仅仅留出接口与外部交互，在盒子的上面设计一个刻度盘，直流电机被固定在盒子内侧，直流电机输出轴从盒子的正上方伸出，并与一个指针相连，这样有助于观察自动控制理论实验现象，更好的分析实验结果。

硬件空间位置连接关系：盒装实验箱是用来封装设备的，储物间可以存放实验需要的连接线，刻度盘用来显示机械臂转动的角度，指针用来呈现机械的转动，直流电源插孔是给直流电机可选的直流12V供电插口，USB数据接口/直流电源连接口是实验设备与PC上位机连接的接口，并对ARM下位机供电，电机供电切换是电机供电电压高低档(5V/12V)的切换按钮，电源开关是试验箱的总开关。

由于本实施例公开的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统是针对自动控制理论课程教学设计的，自动控制理论课程的分析方法多采用图解法，如系统响应，根轨迹，频率特性，需要绘制大量的曲线，因此除了实验装置之外，还公开上位机平台辅助教学。

如图7所示，上位机平台辅助教学的实验选择单元用于在实验之前必须选择所需要进行的实验；参数修改单元：是实验开始之前，学生必须在参数修改框内填写相应的实验参数，如果不填写，将使用默认参数；数据计算单元：对下位机返回的实时数据进行分析和计算，将接收到的实时信息进行计算分析，将普通的数据转化为自动控制理论运用到的标志信息，方便学生的观看及理解；数据展示单元：学生不仅可以现场观察实验现象，还可以通过上位机平台定量的观察实验系统的各项实时数据，另外该单元还会把被控对象的实时曲线在上位机软件中展示出来；实验控制单元：控制实验的进度，实验可以在任何时间开始，中止，结束，也可以在实验结束后，调用之前的实验数据，观察对比；通信单元：负责与实验装置进行实时通信，发送控制命令的同时也接收实验装置返回的数据信息。

上位机平台辅助教学功能：

(1)控制实验装置进行实验：使用上位机负责给实验装置发送控制命令。实验的开始，暂停，结束，控制算法的选择，参数的回读均通过上位机平台进行控制，实验装置通过接收上位机的控制命令完成实验。

(2)展示实验曲线，分析实验数据：由于自动控制理论这门课程的特点，绘图是上位机平台一个必须实现的功能。上位机平台接收实验装置返回的实验数据例如机械臂的角度，位置等，通过计算整理，以曲线，数据表格等形式展示给学生，以达到好的教学效果。

上位机的控制策略包括：

从便捷式机械臂直流电机的数学模型中能够得到在不添加控制器时的闭环极点，为了优化系统的静动态特性，提升控制效果，需要给系统加入控制算法。其中控制算法包括：

如图8所示，PID控制器设计：控制系统的数学模型，控制律为：

因此，在PID控制实验中，共设计了3个参数，分别为K_p，T_I，T_d。在进行实验时，通过修改这三个参数，进行对比，可以得到比例积分微分环节在控制器中作用。

超前滞后控制器设计：和PID控制实验类似，在超前滞后控制实验中，共设计了3个参数，分别为K，T_i，T_d。在进行实验时，学生通过上位机控制平台可以修改控制器的参数，通过使用不同的控制参数，得到超前滞后控制器的功能。

自定义算法设计：在本模块学生可以验证自己编写的算法是否能达到好的控制作用，通过将自己的算法写入上位机，运行程序，从得到的曲线中分析相关动态和静态性能指标，就可以得到衡量算法控制性能的参数，通过修改以验证自己的控制算法。

根轨迹校正实验：通过设计校正网络的传递函数，使系统的性能指标满足给定的要求，包括串联超前校正和串联滞后校正。

频率法校正实验，和根轨迹类似，通过设计校正网络的传递函数，使系统的性能指标满足给定的要求，包括串联超前校正和串联滞后校正。

极点配置实验，通过对原系统的分析，得到系统稳定的极点和零点，通过极点配置方法，对系统进行极点配置，是系统满足给定的目标。

线性二次型最后控制算法控制实验，包括LQR控制算法，LQR控制器的仿真，消除稳态误差以及LQR控制器的实际控制。

实验示例1：PID实验

基于所述的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统实现的自动自动控制理论PID实验教学方法，包括如下步骤：

步骤一：将实验设备接上电，通过USB接口将上位机和上位机操作系统连接。

步骤二：打开上位机操作系统。

步骤三：系统进行初始化，包括串口的选择，通讯率，数据位等的选择。

步骤四：选择PID实验，配置K_p，T_I，T_d三个参数，点击开始实验，系统开始运行，此时会弹出表示机械臂角度的实验曲线，观察曲线的走向，看系统是否趋于稳定，如果不稳定返回上一层，重新配置参数进行实验，直到系统稳定。

实验示例2：超前滞后实验

基于所述的一种基于便捷式机械臂的自动控制理论实验教学系统实现的自动自动控制理论超前滞后教学方法，包括如下步骤：

步骤一：同上

步骤二：同上。

步骤三：同上。

步骤四：选择超前滞后实验，配置K，T_i，T_d三个参数，点击开始实验，系统开始运行，此时会弹出表示机械臂角度的实验曲线，观察曲线的走向，看系统是否趋于稳定，如果不稳定返回上一层，重新配置参数进行实验，直到系统稳定。

以上控制所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。