產(chǎn)品概述

開源旋轉(zhuǎn)電機一級倒立擺（型號：RIP1）是基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開發(fā)。該平臺由交流伺服電機、角度傳感器、擺桿、控制系統(tǒng)和上位機組成。結(jié)合計算機仿真和嵌入式實時控制技術(shù)，能實現(xiàn)硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）設(shè)計的功能，是基于模型設(shè)計（MBD:Model-Based Design），可以完成如LQR最優(yōu)控制、模糊控制、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等運動控制理論相關(guān)實驗的教科研平臺。

該平臺控制算法代碼完全開源，提供典型系統(tǒng)的時域響應和穩(wěn)定性分析、根軌跡、線性系統(tǒng)矯正、PID控制實驗和LQR控制，以及直線電機速度控制和位置跟蹤等實驗內(nèi)容?？梢宰鳛樽詣踊瘜I(yè)、機電專業(yè)、電氣專業(yè)、機器人等專業(yè)中《電機學》、《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《伺服電機與驅(qū)動技術(shù)》等課程的配套實驗平臺，也可作為科研工作者檢驗自動控制算法的科研平臺。

產(chǎn)品特點

擺桿長度可自由伸縮，伸縮長短可定制，方便老師和學生研究在連續(xù)可變模型下的系統(tǒng)相關(guān)特性實驗。支撐系統(tǒng)建模、經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)控制和智能控制等實驗；

（1）開放性。基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開放式硬件控制開發(fā)平臺，研究人員可以開發(fā)自主的算法，進行控制，代碼均開源，可以在生成的C代碼中嵌入研究人員自己編寫的代碼，實現(xiàn)更復雜的控制算法。采用自主研發(fā)的驅(qū)動器，支持電流，速度，位置及加速度四種模式的控制。

（2）采用MBD的工程設(shè)計方法。從倒立擺的建模、自動控制算法的設(shè)計、Simulink仿真，到根據(jù)仿真的結(jié)果設(shè)計實時控制器、自動生成基于模型的代碼下載到DSP控制器中進行實時控制，是采用MBD的控制方向理想教學和科研平臺。

（3）創(chuàng)新性。通過倒立擺這種復雜的控制對象和便捷的CSPACE控制算法驗證開發(fā)平臺，研究人員可以更好地開發(fā)和驗證自己的控制算法，產(chǎn)生更多的科研成果，發(fā)高水平論文。

（4）配套資料完善。內(nèi)容詳盡的實驗教材，內(nèi)容涵蓋直線電機驅(qū)動器、運動控制、機電系統(tǒng)建模、經(jīng)典控制理論實驗、現(xiàn)代控制理論實驗、最優(yōu)控制實驗和智能控制實驗，支持PID、LQR、滑模、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法。

（5）豐富的知識點：

1、數(shù)學建模：通過建立倒立擺的模型，深入理解拉格朗日系統(tǒng)建模方法，以及把微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)方程的設(shè)計方法；

2、自動控制知識：根軌跡實驗、PID實驗、LQR最優(yōu)控制實驗、模糊控制實驗、滑模控制實驗、階躍響應法系統(tǒng)辨識、頻率響應法系統(tǒng)辨識、超前滯后校正；

3、建模、仿真、實時控制：熟悉把學習到的高等數(shù)學、理論力學、物理學、自動控制、嵌入式系統(tǒng)充分結(jié)合起來，從系統(tǒng)建模、MATLAB/Simulink仿真到DSP實時控制實現(xiàn)完美結(jié)合，讓研究人員充分了解如何把理論分析的結(jié)果應用于實時控制；

4、MATLAB/Simulink：利用MATLAB/Simulink工具軟件，能提供的仿真和實時控制案例；

5、TI TMS320F28335 DSP的開發(fā)與應用：掌握AD、DA、SPI、IO、定時器、RS232、QEP等外設(shè)模塊的開發(fā)和使用。

該系統(tǒng)既可以作為自動化、機器人、機械電子、智能制造、機械工程等專業(yè)中的《機電控制系統(tǒng)》、《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制工程》、《智能控制理論》、《機器人建模與仿真》、《機器人控制技術(shù)》、《計算機控制技術(shù)》、《伺服電機及控制》、《機電一體化技術(shù)》、《運動控制系統(tǒng)》等課程的配套實驗平臺，也同時可作為相關(guān)領(lǐng)域的高級算法及伺服驅(qū)動算法的科研平臺。

實驗平臺組成

開源倒立擺系統(tǒng)主要部件和連接關(guān)系如下圖所示，分為控制系統(tǒng)和倒立擺本體兩部分。

圖2倒立擺平臺組成

01 倒立擺本體

旋轉(zhuǎn)電機倒立擺本體相關(guān)參數(shù)如下表所示。

表1倒立擺平臺技術(shù)參數(shù)

備注：1. 伺服驅(qū)動器達到9.2A的峰值電流才能輸出這么大的推力，伺服驅(qū)動的額定電流為4A，故峰值推力只能達到120N左右；

2. 角度編碼器為2500線的，控制器會對AB相輸出的增量編碼器信號進行四倍頻，共有10000個脈沖每圈，分辨率為360/10000。

02 倒立擺控制系統(tǒng)

倒立擺控制系統(tǒng)是基于TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開發(fā)。擁有AD、DA、IO、Encoder、PWM、CAN、SPI等豐富的硬件外設(shè)接口，以及一套功能強大的監(jiān)控軟件。結(jié)合計算機仿真和嵌入式實時控制技術(shù)，能實現(xiàn)硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）設(shè)計的功能，也是用于進行基于模型設(shè)計（MBD：Model-Based Design）控制系統(tǒng)開發(fā)的教學和科研產(chǎn)品。cSPACE控制器如下圖所示，控制器參數(shù)如表2所示，是可對標國際先進的控制與半實物仿真領(lǐng)域的產(chǎn)品。

   圖3 倒立擺控制系統(tǒng)

表2 控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

開發(fā)概圖

（1）直線電機倒立擺Simulink軟件仿真圖

圖4直線電機一級倒立擺LQR仿真

（2）上位機軟件（參數(shù)下發(fā)、數(shù)據(jù)采集顯示、數(shù)據(jù)保存等功能）

圖5上位機監(jiān)控軟件

（3）電機位置正弦跟蹤PID控制實驗模型

圖6直線電機位置正弦跟蹤PID控制模型

實驗內(nèi)容一覽

列表3所列實驗內(nèi)容為可以在本平臺完成的所有實驗列表，所有實驗程序均在Matlab/Simulink軟件中編寫，所有程序源代碼均開放，用戶可以自由修改，實驗均配有演示視頻

表3 實驗項目

本科和研究生教學課程：

1. 機器人建模與仿真

2. 自動控制原理

3. 現(xiàn)代控制工程

4. 機器人操作系統(tǒng)

5. 計算機控制技術(shù)

6. 智能控制基礎(chǔ)與實踐

典型教材推薦：

《自動控制原理》 胡壽松 南航教授

《機械工程控制基礎(chǔ)》 華中科大 楊叔子 院士

《現(xiàn)代控制理論》 張嗣瀛 中科院院士

《智能控制》（第三版）北航 劉金琨

《MATLAB建模與仿真》 哈爾濱理工大學 副教授，碩導

支撐科研方向：

1. 旋轉(zhuǎn)電機高精度軌跡跟蹤控制算法研究，通過對負載的質(zhì)量、質(zhì)心和慣量等參數(shù)進行辨識，結(jié)合動力學模型和摩擦模型計算出前饋力矩，反饋至控制器，比較分析后獲得控制最佳扭矩，從而使倒立擺獲得高軌跡精度。

2. 動力學控制：可研究、摩擦力補償、慣性力和離心力補償?shù)葘刂频挠绊憽?/span>

3. 高級自動控制算法：通過驅(qū)動器接口開放和控制器開源的特性，可以驗證各種高級算法，如魯棒控制、自適應控制、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等高級控制算法，研究倒立擺在變負載、變桿長等復雜情況下的控制算法的性能。

4. 可伸縮擺桿的倒立擺系統(tǒng)控制算法研究，研究倒立擺在穩(wěn)擺控制時，擺桿長度的變化對控制算法的魯棒性研究。

應用案例