產(chǎn)品概述

開源直線電機(jī)一級(jí)倒立擺（型號(hào)：LIP1）是由工業(yè)級(jí)高精密直線電機(jī)、角度傳感器、擺桿、控制系統(tǒng)和上位機(jī)組成。控制系統(tǒng)是基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開發(fā)。該平臺(tái)結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和嵌入式實(shí)時(shí)控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）設(shè)計(jì)的功能，是基于模型設(shè)計(jì)（MBD:Model-Based Design）開發(fā)，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(yùn)動(dòng)控制理論的相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

平臺(tái)控制算法代碼完全開源，系統(tǒng)提供典型系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和穩(wěn)定性分析、根軌跡、線性系統(tǒng)矯正、PID控制實(shí)驗(yàn)和LQR控制，以及直線電機(jī)速度控制和位置跟蹤等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?？梢宰鳛樽詣?dòng)化專業(yè)、機(jī)電專業(yè)、電氣專業(yè)、機(jī)器人等專業(yè)中《電機(jī)學(xué)》、《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》、《伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)》等課程的配套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也可作為科研工作者檢驗(yàn)自動(dòng)控制算法的科研平臺(tái)。

產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）開放性?；?/span>TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink開放式硬件控制開發(fā)平臺(tái)，研究人員可以開發(fā)自主的算法，進(jìn)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(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制算法。采用自主研發(fā)的驅(qū)動(dòng)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(jì)方法。從倒立擺的建模、自動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)、Simulink仿真，到根據(jù)仿真的結(jié)果設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)控制器、自動(dòng)生成基于模型的代碼下載到DSP控制器中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，是采用MBD的控制方向理想教學(xué)和科研平臺(tái)。

（3）創(chuàng)新性。通過(guò)倒立擺這種復(fù)雜的控制對(duì)象和便捷的CSPACE控制算法驗(yàn)證開發(fā)平臺(tái)，研究人員可以更好地開發(fā)和驗(yàn)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）工業(yè)化和先進(jìn)的直線電機(jī)。采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)擺桿，能建立更精確的數(shù)學(xué)模型；直線電機(jī)在精密數(shù)控機(jī)床、貼片機(jī)等應(yīng)用廣泛，可以掌握精密運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方法。

（5）配套資料完善。內(nèi)容詳盡的實(shí)驗(yàn)教材，內(nèi)容涵蓋直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)電系統(tǒng)建模、經(jīng)典控制理論實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)、最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)和智能控制實(shí)驗(yàn)，支持PID、LQR、滑模、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法。

（6）豐富的知識(shí)點(diǎn)：

1、數(shù)學(xué)建模：通過(guò)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(jì)方法；

2、自動(dòng)控制知識(shí)：根軌跡實(shí)驗(yàn)、PID實(shí)驗(yàn)、LQR最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)、模糊控制實(shí)驗(yàn)、滑?？刂茖?shí)驗(yàn)、階躍響應(yīng)法系統(tǒng)辨識(shí)、頻率響應(yīng)法系統(tǒng)辨識(shí)、超前滯后校正；

3、建模、仿真、實(shí)時(shí)控制：熟悉把學(xué)習(xí)到的高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、物理學(xué)、自動(dòng)控制、嵌入式系統(tǒng)充分結(jié)合起來(lái)，從系統(tǒng)建模、MATLAB/Simulink仿真到DSP實(shí)時(shí)控制實(shí)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(yīng)用于實(shí)時(shí)控制；

4、MATLAB/Simulink：利用MATLAB/Simulink工具軟件，能提供的仿真和實(shí)時(shí)控制案例；

5、TI TMS320F28335 DSP的開發(fā)與應(yīng)用：掌握AD、DA、SPI、IO、定時(shí)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(dòng)化、機(jī)器人、機(jī)械電子、智能制造、機(jī)械工程等專業(yè)中的《機(jī)電控制系統(tǒng)》、《自動(dòng)控制原理》、《現(xiàn)代控制工程》、《智能控制理論》、《機(jī)器人建模與仿真》、《機(jī)器人控制技術(shù)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》、《伺服電機(jī)及控制》、《機(jī)電一體化技術(shù)》、《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》等課程的配套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也同時(shí)可作為相關(guān)領(lǐng)域的高級(jí)算法及伺服驅(qū)動(dòng)算法的科研平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(tái)組成

01 倒立擺本體

直線電機(jī)倒立擺本體相關(guān)參數(shù)如下表所示。

表1倒立擺平臺(tái)技術(shù)參數(shù)

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

2. 角度編碼器為2500線的，控制器會(huì)對(duì)AB相輸出的增量編碼器信號(hào)進(jìn)行四倍頻，共有10000個(gè)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(qiáng)大的監(jiān)控軟件。結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和嵌入式實(shí)時(shí)控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）設(shè)計(jì)的功能，也是用于進(jìn)行基于模型設(shè)計(jì)（MBD：Model-Based Design）控制系統(tǒng)開發(fā)的教學(xué)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(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)的控制與半實(shí)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)

（1）直線電機(jī)一級(jí)倒立擺Simulink軟件仿真圖

圖4直線電機(jī)一級(jí)倒立擺LQR仿真

（2）上位機(jī)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(jī)監(jiān)控軟件

（3）電機(jī)位置正弦跟蹤PID控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

圖6直線電機(jī)位置正弦跟蹤PID控制模型

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一覽

列表3所列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為可以在本平臺(tái)完成的所有實(shí)驗(yàn)列表，所有實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)均配有演示視頻。

表3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

本科和研究生教學(xué)課程：

1. 機(jī)器人建模與仿真

2. 自動(dòng)控制原理

3. 現(xiàn)代控制工程

4. 機(jī)器人操作系統(tǒng)

5. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

6. 智能控制基礎(chǔ)與實(shí)踐

典型教材推薦：

《自動(dòng)控制原理》 胡壽松 南航教授

《機(jī)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(xué) 副教授，碩導(dǎo)

支撐科研方向：

1. 直線電機(jī)高精度軌跡跟蹤控制算法研究，通過(guò)對(duì)負(fù)載的質(zhì)量、質(zhì)心和慣量等參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型和摩擦模型計(jì)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(dòng)力學(xué)控制：可研究、摩擦力補(bǔ)償、慣性力和離心力補(bǔ)償?shù)葘?duì)控制的影響。

3. 高級(jí)自動(dòng)控制算法：通過(guò)驅(qū)動(dòng)器接口開放和控制器開源的特性，可以驗(yàn)證各種高級(jí)算法，如魯棒控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等高級(jí)控制算法，研究倒立擺在變負(fù)載、變桿長(zhǎng)等復(fù)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(shí)，擺桿長(zhǎng)度的變化對(duì)控制算法的魯棒性研究。