1實驗內(nèi)容
本系列實驗中，“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機器人使用的電機是９０Ｗ空心杯伺服電機，是直流電機。“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機器人實物如圖１所示。要求學(xué)生學(xué)會從實際對象中抽象出數(shù)學(xué)模型，建立被控對象，即機器人控制電機的傳遞函數(shù)，并分析搭建整個實驗控制的系統(tǒng)框架。本實驗對“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機器人的速度進行控制，根據(jù)減速比和轉(zhuǎn)子直徑可以計算出機器人移動的實際速度。因為控制滯后小，所以將控制對象（也就是電機）的數(shù)學(xué)模型等效為一個比例環(huán)節(jié)，而在機器人實際的行進過程中，因為輪子打滑等因素的影響，機器人的行走速度達不到期望的值，所以需要對控制算法中一些參數(shù)進行反復(fù)調(diào)節(jié)。
實際速度的檢測是通過超聲傳感器檢測距離，再對距離進行求導(dǎo)得到，并與期望的行走速度值進行比較，通過不同的控制方法（ＰＩＤ控制、最少拍控制和有限拍無紋波控制）對速度值進行校正。實驗將設(shè)計性、研究性和綜合性融為一體。學(xué)生自主設(shè)計控制方案，采用不同的數(shù)字控制規(guī)律，自行編譯控制算法并進行閉環(huán)控制調(diào)試，通過對機器人行走速度精度的分析，提出改進控制算法的措施。可以使學(xué)生有效地理解計算機控制技術(shù)在控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中的原理和方法，了解不同控制規(guī)律的控制算法軟件編譯設(shè)計與硬件實現(xiàn)之間的關(guān)系，學(xué)會解決實際控制系統(tǒng)應(yīng)用中的各種控制問題。
2實驗?zāi)K
本實驗分為４個主要模塊。
2.1搭建系統(tǒng)控制模型模塊
要求學(xué)生具有分析和搭建該計算機控制系統(tǒng)控制模型的能力，該實驗數(shù)字控制系統(tǒng)的主要控制環(huán)節(jié)見圖２。系統(tǒng)給定速度輸入Ｖ０（ｔ）和系統(tǒng)速度輸出Ｖ（ｔ）之差為誤差信號Ｅ（ｔ），將誤差輸入給控制算法即控制器，由控制器輸出控制量Ｕ（ｔ）實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)。
2.2連續(xù)系統(tǒng)離散化模塊
本實驗采用基于離散控制理論的直接數(shù)字控制方法，被控對象要用離散模型來描述，或用離散化模型來表示連續(xù)被控對象。要求學(xué)生理解和掌握將連續(xù)的模擬被控對象轉(zhuǎn)化為離散模型的原理和方法，采用不同的離散方法，如雙線性變換法、脈沖響應(yīng)不變法（Ｚ變換法）、階躍響應(yīng)不變法（具有采樣－保持器的脈沖響應(yīng)不變法）和零、極點匹配Ｚ變換法等，并對比控制結(jié)果，分析各種方法的優(yōu)劣。
2.3控制律設(shè)計模塊
要求學(xué)生理解和掌握ＰＩＤ控制、最少拍控制、有限拍無紋波控制的區(qū)別、原理以及控制器編譯算法。在已知被控對象數(shù)學(xué)模型的前提下，根據(jù)離散系統(tǒng)理論，采用直接設(shè)計法對計算機控制系統(tǒng)進行分析，綜合設(shè)計出數(shù)字控制器的傳遞函數(shù)。利用ＶＣ＋＋軟件的靈活性，可以實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的各種控制律。３．４閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試要求學(xué)生通過上機調(diào)試，對誤差精度進行分析，調(diào)整并確定不同控制律下數(shù)字控制器編譯算法中的相關(guān)參數(shù)，以達到期望的控制結(jié)果。
3實驗的組織和實施模塊
“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機器人行走控制系列實驗設(shè)計了４個實驗項目，共計２０學(xué)時。要求學(xué)生自學(xué)ＶＣ＋＋編程，掌握基本的編程操作。本實驗適用于電氣工程自動化專業(yè)、機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)（大三、大四學(xué)生）。實驗課時安排如下：（１）整定模擬機電系統(tǒng)參數(shù)，搭建整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（４個學(xué)時）；（２）連續(xù)系統(tǒng)離散化，對整個采樣控制系統(tǒng)中的模擬環(huán)節(jié)如控制電機等進行離散化（２個學(xué)時）；（３）設(shè)計數(shù)字控制系統(tǒng)的控制律，可以按數(shù)字ＰＩＤ控制、最少拍控制、有限拍無紋波等多種控制算法編制程序（１０學(xué)時）；（４）閉環(huán)調(diào)試，按給定的計算機閉環(huán)控制指標(biāo)進行速度回路設(shè)計并進行實際控制測試（４個學(xué)時）。
4結(jié)束語
基于計算機控制技術(shù)的“ＶｏｙａｇｅｒＩＩＡ”機器人行走控制系列實驗，彌補了計算機控制技術(shù)課程以驗證性實驗為主的歷史，學(xué)生只有將課堂知識靈活應(yīng)用于實際控制系統(tǒng)才能完成實驗。學(xué)生成為實驗的主體，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。
作者：閆明明 楊平 熊靜琪 單位：電子科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院