旋转电机一级倒立摆

1、旋转电机一级倒立摆实验指导书头验三 旋转电机一级倒立摆头验一、实验目的倒立摆是一个绝对不稳定的系统，为使其保持稳定并且可以承受一定的干扰， 需要给系统设计控制器，学习比例、积分和微分作用对系统性能的影响，学习如何根据系统的性能来建立系统模型。二、实验设备1、旋转电机一级倒立摆系统一套2、电脑一台三、实验内容1、旋转电机位置测试实验1）打开合动智能提供的RotateMotorPositi on Test.slx文件。Sftud GUIdnlamotorGUI DataGot_GUlddid100041,' lilSand GUldtaLEDiiiilidkrMotor Position&

2、gt;|ln1 Oui1 |motor二HD-Write7 DOOM 2零mm 0.00000 742SrTm旋转电机位移测试Simlink模型2）点击於"或者按ctrl+B将此模型编译，生成目标代码，当Simulink 左Rwdy下角状态变为LED小灯是否闪烁，保证程序已经正常运行。，表示程序已经烧写到主控板中。首先观察主控板上的3）然后我们打开cSPACE上位机控制界面旦。运行程序后弹出如下界面。cSPACE上位机监控界面图HQpeMolion cSPACE Userlnterfiace4）勾选通道1、通道2、通道3、通道4 （都要勾选才能正常显示数据），然 后点击左侧“选择串口

3、”，通过电脑的“设备管理器”下的“端口”查看 CH340 所使用的端口，在该界面内选择。选择上位机通道5）点击左上角的“运行”按钮。观察第一个和第二个空白窗口，第一个 窗口的值是否为0，第二个窗口的值是否为0。6）按下倒立摆系统启动开关，然后用手来回滑动倒立摆系统的小车，同时观察第一个窗口生成的小车轨迹变化（生成一个来回震荡的曲线）。注：倒立摆系统上电时刻旋转电机的位置为起始位置，需要事先将小车的位置移动到中间位置，由于硬件设置，小车的正方向为左，负方向为右。为防止摆 杆打到人，这里不需要按下倒立摆系统的启动开关， 因为上电时刻旋转电机会有 往一个方向冲击，导致摆杆会摆动。WIHIHopeMo

4、tion cSPACE U&erInterface手动来回移动旋转电机对应的曲线图如果单位为米的第二个窗口数据太小不好观测，可以乘以100的系数，方便显示观察数据变化。7）记录实验结果，分析实验数据并完成实验报告。2、旋转电机PID控制跟踪正弦轨迹实验1）打开合动智能提供的RotateMotorPIDTrackingSine.slx文件。怜讥irm Inibikhr-IDC2HH-Mwie 14f 口rt.MJMng>|iTkw iTrtKTTkr-U想忖買I FirtXT HP-WIhl QXSerd Q4JldKalGBt_GLNIki£al&Bn<j

5、_Glilda1aT GUmann气- i I讥I川u ri_ =nDwnw旋转电机PID控制跟踪正弦曲线Simlink模型2）其中Sine Wave模块为离散的Sine模块，其主要的参数如下，将幅值设3 ine- Wa veSine Wave 模块为1、频率设为2、采样时间设为0.005，其他参数默认。将Sine Wave模块连接Scope模块，仿真查看目标曲线。通过仿真曲线可以看出，周期为0.5s，幅值为13）其中HM-Write1模块里面的模型如下，该模块的主要的功能是获取上位 机Writerl写入的数据，因为上位机写入的数据只能是整数，为了方便调节所以 这里乘以0.1的系数。注意该模型

6、的数据都乘以了一个 0.1的系数。HM-Write1模块内部结构GD4）下图的主要功能是旋转电机位置与目标曲线求差得到偏差值，然后在后 面进行PID控制。求偏差值5）PID控制模型如下，图中的数据是参考值，其中Derivative模块表示的是离散式的微分。PID控制系数都由通过上位机软件给定PID控制系数6）上图HM-Write15模块表示的是上位机软件 Writer15使能信号，主要功 能是当上位机软件 Writer15置1的时候Get_GUIData15得到为1的数据在乘以 PID控制输出的量，即正常输出数据；当上位机软件Writer15置0的时候Get_GUIData15得到为0的数据在

7、乘以PID控制输出的量，表示无输出。当 Saturation模块功能是限幅，将输入量限制在一个范围内，当输入的数据超过限 定的最大值时，该模块输出的是限定的最大值；当输入的数据超过限定的最小值 时，该模块输出的是限定的最小值。Writer 15上位机Writer15输入控制QDIn1gt GUIData15SaturationHM -Write15模块内部结构7）如下模块的功能是将限幅后的 PID控制量通过cSPACE硬件发送给驱动器，实现对电机的控制Comnandl输出给电机的控制量eCAN发送模块8）理解上面的控制模型后，点击歯或者按Ctrl+B将此模型编译，生成目标代码，当Simulin

8、k左下角状态变为 ，表示程序已经烧写到主控板中。首先观察主控板上的LED小灯是否闪烁，保证程序已经正常运行。9）然后我们打开cSPACE上位机控制界面昌。运行程序后弹出如下界面cSPACE上位机监控界面图10） 勾选通道1、通道2、通道3、通道4 （都要勾选才能正常显示数据）， 然后点击左侧“选择串口”，通过电脑的“设备管理器”下的“端口”查看CH340 所使用的端口，在该界面内选择。11）点击左上角的“运行”按钮，。观察四个窗口的数据，第一个窗口显 示的是理想的正弦曲线，第二个窗口显示的是旋转电机位置的曲线， 第三个是跟踪误差，第四个是驱动器返回的信息丘-工匚 I l CQMJntAB 2理

9、4选择上位机通道12）上位机给定的数据：Writerl表示正弦曲线幅值的增益设为 300, Writer2 表示的是比例系数P= -120、Writer3表示的是微分系数D= 0、Writer4表示的是 积分系数1=0。（这里的PID系数只是参考值，可以自己调节）。点击下方的 Download按钮，然后按下倒立摆系统启动开关，得到如下数据曲线。nwi ifBT上位机下发数据及获取到的数据曲线13）从上图的第三个窗口可以看见跟踪误差较大，故将D设为-10,下发数据，观看数据。从图中可以看出跟踪误差已减少，说明微分项起作用了。改变微分系数D=20的数据曲线14） PID控制系数可以自行设定，分析每

10、次改变输入量后调节的实验现象, 记录实验结果并完成实验报告。3、旋转电机一级倒立摆PID稳摆控制实验1）打开合动智能提供的Sin glel nvertedPe ndulumPID.sIx文件。Uk>IW 口犢7lit! M+TIni CudlmmLL3吗Mwn lAlEldfiKDfF'.atmlHEW轴Bettisr« pMduhxH-EIWpcrikLjfn*dOOCKBG&_GUIDa1ja1jSend_&JI±£a |1HD驰*iasa11_1TITsafe-45DPID稳摆控制Simulink模型2）前面已经对旋转电机和摆杆

11、角度的获取已经介绍过了，这里主要讲解如PID控制参数3）上图表示的是电机位置、电机速度、摆杆角度、摆杆角速度对应给定控制量的上位机数据输入接口。HM-Writer1、HM-Writer2、HM-Writer3、HM-Writer4模块的控制量内部结构都如下结构。Get GUIData2'4）下图表示的是电机位置、电机速度、摆杆角度、摆杆角速度经过相加后 输出给电机作为电机的控制量，其中Angle表示当摆杆角度的绝对值小于25时, 正常输出控制量，否则输出量为0,即当倒立摆系统上电后，将控制参数写入后， 只需将摆杆顺时针转到25°左右就会切换到稳摆状态。首先观察主控板上的LED

12、小灯是否闪烁，保证程序已经正常运行cSPACE上位机监控界面图7）勾选通道1、通道2、通道3、通道4 （都要勾选才能正常显示数据），然后点击左侧“选择串口”，通过电脑的“设备管理器”下的“端口”查看 CH340 所使用的端口，在该界面内选择。选择上位机通道8）点击左上角的“运行”按钮|。观察四个窗口的数据，第一个窗口显示的是旋转电机的位移曲线（单位为mm）,第二个窗口显示的是摆杆角度的曲线（单位为°）,第三个窗口显示的是电机的控制量，第四个是驱动器返回的信息。9） 需要验证仿真得到的数据是否能用在实物平台上，先令Writer仁0、 Writer2= 0、Writer3= - 2100

13、、Writer4= -450。然后点击 Downlad 将数据下发至倒 立摆硬件系统中。注：上位机给定的是放大100倍的数据。倒立摆系统上电时刻旋转电机的位置为起始位置，需要事先将小车的位置移动到中间位置。 由于硬件设置，小车的向左为正方向，向右为负方向；摆杆角度顺时针为正，逆时针为负10）当上位机下发数据后，按下倒立摆系统的启动开关，然后需要人为将摆杆由竖直向下顺时针转到竖直向上状态（即摆杆角度有-180变化到0 °）Hope Motion cSPACE User Interlace琶Kl*I11）摆杆便能实现稳摆控制。得到如下数据曲线。°°GMEHI12）然后令 Writer仁 1500、Writer2= 1300、Writer3= - 2100、Writer4= -450,然后点击Downlad将数据下发至倒立摆硬件系统中E卄|"I词霊*ft- - - - _Ha1 7 事卩9»212|.1!414上位机下发PID控制量13）当上位机下发数据后，按下倒立摆系统的启动开关，然后需要人为将摆杆由竖直向下顺时针转到竖直向上状态（即摆杆角度有-180°变化至到0°）in帕乃vnk-14)*iih摆杆顺时针转到竖直向上位置的曲线图HopeM