磁粉实验报告(北京理工大学)

高等自动控制系统实验 磁粉加载装置的驱动与控制设计实验学院：自动化学院姓名：学号：磁粉加载装置的驱动与控制设计实验一、实验要求1、以直流力矩电机作为控制对象，实现电机的位置及速度控制。2、通过实验台的加载装置为被控电机施加负载，负载的大小控制由同学自己完成。可以手动完成，也可自动加载。3、至少采用两种控制算法，实现电机的闭环控制。其中PID控制为必选，其它算法由同学根据情况自定。4、编写测试软件，通过实验台所提供的必要的传感器对控制算法做出性能测试及评价。测试指标包括：阶跃响应的上升时间、超调量、过渡过程时间等；正弦跟踪的幅值衰减、相位滞后等。5、控制器硬件系统可由工控机、DSP（TI28335开发板）实现，同学可以任选其一。性能测试系统在工控机上通过可视化编程语言编写。二、 实验平台1、 控制对象本次实验的被控对象为一个直流电机，通过减速机连接磁粉制动器作为负载三者同轴连接。电机的位置与速度信号由安装在系统上的光电编码器测得。2、 操作平台本实验采用实验室的电机伺服控制与测试实验台作为操作平台，被控系统的反馈信号以及控制器发出的控制信号都在实验台上进行了信号调理，只需在控制面板上进行不同的连线方式就能组建完成各种实验。3、 控制器根据实验要求，选用工控机作为实验控制器。利用工控机在连线正确的基础上，通过AD/DA转换进行数据的读取和发送就能对被控系统进行控制。4、 可视化编程工控机上提供了VC6.0作为程序开发软件，通过VC6.0不仅能够进行控制算法的实现，还能将系统的控制量和反馈量以及误差信息显示在窗口中并进行绘图操作，使得控制效果一目了然，控制性能能够从图中获得直观感受。三、 实验原理系统原理图如下所示：图1系统原理图首先由工控机给定控制量，通过实验台上的DA接口输出到直流电机，电机带动负载一起转动，同时编码器对电机转速进行实时数据测量，工控机通过AD对编码器数据进行实时采集，然后通过给定与反馈之间的误差通过采用的控制算法重新输出控制量，使电机最终达到期望控制效果。计算机中控制算法的实现是控制系统的核心内容，目前典型的自动控制算法有：PID控制、根轨迹以及频率响应法、状态空间法、最优控制理论、模糊控制理论、神经网络控制、拟人智能控制、鲁棒控制方法、自适应控制，以及这些控制理论的相互结合组成更加强大的控制算法。由于模型具体参数未知，本实验采用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。由于实验室提供了工控机AD/DA的初始化及相关数据采集与输出程序，因此我们的主要工作在于控制算法的实现。根据实验要求，我们组成员分别采用了常规PID控制算法和模糊控制算法对控制系统进行测试。四、实验内容在实验过程中，根据小组分工，我只涉及模糊控制算法的编写和调试，因此在以下内容中会详细介绍模糊控制的实现过程，仅列出了PID控制算法的实验截图。1、PID控制实际仿真结果图

14 4S314 4S3图3跟踪正弦信号2、模糊控制在MATLAB中搭建仿真框图h25/65F■h25/65F■图4MATLAB中SIMULINK仿真图Motor2为负载扭矩对输出的传递函数。选择误差和误差变化量为控制输入，电压为控制输出，都取5个模糊子集MATLAB控制规则:

MATLAB控制规则:图6控制规则图像MATLAB仿真控制效果：图7跟踪阶跃信号图8跟踪正弦信号图7跟踪阶跃信号图8跟踪正弦信号模糊控制对于实际经验有一定的要求对应VC程序代码如下：floatfuzzyCtrlfkp(floaterror,floatderror){floatu_out;//定义输出//限制误差和误差变化的上下限if(error>30){error=30;}if(error<-30){error=-30;}if(derror>150){derror=1500;}if(derror<-150){derror=-1500;}//归一化处理error=error/30;derror=derror/150;//初始化各隶属度的值floate[5]={-1.0,-0.5,0.0,0.5,1.0};//误差隶属度函数5个中心值floatde[5]={-1.0,-0.5,0.0,0.5,1.0};//误差变化隶属度函数5个中心值floatu[5]={-1.0,-0.5,0.0,0.5,1.0};//输出隶属函数5个中心值//求取隶属度e[0]=exp(-40/2*pow(error+1,2));e[1]=exp(-40/2*pow(error+0.5,2));e[2]=exp(-40/2*pow(error,2));e[3]=exp(-40/2*pow(error-0.5,2));e[4]=exp(-40/2*pow(error-1,2));de[0]=exp(-40/2*pow(derror+1,2));de[1]=exp(-40/2*pow(derror+0.5,2));de[2]=exp(-40/2*pow(derror,2));de[3]=exp(-40/2*pow(derror-0.5,2));de[4]=exp(-40/2*pow(derror-1,2));//控制规则表，计算中未用到，以后可改进floatrule[5][5]={{2,2,2,1,-2},{2,1,1,0,-2},{2,1,0,-1,-2},{2,0,-1,-1,-2},{2,-1,-2,-2,-2}};////采用极大极小法进行模糊推理MAX是编写求数组极大极小的函数_MIN是库函数floatu0[7]=={_MIN(e[4],de[4]),_MIN(e[4],de[3]),_MIN(e[4],de[2]),_MIN(e[4],de[1]),_MIN(e[4],de[0]),_MIN(e[3],de[4]),_MIN(e[2],de[4])}；floatu1[4]={_MIN(e[3],de[3]),_MIN(e[3],de[2]),_MIN(e[2],de[3]),_MIN(e[1],de[4])};floatu2[3]={_MIN(e[1],de[3]),_MIN(e[2],de[2]),_MIN(e[3],de[1])};floatu3[4]={_MIN(e[1],de[1]),_MIN(e[1],de[2]),_MIN(e[2],de[1]),_MIN(e[3],de[0])};floatu4[7]={_MIN(e[0],de[0]),_MIN(e[0],de[1]),_MIN(e[0],de[2]),_MIN(e[0],de[3]),_MIN(e[0],de[4]),_MIN(e[1],de[0]),_MIN(e[2],de[0])};u[0]=MAX(u0);u[1]=MAX(u1);u[2]=MAX(u2);u[3]=MAX(u3);u[4]=MAX(u4);/*重心法解模糊*/u_out=(u[0]*(-1.0)+u[1]*(-0.5)+u[3]*(0.5)+u[4]*(1.0))/(u[0]+u[1]+u[2]+u[3]+u[4]);//对应归一化的还原u_out=u_out*10.0;return(u_out);

实际控制效果：册131.10.9D.80.60,4II?”亠 ..J・/I <no-0.6-0.8-D.9小1-1.3讯 llfi 2D7 27G J④ 4图9跟踪阶跃信号图10跟踪正弦信号3、控制性能分析1、 采用PID控制：由响应曲线得出：系统阶跃响应的上升时间为3s,超调量为0.3；过渡时间为1.2s。正弦跟踪幅值衰减为0.01V（对应地可转换为转速）；波形跟随时滞后Is,正弦波的角速率w为0.7,相位滞后40度。2、 采用模糊控制：由响应曲线得出：系统阶跃响应的上升时间为0.8s，超调量为0；过渡时间为3s。正弦跟踪幅值衰减为-0.01V（对应地可转换为转速）;波形跟随时滞后0.8s，正弦波的角速率w为0.7,相位滞后20度。4、程序界面

-1-H-H址际引'■'IFI?.：-图11人机界面「:±ln=-1-H-H址际引'■'IFI?.：-图11人机界面「:±ln=r-：L=|=.=T-愛■'：媚拧tt廿Vf开松ElMotarWl1口回目rttj准r-五、实验总结首先，感谢实验课老师提供这么宝贵的实验机会，让我们不但对PID控制和模糊控制算法有了进一步理解，也对VC6.0编程环境下新建MFC工程、编写VC人机交互界面有了一定的认识，编写电机的控制程序控制电机的过程让我们体会到了软硬件的结合。其次，在实验过程中，我们也遇到了一些问题。比如：系统的输出基本保持了正弦波的形状，但是