基于“計算機控制技術(shù)”的機器人行走控制實驗設(shè)計

閆明明，楊 平，熊靜琪

(電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731)

“計算機控制技術(shù)”是一門理論性、設(shè)計性、實踐性很強的專業(yè)方向課，涉及到計算機控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，同時又與實際工程控制聯(lián)系緊密。學生在學習的過程中普遍反映理論知識枯燥，尤其在數(shù)字控制器的設(shè)計方法和應(yīng)用中，以及如何實現(xiàn)基于各種控制律的計算機控制方面，理解起來比較困難。因此在教學過程中應(yīng)將數(shù)字控制器設(shè)計方法和實際計算機控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過理論知識與實踐活動的有機結(jié)合，培養(yǎng)學生解決實際計算機控制問題的能力[1-3]。鑒于此，基于“Voyager IIA”機器人擁有完全體現(xiàn)模塊化的設(shè)計理念，可以為高校教師提供可擴展、易裁剪、量身定做的智能移動機器人教學科研平臺的基礎(chǔ)，我們開發(fā)了微機控制機器人[4-6]行走系列實驗。本系列實驗以PC機為控制計算機，采用數(shù)字PID控制、最少拍控制、有限拍無紋波控制等方法對“Voyager IIA”機器人的行走速度進行控制，設(shè)計“Voyager IIA”智能機器人行走控制實驗，實現(xiàn)基于閉環(huán)控制的機器人的勻速行走。采用VC++語言編制計算機內(nèi)的控制律。

1 實驗前先學課程以及必備知識

本實驗前的先學課程有工程控制基礎(chǔ)、微機原理及應(yīng)用、數(shù)字電路、模擬電路、信號與系統(tǒng)、計算機控制技術(shù)、C語言編程等。實驗涵蓋計算機控制系統(tǒng)[7-9]硬件平臺搭建，分析引入計算機后產(chǎn)生的問題，如連續(xù)系統(tǒng)離散化、采樣、零階保持器的影響等；在計算機實現(xiàn)方面，學習如何建立實際物理系統(tǒng)數(shù)學模型，設(shè)計控制方案，設(shè)計PID控制、最少拍控制、有限拍無紋波控制等數(shù)字控制律，以及數(shù)字控制律的軟件實現(xiàn)、閉環(huán)控制調(diào)試等。

2 實驗內(nèi)容

本系列實驗中，“Voyager IIA”機器人使用的電機是90 W空心杯伺服電機，是直流電機。“Voyager IIA”機器人實物如圖1所示。要求學生學會從實際對象中抽象出數(shù)學模型，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。

圖1 “Voyager IIA”機器人實物

本實驗對“Voyager IIA”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[10]。學生自主設(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，學會解決實際控制系統(tǒng)應(yīng)用中的各種控制問題[11-12]。

3 實驗?zāi)K

本實驗分為4個主要模塊。

3.1 搭建系統(tǒng)控制模型模塊

要求學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)。

圖2 系統(tǒng)控制模型框圖

3.2 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。

3.3 控制律設(shè)計模塊

要求學生理解和掌握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。

4 實驗的組織和實施模塊

“Voyager IIA”機器人行走控制系列實驗設(shè)計了4個實驗項目，共計20學時。要求學生自學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)學模型(4個學時)；

(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學時)；

(4) 閉環(huán)調(diào)試，按給定的計算機閉環(huán)控制指標進行速度回路設(shè)計并進行實際控制測試(4個學時)。

5 結(jié)束語

基于計算機控制技術(shù)的“Voyager IIA”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。學生成為實驗的主體，充分調(diào)動了學生的積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)了學生的學習熱情，培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。

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