孟德遠 李順利 陳冬梅

摘? 要 為加強控制工程基礎課程的實驗教學，設計氣動伺服系統(tǒng)實驗教學平臺，詳細介紹平臺的結構。采用快速控制原型技術，設計系統(tǒng)機理分析建模與實驗驗證、系統(tǒng)辨識與頻率特性、系統(tǒng)校正三個實驗，學生不用編寫復雜的底層程序，專注于理論實踐，有助于提高實踐教學質量。

關鍵詞 控制工程基礎;快速控制原型;氣動伺服系統(tǒng)實驗教學平臺;MATLAB;Simulink

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489x（2021）04-0026-04

Design of Experimental Teaching Setup for Pneumatic Servo System based on Rapid Control Prototyping//MENG Deyuan， LI Shunli， CHEN Dongmei

Abstract In order to improve the quality of the experimental tea-ching for the course Introduction to Control Engineering， an experi-mental setup of pneumatic servo system is designed and introduced. By using the developed setup， system modeling and validation expe-riment， system identification and frequency response experiment， and control algorithm experiment are developed. Since the rapid con-trol prototyping technology is employed， students can focus on theorypractice， other than the complex coding job.

Key words introduction to control engineering; rapid control proto-typing; experimental teaching setup of pneumatic servo system; MAT-LAB; Simulink

0 前言

控制工程基礎是機械工程專業(yè)的主干課程，主要講授控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型、時域瞬態(tài)響應分析、頻率特性、穩(wěn)定性分析、誤差分析和計算、綜合與校正等內容，對學生繼續(xù)學習與機電控制相關課程及從事機電一體化工作非常重要[1]。該課程具有內容豐富、概念抽象、過程理解及學以致用難度大等特點，為激發(fā)學生學習興趣、提高教學效率，各高校普遍重視實驗教學質量。但目前課程實踐教學內容和平臺數(shù)量存在顯著不足，在教學過程中大多讓學生使用運放電路模擬典型環(huán)節(jié)并進行瞬態(tài)響應、頻率特性和系統(tǒng)校正實驗，與機械專業(yè)脫節(jié)嚴重[2-3]。為避免課程教學和專業(yè)背景的割裂，迫切需要構建新的實驗平臺，培養(yǎng)學生建立機電系統(tǒng)數(shù)學模型、分析系統(tǒng)動態(tài)性能和設計機電系統(tǒng)控制器的能力。

與電氣和液壓系統(tǒng)相比，氣動伺服系統(tǒng)復雜程度適中且安全可靠，非常適合用作機械專業(yè)學生的控制課程實踐教學。此外，氣動伺服系統(tǒng)因具有功率—質量比大、清潔、結構簡單、易維護等優(yōu)點，在機器人、工業(yè)自動化和醫(yī)療器械等領域應用廣泛[4-5]。因此，本文開發(fā)基于氣動伺服系統(tǒng)的控制實驗教學平臺，為讓學生免去編寫復雜的底層程序，從而專注于系統(tǒng)建模、特性分析、控制器設計與驗證，該平臺采用快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）技術。

1 氣動伺服系統(tǒng)實驗教學平臺架構

圖1是本文搭建的氣動伺服系統(tǒng)實驗教學平臺，圖2是系統(tǒng)架構示意圖，兩個無桿氣缸（DGC-25-500-G-PPV-A）垂直布置，X軸驅動氣缸在上，一端與Y軸驅動氣缸的滑塊固定，另一端與滑動導軌相連。末端執(zhí)行器固定于X軸驅動氣缸的滑塊，該平臺可以控制其在X—Y兩個方向500 mm×

500 mm范圍運動。兩軸的驅動氣缸各由一個Festo公司的比例方向控制閥（MPYE-5-1/8-HF-010B）控制，氣缸兩腔壓力及控制閥供氣口的壓力由Festo公司的壓力傳感器（SPTW-P10R-G14-VD-M1）檢測，采用MTS公司的磁致伸縮位移傳感器（RPS0500MD601V 810050）測量氣缸活塞的位移和速度。位移測量重復精度小于±0.001%FS（最小±2.5 μm），速

度測量精度為0.1 mm/s，壓力測量精度為±1%FS。氣源壓力由三聯(lián)件調節(jié)，并利用一個14 L的氣容保證比例方向控制閥在工作時供氣口壓力不出現(xiàn)大的波動。

各傳感器信號的讀取和控制算法的實現(xiàn)利用dSPACE（DS1103）系統(tǒng)完成。dSPACE的代碼生成工具TargetLink可以直接MATLAB/Simulink/Stateflow生成代碼。Control-Desk試驗工具軟件包可以與實時控制系統(tǒng)進行交互操作，如調整參數(shù)、顯示系統(tǒng)的狀態(tài)、跟蹤過程響應曲線等，提高實驗效率。

2 實驗流程

本平臺采用的快速控制原型系統(tǒng)采購自德國的dSPACE公司，主要包括實時控制器（DS1103）一套、數(shù)據(jù)采集與實驗管理軟件（ControlDesk）一套、控制器硬件I/O接口庫軟件（Real-Time Interface rti1103）一套。I/O接口庫實現(xiàn)實時控制器硬件與MATLAB/Simulink的無縫連接，利用Simulink的圖形化編程環(huán)境，學生可以很容易編程操控實時控制器，從而獲取各傳感器的測量值，同時控制比例方向控制閥。ControlDesk用于對實驗過程進行綜合管理，可以與實時控制器進行交互操作，功能包括對實時硬件的可視化管理、建立和管理虛擬儀表、變量的可視化管理、控制參數(shù)在線調整、實驗過程的可視化管理等。利用上述工具可以完成系統(tǒng)建模、分析、控制器性能驗證等全部實驗，過程如圖3所示，具體步驟如下。

1）根據(jù)具體實驗目的和方案，將需要使用的傳感器接至DS1103的模擬量輸入口（AI），將比例方向控制閥的控制電纜與DS1103的模擬量輸出口（AO）相連。

2）利用Simulink編寫程序：從I/O接口庫導入步驟1所用AI口對應的A/D模塊，獲取傳感器數(shù)據(jù);控制算法使用Simulink模塊庫，通過圖形編程實現(xiàn)，根據(jù)傳感器測量的系統(tǒng)狀態(tài)決定控制量大小;從I/O接口庫導入步驟1所用AO口對應的D/A模塊，將控制量轉化為電壓信號施加給比例方向控制閥。

3）基于MATLAB/Simulink的Real Time Workshop技術和dSPACE的代碼生成工具TargetLink，對步驟2編寫的Simulink框圖程序進行RTW Build，生成可執(zhí)行代碼并下載至實時控制器。

4）利用ControlDesk對實驗進行管理，完成控制參數(shù)調整和狀態(tài)參數(shù)的獲取。

5）利用MATLAB對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，優(yōu)化控制算法，返回步驟2。

3 實驗內容設計

考慮控制工程基礎課程內容和實驗課時，利用搭建的氣動伺服系統(tǒng)實驗教學平臺，本文設計系統(tǒng)機理分析建模與實驗驗證、系統(tǒng)辨識與頻率特性、系統(tǒng)校正等三個實驗。

系統(tǒng)機理分析建模與實驗驗證? 此實驗要求學生使用機理分析方法建立系統(tǒng)的線性數(shù)學模型，并對模型進行實驗驗證。首先要求學生參閱文獻[5]完成氣動伺服系統(tǒng)的機理建模，然后利用理論課講授的非線性模型的線性化方法，計算求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型：

式中n0、n1、d1、d2、d3、d4為與系統(tǒng)結構參數(shù)有關的變量，具體計算公式見文獻[6]。

編寫圖4所示程序，利用仿真和實驗分別獲得系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)瞬態(tài)響應，通過結果對比驗證模型的正確性，如圖5所示，并分析結構參數(shù)對瞬態(tài)響應的影響以及模型誤差的產(chǎn)生原因。

系統(tǒng)辨識與頻率特性? 系統(tǒng)辨識是用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息來直接建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，氣動伺服系統(tǒng)是開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，故需要采用閉環(huán)辨識方法，圖6為程序示例。通過閉環(huán)控制使氣缸定位到期望工作點附近（簡單的P控制即可），然后加入噪聲信號（M序列，循環(huán)周期255、由8位移位寄存器產(chǎn)生，幅值為1.5 V），使氣缸在工作點附近運動，采集比例方向閥的控制輸入和氣缸的位移，利用MATLAB的System Identification工具箱進行辨識，得到系統(tǒng)在該工作點附近的傳遞函數(shù)模型。

系統(tǒng)辨識建模還可以通過頻率特性實驗實現(xiàn)，程序示例如圖7所示。與上面類似，首先通過閉環(huán)控制使氣缸定位到期望工作點附近（簡單的P控制即可），然后利用MAT-

LAB的“idinput”命令產(chǎn)生一個正弦和信號（由1 000個正弦頻率分別在0.01～100 Hz區(qū)間的正弦信號疊加）給系統(tǒng)。采集比例方向閥的控制輸入和氣缸的位移，用“fft”命令計算系統(tǒng)輸入和輸出的波譜（Spectrum），然后將數(shù)據(jù)導入System Identification工具箱求解系統(tǒng)的頻率特性曲線。

系統(tǒng)校正? 首先讓學生嘗試理論教學所講授的校正方法。氣動伺服系統(tǒng)為I型系統(tǒng)，理想情況下可實現(xiàn)零定位誤差，實際因為受摩擦力影響，存在穩(wěn)態(tài)誤差。為減小穩(wěn)態(tài)誤差，必須增大增益，但由于阻尼比較小，容易引起超調、震蕩，增益過大時，系統(tǒng)會失穩(wěn)。為了在系統(tǒng)穩(wěn)定前提下進一步提高增益，可以對系統(tǒng)進行滯后校正（PI控制），即添加一個（1/4～1/5）ωn零點和一個（1/40～1/50）ωn極點，程序示例如圖8所示。校正后系統(tǒng)阻尼特性仍然很差，獲得高穩(wěn)態(tài)精度的代價是超調大，即瞬態(tài)性能差，如圖9所示。

4 結語

氣動系統(tǒng)具有很多不利于精確控制的弱點，如強非線性、參數(shù)時變性和模型不確定性等，所以采用經(jīng)典控制理論講解的校正方法，系統(tǒng)性能肯定不理想。借助本實驗平臺，結合工程實際問題的分析通過實驗開展實踐性啟發(fā)教學，鼓勵學生在基本實驗的基礎上嘗試運用先進的控制算法來提高控制性能，可以提高學生學習的熱情，增強學生的創(chuàng)新意識?！?/p>

參考文獻

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[3]邵強，葛平淑，張江燕，等.《控制工程基礎》課程的教學改革與探索[J].高教學刊，2017（3）：116-117.

[4]陶國良，劉昊.氣動電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[5]孟德遠.氣動伺服位置控制[M].北京：科學出版社，2020.

[6]陶國良.電—氣比例/伺服連續(xù)軌跡控制及其在多自由度機械手中的應用研究[D].杭州：浙江大學，2000.

3588501908251