基于LQR球杆系统的控制方法研究与设计仿真(14)
球杆系统中采用的驱动器为直流伺服电机，具有响应快、低速平稳性好、调速精确，调速范围宽等优点，能够控制横杆的倾斜角大小变化，直流电机的速度可以通过加在电枢上的端电压以的大小变化来调节。直流电机转速控制回路可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，由于励磁线圈电感动态响应较差，所以这种控制方法用得很少；电枢电压控制法在随着电力电子技术的进步，应用技术成熟。改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(Pulse Width Modulation)是常用的一种调速方法。PWM是通过使用高分辨率计数器，产生的方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码，在测量、通信到功率控制与变换的许多领域广泛应用，其优点是从控制器到被控系统信号都是数字形式，不需进行数模转换，将噪声影响降低至最小，同时PWM具有实现变频变压反抑制谐波的特点。
电机的运动通过 IPM100 智能伺服驱动器进行控制，IPM100 是一个智能的高精度、全数字的控制器，内嵌 100W 的驱动电路，适合于有刷和无刷电机。基于反馈控制原理，在得到传感器信号后，对信号进行处理，然后给电机绕组施加适当的 PWM 电压信号，这样，一个相应的扭矩作用于电机轴，使电机开始运动，扭矩的大小决定于用户程序中的控制算法。IPM100 除了板载的用于放大控制信号的驱动放大器和 PWM 调制电路，还有一个全数字的 DSP 处理芯片、内存以及其它逻辑元件，有了这些，就可以实现先进的运动控制技术和 PLC 的功能，它产生实时的轨迹路径，实现闭环伺服控制，执行上位机的操作命令，完成板载 IO 信号的处理，所有这些都依照储存器的程序指令或是主机的在线命令执行，这种嵌入式的智能控制可以提供一个实时性非常好的控制效果，即使因为 PC 的非实时操作系统而产生延时的情况下。
IPM100 安装于控制箱内部，通过 RS232 和上位计算机进行通讯，直流电源也置于控制箱内部。
上位PC机功能模块中的应用程序在MATLAB平台中实现，负责控制算法的实现、小球控制位置的输入、以及小球状态和电机状态等信息的可视化显示。应用程序中的控制算法是整个系统的灵魂，球杆的控制效果与控制算法紧密相关。
6.2 球杆系统的一般物理实现
球杆非线性系统由于其模型的广义性，所以国内外许多高校自动化实验室的专家学者、研究生和本科生常把它用做一种典型的被控过程来研究。笔者所在的实验室已配备了固高公司生产的GBBl004球杆系统教学设备。此系统为一个单输入(电机转角)、单输出(小球位移)系统，输入量利用伺服电机自带角度编码器来测量，输出量由轨道上电位器的电压信号来获得。系统组成原理图如图6.2所示：
图6.2 球杆系统组成原理图
整个系统的控制过程是：光电编码盘将电机角速度信号反馈给IPM100智能伺服驱动器，小球的位移、速度信号由直线位移传感器反馈。智能伺服控制器可以通过RS232接口和计算机通讯，利用鼠标或键盘可以输入小球的控制位置和控制参数，通过控制决策计算输出（包括直流伺服电机转动方向、转动速度、加速度），并由IPM100智能伺服驱动器来实现该控制决策，产生相应的控制量，使直流伺服电机转动，带动连杆运动，使小球稳定在目标位置。
在实际控制系统设计过程中，其完整的流程应包括理论研究、仿真调试及最终的实时控制，而实时控制是目前许多控制方法最欠缺的环节。鉴于此，本章将针对基于固高科技公司生产的球杆系统模型，尝试实时控制。
6.3 基于频率响应的实时控制