CN104731090A - 一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：它包括参数设定及观测单元、微处理器控制单元、执行单元和运动姿态采集单元。本发明以俯仰角作为控制对象，以无刷电机和旋翼为执行机构，因此响应速度快，简单易用，能耗低，并可在短时间内多次重复进行实验。另外，执行单元包括一稳定底座、两支撑臂、一飞行器模型、两无刷电机、两旋翼和两电子调速器，结构简单且成本低。因此，本发明可以广泛用于高校控制类教学实验。

Description

一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置

技术领域

本发明涉及一种用于自动控制理论方法验证的实验装置，特别是关于一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置。

背景技术

自动控制理论实验装置是一种在高校实验室中用于用户实际验证自动控制方法的教学实验装置，广泛应用于高校测量和控制类专业的实验教学领域。经典的自动控制方法实验装置有如温度自动控制实验装置，由于以电热丝为执行机构，以温度为控制对象，结构复杂、控制过程较为漫长、响应速度慢、能耗大、不便于需要多次调整控制参数和需要重复实验的控制方法的验证。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、控制过程较短、成本低、响应速度快、能耗小和可以在短时间内多次重复进行实验的以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：它包括参数设定及观测单元、微处理器控制单元、执行单元和运动姿态采集单元，且执行单元中包括飞行器模型；用户根据欲验证的自动控制算法在所述参数设定及观测单元中设定该自动控制算法的参数、所述执行单元的工作参数和所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角，并传送给所述微处理控制单元；所述微处理器控制单元将所述执行单元的工作参数传送给所述执行单元，所述执行单元按照设定的工作参数运行；同时，所述微处理器控制单元发送控制所述运动姿态采集单元开始工作的信号，所述运动姿态采集单元采集所述执行单元中所述飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度，并将获得的信号传送给所述微处理器控制单元；所述微处理器控制单元根据获得所述飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度，计算所述飞行器模型的俯仰角，并传送给所述参数设定及观测单元显示；用户通过观察所述参数设定及观测单元上显示的所述飞行器模型的期望俯仰角与俯仰角变化曲线，调整该自动控制算法的参数和所述执行单元的工作参数，直到得到所述飞行器模型的俯仰角达到期望俯仰角。

所述参数设定及观测单元包括人机交互界面和自动控制模块；所述人机交互界面用于选择针对所述执行单元中所述飞行器模型的自动控制算法、选择该自动控制算法相应的参数、显示所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角和显示自动控制算法的控制过程曲线；所述自动控制模块内置针对所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角进行控制的自动控制理论方法；用户通过所述人机交互界面选择欲验证的自动控制算法，所述人机交互界面向所述自动控制模块中调取相应的自动控制算法，并在所述人机交互界面上显示；用户输入所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角、所述执行单元的工作参数以及该自动控制算法所对应的参数，并传送给所述微处理器控制单元。

所述微处理器控制单元包括通信模块和信号处理模块；所述通信模块用于实现所述微处理器控制单元和所述参数设定及观测单元之间的通信；所述信号处理模块用于将所述参数设定及观测单元中设定的工作参数传送给所述执行单元，使其按照预定的工作参数工作；并针对所述运动姿态采集单元采集的所述执行单元中所述飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度进行计算，得到所述执行单元中所述飞行器模型的俯仰角，并将其通过所述通信模块传送给所述参数设定及观测单元。

所述执行单元包括一稳定底座、两支撑臂、一所述飞行器模型、两无刷电机、两旋翼和两电子调速器；所述稳定底座上水平间隔固定连接两所述支撑臂的一端，两所述支撑臂的另一端各自转动连接所述飞行器模型的两端；所述飞行器模型的另外两端分别固定连接一所述无刷电机，且所述无刷电机位于所述飞行器模型的同一侧面；每一所述无刷电机的转轴上转动连接一所述旋翼，且每一所述无刷电机电连接一所述电子调速器；所述电子调速器电连接所述微处理器控制单元；所述微处理器控制单元将接收的来自所述参数设定及观测单元传送的工作参数，设定所述电子调速器；通过所述电子调速器使其带动与之电连接的所述无刷电机转动，所述无刷电机的转动带动各自其上设置的所述旋翼转动，使得所述飞行器模型形成俯仰角。

所述飞行器模型包括一体交叉设置的旋转杆和转动杆；所述旋转杆的两端转动连接在所述支撑臂上；所述转动杆的两端固定连接所述无刷电机。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括参数设定及观测单元、微处理器控制单元、执行单元和运动姿态采集单元，且执行单元中包括飞行器模型；用户根据欲验证的自动控制算法在参数设定及观测单元中设定该自动控制算法的参数、执行单元的工作参数和执行单元中飞行器模型的期望俯仰角，并传送给微处理控制单元；微处理器控制单元将执行单元的工作参数传送给执行单元，执行单元按照设定的工作参数运行；同时，微处理器控制单元发送控制运动姿态采集单元开始工作的信号，运动姿态采集单元采集执行单元中飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度，并将获得的信号传送给微处理器控制单元；微处理器控制单元根据获得飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度，计算飞行器模型的俯仰角，并传送给参数设定及观测单元显示；用户通过观察参数设定及观测单元上显示的飞行器模型的期望俯仰角与俯仰角变化曲线，调整该自动控制算法的参数和执行单元的工作参数，直到得到飞行器模型的俯仰角达到期望俯仰角。本发明以俯仰角作为控制对象，并采用以上设置，因此响应速度快，简单易用，能耗低，并可在短时间内多次重复进行实验。2、本发明的执行单元包括一稳定底座、两支撑臂、一飞行器模型、两无刷电机、两旋翼和两电子调速器，结构简单且成本低。因此，本发明可以广泛用于高校控制类教学实验。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明的执行单元和运动姿态采集单元示意图

图3是本发明的执行单元和运动姿态采集单元的工作状态示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括参数设定及观测单元1、微处理器控制单元2、执行单元3和运动姿态采集单元4。

参数设定及观测单元1包括人机交互界面11和自动控制模块12。

人机交互界面11用于选择针对执行单元3中飞行器模型33的自动控制算法、选择该自动控制算法相应的参数、显示执行单元3中飞行器模型33的期望俯仰角和显示自动控制算法的控制过程曲线。自动控制模块12内置针对执行单元3中飞行器模型33的期望俯仰角进行控制的自动控制理论方法中的常用自动控制方法，譬如PID控制、模糊控制等。

用户通过人机交互界面11选择欲验证的自动控制算法，人机交互界面11向自动控制模块12中调取相应的自动控制算法，并在人机交互界面11上显示。用户输入执行单元3中飞行器模型33的期望俯仰角、执行单元3的工作参数以及该自动控制算法所对应的参数，并传送给微处理器控制单元2。

上述实施例中，参数设定及观测单元1可以采用微型计算机。

微处理器控制单元2包括通信模块21和信号处理模块22。

通信模块21用于实现微处理器控制单元2和参数设定及观测单元1之间的通信。

信号处理模块22用于将参数设定及观测单元1中设定的工作参数传送给执行单元3，使其按照预设定的工作参数工作；并针对运动姿态采集单元4采集的执行单元3中飞行器模型33在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度进行计算，得到执行单元3中飞行器模型33的俯仰角，并将其通过通信模块21传送给参数设定及观测单元1。

上述实施例中，信号处理模块22还可以计算出执行单元3中飞行器模型33的角速度和角加速度。

上述实施例中，微处理器控制单元2可以采用具有Cotex M3内核的处理器STM32；通信模块21可以采用电平转换器，用于实现微处理器控制单元2和参数设定及观测单元1之间TTL电平与USB之间的转换。

如图2、图3所示，执行单元3用于根据微处理器控制单元2传送的工作参数进行工作，其包括一稳定底座31、两支撑臂32、一飞行器模型33、两无刷电机34、两旋翼35和两电子调速器36。

稳定底座31上水平间隔固定连接两支撑臂32的一端，两支撑臂32的另一端各自通过轴承转动连接一飞行器模型33的两端，飞行器模型33的另外两端分别固定连接一无刷电机34，且无刷电机34位于飞行器模型33的同一侧面。每一无刷电机34的转轴上转动连接一旋翼35，且每一无刷电机34电连接一电子调速器36。电子调速器36电连接微处理器控制单元2中的信号处理模块22。上述飞行器模型33包括一体交叉设置的旋转杆331和转动杆332，其中旋转杆331的两端通过轴承转动连接在支撑臂32上，转动杆332的两端固定连接无刷电机34。上述旋转杆331的俯仰角即为本发明的控制对象。

运动姿态采集单元4用于测量旋转杆331在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度，其设置在飞行器模型33的中心，即旋转杆331和转动杆332的交叉处，且该运动姿态采集单元4电连接微处理器控制单元2中的信号处理模块22。

上述实施例中，运动姿态采集单元4可以采用三轴加速度计和三轴陀螺仪，或者二者集成的Invensence公司生产的MPU6050。

如图1所示，本发明工作时：

1)用户通过参数设定及观测单元1中的人机交互界面11选择想要验证的自动控制算法，人机交互界面11向自动控制模块12中调取相应的自动控制算法，并在人机交互界面11上显示。用户根据显示的自动控制算法输入旋转杆331的期望俯仰角、无刷电机34的基础转速(使得旋翼35能够转动的初始条件)和该自动控制算法所对应的参数(例如当采用PID算法时的P、I、D系数)，并传送给微处理器控制单元2；

2)微处理器控制单元2通过通信模块21接收无刷电机34的基础转速，并将其传送给信号处理模块22。

信号处理模块22分别发送无刷电机34的基础转速给电子调速器36，通过电子调速器36使其带动与之电连接的无刷电机34转动在基础转速，无刷电机34的转动带动各自其上设置的旋翼35转动；由于旋转杆331的期望俯仰角是相对水平方向的，且旋翼35的升力都相对于旋转杆331朝下，因此两个电子调速器36所获得的控制信号是不相同的,进而改变旋转杆331两端的扭矩差控制旋转杆331旋转到期望俯仰角。

同时，微处理器控制单元2中的信号处理模块22发送开始工作的控制信号给运动姿态采集单元4，运动姿态采集单元4采集旋转杆331在X、Y、Z三个方向的加速度以及俯仰角速度，并将采集的信号传送给微处理器控制单元2中的信号处理模块22；

3)微处理器控制单元2中的信号处理模块22将获得的信号进行计算得到旋转杆331的俯仰角，并将其通过通信模块1传送给参数设定及观测单元1；

上述过程中，信号处理模块22还可以得到角速度和角加速度，由于每种自动控制算法需要的数据不同，但是角度是都需要的，角速度和角加速度是有的自动控制算法所需要的。

4)用户通过观察参数设定及观测单元1显示的旋转杆331的期望俯仰角与俯仰角变化曲线，根据该曲线判断控制效果，反复调整调整该自动控制算法的参数和执行单元3的工作参数，直到得到旋转杆331的俯仰角达到期望俯仰角。

上述步骤2)中，通常在最开始阶段会事先设定旋转杆331的期望俯仰角为0度，即转动杆332处于平衡状态并设定无刷电机34基础转速为低转速，然后再提升无刷电机34的基础转速和改变期望俯仰角使转动杆332处于倾斜状态。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：它包括参数设定及观测单元、微处理器控制单元、执行单元和运动姿态采集单元，且执行单元中包括飞行器模型；

用户根据欲验证的自动控制算法在所述参数设定及观测单元中设定该自动控制算法的参数、所述执行单元的工作参数和所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角，并传送给所述微处理控制单元；

所述微处理器控制单元将所述执行单元的工作参数传送给所述执行单元，所述执行单元按照设定的工作参数运行；同时，所述微处理器控制单元发送控制所述运动姿态采集单元开始工作的信号，所述运动姿态采集单元采集所述执行单元中所述飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度，并将获得的信号传送给所述微处理器控制单元；

所述微处理器控制单元根据获得所述飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度，计算所述飞行器模型的俯仰角，并传送给所述参数设定及观测单元显示；

用户通过观察所述参数设定及观测单元上显示的所述飞行器模型的期望俯仰角与俯仰角变化曲线，调整该自动控制算法的参数和所述执行单元的工作参数，直到得到所述飞行器模型的俯仰角达到期望俯仰角。

2.如权利要求1所述的一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：所述参数设定及观测单元包括人机交互界面和自动控制模块；所述人机交互界面用于选择针对所述执行单元中所述飞行器模型的自动控制算法、选择该自动控制算法相应的参数、显示所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角和显示自动控制算法的控制过程曲线；所述自动控制模块内置针对所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角进行控制的自动控制理论方法；用户通过所述人机交互界面选择欲验证的自动控制算法，所述人机交互界面向所述自动控制模块中调取相应的自动控制算法，并在所述人机交互界面上显示；用户输入所述执行单元中所述飞行器模型的期望俯仰角、所述执行单元的工作参数以及该自动控制算法所对应的参数，并传送给所述微处理器控制单元。

3.如权利要求1所述的一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：所述微处理器控制单元包括通信模块和信号处理模块；所述通信模块用于实现所述微处理器控制单元和所述参数设定及观测单元之间的通信；所述信号处理模块用于将所述参数设定及观测单元中设定的工作参数传送给所述执行单元，使其按照预定的工作参数工作；并针对所述运动姿态采集单元采集的所述执行单元中所述飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度进行计算，得到所述执行单元中所述飞行器模型的俯仰角，并将其通过所述通信模块传送给所述参数设定及观测单元。

4.如权利要求2所述的一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：所述微处理器控制单元包括通信模块和信号处理模块；所述通信模块用于实现所述微处理器控制单元和所述参数设定及观测单元之间的通信；所述信号处理模块用于将所述参数设定及观测单元中设定的工作参数传送给所述执行单元，使其按照预定的工作参数工作；并针对所述运动姿态采集单元采集的所述执行单元中所述飞行器模型在X、Y、Z三个方向的加速度和俯仰角速度进行计算，得到所述执行单元中所述飞行器模型的俯仰角，并将其通过所述通信模块传送给所述参数设定及观测单元。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：所述执行单元包括一稳定底座、两支撑臂、一所述飞行器模型、两无刷电机、两旋翼和两电子调速器；

所述稳定底座上水平间隔固定连接两所述支撑臂的一端，两所述支撑臂的另一端各自转动连接所述飞行器模型的两端；所述飞行器模型的另外两端分别固定连接一所述无刷电机，且所述无刷电机位于所述飞行器模型的同一侧面；每一所述无刷电机的转轴上转动连接一所述旋翼，且每一所述无刷电机电连接一所述电子调速器；所述电子调速器电连接所述微处理器控制单元；

所述微处理器控制单元将接收的来自所述参数设定及观测单元传送的工作参数，设定所述电子调速器；通过所述电子调速器使其带动与之电连接的所述无刷电机转动，所述无刷电机的转动带动各自其上设置的所述旋翼转动，使得所述飞行器模型形成俯仰角。

6.如权利要求5所述的一种以俯仰角为控制对象验证自动控制方法的实验装置，其特征在于：所述飞行器模型包括一体交叉设置的旋转杆和转动杆；所述旋转杆的两端转动连接在所述支撑臂上；所述转动杆的两端固定连接所述无刷电机。