王春霞[1]2008年在《基于LabVIEW的控制实验系统的设计与开发》文中研究表明实验在控制理论的教学、研究中占有重要地位,是进行素质教育的重要环节和手段。但是目前,如何实现理论教学与实验的有机结合尚在探讨之中,传统的实验系统存在着实验模式落后、内容单一、效率不高、资源利用率较低等问题。另外传统实验系统多采用文本式开发环境,编程繁琐、调试困难、降低系统的灵活性,而图形化编程语言LabVIEW以其简单、灵活、模块化的编程方式大大提高了实验开发的效率。在东北大学“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台的支持下,本文开展了高水平教学实验系统的研究,其目标是合理的利用有限的资源,实现软硬件资源的共享和综合利用,使学生能在控制实验系统上快速地进行信号检测、控制器设计、控制驱动等方面的实验训练。本文主要研究工作如下：1.设计了基于LabVIEW软件环境和Quanser教学实验仪器平台的控制实验系统的整体结构,该控制实验系统具有模块化、可重构、可移植、可扩展的特点,支持图形化、模块化编程,支持网络实验,实现了从辅助教学、本地实验、网络实验的全程操作与管理。采用模块化的设计思想,易于实现实验系统的扩展和软件的重用,大大提高了实验系统开发的效率。具有友好的人机界面,实现系统的可视化管理,提高实验操所效率。2.搭建并开发了控制实验系统的硬件系统和软件系统。在硬件方面,主要工作包括对控制器、驱动器、数据采集卡的选型设计,系统各部分的接线设计,完成控制系统的联接和调试。在软件方面,基于层次化、模块化的设计思想设计了软件系统的体系结构和功能,开发了的接口模块库、控制算法模块库、对象模型模块库、实验登陆界面、实验管理界面、实验操作界面。3.基于上述控制实验系统开展了典型实验设计和实验研究。设计了丰富的实验方案,包括PV控制,自适应控制,模糊控制,极点配置,线性二次型最优控制,滑模控制。并选取Quanser的典型实验教学设备,利用封装的模块库开发实验程序,进行实验研究,验证了实验系统的高效性、实验算法的准确性和模块封装的正确性4.研究了基于LabVIEW的远程发布技术,构建了浏览器／服务器模式的网络控制体系,并通过实验验证了控制实验系统的网络实验的有效性。
刘国才[2]2017年在《液压驱动双足机器人及其动态平衡运动控制研究》文中研究说明液压驱动双足机器人与地面非连续接触的运动特点使其能够适应野外的复杂路面,腿数较少的结构特点便于穿越丛林缝隙,液压装置功率密度比大的驱动特点为野外恶劣环境下运动提供了动力保证,因此,液压驱动双足机器人在野外环境中运动具有很大优势。但由于双足机器人在运动过程中的有限足底支撑面积,使其在受到干扰力时具有容易跌倒的问题,因而限制了双足机器人在现实生活的应用。步行和站立是双足机器人两种最常见的运动状态,在这两种状态中,双足机器人都有可能因受到干扰力而发生跌倒,因此,研究双足机器人的动态平衡步行和站立的控制方法,具有重要的实际意义。本文通过对人体运动过程的简化分析,建立了具有步行和站立能力的带足线性倒立摆模型;通过对带足线性倒立摆模型的动力学分析,得出了支撑腿髋关节力矩、双足切换步长、支撑腿踝关节力矩和身体高度等对身体运动状态影响关系,为双足机器人动态平衡步行和站立控制提供了模型和理论基础。基于干扰力必将转化为身体运动状态变化这一力学规律,结合本文所提出的带足线性倒立摆模型的动力学方程,分析了腿部动作与身体运动状态之间的对应控制关系,搭建了双足机器人动态平衡运动控制框架;建立了以支撑腿髋关节伺服身体姿态、以支撑腿膝关节伺服身体高度,以双足切换步长和支撑腿踝关节伺服身体水平运动的双足机器人动态平衡运动控制算法,同时进行了仿真实验验证,并阐述了该算法向叁维空间内拓展的方法,为双足机器人的动态平衡运动提供了控制算法。以人体作为参考,研制了具有力和位置伺服的液压双足机器人样机,并建立了带足线性倒立摆模型与液压双足机器人之间的映射关系;为减小双足机器人关节耦合和着地冲击力引起的液压缸伺服精度误差,研制了基于PQ伺服阀、带力位双反馈的液压缸组件,并建立了伺服阀驱动电流与液压缸输出力与输出位置之间的数学关系,并依据此关系建立了带前馈控制的液压伺服系统,提高了液压双足机器人的伺服精度,为双足机器人动态平衡步行和站立控制算法提供了载体。搭建了包含电控系统和软件系统在内液压双足机器人实验平台;进行了双足动态平衡站立实验,验证了双足站立的动态平衡能力;进行了双足机器人的往复运动试验,验证了控制算法的步行能力;进行了在遭受哑铃撞击、手推、脚踢等多种形式干扰力下的步行实验,验证了双足步行的动态平衡能力。通过以上一系列实验,验证本文所提出的控制算法能够实现双足机器人动态平衡步行和站立。
李恺[3]2004年在《倒立摆伺服系统设计与实验研究》文中提出在控制理论教学中,倒立摆的平衡问题是一个经常被使用的生动有趣的实验。倒立摆仅靠移动固结在小车上的支点的水平位置进行控制,是一个典型的具有不稳定开环极点的实验装置。倒立摆系统不仅具有生动直观的教学特点,在研究方面,倒立摆系统同样具有重要的价值。作为一个复杂、时变、非线性、强耦合、自然不稳定的高阶系统,倒立摆的稳定性控制又是控制理论与应用的典型问题。本课题主要完成倒立摆伺服系统运动控制模块的设计和实现,对倒立摆系统进行建模和仿真,在此基础上完成了对单级倒立摆的稳定平衡控制。运动控制模块的核心为基于DSP技术的摩信运动控制卡,使得系统的运算速度和精度具有较大提高,进而提高了系统的快速性和实时性。经过实验完成系统运动控制模块的调试。为无摩擦假设条件下的一级、二级以及叁级倒立摆系统建立了线性模型,并分别对其使用线性二次型调节器控制方法进行了仿真。进而分析了摩擦因素对倒立摆线性模型的影响,给出了考虑摩擦影响的倒立摆线性模型的一般形式,讨论了摩擦影响下倒立摆控制算法的修正原则。使用C语言编写控制程序,实现数据采集、控制率计算、控制输出,以及通信等功能。上位机用户界面设计使用VC进行开发,实现PC机的用户界面操作,完成在线检测、在线控制以及在线调试等任务。完成单级倒立摆系统的调试和实验,实现了倒立摆位置随动以及定位功能。实验结果表明系统具有一定的瞬态、稳态特性和鲁棒性。本文所完成的工作,既可以作为现代控制理论的教学实验,对于具有类似模型的其他装置如两足机器人的研究也有一定的借鉴作用。
张锐[4]2013年在《雷达伺服系统与人机实验系统的研发》文中研究表明本论文的任务是研发某型机载雷达的定向天线伺服控制系统，然后在此机载伺服系统的基础上加装倒立摆和手动控制杆，构成一个研究性的人机实验系统。机载雷达伺服控制系统是一个实际的研发项目，与目前市场上常规的控制系统区别主要是更为严苛的边界条件限制；包括系统的尺寸和重量、运行温度范围、抗冲击和震动、电磁兼容性、高可靠性等。本文在上述严格限制下通过分析系统需求，确定总体方案，绘制硬件电路，设计软件流程和实现程序代码；最终设计并实现了一套用于驱动某型机载雷达天线旋转的伺服控制系统，现已交付使用。依照项目需求，设计伺服系统为叁环控制方式，并依据整定原则对控制器PID参数进行了整定。整套机载雷达伺服系统在随后的模拟环境试验中经受了冲击、加速度、振动和高低温试验的考验，满足系统指标，证明工作工作是成功的。在此基础上论文还研究了系统在振动试验和机载飞行中进行参数自整定和在线自修正的理论，为机载伺服系统控制算法的改进作了理论准备。在完成上述系统基础上，拆除转台上的雷达天线，加装倒立摆和旋转编码器，改造成旋转式倒立摆。并添加手动控制杆，设计倒立摆既可单片机控制也可手动控制；硬件上添加旋转编码电路，软件上重新设计控制系统，使系统成为研究用的人机实验系统。建立这个人机实验系统，目的是为研究人的控制规律和学习规律提供实验研究装置。最后通过对人机试验系统的倒立摆进行建模数学分析，证明系统理论上完全可控，能够承载后续多种控制理论的研究。
史耀强[5]2008年在《双足机器人步行仿真与实验研究》文中指出仿人机器人是一个热门的研究领域,汇集了计算机、电子、通信、自动控制、传感器等多各领域的尖端技术,代表了机电一体化的最高成就。双足机器人是仿人机器人研究的基础,关节众多、结构复杂,有必要在物理样机制造之前,建立一套虚拟原理样机系统。本文以双足机器人为研究对象,主要做了以下几方面的工作。首先,回顾和总结了仿人机器人的研究历史和发展现状,对国内外各主要研究机构设计的仿人机器人进行了分析和对比,并介绍了本文研究的主要内容。接着,根据人体结构比例给出了双足机器人机构设计方案,主要包括髋关节、膝关节、踝关节和脚部的设计。为了使所设计的机器人能够模拟人的动作,参考人的各个关节运动范围,定义了机器人各个关节角的运动范围。其次,由于仿人机器人大部分的重量集中在上半身,因此可以把机器人看作是一个倒立摆,根据机器人的结构特点,对机器人采用倒立摆原理进行了离线的步态规划,并通过ZMP判定准则验证了步态的稳定性。再次,利用动力学仿真软件ADAMS建立了双足机器人的虚拟样机,利用Matlab中的Simulink工具箱建立了机器人的控制系统,通过ADAMS/Controls接口模块实现了两者的联合仿真,验证了步态规划、控制算法的有效性,并得到了机器人在步行过程中各个关节的力矩变化曲线,为选择电机、减速器等部件提供了依据。最后,搭建了双足机器人的实验平台,并在上面进行了单关节调试、多关节调试、下地步行与其它规划动作调试等实验,实验中机器人各关节达到了较高的伺服精度,整体运行协调、平稳,取得了良好的实验效果,并对试验结果进行分析并给出了系统存在的不足和改进意见。
罗健文[6]2014年在《液压驱动双足机器人关键技术研究》文中研究指明双足机器人对地形的适应能力强，也是腿式机器人中，能够稳定站立行走所需最少腿数的机器人。双足机器人跟人类的下肢具有相似性，因而可以通过对人类下肢运动的观察和测量中，直接或者间接的获取数据，用于统计和分析，并从中获得启发，用于进一步研究双足机器人的行走。人类社会经过长期的发展，人类所生存的环境已经高度以人为中心，基础设施、楼宇等都是围绕着人类活动的方便而设计，因而外形上类人的机器人不仅可以很好的适应和融入人类社会，为人类服务，而且外形上更具有亲和性。当前双足机器人绝大多数都采用电机驱动，电机驱动方式已经被大量实践证明具有一些难以克服的劣势，比如功率密度低，抗电磁干扰能力弱，不适宜野外环境工作等。为了提高机器人关节的力矩，需要增加电机功率，然而选用大功率电机之后，关节自身的重量也随之增加，反而显得更加笨重。因此电机驱动的机器人往往动态响应能力较差，行走速度慢。液压驱动的双足机器人已经被美国波士顿动力公司的PetMan和BigDog的优良的稳定性和高动态性能证明可以使现有腿式机器人技术跨上一个新台阶。之所以能开发性能如此优异的机器人，利用了液压驱动输出力大，功率密度大，刚度高，响应快的优势是重要原因之一。本课题设计了一款液压驱动的双足机器人，在机械结构、控制系统及液压伺服系统叁大方面进行了关键技术研究。该机器人具有12个自由度，可以完成前行、侧行和转弯等运动。机械结构上，参照人体骨骼结构进行了仿人尺寸和外形的设计，分配了关节自由度，并设计了能满足驱动能力和运动范围的自由度驱动方式。采用了嵌入式计算机作为控制系统，给出了集总式和分布式两种控制系统方案，实现并验证了集总式控制系统的可靠性。在嵌入式计算机上安装了QNX嵌入式实时操作系统，并开发了多线程实时应用程序，用于液压伺服控制和高级控制策略计算。根据机器人模型仿真估算了所需液压油源的流量和压力，设计了小型液压伺服驱动器。基于倒立摆的模型对机器人稳定行走进行了步态规划，并且通过仿真验证了规划的可行性。最后通过实验验证了机器人多关节协调实验等功能，验证了样机的性能，为未来进一步开发打下基础。
曹荣敏, 周惠兴, 苏昂, 吴迎年, 侯明[7]2013年在《基于虚拟仪器的直线电机创新实验平台设计》文中提出基于自动化专业应用型人才培养的探索与实践,并结合自动化专业教学和科研的实际经验,产学研相结合,开发实现了基于NI ELVIS的直线电机创新实验平台。该平台充分利用了NI ELVIS和LabVIEW的优点,实现了NI ELVIS和直线电机的软硬件的联接;实验设计以创新和实际能力培养为目标,增强学生分析问题与解决问题的能力,通过选取不同的控制策略,可实现直线电机跟踪正弦曲线的控制和直线倒立摆控制系统的综合实验,从而使学生加深对控制基本理论与基本概念的理解,培养创新思维和创新能力。
刘大亮[8]2009年在《一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究》文中指出球形移动机器人具有运动灵活的优点,且在运动中不存在翻仰问题。因此在工业、民用、国防以及空间探索等领域具有广泛的应用前景。但是球形移动机器人与地面之间具有近似点接触的特点,导致运动分析与控制技术成为球形移动机器人研究的关键问题,并且一直没有得到有效地解决,阻碍了球形移动机器人的进一步研究和应用。因此,本论文深入地研究了一种球形移动机器人的运动分析与控制技术问题。主要的研究工作如下:首先,基于欧拉——拉格朗日方法建立球形移动机器人的动力学模型,利用坐标变换和输入控制变换对模型进行降阶和标准型处理,并设计双回路线性运动控制策略;提出球形移动机器人的动态平衡问题,分别建立球壳质量分布均匀和非均匀条件下的平面动力学模型,利用部分线性化方法将模型分别变换为非“叁角”正则形式的和“叁角”正则形式的级联非线性模型,并设计指数稳定的动态平衡控制策略;分别对提出的运动控制和平衡控制策略进行稳定性分析、仿真和实验研究。其次,将球形移动机器人分别简化为“球壳——重摆”模型和“球壳——框架”模型,建立两者的动力学微分方程,并通过求解微分方程的近似解研究驱动机构在两个驱动轴方向上的运动特性;从鲁棒控制的角度,将驱动机构对球壳的耦合作用假设为系统的不确定项后,建立了球形移动机器人的不确定性动力学模型;应用滑模变结构技术设计鲁棒运动控制策略,并进行控制策略的稳定性分析、仿真和实验研究。再次,利用微分几何的方法研究球形移动机器人运动学模型的可控性,利用坐标变换对模型进行标准型处理,并设计指数稳定的非线性姿态控制策略;基于球形移动机器人的运动学模型和鲁棒运动控制策略提出基于曲率的路径跟踪策略;分别对提出的姿态控制和路径跟踪控制策略进行稳定性分析、仿真和实验研究。在理论研究成果的基础上,研制球形移动机器人的嵌入式控制系统,分析系统的可能性故障,并针对故障提出球形移动机器人的冗余容错策略;研制高可靠性的冗余双备份伺服控制系统,并进行实验研究。最后,研究基于多传感器(惯性测量装置、光电编码器、激光测距仪以及视觉传感器)融合技术的球形移动机器人自主运动控制策略;分别建立里程计模型和激光测距仪模型,从不确定性信息描述的角度分析模型的误差;对提出的自主运动控制策略进行实验研究。
李向国, 梅志千, 黄宁[9]2008年在《基于xPC网络控制的倒立摆伺服系统》文中提出为实现倒立摆伺服系统的远程控制,设计了一种基于xPC网络控制的倒立摆伺服系统,建立了倒立摆伺服控制系统的数学模型,并利用xPC组件对该系统进行了运动控制试验.试验结果表明,该系统具有响应速度快、实时性强、易于操作等特点.
饶崇林[10]2003年在《倒立摆的H_∞控制方法研究及应用》文中研究表明倒立摆是理想的自动控制理论研究实验平台，许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观地表现出来。因此，自从20世纪50年代以来，倒立摆就成了控制实验室的经典工具。 倒立摆的控制和杂技运动员的倒立表演有异曲同工之处，极富直观性和趣味性，许多控制理论的研究人员都乐于使用它们来验证新的控制思想。由于倒立摆系统的高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合特性，它们被用来验证线性控制领域中不稳定系统的稳定化和非线性控制领域中的变结构控制、无源性控制、自由行走、非线性观测器、摩擦补偿、非线性模型降阶等控制思想。另外，摆的起摆并保持在垂直向上方向上的平衡控制、混合系统的描述和混沌系统的控制也可以用倒立摆系统来很好地描述。因此，对倒立摆控制的研究被誉为“所有控制研究部门皇冠上的珍珠”；许多现代控制理论的研究人员一直将它们视为研究对象，并不断从中发掘出新的控制理论和控制方法，相关的成果在航空航天和机器人学方面获得了广阔的应用。可见，对倒立摆系统进行研究既具有意义深远的理论价值，又具有重要的工程背景和实际意义。 在本论文中，首先简要介绍了倒立摆系统的历史和鲁棒控制理论。接着详细地论述了H∞控制理论(含H∞状态反馈控制及其控制器的求解、参数不确定系统的鲁棒H∞控制、干扰抑制和鲁棒稳定性等问题)，阐明了一、二轴倒立摆的系统组成及其工作原理，建立了一、二轴倒立摆系统的状态空间方程，设计了一、二轴倒立摆系统的H∞状态反馈控制器，并且进行了MATLAB仿真，给出了与LQR(Linear Quadratic Regulator)控制相比较的仿真结果和一轴倒立摆系统的实际控制曲线；在实物控制实验中，完成了一轴倒立摆的起摆控制和一、二轴倒立摆的平衡控制，取得了令人满意的结果。然后深入研究了固高科技有限公司设计的四轴运动控制器GM-400的工作原理、外围接口、指令系统和程序设计方法。最后讨论了倒立摆控制程序的设计思想、程序流程和主要功能函数的编写，构建了倒立摆的软件平台，为倒立摆系统的进一步开发和研究打下了良好的基础。
参考文献：
[1]. 基于LabVIEW的控制实验系统的设计与开发[D]. 王春霞. 东北大学. 2008
[2]. 液压驱动双足机器人及其动态平衡运动控制研究[D]. 刘国才. 哈尔滨工业大学. 2017
[3]. 倒立摆伺服系统设计与实验研究[D]. 李恺. 清华大学. 2004
[4]. 雷达伺服系统与人机实验系统的研发[D]. 张锐. 西安电子科技大学. 2013
[5]. 双足机器人步行仿真与实验研究[D]. 史耀强. 上海交通大学. 2008
[6]. 液压驱动双足机器人关键技术研究[D]. 罗健文. 哈尔滨工业大学. 2014
[7]. 基于虚拟仪器的直线电机创新实验平台设计[J]. 曹荣敏, 周惠兴, 苏昂, 吴迎年, 侯明. 实验技术与管理. 2013
[8]. 一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D]. 刘大亮. 北京邮电大学. 2009
[9]. 基于xPC网络控制的倒立摆伺服系统[J]. 李向国, 梅志千, 黄宁. 河海大学学报(自然科学版). 2008
[10]. 倒立摆的H_∞控制方法研究及应用[D]. 饶崇林. 武汉理工大学. 2003
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