浅谈电子设计竞赛中的控制类题目(岳继光)
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1、浅谈电子设计竞赛中控制类题目浅谈电子设计竞赛中控制类题目以以“2013年电子设计竞赛年电子设计竞赛C题题”为例为例同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院岳继光岳继光2013.11.102013.11.10武武 汉汉今天讲座的主要内容今天讲座的主要内容自动化类题目及C题概况几点思考2013年旋转倒立摆（C）题简析旋转倒立摆控制系统设计的一般准则倒立摆与自动控制原理实验全国大学生电子竞赛控制类题目概况全国大学生电子竞赛控制类题目概况年届题目题数总题数备注19973水温控制系统（C题）1419994无0520015自动往返小车（C题）1620036简易电动车（E题）点滴速度监控装置（F
2、题）2620057悬挂运动控制系统（F题）1720078电动车跷跷板（F题、J题）210本专各120099声音导引系统（B题）模拟路灯控制系统（I题）29本专各1201110基于自由摆的平板控制系统（B题）智能小车（C题）、帆板控制系统（F题）38本2、专1201311四旋翼飞机（B题）旋转倒立摆（C题）、电磁控制装置（j题）39本2、专1合计156423.4%00.050.10.150.20.250.30.350.4123456789101112系列1全国大学生电子竞赛控制类题目概况全国大学生电子竞赛控制类题目概况从第5届以后，每次均出现。比重大、选题多、观赏性强小车类：6次（2001、20
3、03、2007、2007（高职）、 2009、2011）全国大学生电子竞赛控制类题目概况全国大学生电子竞赛控制类题目概况自由摆：3次（2011、2013、2013（高职）飞行器：1次（2013）其 他：（温控、点滴、悬挂、路灯控制、帆板各1次）2013年年C题目概况题目概况:C题B题A题D题E题F题G题 C 题已接近30%，本科组大学生选择最多的题目！2013年年C题目概况题目概况:C题B题A题D题E题F题G题近30%的参赛队选择C题的主要原因是否是其他类题目专业性“太强”？而自控类题目易上手？2013年年C题目概况题目概况:完成效果：播放视频 倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统
4、，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验 对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。通过对倒立摆的控制，用来检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验 倒立摆控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验 倒立摆系统按摆杆数量的不同，可分为一级，二级，三级
5、倒立摆等，多级摆的摆杆之间属于自由连接（即无电动机或其他驱动设备）。倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验 由中国的大连理工大学李洪兴教授领导的“模糊系统与模糊信息研究中心”暨复杂系统智能控制实验室采用变论域自适应模糊控制成功地实现了四级倒立摆。因此，中国是世界上第一个成功完成四级倒立摆实验的国家。倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验控制目标倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验 全国500多所设有自动化专业的高校
6、中，大部分学校在自动控制原理课中，开设了倒立摆类实验，拥有坚实的基础。倒立摆实验装置大学生做倒立摆实验控制方法： 倒立摆系统的输入为小车的位移（即位置）和摆杆的倾斜角度期望值，计算机在每一个采样周期中采集来自传感器的小车与摆杆的实际位置信号，与期望值进行比较后，通过控制算法得到控制量，再经数模转换驱动直流电机实现倒立摆的实时控制。 倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验倒立摆属于典型的自动控制系统调节器执 行对 象测量反馈reuvcy-倒立摆与自动控制理论实验倒立摆与自动控制理论实验 直流电机通过皮带带动小车在固定的轨道上运动，摆杆的一端安装在小车上，能以此点为轴心使摆杆能在垂直的平
7、面上自由地摆动。作用力u平行于铁轨的方向作用于小车，使杆绕小车上的轴在竖直平面内旋转，小车沿着水平铁轨运动。当没有作用力时，摆杆处于垂直的稳定的平衡位置（竖直向下）。为了使杆子摆动或者达到竖直向上的稳定，需要给小车一个控制力，使其在轨道上被往前或朝后拉动。倒立摆控制系统要素：1.弄清系统结构及工作机理2.建立数学模型（难点）3.找出各环节之间的作用关系4.确定控制量与被控制量固高旋转倒立摆实验装置5.设计控制系统结构6.选择控制算法7.工程实现旋转倒立摆控制系统设计的一般准则旋转倒立摆控制系统设计的一般准则 摘自天津大学吴爱国教授等“基于Lagrange方程建模的单级旋转倒立摆控制.中国工程科
8、学.2005.Vol7.No710.p11-15”如图所示，在忽略各种阻力和摩擦的条件下，旋臂和摆杆可以抽象为的两个匀质杆：r旋转臂长，水平方向角位移，L摆杆质心到铰链距离，垂直方向角位移。摆杆质心在 x 及 y 方向的速度分量为：旋转倒立摆控制系统设计的一般准则旋转倒立摆控制系统设计的一般准则 摘自天津大学吴爱国教授等“基于Lagrange方程建模的单级旋转倒立摆控制.中国工程科学.2005.Vol7.No710.p11-15” 应用Lagrange方程可推导出系统的动态方程。以旋臂所在水平面为零势能面，则系统的势能为摆杆的重力势能：系统的动能由4部分组成，包括：旋臂在水平面内的转动，摆杆在
9、竖直平面内的转动，摆杆质心沿 x 轴方向的速度、沿 y 轴方向的速度。对应的动能分量分别用T1，T2，T3，T4表示。V = mgLcosT= T1+T2+T3+T42.211JT2.212JT2)(cos(2.3LrmT2)(sin(2.4LmT原文误！旋转倒立摆控制系统设计的一般准则旋转倒立摆控制系统设计的一般准则 摘自天津大学吴爱国教授等“基于Lagrange方程建模的单级旋转倒立摆控制.中国工程科学.2005.Vol7.No710.p11-15”V = mgLcos2.211JT2.212JT2)(cos(2.3LrmT2)(sin(2.4LmT2)(sin(2)(cos(222.2.
10、22.214321LmLrmJJTTTTT(2)根据细杆转动惯量公式：122mRJR为摆杆长度，由于L为R的一半，即R=2L。因此，摆杆对质心的转动惯量为：322mLJ旋转倒立摆控制系统设计的一般准则旋转倒立摆控制系统设计的一般准则V = mgLcoscos2)(sin(2)(cos(622.2.22.21mgLLmLrmmLJVTL322mLJ代入（2），可推导出Lagrange方程：cos2)(sin2)(cos)(cos2622.222.2.2.22.21mgLmLmLLmrmrmLJcos)(cos2322.2.22.21mgLLmrmrmLJLagrange方程：),(),(),(.
