董惠娟，李灏宇，石胜君

用于机电系统控制基础课程的多参数可调实验

董惠娟，李灏宇，石胜君

（哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

研制了课程用硬件可配置、软件可编程、参数可调节、内容可扩展的实验装置，通过改变伺服系统的驱动功率、驱动力矩、转动惯量、摩擦阻力矩、传动轴刚度、减速比、采样频率、控制参数等，使学生更直观地理解机电参数、控制参数与系统数学模型的映射关系。设计了4个典型的控制实验，实验内容不仅覆盖课程所有章节，而且涵盖机械设计、自动控制元件、电子技术、驱动控制、传感器、计算机编程等多门主干课程的关键知识。通过实验教学，不仅有助于加深学生对理论知识的认识和理解，也有利于提高学生的工程综合实践能力。

电机系统控制；实验装置；实验教学；系统数学模型

机电系统控制基础是理论与工程实践相结合的一门课程，是高等学校机械工程类专业的专业基础课程，是本科生及研究生后续课程的基础[1]。实验教学应以学以致用为目标，突出实践环节，以硬、软件训练相结合的方式，针对机电控制系统中的典型环节开展实践教学，培养学生获取知识、运用知识、解决问题的能力[2]。

为提升学生对相关课程关键知识的理解，本文开发研制了机电参数可调、硬件可配置、控制方法可编程、内容可扩展的自制实验设备，设计了参数不同、运动形式不同的教学配套实验，使学生掌握机电系统数学模型的建立方法、控制性能指标分析方法、控制器设计与离散化方法。

1 实验装置的研制

一般的机电控制系统由电动机及其驱动、传动机构、执行机构、检测装置、控制器、辅助机构等组成[3]。本文自主研制了两种运动形式的模块化位置伺服系统实验装置，可分别做回转运动和往复直线运动的实验，如图1所示。

伺服系统机械装置由多模块组成，拆装方便，通过替换电机、负载配重块、联轴器等零部件及调节磁滞制动器参数，改变系统的驱动力矩、减速比、转动惯量、传动轴刚度和摩擦力矩等，实现多参数可调，研究不同机械参数对系统控制效果的影响。图2为用于实验的硬件可配置的零件照片。

图1 伺服系统实验台机械部分

图2 用于实验的硬件可配置的零件照片

本实验装置除可配置不同硬件外，还可以调节电机驱动器参数、编码器计数器倍频模式、控制算法等，实现自制设备控制参数可调，使学生掌握传感器精度、控制算法对系统控制性能的影响，并有利于评定学生成绩，避免抄袭现象，也有利于培养学生独立完成实验的能力。

两种位置伺服控制系统结构如图3所示。计算机通过数据采集卡PCI8620数模转换，ADVANCED电机驱动器输出电机的电枢电压[4]，位置运动模组进行回转或往复直线运动。在角位置系统中，由增量式编码器测量位置，由USB7266计数与判向，由计算机进行处理。在直线位置系统中，光栅和磁栅测量滑块的位置，由ENC7480计数与判向。

图3 两种位置伺服控制系统的结构框图

2 可扩展的实验教学内容

为了配合机电系统控制基础课程的理论教学，设计了如下4个实验：（1）系统时域响应实验；（2）基于扫频法的机电系统传递函数辨识及开环性能测试实验；（3）位置PID控制实验；（4）串联校正后的传递函数辨识实验。

2.1 实验1——系统时域响应实验

在本实验中，学生使用Visual Studio软件的C#语言开发环境，给伺服电机加载速度阶跃输入，测试电机转速阶跃响应曲线，并标定电机转速和电枢电压关系，给出正反转死区电压和线性系数[5]。本实验的程序流程见图4，实验结果见图5。根据阶跃响应可辨识系统传递函数。转速与电压的关系为：

图5 实验1实验结果

2.2 实验2——基于扫频法的机电系统传递函数辨识及开环性能测试实验

本实验对应理论教学中的频率特性分析内容。在本实验中，学生使用扫频法，获得系统不同频率速度余弦输入、位置正弦输出，绘制幅频特性曲线和相频特性曲线，掌握电机速度输入信号的离散方法、输出位置信号的实验数据采集与归一化方法，并熟悉由Bode图（幅频特性曲线和相频特性曲线）推导传递函数的方法[6-8]。图6为实验2的程序流程，实验结果见图7（为角频率）。通过实验结果的系统Bode图，可以求取系统的传递函数为

并可求出剪切频率c=117.86 rad/s、相角裕度=47°等开环性能，并分析系统的稳定性、精确性和快速性。

2.3 实验3——位置PID控制实验

本实验对应理论教学中系统的串联校正设计内容。指导学生掌握PID控制在伺服系统中的使用方法，并熟悉其各环节的作用[9-11]。实验3的程序流程见图8，实验结果见图9。通过改变不同PID环节参数可得到不同的阶跃响应结果，通过多组实验结果可以分析各环节参数大小对系统性能的影响。

图6 实验2的程序流程

图7 实验2实验结果

图8 实验3的程序流程

图9 实验3实验结果

2.4 实验4——串联校正后的传递函数辨识实验

本实验对应理论教学中系统的设计内容。指导学生掌握串联校正与扫频结合的编程方法，并学习串联校正对传递函数的影响[12-13]。本实验流程见图10，实验结果见图11，加入串联校正环节使得系统的传递函数改变，通过实验结果Bode图求出传递函数，与校正前相比较以分析串联校正的作用。

图10 实验4程序流程

图11 实验4实验结果

上述4个实验涵盖了机械设计、自动控制元件及电路、驱动控制、传感器、计算机编程等多门主干课程的关键知识点。4个实验的内容循序渐进，每个实验侧重于解决不同的机电控制问题，帮助学生逐步掌握经典控制理论的工程实用方法。

本实验体系使用通用软件编写实验程序，可根据实验内容编制程序，进行内容的扩展，更好地满足了不同学时的实验教学需求。

3 结语

在建设机电系统控制基础课程的实验过程中，自行研制的硬件可配置、软件可编程、内容可扩展、参数可调节的实验装置，不仅涵盖了本课程的大部分内容，也充分应用了机械电子学科主干课程的关键知识点，有利于培养学生的解决问题的能力，也有利于正确评价学生成绩，避免了实验报告中的抄袭现象。

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Multi-parameter adjustable experiment for basic course of Mechanical and Electrical System Control

DONG Huijuan, LI Haoyu, SHI Shengjun

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

An experimental device with configurable hardware, programmable software, adjustable parameters and expandable content for the course is developed. By changing the driving power, driving moment, moment of inertia, friction resistance moment, stiffness of transmission shaft, deceleration ratio, sampling frequency and control parameters of the servo system, the multi-parameters can be adjusted so that students can understand more intuitively the mapping relationship between mechanical and electrical parameters, control parameters and system mathematical model. Four typical control experiments are designed, and the experiment contents not only cover all chapters of this course, but also cover the key knowledge of mechanical design, automatic control components, electronic technology, driving control, sensors, computer programming and other main courses. Through experiment teaching, it is not only helpful to deepen students’ understanding of theoretical knowledge, but also helpful to improve their comprehensive engineering practice ability.

mechanical and electrical system control; experimental device; experiment teaching; system mathematical model

TH-39；G642.423

A

1002-4956(2019)09-0036-05

2019-01-04

黑龙江省教育厅2017年度高等教育教学改革研究一般研究项目“机电系统计算机控制教学方法创新”

董惠娟（1968—），女，河北武邑，教授，博士生导师，主要研究方向为功率超声波应用技术、光纤传感技术、机电一体化装备。

E-mail: dhj@hit.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.010