参与学生动手亚利桑那大学的控制系统设计

在高中的最后一年,大约有120在亚利桑那大学的机械和航空航天工程学生第一次参加了必修课程在控制系统设计。找到学生参与有趣的,有意义的控制设计活动,同时保持降低成本为我们的部门一直是一个重大的挑战。工程实验室已经变得更加成熟,设备成本的上升,使得它难以为每个学生提供充足的实验时间。

我们最近推出了一个低成本、便携式实验室模块基于MATLAB^®,仿金宝app真软件^®和一个aeropendulum(图1)。学生需要设备进行实验和完成作业。这种实践工作补充的讲座部分与活跃,感觉学习让学生兴奋控制设计。

教学控制设计基础知识

介绍了aeropendulum下半年学期;上半年,学生学习基本的控制理论模型以及如何简单的机械系统,如液压活塞。在讲座中,我使用MATLAB来说明新概念。例如,当我支付人工建筑的根轨迹图,我用MATLAB和控制系统工具箱™。我向他们展示一个循序渐进的手工推导使用几个命令。我将命令历史记录保存为脚本和后期的课程网站为学生使用作业整个过程。之后,我向他们展示如何节省时间通过使用内置的根轨迹控制系统工具箱的功能。

当他们开始控制系统设计大多数学生都熟悉MATLAB因为他们使用在他们的数值方法。然而,很少有仿真软件的使用经验。金宝app帮助学生学习仿真软件,在课堂上我逐步建立仿真软件模型。金宝app我将完整的模型保存到该网站为学生下载。

试验Aeropendulum

第三个月的学期,学生们把一个aeropendulum带回家并开始一系列的三个作业。最终目标是建立一个控制系统在MATLAB仿真软件,将保持在一个预定义的角度摆通过管理电动机的电压(因此,螺旋桨的速度)。金宝app如果应用于钟摆外部干扰,控制系统必须返回其正确的位置在两秒。

在第一个作业,学生们开发一个非线性数学模型的aeropendulum和执行参数识别MATLAB中通过分析系统的阶跃响应。我们保持这个任务简单,学生们只考虑摆的动态,而不是汽车和其它电子组件。学生然后用反馈线性化到达一个线性系统,一个简单的传递函数有两个真正的波兰人。

对于第二个任务,学生运用他们所学到的根轨迹设计方法在仿真软件建立一个闭环控制器。金宝app最开始通过绘制根轨迹MATLAB使用稳定状态的方法。他们发现汽车的内部摩擦使它从旋转的小输入电压(通常小于1伏特)。他们的设计必须考虑这个非线性。

然后学生建立一个仿真软件模型的控制器(图3),他们在金宝app他们的电脑上运行。

模型接收电位器电压通过rs - 232接口和计算aeropendulum的角度。基于当前角和目标角,电动机的模型生成控制信号,并将其发送到嵌入式处理器,它转换为脉宽调制信号。学生使用仿真软件来可视化的角度ae金宝appropendulum在实时运行他们的实验(图4)。

基于他们了解了根轨迹方法和二阶仿真软件模型的过程中,学生们认为任何增益值的系统应该是稳定的。金宝app在第三个任务,他们发现情况并非如此。我们让他们逐步增加增益,直到他们发现超过一定阈值系统变得不稳定和aeropendulum震荡。学生的任务是精炼他们的模型来反映这种观察到的行为。

测量频率响应与仿真软件桌面实时金宝app

我们最近开始使用仿真软件桌面实时™使学生运行仿真金宝app软件实时控制器模型在他们的笔记本电脑上。学生们从模型生成C代码使用仿真软件编码器金宝app^®然后编译执行的代码使用仿真软件在Windows PC桌面实时。金宝app这种方法减少了采样时间从50毫秒到5毫秒。

我的研究生助理中大大受益,这降低了采样时间,因为它使他测量的频率响应aeropendulum和调节在更高的频率。他发现,系统的不稳定性在更高的收益与旋转螺旋桨的位置。

通过提供一个数量级提高采样率,仿真软件桌面实时启用更高级的分析,基本分析和控制更加一致的和可重复的。金宝app我们计划使用仿真软件桌面实时更金宝app频繁地在未来的课程作业。

学生的反馈

学生对课程和实践作业一直非常积极。在课程评价,学生报道,aeropendulum练习超过他们的预期说明技术概念,包括二阶系统响应、稳定性和增益之间的关系,利用根轨迹,扰动后系统恢复。

课程对许多人来说,最大的好处是能够应用他们的新收购的控制设计技能他们高三的顶点设计项目。超过半数认为这对他们的简历设计经验。事实上,最大的工程公司之一在图森地区已经雇佣了几个前参加课程的学生。当公司校园招聘的时候,他们经常与我讨论aeropendulum项目当前的学生来衡量他们对控制设计的理解。教授使用aeropendulum其他大学已经表示有兴趣,我们最近向加州州立大学16的设备之后,萨克拉门托,用于控制系统课程。

当我问学生想象把火箭所需的控制,很难充分理解工作动态。与aeropendulum从来都不是这样。他们可以触摸aeropendulum产生扰动,然后观察其反应。让他们思考如何提高控制系统。当他们看到系统响应,模型没有预测(例如,当该国的巨大收益),他们立刻明白他们的模型的局限性,并开始考虑如何改善。

这些经历不需要昂贵的实验设备。事实上,我们发现,MATLAB仿真软件和一个简单的低成本设备都是必要的。金宝app