板球系统实验指导书 MA AB
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深圳市元创兴科技有限公司
实验指导书
不需放大和转换等过程，使用非常方便，因此应用越来越广泛。 二 触摸屏
所谓触摸屏，从市场概念来讲，就是一种人人都会使用的计算机输入设备，或者说 是人人都会使用的与计算机沟通的设备。它的本质是传感器，它由触摸检测部件和触摸 屏控制器组成，主要用于检测对象触摸位置，接受后送触摸屏控制器。从技术原理角度 来讲，触摸屏大体有三个特征：其一它必须保证是透明的，因此它必须通过材料科技来 解决透明问题，像数字化仪、写字板、电梯开关，它们都不是触摸屏；其次它是绝对坐 标，手指摸哪就是哪，不需要第二个动作，不像鼠标，是相对定位的一套系统，第三就 是能检测手指的触摸动作并且判断手指位置，各类触摸屏技术就是围绕“检测手指触摸” 而八仙过海各显神通的。目前，根据传感器的类型，触摸屏大致被分为红外线式、电阻 式、表面声波式和电容式触摸屏四种。
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深圳市元创兴科技有限公司
第二章 系统控制原理简介
实验指导书
本实验系统以自动控制中的现代控制理论和模糊控制为理论基础。 板球系统的实验原理是：小球位置采集卡采集到触摸屏上小球位置数据，电机数据 采集卡采集到两个电机尾部编码器数据，电机与平板通过连杆连接，所以通过计算就可 以得到平板的倾斜角位移以及小球的位移，角位移差分得角速度，位移差分可得速度， 然后根据自动控制中的各种理论转化的算法计算出控制量。控制量由计算机通过 USB 数 据线下发给伺服驱动器，由驱动器实现对电机控制，电机尾部编码器连接到驱动器形成 闭环，从而可以实现平板上小球的定位以及轨迹跟踪。 其工作原理如图 2.1 所示
二 试验系统 板球系统实验总体结构如图 1.1 所示
图 1.1 板球实验系统总体结构图 本实验系统的主体包括板球、伺服驱动器、数据采集卡、直流伺服电机等。主体、 驱动器、直流伺服电机、电源和数据采集卡都置于实验箱内，实验箱通过两条 USB 数据 线与上位机进行数据交换，另有一条线接 220V 交流电源。
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Reinovo
实验指导书
自动控制类使用
板球系统的定位控制和轨迹跟踪
实验指导书
ຫໍສະໝຸດ Baidu第一部分
深圳市元创兴科技有限公司 2010年12月22日
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实验指导书
第一章 实验使用仪器及其连接方式..................................................................................... 1 第二章 系统控制原理简介..................................................................................................... 2 第三章 实验............................................................................................................................. 3
红外屏 高 好 一般 很好 外挂 截面
977×737 差
<20ms 好 较小 较大 较大 纯平 一般 好 室内
电容屏 较高 好 一般 一般 内置 手指 4096×4096 差 <15ms 好 较小 较大 较大 均可 好 一般 室内或室外
综 合 表 3.1 各 种触摸屏 的 优缺点 对照表， 并且 考虑到实 际应 用 环境 ， 本系统 选 用 AccuTouch 五线电阻触摸屏。
实验一 运动控制基础实验.................................................................................................................... 3 实验二 板球系统调平板水平实验........................................................................................................ 8 实验三 板球系统建模、仿真及实验.................................................................................................. 10 实验四 状态空间极点配置控制实验.................................................................................................. 19 实验五 线性二次最优控制 LQR 控制实验..........................................................................................33 实验六 模糊控制实验.......................................................................................................................... 40 实验七 变论域模糊控制实验.............................................................................................................. 47
电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，在强化玻璃表
面分别涂上两层 OTI 透明氧化金属导电层。利用压力感应进行控制。当手指触摸屏幕时, 两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化。在 X 和 Y 两个方向上产生信号， 然后传送到触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出(X，Y)的位置，再根据模拟 鼠标的方式运作。电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线等多线电阻触摸屏。
360o n
n —编码器线数。 由于光电式脉冲编码盘每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此，根据脉冲数 目可得出工作轴的回转角度，由传动比换算出直线位移距离；根据脉冲频率可得工作轴 的转速；根据 A 、 B 两相信号的相位先后，可判断光电码盘的正、反转，以得到待测装 置转向。 由于光电编码器输出的检测信号是数字信号，因此可以直接进入计算机进行处理，
图 2.1 板球系统工作原理图 倒立摆的控制目标有两个，一是定位，即控制小球运动到指定的位置；二是轨迹跟 踪，即控制小球按照给定的轨迹进行运动，如圆形、矩形。整个过程是动态的，表现为 平板上下运动也就是电机的正反转。板球系统的实时性较强，所以采样时间一般取 30ms 左右。 通过建立板球系统的数学模型，我们得到其模型是可控的，所以我们可以通过自动 控制原理课堂所学建立相应的控制器来实现本系统的控制，使它达到稳定。以下介绍的 就是为本系统和自动控制原理相结合而设计的实验。
五线电阻触摸屏的另一个专有技术是通过精密的电阻网络来校正A面的线性问题：由 于工艺工程不可避免的有可能厚薄不均而造成电压场不均匀分布，精密电阻网络在工作 时流过绝大部分电流，因此可以补偿工作面有可能的线性失真。
五线电阻触摸屏是目前最好的电阻技术触摸屏，最适合于军事、医疗、工业控制领 域使用。
图 3.2 五线电阻式触摸屏结构 Fig.3.2 Structure chart of five line resistive touch screen
好 <10ms
好 较小 没有 没有 纯平 好 好 室内或室外
五线电阻屏 中 一般 高 好
内置或外挂 任何物体 4096×4096
好 <15ms
好 较小 没有 没有 纯平 好 好 室内或室外
声波屏 中 好 较高 很好
内置或外挂 手指、软胶 4096×4096
好 <10ms 一般 很大 较大 较小 纯平 一般 一般 室内或室外
旋转编码器是一种角度传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种。我们在 闭环系统中常用光电式编码器来测角度。
旋转编码器有增量编码器和绝对编码器两种,如图 3.1 为光电式编码器原理示意图， 它由发光元件、光电码盘、光敏元件和光电检测装置组成。光电式编码器，是一种通过 光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最 多的传感器。光电码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，圆板不透光， 而长方孔透光。由于光电码盘与被测装置同轴，被测装置旋转时，光电码盘与之同速旋 转，光源透过光电码盘的孔在光栏板上形成忽明忽暗的光信号，经光电检测装置检测到 并转换为电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译码后输出。
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实验指导书
五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导 电工作面上，我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上，而 外层镍金导电层只用来当作纯导体，有触摸后分时检测内层ITO接触点X轴和Y轴电压值的 方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层ITO需四条引线，外层只作导体仅仅一条， 触摸屏得引出线共有5条。首先五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导 电玻璃的工艺使得A面的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。其次五线电阻触摸 屏把工作面的任务都交给寿命长的A面，而B面作为导体，并且采用了延展性好、电阻率 低的镍金透明导电层，因此，B面的寿命也极大的提高。
三 编码器和触摸屏的使用实验 本实验对象为板球系统上的电机尾部编码器和平板上的触摸屏，在充分理解以上实
验原理的基础上进行下列实验。 把两条 USB 数据线与计算机连接（RUN 指示灯亮表示数据采集卡已连接），将电源插
头插入插座（此时实验箱电源开关应是断开的），连接完毕后，打开实验箱电源（SON 指
示灯亮表示电源接通）。双击打开快捷方式“元创兴板球系统实物控制” 图），会看到以下界面
图 3.1 光电式编码器原理示意图 增量式光电编码器直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A 、B 和 Z 相；A 、B 两 组脉冲相位差 2 ，将输出信号送入鉴向电路,从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为 每转一个脉冲，用于基准点定位。 光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度 (分辨角、分辨率)， 而这与码盘圆周内所分狭缝的线数有关。
（要修改
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1、触摸屏实验 双击 Select Experiment 模块，选择试验编号 1，然后双击右侧的“实验 1 运动控 制基础实验”子模块，打开如下界面
表 3.1 各种触摸屏的优缺点对照表
Tab.3.1 The Contrast table of Touch screens
性能
名称
价格
防爆性
稳定性
透明度
安装形式
触摸物
输出分辨率
抗强光干扰性
响应速度
跟踪速度
传感器损伤影响
污物影响
漂移
适用显示器
防水性
防电磁干扰
适用范围
四线电阻屏 低 一般 高 好
内置或外挂 任何物体 4096×4096
2
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第三章 实验
实验指导书
实验一 运动控制基础实验
本实验的目的是让实验者熟悉旋转编码器和触摸屏的基本原理，掌握利用计算机和 数据采集卡对编码器和触摸屏进行数据采集的方法，以及利用计算机对电机进行控制的 基本原理和方法，了解机电一体化的两个重要内容：传感技术和运动控制技术。以便顺 利完成倒立摆的各项试验。 一 编码器原理
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第一章 实验使用仪器及其连接方式
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一 PC 机 硬件要求： 1、Pentium II、Pentium III、AMD Athlon 或者更高； 2、内存至少 256MB，推荐 256MB 以上； 3、至少有两个 USB 接口； 4、支持 RS-232 串口通信。 软件要求： 1、Microsoft Windows 98、Microsoft Windows 2000、Microsoft Windows XP； 2、Visual C++ 6.0； 3、Matlab 6.5。
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不需放大和转换等过程，使用非常方便，因此应用越来越广泛。 二 触摸屏
所谓触摸屏，从市场概念来讲，就是一种人人都会使用的计算机输入设备，或者说 是人人都会使用的与计算机沟通的设备。它的本质是传感器，它由触摸检测部件和触摸 屏控制器组成，主要用于检测对象触摸位置，接受后送触摸屏控制器。从技术原理角度 来讲，触摸屏大体有三个特征：其一它必须保证是透明的，因此它必须通过材料科技来 解决透明问题，像数字化仪、写字板、电梯开关，它们都不是触摸屏；其次它是绝对坐 标，手指摸哪就是哪，不需要第二个动作，不像鼠标，是相对定位的一套系统，第三就 是能检测手指的触摸动作并且判断手指位置，各类触摸屏技术就是围绕“检测手指触摸” 而八仙过海各显神通的。目前，根据传感器的类型，触摸屏大致被分为红外线式、电阻 式、表面声波式和电容式触摸屏四种。
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第二章 系统控制原理简介
实验指导书
本实验系统以自动控制中的现代控制理论和模糊控制为理论基础。 板球系统的实验原理是：小球位置采集卡采集到触摸屏上小球位置数据，电机数据 采集卡采集到两个电机尾部编码器数据，电机与平板通过连杆连接，所以通过计算就可 以得到平板的倾斜角位移以及小球的位移，角位移差分得角速度，位移差分可得速度， 然后根据自动控制中的各种理论转化的算法计算出控制量。控制量由计算机通过 USB 数 据线下发给伺服驱动器，由驱动器实现对电机控制，电机尾部编码器连接到驱动器形成 闭环，从而可以实现平板上小球的定位以及轨迹跟踪。 其工作原理如图 2.1 所示
二 试验系统 板球系统实验总体结构如图 1.1 所示
图 1.1 板球实验系统总体结构图 本实验系统的主体包括板球、伺服驱动器、数据采集卡、直流伺服电机等。主体、 驱动器、直流伺服电机、电源和数据采集卡都置于实验箱内，实验箱通过两条 USB 数据 线与上位机进行数据交换，另有一条线接 220V 交流电源。
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自动控制类使用
板球系统的定位控制和轨迹跟踪
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ຫໍສະໝຸດ Baidu第一部分
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第一章 实验使用仪器及其连接方式..................................................................................... 1 第二章 系统控制原理简介..................................................................................................... 2 第三章 实验............................................................................................................................. 3
红外屏 高 好 一般 很好 外挂 截面
977×737 差
<20ms 好 较小 较大 较大 纯平 一般 好 室内
电容屏 较高 好 一般 一般 内置 手指 4096×4096 差 <15ms 好 较小 较大 较大 均可 好 一般 室内或室外
综 合 表 3.1 各 种触摸屏 的 优缺点 对照表， 并且 考虑到实 际应 用 环境 ， 本系统 选 用 AccuTouch 五线电阻触摸屏。
实验一 运动控制基础实验.................................................................................................................... 3 实验二 板球系统调平板水平实验........................................................................................................ 8 实验三 板球系统建模、仿真及实验.................................................................................................. 10 实验四 状态空间极点配置控制实验.................................................................................................. 19 实验五 线性二次最优控制 LQR 控制实验..........................................................................................33 实验六 模糊控制实验.......................................................................................................................... 40 实验七 变论域模糊控制实验.............................................................................................................. 47
电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，在强化玻璃表
面分别涂上两层 OTI 透明氧化金属导电层。利用压力感应进行控制。当手指触摸屏幕时, 两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化。在 X 和 Y 两个方向上产生信号， 然后传送到触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出(X，Y)的位置，再根据模拟 鼠标的方式运作。电阻屏根据引出线数多少，分为四线、五线等多线电阻触摸屏。
360o n
n —编码器线数。 由于光电式脉冲编码盘每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此，根据脉冲数 目可得出工作轴的回转角度，由传动比换算出直线位移距离；根据脉冲频率可得工作轴 的转速；根据 A 、 B 两相信号的相位先后，可判断光电码盘的正、反转，以得到待测装 置转向。 由于光电编码器输出的检测信号是数字信号，因此可以直接进入计算机进行处理，
图 2.1 板球系统工作原理图 倒立摆的控制目标有两个，一是定位，即控制小球运动到指定的位置；二是轨迹跟 踪，即控制小球按照给定的轨迹进行运动，如圆形、矩形。整个过程是动态的，表现为 平板上下运动也就是电机的正反转。板球系统的实时性较强，所以采样时间一般取 30ms 左右。 通过建立板球系统的数学模型，我们得到其模型是可控的，所以我们可以通过自动 控制原理课堂所学建立相应的控制器来实现本系统的控制，使它达到稳定。以下介绍的 就是为本系统和自动控制原理相结合而设计的实验。
五线电阻触摸屏的另一个专有技术是通过精密的电阻网络来校正A面的线性问题：由 于工艺工程不可避免的有可能厚薄不均而造成电压场不均匀分布，精密电阻网络在工作 时流过绝大部分电流，因此可以补偿工作面有可能的线性失真。
五线电阻触摸屏是目前最好的电阻技术触摸屏，最适合于军事、医疗、工业控制领 域使用。
图 3.2 五线电阻式触摸屏结构 Fig.3.2 Structure chart of five line resistive touch screen
好 <10ms
好 较小 没有 没有 纯平 好 好 室内或室外
五线电阻屏 中 一般 高 好
内置或外挂 任何物体 4096×4096
好 <15ms
好 较小 没有 没有 纯平 好 好 室内或室外
声波屏 中 好 较高 很好
内置或外挂 手指、软胶 4096×4096
好 <10ms 一般 很大 较大 较小 纯平 一般 一般 室内或室外
旋转编码器是一种角度传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种。我们在 闭环系统中常用光电式编码器来测角度。
旋转编码器有增量编码器和绝对编码器两种,如图 3.1 为光电式编码器原理示意图， 它由发光元件、光电码盘、光敏元件和光电检测装置组成。光电式编码器，是一种通过 光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，这是目前应用最 多的传感器。光电码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔，圆板不透光， 而长方孔透光。由于光电码盘与被测装置同轴，被测装置旋转时，光电码盘与之同速旋 转，光源透过光电码盘的孔在光栏板上形成忽明忽暗的光信号，经光电检测装置检测到 并转换为电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译码后输出。
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五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导 电工作面上，我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上，而 外层镍金导电层只用来当作纯导体，有触摸后分时检测内层ITO接触点X轴和Y轴电压值的 方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层ITO需四条引线，外层只作导体仅仅一条， 触摸屏得引出线共有5条。首先五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导 电玻璃的工艺使得A面的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。其次五线电阻触摸 屏把工作面的任务都交给寿命长的A面，而B面作为导体，并且采用了延展性好、电阻率 低的镍金透明导电层，因此，B面的寿命也极大的提高。
三 编码器和触摸屏的使用实验 本实验对象为板球系统上的电机尾部编码器和平板上的触摸屏，在充分理解以上实
验原理的基础上进行下列实验。 把两条 USB 数据线与计算机连接（RUN 指示灯亮表示数据采集卡已连接），将电源插
头插入插座（此时实验箱电源开关应是断开的），连接完毕后，打开实验箱电源（SON 指
示灯亮表示电源接通）。双击打开快捷方式“元创兴板球系统实物控制” 图），会看到以下界面
图 3.1 光电式编码器原理示意图 增量式光电编码器直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A 、B 和 Z 相；A 、B 两 组脉冲相位差 2 ，将输出信号送入鉴向电路,从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为 每转一个脉冲，用于基准点定位。 光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度 (分辨角、分辨率)， 而这与码盘圆周内所分狭缝的线数有关。
（要修改
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1、触摸屏实验 双击 Select Experiment 模块，选择试验编号 1，然后双击右侧的“实验 1 运动控 制基础实验”子模块，打开如下界面
表 3.1 各种触摸屏的优缺点对照表
Tab.3.1 The Contrast table of Touch screens
性能
名称
价格
防爆性
稳定性
透明度
安装形式
触摸物
输出分辨率
抗强光干扰性
响应速度
跟踪速度
传感器损伤影响
污物影响
漂移
适用显示器
防水性
防电磁干扰
适用范围
四线电阻屏 低 一般 高 好
内置或外挂 任何物体 4096×4096
2
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第三章 实验
实验指导书
实验一 运动控制基础实验
本实验的目的是让实验者熟悉旋转编码器和触摸屏的基本原理，掌握利用计算机和 数据采集卡对编码器和触摸屏进行数据采集的方法，以及利用计算机对电机进行控制的 基本原理和方法，了解机电一体化的两个重要内容：传感技术和运动控制技术。以便顺 利完成倒立摆的各项试验。 一 编码器原理
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第一章 实验使用仪器及其连接方式
实验指导书
一 PC 机 硬件要求： 1、Pentium II、Pentium III、AMD Athlon 或者更高； 2、内存至少 256MB，推荐 256MB 以上； 3、至少有两个 USB 接口； 4、支持 RS-232 串口通信。 软件要求： 1、Microsoft Windows 98、Microsoft Windows 2000、Microsoft Windows XP； 2、Visual C++ 6.0； 3、Matlab 6.5。