现代控制理论：XZ-Ⅱ型旋转倒立摆实验详解

现代控制理论实验讲义聚焦于一阶倒立摆系统，这是一种典型的机电一体化系统，以XZ-Ⅱ型旋转式倒立摆为例。该系统采用数字信号处理器(DSP)作为核心控制器，负责实时数据处理、A/D和D/A转换，以及执行复杂的控制算法。直流力矩电机作为执行元件，直接驱动摆杆实现倒立，并通过电机驱动旋臂来控制摆杆的运动。 系统的关键组成部分包括：内置DSP控制器，它接收来自两个塑料电位计的角位移反馈，这两个电位计分别监测旋臂与铅直线的夹角和摆杆与旋臂的相对角度。通过对这些信号的处理，控制器能够计算出控制信号，驱动电机进行精确的摆动控制。此外，系统还具备串行通讯接口，允许计算机进行在线控制算法的调试。 在工作原理上，旋臂由直流力矩电机驱动，在垂直于电机轴的平面上旋转，而摆杆则可在与转轴垂直的平面上摆动。通过电位计的信号，系统能够实时监测摆杆的位置，并根据控制算法进行调整。整体结构由支架、机箱、电源开关等构成，且软件操作界面设计得直观易用，允许用户在不同的控制模式下（如控制模式、监视模式和用户自定义模式）进行实验。 软件使用方面，用户可以通过DSP.EXE程序启动实验，进入主界面后，可以设置控制模式，选择是通过微机进行控制并由DSP进行数据采集和输出，还是仅在DSP内部进行控制。基本设置部分，用户可以设定电机的基本参数，如满额电压和死区电压，这些通常在常规操作中无需频繁改动。 本讲义深入介绍了现代控制理论在倒立摆系统中的应用，强调了DSP在实时控制和数据处理中的关键作用，以及如何通过机械结构和软件设置实现对摆杆的精准控制。这对于理解机电一体化系统的设计和控制技术具有重要意义。