国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会：以学生为中心的打印机位置控制实验室

2013年8月28日至30日，国际自动控制联合会第10届IFAC研讨会控制教育进展。英国谢菲尔德以学生为中心的本科生实验室开发：打印机头的位置控制W. P. Heath1O.下午2点。格林3B Lennox4ZhenyuGai5ZhiweiHe6M. C. R odriguezLinZhaon71英国曼彻斯特大学电气与电子工程学院控制系统中心，Sackville St Building，M13 9 PL（电子邮件：william.manchester.ac.uk）。2曼彻斯特大学（电子邮件：oliver.manchester.ac.uk）。3曼彻斯特大学peter.green @ postgrad.manchester.ac.uk）。4曼彻斯特大学（电子邮件：barry.manchester.ac.uk）。5香港大学（电子邮件：gaizyuchina@yahoo.cn）。6曼彻斯特大学（电子邮件：zhiwei. student.manchester.ac.uk）。7曼彻斯特大学（电子邮件：mariadelcarmen. postgrad.manchester.ac.uk）。翻译后摘要：我们讨论了我们的介绍本科控制课程的实验室的发展。具体来说，我们讨论的发展，和修改，实验室钻机打印头控制。这种钻机价格便宜，用途广泛。该实验室加强了PID整定的效果学生们参与了开发的各个阶段，并指导了工作。其结果是一个非常成功的实验室包，已收到了热情。关键词：A/D和D/A转换器，齿隙，闭环控制，教育，频率响应，电机控制，PID控制，位置控制，打印机。1.1 背景1. 介绍发展和强化关键概念。2008年，我们决定为该模块开发全新的实验室。我们的要求包括以下几点：系统应该是高度可视化的，曼彻斯特大学对本科生和硕士生的教学控制有着悠 久 而 自 豪 的 传 统 （ Atherton ， 2008; Smith ，1996）。目前，电气与电子工程学院提供电子工程、电气与电子工程和机电一体化工程的本科学位。BEng（三年）和MEng（四年）资格都可用。学生们首先正式接触到系统方法和反馈控制的使用在他们的第二年有两个模块：信号和系统在第一学期和控制系统我在第二年。这是所有学生的必修课。控制系统I是经典控制的介绍，重点是PID控制。包括时域和频域分析技术。频域设计方法也被认为是导致超前滞后补偿。只考虑连续时间控制：第三年介绍离散时间控制和状态空间分析实验室是控制系统I交付不可或缺的一部分。理想情况下，它们都应该激励分析并且反馈控制的好处可以容易地理解;该装置应该相对容易控制，允许实验室内容的灵活性; PID控制的好处和高增益控制的危险都应该容易证明;该装置应该是便携式的，使得专用实验室是不必要的;我们应该有每个装置的许多副本（并且因此该装置本身应该相对便宜）。我们很快就确定了两个非常理想的特征：实验室应该开发硬件和软件，以及通过我们与国家仪器公司的战略合作伙伴关系提供的技术专长;实验室的发展应该是学生驱动的，这样它就可以反映他们的兴趣和需求。1.2 发展控制系统I选择的具体装备是打印机头的位置控制，灵感来自Hamilton和鸦片战争是© IFAC 232 10.3182/20130828-3-UK-2039.00040第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲233Fig. 1.喷墨打印机系统的重要组成部分：取自Onel等人。（2009年）。作为第四个实验的一部分，2008-2009学年的本科团队项目（Onel等人，2009年，2010年）;这在第3.1节中讨论。我们很幸运，团队中的两名成员留在曼彻斯特攻读博士学位，并可以推出最终的实验室。这是在2010-2011学年首次作为本科模块的一部分使用。然后，一名暑期实习生对硬件进行了第二名暑期实习生提出了进一步的修改建议，我们打算在2013-2014学年暑期实习生的作用我们还发现该装置可用作研究的演示器。这项工作导致了2012-2013学年这些发展将在第3.3节中讨论。2. 实验室2.1 硬件和软件实验练习的目的是定位标准喷墨打印机的打印头。在开发过程中，图二、National Instruments ELVIS II和子板。图三. LabVIEW虚拟仪器截图。这是从本科实验室2011-2012学年。正弦波响应显示了非线性的影响。2.2 实验室练习如果我们假设线性动态，则从电机电压到打印头位置的传递函数响应的良好线性近似为：B打印机是HP D2560;目前我们使用HP Deskjet 3000。打印头驱动电机和定位电机G（s）=.s（s+a）传感器与打印机内部控制电路断开连接在最初的开发中，编码器条被替换为电阻丝，光学编码器被替换为与电阻丝接触的小擦拭器，形成电位计。在当前格式中，我们通过位置编码器获得打印头位置控制器本身是在PC上使用LabVIEW运行的 。 使 用 National Instruments ELVIS II 板 （ http ：//www.ni.com/nielvis/）和专用子板（图2）将数据传送到PC和从PC传送数据，该专用子板的原型是在最初的第四年项目期间设计和制造的。PC上的LabVIEW虚拟仪器如图3所示。断裂频率可以被建模为发生在约17Hz处，尽管在实验中发现，频率稍微低一点。还有一个小的延迟与离散时间控制。这使得该装置完全适合于PID控制的初步研究在开环中，设备是勉强稳定的-具有合适的电压增量，头部将从一个端部止动件移动到另一个端部止动件。但仅P控制使系统稳定，具有简单的二阶动力学。要求学生引入具有不同频率的正弦波作为设定点要求，并将响应与他们所学的波特图进行比较第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲234二阶系统。在较高比例控制下，响应变得振荡。学生研究微分作用的影响，以减少振荡与更快的闭环响应。证明积分作用的影响更具挑战性，因为复杂灵敏度的稳态增益为0dB。一种可能性是研究对速度而不是位置需求的闭环响应。在实践中，打印机被发现表现出相当严重的非线性，这在很大程度上可以归因于使用电压控制，而不是电流控制。这是ELVIS子板的功能所强加的，与van deMolengraft的建议相反等（2005）。具体而言，反应表现出严重的反冲（Rodriguez，2013）。要求学生观察和评论非线性的症状-包括阶跃响应和频率响应。奇怪的是，非线性使得积分作用的益处更容易观察到，因为在仅P控制或PD控制的情况下，磁头可以在2010-2011学年，学生进行了两个三小时的实验室。首先，他们研究了开环响应和仅采用P和PI控制的闭环响应。他们还收集了正弦波响应数据，用于构建波特图，作为自己完成的标记课程的一部分。在第二个实验室中，他们研究了PD控制，PID控制以及使用抖动来克服非线性。这两个实验室都收到了学生的积极（但不突出）反馈人们认为两个实验室太多了;此外，轶事证据表明学生不喜欢与课程作业相关的广泛数据分析。由于这些原因，在2011-2012学年，学生只进行了一个三小时的实验室。他们被要求：检查开环中的大电压阶跃响应和小电压阶跃响应;研究仅P（低增益和高增益）、PD和PID控制的闭环中的阶跃响应;研究仅P、PD和PID控制的闭环中的频率响应。唯一标记的部分是在三小时实验结束时完成的简短问卷。2012-2013学年使用了类似的实验室练习，但软件变更大大降低了非线性效应（见第3.3节）。3. 钻机开发3.1 第四年团队项目在2008-2009学年运行的第四年团队项目的最初目标是在本科和硕士项目的范围内彻底改革我们的为此，我们建造并测试了一些原型实验室设备--打印机实验室只是其中之一学生们很快发现，缺乏合适的通用数据接口是开发实验室的协调方法的主要障碍。他们在报告中指出：“从现有实验室设备的分析中可以看出，有各种各样的系统，每个系统都有自己的定制接口用于信号调节和功率放大。不幸的是，这些接口图四、ELVIS II子板的功能：摘自Onel等人。（2009年）。接口盒缺乏文档，因此难以维护，这意味着为了将来自数据采集系统的低电平信号与设备接口，接口盒理想地将被重新设计和文档化。另一种方法是开发一种多用途接口，能够连接并驱动实验室中的所有设备。之所以选择这一选项，是因为它减少了设计许多类似但略有不同的系统所需的工作量，并意味着可以花费更多的时间开发和记录一个界面，与实验室的所有设备一起使用”（2009年）为此，设计了一个多用途接口，并建立了原型。它采取了一个子板的形式，坐在一个ELVIS II板（图2）。其功能如图4所示。它可以接受多种不同幅度和格式的数字和模拟电压和电流信号同样，它能够以高达4A和24V的电流提供模拟、参与团队项目的两名学生留在曼彻斯特攻读博士学位。在这段时间里，对设计进行了一些小的修改，并建造了十个副本。事实证明，这些电路板没有用于任何其他实验。从这个意义上说，它们是过度设计的（它们的大部分功能没有被使用：这将在3.2.2节中进一步讨论），并且在一定程度上是不合适的（它们不适合提供电流控制：这将在3.4节中进一步讨论3.2 硬件修改电气与电子工程学院有一项政策，鼓励学生作为实习生工作八年。第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲235你找到...是的-非常好是的-有点中性不是很一点也不PI实验室有趣：40502630PI Lab有用：52471730PID实验室有趣：36512511PID实验室有用：34443122表1.2010-2011学年实用实验室兴趣和效用调查调查是在第二个实验室进行的。整个夏天都是这样这些职位都是有竞争力的，并从各种来源支付。在本科打印机实验室的情况下，迄今为止，两名本科生已经对钻机进行了重大改进。我们依次讨论每一个。一般来说，将控制系统理解与电子或软件技能相结合的项目对我们的学生最具吸引力。这两个项目都很好地说明了这一点。实习一在第一年，我们使用的钻机本科实验室的编码器条不用于头部位置测量：而是一个模拟信号获得使用一条电阻丝。虽然这与课程中教授的连续时间方法更一致，但它是从密切模拟实际控制回路的目标后退的一步。2011年夏天，一名学生修改了该系统，以接受数字位置测量。在打印机本身的控制是由一个微控制器，接收位置和方向数据从一个光学编码器，然后产生一个合适的驱动信号的电机。所使用的位置传感器是光学正交编码器，与光带相结合编码器条安装在打印机的底盘上，正交编码器安装在打印头内部。当编码器沿着编码器条移动时，编码器输出一串数字脉冲。计数脉冲的数量以便确定打印头的位置。通过比较两个脉冲串的过渡模式来确定运动的方向。为了模拟这一点，修改了通过子板的路由，以接受数字信号。然后重写LabVIEW虚拟仪器来解释数字信号。2011-2012学年成功使用了这些修改购买新的打印机（费用微不足道），而不是试图重新修改原件。有两大好处：传感器噪声大大降低。打印机硬件更强大，在教学学期中需要的维护更少。实习二如上所述，ELVIS II子板对于特定实验室具有2012年夏天，我们研究了一个更精简的解决方案的可能性。特别是，我们所有一年级的本科生都获得了National Instrument myDAQ板– 看到（http：www.eee.manchester.ac.uk/本科/图五.用于National Instruments myDAQ的原型子板。courses/projectwork/mydaq/index.html）。将其集成到控制系统I实验室是自然的为此，第二名学生在2012年夏天实习他设计并建造 了一 个 这 样的 电 路 板的 工 作 原型 （ 图5和 图6）。原型板没有光学隔离。在撰写本文时，我们已经设计了一个修改后的电路板，但尚未构建相应的原型。我们打算在2013-2014学年使用该系统。··第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲236见图6。打印机控制使用国家仪器我的数据采集和原型子板适当修改LabVIEW虚拟仪器。3.3 非线性补偿打印头响应是高度非线性的（例如参见图3）。该课程的教学部分侧重于线性响应。在实验室里，我们要求学生观察并评论那些看起来不是线性的行为。尽管如此，我们还是希望尽可能地非线性本身可以很好地表征为反冲（Rodriguez，2013）：见图7。然后，可以使用反技术，例如Tao和Kakotovic（1996）提出的技术。逆包括不连续性，在某些情况下，在致动器抖振的结果。然而，这可以通过使用类似于Johansson等人（1999）所解释的空间正则化技术来克服。这已经成功实施（图8），并用于2012-2013学年此外，我们还证明了齿隙逆、饱和和齿隙的级数组合本身就是一个饱和函数。这允许在表现出间隙和致动器饱和的系统上实施新颖且有效的抗饱和和 模型预测 控制技 术会议论 文（Rodriguez和Heath，2012 a）包括打印头系统的模拟我们随后证明了见图7。打印头的输入输出特性，显示回差。见图8。逆齿隙打印头的输入输出特性：有效响应几乎是线性的。它也在实践中工作，并已将硬件结果纳入期刊版本（目前正在审查中）。类似地，我们建议在期刊提 交之前 在硬件 上实施 和确认 （Rodriguez和Heath，2012 b）的发现。3.4 未来发展尽管反向反冲提供了简单的并且可能令人惊讶地有效的对打印机设备的非线性的对抗2005年）。不幸的是，这在ELVIS II子板和myDAQ子板上都不容易实现。我们已获得资金，聘请第三个暑期实习生，以调查这种解决方案是否在钻井平台上有效，并可以使用简单的子板实施。4. 结论我们已经讨论了一个实验装置，该装置已在大型本科班使用了三年，并即将在第十届IFAC ACE2013年8月28日至30日。英国谢菲237在第三年使用。一个关键的特点是它的多功能性。 它是由学生自己设计和开发的。此外，它已被加强每年，再次与我们的学生进行的设计和开发。这确保了它与我们目前的本科生群体直接相关，并且很有趣。我们计划在短期内作出进一步的改变，并预期在未来数年内- 易于更新和修改。确认作者得到了曼彻斯特大学和国家仪器公司的许多同 事 他 们 特 别 感 谢 National Instruments 的 HannahWade提供的帮助和建议。引用D. P. Atherton 战 后 曼 彻 斯 特 大 学 的 控 制 工 程 。UKACC，曼彻斯特，2008年。D. Hamilton和T.奥马霍尼在控制系统课程中尝试P2BL. UKACC控制会议，曼彻斯特，2008年。K. H. Johansson ， M. Egerstedt， J. Lygeros， and S.Sastry。关于混合自动机的正则化。《系统与控制快报》，第38卷，页。141-150，1999年。M. J. G. van de Molengraft，M. Steinbuch和A. 德·克雷克。将实验融入控制埃因霍温理工大学的课程。IEEE控制系统杂志，2005年，第25卷（1），第40-44页。O. Onel ， K.Evans ， P.M. Green ， P.Kyabaggu ，J.Medland，R. Smalley，O.Marjanovic和B.伦诺克斯本科控制系统教学实验室的建设。UKACC控制会议，考文垂，2010年。O. Onel ， P. Kyabaggu ， K. Evans ， P. Green ， J.Medland和R.斯莫利控制系统教学实验室的建设本科四年级项目最终报告，电气和电子工程学院，曼彻斯特大学，2009年。M. C. 我是李桂思医生。具有执行器非线性对象的控制设计与分析新技术。博士论文，2013年提交。2012年在PGR海报会议上展示的海报。http://www.eee.manchester.ac.uk/research/pgrconference/M. C. R odriguezLinJingan和W. P. 希思用于具有饱和和死区/间隙组合的设备的控制器结构。IEEEMSC，杜布罗夫尼克，2012年。M. C. R odriguezLinJingan和W. P. 希思 适用于饱和、死区、间隙或静摩擦的管道。IFAC非线性模型预测控制会议（NMPC'12），2012年。M.史密斯联合王国（控制教育）。IEEE控制系统杂志，卷。16，pp.51-56，1996年。G.陶和P·科科托维奇具有执行器和传感器非线性系统的自适应控制。John Wiley and Sons，1996年。