摘 要： 基于NI公司的PXI-1050工控機和PXI-7344運動控制卡，在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)了直線二級倒立擺LQR控制系統(tǒng)的仿真與實時控制實驗平臺。該平臺提供了LQR控制器的設計與仿真驗證工具，以及實時監(jiān)控環(huán)境，同時利用LabVIEW軟件中的3D控件設計了可視化的人機交互界面。該平臺可以為控制理論研究與教學提供良好的硬件在環(huán)實驗環(huán)境，操作方便并且具有一定的開放性。
關鍵詞： 倒立擺；最優(yōu)控制；運動控制卡；硬件在環(huán)；人機交互
LabVIEW是由美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的一種圖形化編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，具有可視化、編程方便等特點[1]。NI公司的PXI-1050工控機帶有8個PXI插槽，配合圖像處理、數(shù)據(jù)采集、運動控制、嵌入式系統(tǒng)等模塊，可以構成快速原型開發(fā)系統(tǒng)。在PXI-1050工控機上，利用LabVIEW軟件可以開發(fā)硬件在環(huán)仿真實驗平臺。與MATLAB軟件工具相比較，LabVIEW在硬件接口驅動、人機交互界面的設計方面更為方便。
倒立擺是一種典型的非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，在控制理論算法驗證和課程教學中，將倒立擺作為經(jīng)典被控對象開發(fā)的實驗裝置有廣泛的應用價值。本文以LQR控制算法為例，介紹了直線二級倒立擺控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)提供了一個控制器設計、仿真和實時控制實驗平臺。根據(jù)二次型最優(yōu)指標，用戶可以進行控制器參數(shù)設計、仿真調試和倒立擺的實時控制驗證，并且通過倒立擺3D模型和響應曲線圖直觀地顯示實際倒立擺運動情況。
1 二級直線倒立擺的數(shù)學模型
二級倒立擺物理系統(tǒng)是由小車和安裝在小車上的一級擺桿和二級擺桿組成。其中實際模型的參數(shù)如表1所示。
2 倒立擺系統(tǒng)的硬件設計
本文設計的倒立擺控制系統(tǒng)采用NI公司的PXI-1050工控機為核心，控制系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。
擺桿角度和小車位置的測量采用3個OVW2-06-2MD編碼器。
PXI-7344的運動控制卡是NI公司的一款中檔的4軸步進/伺服控制器，每軸可通過軟件設置步進/伺服控制器的類型和參數(shù)，結合LabVIEW Motion驅動軟件，可實現(xiàn)各種類型的控制任務。運動控制卡內部高性能微處理器(DSP)完成控制器計算后，向交流伺服電機的驅動器發(fā)出控制指令[3]。
UMI-7774接線板為運動控制卡提供了豐富的布線和連接點，從而簡化了PXI-7344控制器與第三方驅動器、放大器、編碼器和限位開關之間的集成，同時也起到了過電流保護和信號隔離的作用[4]。
交流伺服電機驅動器采用日本松下公司的 MSDA023D1A，它的作用是接收外部控制信號控制PWM輸出，調節(jié)電機轉速。同時可在其內部形成速度控制環(huán)。
在圖1所示倒立擺系統(tǒng)中，交流伺服驅動器一方面采集編碼器3的信號，在其內部形成速度控制環(huán)，同時將編碼器3的信號送入UMI-7774接線板。PXI-7344運動控制卡通過接線板采集編碼器1~3的脈沖信號，以及倒立擺底座上兩個限位開關的數(shù)字信號。通過PXI-1050工控機的LabVIEW軟件系統(tǒng)，將編碼器1和編碼器2的脈沖計數(shù)轉化為擺桿1和擺桿2的角度讀數(shù)，將編碼器3的脈沖計數(shù)轉化為小車的水平位置，并按照一定的控制策略計算出小車的給定加速度，經(jīng)運動控制卡內部控制器計算得到的控制量送入伺服電機驅動器，控制電機的加速度，實現(xiàn)對直線二級倒立擺的控制。限位開關輸出的數(shù)字信號用來決定相應的關閉操作[5]。
3.2 LQR控制器在LabVIEW中的實現(xiàn)
LabVIEW中的控制與仿真工具箱提供了LQR函數(shù)，該函數(shù)允許輸入兩個參數(shù)Q和R，這兩個參數(shù)用來分配性能指標中控制量和狀態(tài)偏差量的權重。LQR函數(shù)的輸出參數(shù)是使二次型性能指標最優(yōu)的狀態(tài)反饋矩陣K。
在倒立擺LQR控制中，設R為某一固定值，Q=diag(Q11，Q22，Q33，0，0，0)，其中Q11代表小車位移的權重，Q22代表擺桿1角度偏差的權重，Q33代表擺桿2角度偏差的權重。權重值增大，對相應的偏差量抑制能力增強。
本文通過二級倒立擺模型與LQR函數(shù)結合設計了倒立擺仿真VI。圖3是VI的前面板。用戶可通過前面板的左側修改模型參數(shù)、R值以及Q陣的權值，在前面板的右側可得出仿真的曲線圖，同時在圖4的程序框圖中，還可設置系統(tǒng)的仿真步長和仿真時間，默認的仿真步長為0.01。
當取參數(shù)Q11=200，Q22=400，Q33=400，仿真步長為0.01，仿真時間為10 s時，在LabVIEW仿真平臺上可以得到小車位置、擺桿1以及擺桿2的仿真曲線圖。由圖3可以看出三者的超調量很小、上升時間也很短，具有一定的抗擾能力。
4 二級倒立擺的實時控制
4.1 角度測試VI程序
在倒立擺實時控制系統(tǒng)設計中，為了測試所編寫的程序能否正常采集擺桿1和擺桿2的角度數(shù)據(jù)，本文編寫了擺桿角度測試程序。
通過運動控制卡PXI-7344采集的擺桿角度數(shù)據(jù)可以在程序的前面板上顯示出來。程序開始執(zhí)行時，擺桿處于垂直向下靜止狀態(tài)，編碼器輸出的脈沖數(shù)和換算后的弧度值均為0。當人為地提起擺桿時，上述兩個數(shù)值立即隨著擺桿角度變化，可以方便地用來對編碼器進行角度標定。
圖5是角度測試的框圖程序。倒立擺控制對實時性要求高，本文設置的定時循環(huán)的采樣時間是10 ms。程序包括控制器初始化，控制器各個軸的設置和復位以及定時循環(huán)采樣。在每次循環(huán)中，調用了采集角度編碼器的驅動函數(shù)，對各個擺桿采集一次數(shù)據(jù)。在顯示控件中將編碼器的實際脈沖數(shù)讀出來，換算成弧度值。
4.2 倒立擺實時控制系統(tǒng)的設計
在倒立擺實時控制系統(tǒng)設計中，本文利用LabVIEW良好的人機交互功能，設計用戶操作界面。使用LabVIEW8.6版本所提供的3D控件功能，搭建了一個直線二級倒立擺3D模型。在實時控制過程中，根據(jù)采集的小車位置和兩個擺桿角度的數(shù)據(jù)，將倒立擺實際運動情況反映到虛擬的3D模型中。
在二級直線倒立擺LQR控制實驗平臺的用戶操作界面上，選擇“實時控制”選項卡時，并選擇“參數(shù)設置及顯示界面”如圖6所示，設置反饋矩陣K的值，這六個值來自于仿真的結果。點擊“開始控制”按鈕，小車位置、擺桿1弧度值、擺桿2弧度值以及左右限位開關狀態(tài)等數(shù)字信號反映到前面板上來，從而達到監(jiān)控的目的。
選擇“數(shù)據(jù)顯示界面”選項卡，如圖7所示，可顯示直線二級倒立擺3D模型和小車位置、擺桿1角度、擺桿2角度的曲線圖，并觀察各個擺桿的振蕩情況，而且可以通過在3D圖形中旋轉操作，選擇從不同的角度觀察3D演示。
點擊圖6下方的“停止”按鈕，整個倒立擺控制程序停止運行。
本文基于NI公司的PXI-1050工控機和PXI-7344運動控制卡，在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)了直線二級倒立擺LQR控制系統(tǒng)的仿真與實時控制實驗平臺。該實驗平臺提供的仿真工具可以根據(jù)給定的二次型指標，方便地完成最優(yōu)狀態(tài)反饋矩陣K的設計和仿真驗證。利用系統(tǒng)提供的實時控制工具，可以進行參數(shù)設置和監(jiān)控。用戶界面提供的倒立擺3D運動模型、輸出響應曲線和實時數(shù)據(jù)可以全面顯示倒立擺的實時控制效果。該平臺具有開放性和擴展性。
參考文獻
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