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1、基于模糊控制的板球控制系统实验装置16实验技术与管理V0L22N0?42005实验技术与实验发展基于模糊控制的板球控制系统实验装置胡琳静，赵世敏，孙政顺(清华大学自动化系，北京100084)摘要:介绍了难以建立精确数学模型的板球装置的总体结构和控制原理,结合模糊智能控制技术，重点阐述了板球自然不稳定系统模糊控制器的设计过程和实验过程.实验结果证明，模糊控制方法在板球装置中能取得较好的控制效果，系统容易达到稳定状态，也说明了板球装置的软件和硕件设计取得成功.关键词:板球装置;模糊控制;实验装置中图分类号:TP273文献标识码:A文章编%:1002—4956(2005)04—0016—0
2、51965年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的LomA.Zadeh教授在InformationandControl发表了题为FuzzySets的着名论文(Zadeh,LA.:FuzzySets,InformationandCon一lrol,8:338.353,1965),为描述,研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具.1975年，英国的EbrahimMamdani利用模糊控制语句组成的模糊控制器应用于锅炉和汽轮机的控制,这被认为是模糊系统理论首先应用于控制，并且充分展示了模糊控制技术的应用前景.特别是在那些具有非线性，强耦合，时变和时滞特性的复杂过程或机器的控制中，模糊控制发挥了独特的
3、作用，正成为各国高科技领域以及家电产品市场的竞争热点之一.然而，对于从事理论研究的人员而言,因为缺少进行实际操作的实验平台，目前，对模糊控制的大部分研究还停留在MATLAB仿真上，这远远不能满足研究人员进行研究的需求.实验室板球装置的研制正是基于这种需求，该系统目前已成功地在很多国外实验室搭建起来.经过儿年的研究和实验，我们也在实验室成功搭建了板球系统,并将模糊控制方法应用于控制系统中，取得了较好的控制效果，产品可以作为普通高校控制实验室的一项演示装置，也可作为控制理论研究者进行控制理论研究的开发平台.1板球装置简介板球装置的物理结构图如图1所示.小球可以在板上自由滚动，利用CCD摄
4、像头采集图像，然后经过对图像的处理取得小球在板上的位置•位置信号输入给控制器,控制器比较小球的当前位置及期望位置拼根据计算机中编制的控制算法作出判断，通过PCI2003接口卡发出控制指令.控制指令经过放大后作用于两个直流电机，电机通过传收稿日期:2004—11一02作者简介:胡琳静(1975—)，女，硕士，讲师胡琳静，等:基于模糊控制的板球控制系统实验装置17动装置控制板绕纵横两个轴转动,从而使小球滚动，达到期望的位置.我们可以通过采用不同的控制算法，实现小球在板上以多种轨迹滚动.rfl以上描述可知，板球控制系统是一个双输入双输出的非线性系统，系统的数学模型不容易建立,从而难以用传统
5、的控制方法对它进行控制.因为小球的低速控制信号一度和加速度运动使得两个方向之间的相V互影响可以忽略，所以可对x,Y两个方向单独进行控制.控制系统方框图如图2所示.图1板球装置的物理结构图图2控制系统方框图(1)图像的采集与处理在采集图像时，因为板子的倾斜角度不大，板子的转动对图像位置的影响忽略不计.应用图像采集卡，通过接口库提供的函数，编程判断像素点的RGB值，在最短的时间里搜索到小球在板上的位置,然后通过控制算法得出控制信号.本项目所采用的图像采集卡是由北京大恒视觉图像公司设计生产的DH.CG400型图像采集卡.应用MFC为球板控制系统设计的控制界面，界面左边480x480像素范围
6、实现图像的实时显示，右边为控制面板,实时显示小球x,Y位置(像素值),偏差和速度.(2)控制机制板球装置的控制是一个数字控制系统,用计算机实现控制器功能.基于经典和现代控制理论，应用DH-CG400采集小球的位置误差和速度，利用MFC应用程序框架编写接口库及模糊控制器的交互式软件包，设计控制策略,进行输入变量的模糊化,模糊推理和模糊判决，实现离散模糊控制算法.(3)输出接口和执行机构控制策略生成的控制信号是数字信号，应用PCI2003数据采集卡的D/A转换功能和两个模拟信号输出口，实现模拟量的输出，需编程完成.采用高性能70LY53力矩电机作为执行机构，电机轴通过皮带与板连接，控制板
7、的倾斜度.(4)板球装置由于静摩擦和板面瑕疵，经常导致小球速度的突变，使控制失去稳定性，因此，应尽可能增加板面光滑度.球板装置规格:板(黑色)0.4计0.40!,球(白色)半径0.02m2板球系统模糊控制器设计在板球装置中，由于小球的速度和加速度比较低使得两个方向之间的相互影响可以忽略，考虑到装置的对称性,将模糊控制器进行减化处理，在一个自由度下设计的控制器，也适用于另一个•下面重点介绍模糊控制器的设计过程.18实验技术与管理2」定义输入和输出变量在一个自
