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硬件设计取得成功.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—051965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.:FuzzySetsJnformationandCon—501,8:338.353,1965),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R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來•经过几年的研究和实验，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,并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:2004~11-02作者简介:胡琳静(1975—)，女，硕士，讲师胡琳静，等:慕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.由以上描述可知，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血，界面左边480x480像素范围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II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PCI2OO3数据采集卡的D/A转换功能和两个模拟信号输出口，实现模拟暈的输出，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...