QUBE-Servo 2学习笔记：电机/倒立摆PD控制实验
作为入职不久负责中国区技术支持服务的工程师，我最近借助Quanser提供的本科教学平台（控制原理课程App+便携式旋转倒立摆）回顾了《自动控制原理》的相关知识，将为大家介绍便携式旋转倒立摆（QUBE-Servo 2）实验平台的组成及特点，这里以“PD控制实验”为例和大家分享一下我的学习过程和感受。
预习-借助控制原理课程App
在进行实验之前，小编借助Quanser的控制原理课程App（Experience Controls）完善的教学资料以及在线实验工具，对PD控制进行了预习。视频中所展示的是小编的预习流程，首先，借助App中提供的PD控制章节，初步了解实验原理，随后通过仿真实验感受Kp,Kd两个参数对控制效果的影响，接着，小编使用APP中提供的在线实验，即通过在线实验工具连接到安装在实物周围的摄像头，直接观察实物在调节比例增益及微分增益的过程中的运行状态及波形图。至此，小编对各项参数在实际控制中的作用有了基本认识。
验证-借助电机/倒立摆PD控制实验
实验是检验理论的唯一标准，通过之前的预习，我们了解到PD控制是通过调节控制环节中比例增益（Kp）与微分增益(Kd)来调整控制效果，接下来，小编将借助Quanser的便携式倒立摆的电机/倒立摆模块和示例Demo对这一理论进行验证。
电机PD控制实验
如视频展示的实验过程，首先在Simulink界面工具栏中点击 
（build）进行编译，待系统编译成功后，顺次点击
（连接）、
（运行），待机身上LED灯由红色转为绿色时即表示系统运行成功。
在运行过程中，Kp、Kd都是实时可调的。首先，我将比例控制增益从5.5调节至7.5，从电压的示波器中可以观察到超调量的增加，同时在位置示波器中，通过对比实际位置（蓝线）与期望位置（黄线）的波形，也可以明显看到响应速度的提升。紧接着，我将微分控制增益从0.25提高到0.775，可以明显看到波形的震荡次数增加。
由此，我们可以得出以下结论：比例增益（Kp）增大时，会提高响应速度，同时减小稳态误差，但会导致超调增加；同时在合适的范围提高微分增益（Kd），可以减小超调量，但过大的增益会使得控制波形震荡次数增加，实验结果与理论完全一致。
在倒立摆平衡实验的过程中，编译运行部分与上述电机控制实验相同，这里就不多加赘述。
该系统有两组PD控制器，用于旋转臂角度以及摆杆角度的调节。在系统运行过程中对两组PD控制增益进行实时调整：初始设置kp_theta=-3， kd_theta=-2 ，kp_alpha=15 ，kd_alpha=2.5（其中theta对应旋转臂角度，alpha对应摆杆角度），此时将倒立摆手动竖起再松开，倒立摆不能保持平衡；随后我增大比例增益为kp_theta=-2，kp_alpha=30以提高响应速度，减小稳态误差，此时再竖起倒立摆并松手，倒立摆能够保持平衡，轻轻触碰倒立摆，倒立摆也能迅速回到平衡位置。
小编通过倒立摆这一复杂系统，进一步验证了比例增益及微分增益在实际控制中的效果。
复习-借助控制课程App课后习题
学而时习之，复习作为学习过程中最为关键的一步，如视频中所演示的，小编在实验过后通过配套指导书和控制课程APP中提供的完整的课后评估习题，复习并理解了PD控制器的原理，也让小编对后续将基于倒立摆展开的创新实验充满期待。
结语
借助Quanser为使用用户配套的控制课程App、实验指导手册与演示案例，以及完善的学习流程，让小编能够轻松而高效的学习《自动控制理论》，进一步提升了小编的自主学习能力。
开放的软硬件平台支持小编在实验过程中可以基于我自己的想法进行算法改进，不仅如此，还可基于倒立摆进行创新实验，接下来的学习过程中我会为大家带来更多更好玩的创新实验内容。
接下来，我将要使用便携式倒立摆（Qube-servo 2）结合移动机器人（Qbot2e）的混搭实验平台进行学习，届时再与大家一起分享。
作者简介：
姜岩- Quanser中国区技术支持，毕业于南京工程学院自动化学院。
沪公网安备 31011202011813号