控制原理是自动化和机电类专业的一门必修专业基础课，课程地位十分重要，也是相关专业老师在课程改革、内容和实验升级改造方面的重点考虑课程。本文为大家介绍“ELVIS III + QCB板卡 + MATLAB/LabVIEW”的控制原理实验方案及其优势，并具体展示用MATLAB和QCB板卡进行直流电机控制实验的过程。

1 - 什么是ELVIS III QCB板卡

ELVIS III QCB板卡是由全球领先的控制理论研究及教学设备公司Quanser专门为ELVIS III平台开发的一款针对控制原理教学应用的实验板卡。学生可以基于板卡上搭载的带有高精度编码器的高线性度无芯直流电机，通过与电机转轴相连的磁吸式被控对象连接器连接惯性转盘或摆杆等对象，构成不同的动态控制系统；再结合MATLAB或LabVIEW软件，学生可以开展控制系统建模、控制算法设计与部署、控制系统稳定性分析等实验学习。

基于“ELVIS III QCB板卡 + MATLAB/LabVIEW”的控制原理实验方案，学生可以更好的学习和理解控制理论，锻炼和提升动手实践能力。

这套实验方案的优势体现在：

• 使用高线性度的无芯直流电机，直接地关联理论建模和实际控制结果，实验现象直观明显

• 使用高精度编码器获得被控对象反馈，保证控制系统建模、设计、部署和分析的准确可靠

• 丰富完善的实验指导书内容：项目制实验指导书设计、配有工业应用背景引入内容、详细的理论建模数学推导过程、实验操作步骤、预设引导学生思考的实验环节及问题

• 工程教育专业认证支持：匹配工程教育专业认证指标点的实验环节设计并给出使用说明及支撑关系表，便于老师在工程教育专业认证课程改革时灵活地选择使用

• 支持Simulink：借助Simulink插件软件QUARC，老师和学生可以在MATLAB Simulink中快速进行控制系统设计和部署

• 开放性和自定制开发：基于LabVIEW软件，老师和学生可以访问到所有层次的接口及控制程序，并自行开展定制化开发工作

     关于QCB实验指导书如何实现对工程教育专业认证的支持，点击链接查看文章

QCB板卡的硬件组成及说明如下图所示：

QCB板卡上更换被控对象的过程如下面的动态图所示：

2 - 用MATLAB和QCB板卡进行直流电机控制实现

下面向大家具体展示用MATLAB和QCB板卡进行直流电机控制实验的过程（用LabVIEW和QCB板卡进行实验的过程，除了软件平台不一样外，整体流程与此是一致的）。

以下实验过程由西安交通大学机械工程专业的学生王世剑记录并整理，他从具体做实验的学生的视角，展现了他在做实验过程中的一些具体体验感受：

之前在学习控制工程的过程中，教科书里充满了大量的理论和公式，初学时很难和现实中的控制对象相对应，记住的公式也会很快忘记；在对应的实验过程中，虽然也是针对直流电机对象来完成控制系统的设计，但整个实验的过程大多是参考着类似“实验步骤说明书”的实验指导书，做“点、点、点。。。”（比喻仅仅是点软件配置、运行程序的过程）的操作来较为“机械”地完成，并没有太多把理论知识和实际被控制系统联系起来的思考。

在拿到QCB板卡硬件的时候，它最吸引我的地方是板卡上面的图案内容和其中与控制系统框图融为一体的被控对象基座，在视觉直观上，就给我了一种“理论联系实际”的感觉。拿在手里端详一番，QCB板卡、惯性转盘、摆杆模块的质感，以及手动转动电机转轴和摆杆转轴时候的手感，给我一种“精细”的感觉。第一印象不错，确实有想进一步探索研究的兴趣。

直流电机的控制实验，需要用到惯性转盘对象，整体实验平台的硬件情况如下图所示。

翻开QCB配套的实验指导书，中文的，一共有168页。参考指导书中详细的设备入门指南，我很快熟悉了实验平台，做好了实验前的准备。

今天要向大家展示的是用QCB板卡进行直流电机控制的实验，其中包括了直流电机的建模、速度控制和位置控制三部分。

在直流电机的建模实验中，实验指导书中给出了详细的直流电机参数和建模的理论推导过程，这对我加深理论理解以及联系实际被控对象很有帮助。值得称赞的是，这些电机参数和推导公式中的参量标号和QCB硬件板卡上框图参量标号是完全对应的。

建立电机模型后，就可以检验所建模型的准确性，以下实验视频中显示了模型与实际电机的输出对比。Simulink仿真框图中红色方框是使用QUARC对直流电机的可视化模块，蓝色方框是基于电机工作原理建立的模型。输入阶跃信号的电压Vm，右边的scope示波器即显示两者输出的速度大小。输出中蓝色的曲线为模型输出，黄色的曲线为实际电机转速大小，两者误差较小，所以建立的模型比较准确，为后面的控制器设计奠定了基础。

pe示波器即显示两者输出的速度大小。输出中蓝色的曲线为模型输出，黄色的曲线为实际电机转速大小，两者误差较小，所以建立的模型比较准确，为后面的控制器设计奠定了基础。

直流电机建模这部分实验还包括了实验法建模和频响建模的实验内容。

在对电机准确建立模型之后，就可以设计控制器控制电机的速度，例如使用比例积分（PI）控制器，包含比例环节和积分环节。PI控制系统根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。通过定量设计PI控制器的参数，达到期望的控制目标，如期望的峰值时间、上升时间和过冲大小。

直流电机速度控制这部分实验还包括了前馈补偿器设计的实验内容。

在实际应用中，常见对直流电机的位置控制，例如工业机器人的旋转关节、智能小车的定位。上一部分实验实现了对于电机速度的控制，对速度信息进行积分就可以获得位置信息。与控制系统的其他应用一样，可以使用多种方法控制直流电机的位置，例如可以使用PID控制，也可以使用根轨迹设计前馈补偿器。

以下实验视频中显示了目标位置的控制过程，分别使用PD控制器（视频中第一个实验）和前馈补偿器（视频中第二个实验）实现。前馈补偿器的设计原理是零极点的配置，使得系统达到期望的性能指标，比如快速的响应和零稳态误差。从结果可以看出补偿器的效果优于PD控制器，黄色曲线对蓝色目标曲线重合度更高。

直流电机位置控制这部分实验还包括了专门的稳定性分析实验内容。

做完直流电机的控制实验，我最大的收获主要有两方面：

1）增进了我对于控制理论知识本身的认识及其与实际控制应用间的关联；

2）增强了我对于自己有能力进行实际控制系统设计、实现和部署的信心。

这主要得益于QCB实验指导书中提供了被控对象（该实验中为直流电机和惯性转盘）准确的动力学和电学参数、并且详细讲解了基于这些参数如何通过数学公式及推导一步一步完成对被控对象的数学建模，以及对其设计相应控制系统的建模数学推导过程，这让我真正搞明白了书本里学的那些控制理论知识的意义所在；紧接着，我把建立好的数学模型，在Simulink里面一步步搭建，并完成和实际被控对象的控制信号接口关联，接下来在Simulink中就可以直接把控制模型部署到ELVIS III上实际控制被控对象，实时的查看理论仿真结果和实际控制结果的对比，这让我进一步真正体会到了“理论联系实际”，基于仿真和实测控制结果的对比，我可以进一步思考如何对控制系统进行优化并进行实现。

本文实验实现及过程记录 | 曾益慧创实习生-王世剑（西安交通大学机械工程专业）