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。

倒立摆控制实验，需要用到旋转倒立摆控制对象，整体实验平台的硬件情况如下图所示。

今天要向大家展示的是用QCB板卡进行倒立摆控制的实验，其中包括了倒立摆建模、平衡控制和自起摆控制三部分。

在倒立摆建模实验中，实验指导书中给出了详细的倒立摆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，这些倒立摆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。

为了实现对倒立摆的控制，第一步是建立模型，倒立摆是一个非线性系统，分别在倒立位置以及垂直位置进行线性化，在可视化仿真工具MATLAB/Simulink中建立模型，结合Quanser提供的软件平台QUARC以及倒立摆，检验所建立模型的准确性。

以下实验视频中显示了输入激励后倒立摆摆针的运动状态，同时比较了模型的输出和实际的输出，Simulink仿真框图中红色方框是使用QUARC对倒立摆的可视化模块，下面方框是对倒立摆建立的空间状态方程。输入电压Vm，右边的scope示波器即倒立摆输出的角度。输出中蓝色的曲线为模型输出，黄色的曲线为实际输出。可以看出建立的理论模型和实际控制对象输出的高度吻合，这说明实验对象和理论模型关联匹配度好，这为后面控制器的设计奠定了基础。

在获得比较准确的倒立摆模型之后，就可以设计平衡控制器使得倒立摆稳定，通过极点配置的原理设计比例控制器，以下实验视频为倒立摆的平衡控制，示波器中显示了摆针的角度变化。在摆针处于垂直位置平衡后，右上角黄色曲线表示倒立式摆针的波动，可以看出，波动范围很小，从而实现了倒立平衡控制。

平衡控制实验的一个缺点在于需要手动将摆针波动到倒立位置，控制器才能启动。而下的自起摆实验引入能量控制，使得摆针在垂直位置实现自起摆到达倒立位置，通过Simulink中的switch模块将系统切换到平衡控制。从以下视频中可以看到，右上角的示波器显示摆针的角度变化，从0度变化到180度，然后平衡控制器启动，摆针存在微小的波动，系统保持平衡。

做完倒立摆的控制实验，我最大的收获主要有两方面：

1）加深了我对于高阶控制理论知识原理和应用的理解；

2）提升了设计控制系统的综合能力，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。

在倒立摆的平衡控制实验中，从动力学建模开始，实验指导书系统地介绍了从建模到建立状态空间方程。状态空间方程的引入意味着从经典控制理论进入现代控制理论，知识层次更高。自起摆实验中结合能量控制和平衡控制，逻辑过程更加严密，调试控制器参数、调整倒立摆等动手实践环节使学习的知识更加深刻。在实验过程中，对Simulink中的模块应用更加熟练，加深了对软硬件交互过程的理解。QCB板卡硬件以及旋转倒立摆准确的动力学和电学参数、精度很高的编码器也是实验成功的重要因素。

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）