半实物仿真与实时控制matlab课件.ppt

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1、2022/11/28,1,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,第 9 章半实物仿真与实时控制,薛定宇 著控制系统计算机辅助设计 MATLAB语言与应用 清华大学出版社,2022/11/28,2,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,dSPACE 简介与常用模块Quanser 简介与常用模块半实物仿真与实时控制实例,主要内容,2022/11/28,3,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.1 dSPACE 简介与常用模块,9.1.1 dSPACE 简介,dSPACE (digital Signal Processing

2、 And Control Engineering) 实时仿真系统是由德国 dSPACE 公司开发的一套和 MATLAB/Simulink 可以“无缝连接”的控制系统开发及测试的工作平台。,2022/11/28,4,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,单板系统 主要面向快速原型设计用户；其本身 就是一个完整的实时仿真系统，DSP 和 I/O 全部 集成于同一板上。标准组件系统 把处理器板，I/O 板分开，并提 供多个系列和品种，允许用户根据特定需求随意 组装，可以使用多块处理器板、多块 (多种)I/O 板，使系统运算速度、内存和 I/O 能力均可大大 扩展，从而可以满足

3、复杂的应用。特定应用装置 如汽车、火车、飞机等低空系统 的特殊开发环境。,2022/11/28,5,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,dSPACE 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比拟的特点，例如其组合性与灵活性强、快速性与实时性好、可靠性高，可与 MATLAB/Simulink 无缝连接，更方便地从非实时分析设计过渡到实时分析设计。 由于 dSPACE 巨大的优越性，现已广泛应用于航空航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开始用 dSPACE 解决实际问题。,2022/11/28,6,控制系统计算机辅助设计MA

4、TLAB语言与应用东北大学信息学院,9.1.2 dSPACE 模块组,目前在教学和一般科学实验方面比较流行的dSPACE部件是 ACE 1103 和 ACE1104 ，它们是典型的智能化单板系统，包括 DSP 硬件控制板 DS1103 和 DS1104、实时控制软件 Control Desk、实时接口 RTI 和实时数据采集接口 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中，DS1104 采用 PCI 总线接口，PowerPC 处理器，具有很高的处理性能及性能价格比，是理想的控制系统设计入门级产品。,2022/11/28,7,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.2

5、Quanser 简介与常用模块,9.2.1 Quanser 简介,Quanser 产品包括加拿大 Quanser 公司研发的控制实验用的各种受控对象装置、与 MATLAB/Simulink 或 NI 公司 LabView 等接口板卡和实时控制软件 WinCon 等，可以用类似于 SPACE 的方式进行半实物仿真与实时控制研究。,2022/11/28,8,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.2.2 Quanser 常用模块介绍,Quanser 系列产品提供了 MultiQ 板卡或其他形式的接口板卡，带有数模转换器输入(DAC)、模数转换器输出(ADC) 、电机编码输

6、入(ENC)等输入输出接口，可以直接将计算机与受控对象连接起来，形成闭环控制结构。,WinCon 是在 Windows 环境下实现实时控制的应用程序，该程序可以启动由 Simulink 模型生成的代码，向 MultiQ 板卡发送命令或从板卡采集数据，达到实时控制的目的。,2022/11/28,9,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.2.3 Quanser 旋转运动控制系列 实验受控对象简介,旋转倒立摆,平面倒立摆,回转仪,2022/11/28,10,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,柔性臂,平面连杆机器人,2022/11/28,11,控

7、制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,倒立摆系统的简要描述：,旋转倒立摆实验中，在水平面上用一个直流电机来驱动一个刚性臂的一端，臂的另一端装有一个自由度的转轴由电机控制。在这个转轴上安装一个摆杆。通过控制旋转臂的运动来保持摆杆处于垂直倒立状态。 平面倒立摆则将一根长摆杆安装在一含有两个自由度的接头上，这样摆杆就可以沿两个方向自由摆动，摆杆的摆角通过传感器测量。将这个机构装于 2 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。,2022/11/28,12,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.3 半实物仿真与实时控制实例,受控对象的数学描述与仿真研究

8、Quanser 实时控制实验dSPACE 实时控制实验,2022/11/28,13,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.3.1 受控对象的数学描述与 仿真研究,球杆系统实物图,2022/11/28,14,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,球杆系统示意图,球杆系统的控制原理: 通过电机带动连杆 CD，调整夹角 ，从而调整横杆 BC 的水平夹角 ，使得小球能快速稳定地静止在指定的位置。连杆 AB 为固定的支撑臂。,2022/11/28,15,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,在球杆系统中，杆的位置 是输出信号，电

9、机的电压 为控制信号，需要设计一个控制器，由预期位置 和检测到的实际位置 之间的误差信号 来计算控制信号 。钢球在连杆BC 上起滑动变阻器的作用，其位置 可以通过电阻的值直接检测出来。,2022/11/28,16,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,电机拖动系统的数学模型,电机仿真模型,2022/11/28,17,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,推导出电机电压信号 与夹角 之间的传递函数描述,电机拖动仿真模型,2022/11/28,18,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,球杆系统的数学模型,受控对象模型,202

10、2/11/28,19,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,球杆系统控制模型,2022/11/28,20,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.3.2 Quanser 实时控制实验,实时控制 Simulink 框图,2022/11/28,21,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.3.3 dSPACE 实时控制实验,dSPACE 使用的 Simulink 框图,2022/11/28,22,控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,9.4 本章要点简介,给出了半实物仿真的概念，综述了目前与 MATLAB/Simulink 可以无缝连接的两大主流半实物仿真软硬件系统，即 dSPACE与 Quanser 产品，并介绍了和实时控制相关的模块，还简述了可以搭建实时控制实验的 Quanser 受控对象旋转运动控制实验系列装置。以旋转运动控制系列中的球杆系统为例，介绍了其建模方法与 Simulink 模型搭建方法，进行了系统的仿真研究，并分别介绍了由 Quanser 控制器及 dSPACE 控制器对其实时控制的方法及控制效果。,