控制系统仿真与CAD-chapter-9

2020/6/6,1,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语言与应用第二版，清华大学出版社2006CAI课件开发：鄂大志、薛定宇,2020/6/6,2,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,2020/6/6,3,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,9.1dSPACE简介与常用模块,9.1.1dSPACE简介,dSPACE(digitalSignalProcessingAndControlEngineering)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。,2020/6/6,4,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。,2020/6/6,5,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。,2020/6/6,6,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,9.1.2dSPACE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ACE1103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ControlDesk、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。,2020/6/6,7,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,9.2Quanser简介与常用模块,9.2.1Quanser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。,2020/6/6,8,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,9.2.2Quanser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。,2020/6/6,9,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,9.2.3Quanser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,2020/6/6,10,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,2020/6/6,11,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,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。,2020/6/6,12,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Quanser实时控制实验dSPACE实时控制实验,2020/6/6,13,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,2020/6/6,14,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。,2020/6/6,15,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。,2020/6/6,16,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,2020/6/6,17,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,2020/6/6,18,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,2020/6/6,19,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,2020/6/6,20,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,9.3.2Quanser实时控制实验,实时控制Simulink框图,2020/6/6,21,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,9.3.3dSPACE实时控制实验,dSPACE使用的Simulink框图,2020/6/6,22,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