chapter 9半实物仿真与实时控制
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2011-5-2 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 5
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 目前在教学和一般科学实验方面比较流行的dSPACE ,它们是典型的智能化 部件是 ACE 1103 和 ACE1104 ,它们是典型的智能化 单板系统， DS1104、 单板系统，包括 DSP 硬件控制板 DS1103 和 DS1104、 Desk、 实时控制软件 Control Desk、实时接口 RTI 和实时 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中， 数据采集接口 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中， 总线接口， 处理器， 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 很高的处理性能及性能价格比， 计入门级产品。 计入门级产品。
2011-5-2 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 14
在球杆系统中， 是输出信号， 在球杆系统中，杆的位置 是输出信号，电机 为控制信号，需要设计一个控制器， 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 上起滑动变阻器的作用， 可以通过电 阻的值直接检测出来。 阻的值直接检测出来。
2011-5-2
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
23
2011-5-2 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 11
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
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
2011-5-2
12
9.3.1 受控对象的数学描述与 仿真研究
2011-5-2 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 3
单板系统 主要面向快速原型设计用户；其本身 主要面向快速原型设计用户；
就是一个完整的实时仿真系统， 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。 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 把处理器板， 板分开，
• 球杆系统实物图
2011-5-2 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 13
球杆系统的控制原理: 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。
• 球杆系统示意图
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
2011-5-2
6
9.2 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、 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。 制研究。
球杆系统的数学模型
• 受控对象模型
2011-5-2 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 18
• 球杆系统控制模型
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
2011-5-2
19
9.3.2 Quanser 实时控制实验
• 实时控制 Simulink 框图
1
主要内容
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
2011-5-2
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
2
9.1 dSPACE 简介与常用模块
9.1.1 dSPACE 简介
dSPACE (digital Signal Processing And Control Engineering) 实时仿真系统 是由德国 dSPACE 公司开发的一套和 可以“无缝连接” MATLAB/Simulink 可以“无缝连接”的控制 系 统开发及测试的工作平台。 统开发及测试的工作平台。
2011-5-2
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
15
电机拖动系统的数学模型
• 电机仿真模型
2011-5-2 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 16
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
2011-5-2 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 17
2011-5-2
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
10
倒立摆系统的简要描述： 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 旋转倒立摆实验中， 来驱动一个刚性臂的一端， 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。 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。 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， 由度的接头上，这样摆杆就可以沿两个方向自由摆 摆杆的摆角通过传感器测量。 动，摆杆的摆角通过传感器测量。将这个机构装于 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。 2 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。
2011-5-2 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 22
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。
供多个系列和品种， 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、 多种) 组装，可以使用多块处理器板、多块 (多种)I/O 使系统运算速度、 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。 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 如汽车、火车、
2011-5-2 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 8
Βιβλιοθήκη Baidu
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
2011-5-2
• 平面倒立摆
• 回转仪
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
• 平面连杆机器人
• 柔性臂
第9章 半实物仿真与实时控制
控制系统计算机辅助设计—MATLAB 薛定宇 著《控制系统计算机辅助设计 语言与应用》第二版， 2006 语言与应用》第二版，清华大学出版社 CAI课件开发：鄂大志 、薛定宇 课件开发： 课件开发
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
2011-5-2
2011-5-2 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 20
9.3.3 dSPACE 实时控制实验
• dSPACE 使用的 Simulink 框图
2011-5-2 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 21
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 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。
2011-5-2 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 7
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)、 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( 电机编码输入(ENC)等 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 输入输出接口， 接起来，形成闭环控制结构。 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， 的应用程序，该程序可以启动由 Simulink 模型 生成的代码， 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。 采集数据，达到实时控制的目的。
的特殊开发环境。 的特殊开发环境。
2011-5-2 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 4
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 拟的特点，例如其组合性与灵活性强、 性好、可靠性高， 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。 巨大的优越性， 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、 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、 业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开 解决实际问题。 始用 dSPACE 解决实际问题。
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 目前在教学和一般科学实验方面比较流行的dSPACE ,它们是典型的智能化 部件是 ACE 1103 和 ACE1104 ,它们是典型的智能化 单板系统， DS1104、 单板系统，包括 DSP 硬件控制板 DS1103 和 DS1104、 Desk、 实时控制软件 Control Desk、实时接口 RTI 和实时 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中， 数据采集接口 MTRACE/MLIB，使用较为方便。其中， 总线接口， 处理器， 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 很高的处理性能及性能价格比， 计入门级产品。 计入门级产品。
2011-5-2 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 14
在球杆系统中， 是输出信号， 在球杆系统中，杆的位置 是输出信号，电机 为控制信号，需要设计一个控制器， 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 上起滑动变阻器的作用， 可以通过电 阻的值直接检测出来。 阻的值直接检测出来。
2011-5-2
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
23
2011-5-2 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 11
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
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
2011-5-2
12
9.3.1 受控对象的数学描述与 仿真研究
2011-5-2 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 3
单板系统 主要面向快速原型设计用户；其本身 主要面向快速原型设计用户；
就是一个完整的实时仿真系统， 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。 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 把处理器板， 板分开，
• 球杆系统实物图
2011-5-2 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 13
球杆系统的控制原理: 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。
• 球杆系统示意图
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
2011-5-2
6
9.2 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、 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。 制研究。
球杆系统的数学模型
• 受控对象模型
2011-5-2 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 18
• 球杆系统控制模型
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
2011-5-2
19
9.3.2 Quanser 实时控制实验
• 实时控制 Simulink 框图
1
主要内容
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
2011-5-2
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
2
9.1 dSPACE 简介与常用模块
9.1.1 dSPACE 简介
dSPACE (digital Signal Processing And Control Engineering) 实时仿真系统 是由德国 dSPACE 公司开发的一套和 可以“无缝连接” MATLAB/Simulink 可以“无缝连接”的控制 系 统开发及测试的工作平台。 统开发及测试的工作平台。
2011-5-2
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
15
电机拖动系统的数学模型
• 电机仿真模型
2011-5-2 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 16
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
2011-5-2 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 17
2011-5-2
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
10
倒立摆系统的简要描述： 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 旋转倒立摆实验中， 来驱动一个刚性臂的一端， 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。 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。 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， 由度的接头上，这样摆杆就可以沿两个方向自由摆 摆杆的摆角通过传感器测量。 动，摆杆的摆角通过传感器测量。将这个机构装于 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。 2 自由度机器人的末端就构成了平面倒立摆系统。
2011-5-2 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 22
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。
供多个系列和品种， 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、 多种) 组装，可以使用多块处理器板、多块 (多种)I/O 使系统运算速度、 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。 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 如汽车、火车、
2011-5-2 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 8
Βιβλιοθήκη Baidu
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
2011-5-2
• 平面倒立摆
• 回转仪
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
• 平面连杆机器人
• 柔性臂
第9章 半实物仿真与实时控制
控制系统计算机辅助设计—MATLAB 薛定宇 著《控制系统计算机辅助设计 语言与应用》第二版， 2006 语言与应用》第二版，清华大学出版社 CAI课件开发：鄂大志 、薛定宇 课件开发： 课件开发
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
2011-5-2
2011-5-2 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 20
9.3.3 dSPACE 实时控制实验
• dSPACE 使用的 Simulink 框图
2011-5-2 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 21
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 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。
2011-5-2 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 7
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)、 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( 电机编码输入(ENC)等 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 输入输出接口， 接起来，形成闭环控制结构。 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， 的应用程序，该程序可以启动由 Simulink 模型 生成的代码， 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。 采集数据，达到实时控制的目的。
的特殊开发环境。 的特殊开发环境。
2011-5-2 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 4
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 拟的特点，例如其组合性与灵活性强、 性好、可靠性高， 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。 巨大的优越性， 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、 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、 业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开 解决实际问题。 始用 dSPACE 解决实际问题。